自行火炮制動(dòng)器失效機(jī)理與應(yīng)對(duì)措施研究

梁慶海，白雲(yún)杰，張建卿

（1.中國(guó)人民解放軍陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北石家莊 050003；2.中國(guó)人民解放軍32153 部隊(duì)教研部，河北宣化 075100）

0 引言

制動(dòng)器是自行火炮、步戰(zhàn)車(chē)等軍用車(chē)輛、各類(lèi)民用汽車(chē)以及礦山機(jī)械、絞車(chē)、錨絞機(jī)、提升機(jī)等工程設(shè)備的重要組成部件，其主要作用是通過(guò)減少或者切斷動(dòng)力的傳輸，使運(yùn)動(dòng)件減速、停止或者保持駐停狀態(tài)。隨著研發(fā)技術(shù)和工藝水平的進(jìn)步，磁粉制動(dòng)器、鉗盤(pán)式制動(dòng)器以及電磁制動(dòng)器等采用新型結(jié)構(gòu)形式的制動(dòng)器得到廣泛應(yīng)用。在不同設(shè)備上使用的制動(dòng)器在結(jié)構(gòu)上差異較大，但其功能和原理卻大同小異。制動(dòng)器按工作方式可分為摩擦式制動(dòng)器和非摩擦式制動(dòng)器兩大類(lèi)，詳細(xì)的分類(lèi)及應(yīng)用情況見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)制動(dòng)器及其應(yīng)用情況

由于自行火炮自身的重量較大，即便是輕型自行火炮的自重也可達(dá)到15～18 t，一些重型自行火炮的整車(chē)重量甚至可達(dá)40 t 以上，為確保能夠提供足夠大的制動(dòng)力，目前在輪式自行火炮上使用的是鼓式制動(dòng)器，在履帶式自行火炮上則使用帶式制動(dòng)器。作為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中最重要的安全控制部件，自行火炮制動(dòng)器的制動(dòng)穩(wěn)定性與可靠性在很大程度上決定了自行火炮制動(dòng)系統(tǒng)的整體運(yùn)行質(zhì)量，并對(duì)自行火炮及其操作人員的安全產(chǎn)生重要影響。目前針對(duì)自行火炮制動(dòng)器的失效機(jī)理的專(zhuān)門(mén)研究還較少，以下從自行火炮的結(jié)構(gòu)原理入手，結(jié)合自行火炮的實(shí)際使用情況進(jìn)行研究，系統(tǒng)分析造成自行火炮制動(dòng)器失效的原因及過(guò)程，并提出一些應(yīng)對(duì)措施。

1 結(jié)構(gòu)原理分析

1.1 鼓式制動(dòng)器

鼓式制動(dòng)器主要由制動(dòng)鼓、制動(dòng)蹄、制動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、摩擦襯片等組成，并與輪轂固定在一起，其結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。在工作時(shí)，制動(dòng)蹄在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下將摩擦襯片往制動(dòng)鼓上壓緊，輪轂在制動(dòng)力的作用下減速或駐停，以確保行駛安全或駐車(chē)安全。

圖1 鼓式制動(dòng)器

由于輪式自行火炮的底盤(pán)系統(tǒng)最早是從民用重型汽車(chē)的底盤(pán)系統(tǒng)演化而來(lái)的，且鼓式制動(dòng)器造價(jià)便宜，因此其制動(dòng)系統(tǒng)也沿用了重型汽車(chē)上通常使用的鼓式制動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案。一般情況下自行火炮的行駛速度相較于民用汽車(chē)而言要低得多，其制動(dòng)蹄也比民用汽車(chē)上廣泛使用的盤(pán)式制動(dòng)器的耐用程度高，這也是在輪式自行火炮上采用鼓式制動(dòng)器而非盤(pán)式制動(dòng)器的一個(gè)重要原因。但是其封閉式或半封閉式的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不利于提高制動(dòng)效能和散熱[5,6]。鼓式制動(dòng)器的主要受力部件在高溫影響下易發(fā)生形變，并引發(fā)制動(dòng)衰退、抖振以及制動(dòng)效率下降等現(xiàn)象。尤其是在崎嶇的路面上制動(dòng)時(shí)，其操控穩(wěn)定性較差。因此，需要經(jīng)常調(diào)校制動(dòng)蹄的位置，必要時(shí)須對(duì)制動(dòng)器進(jìn)行整體拆卸和分解維護(hù)，并清理淤積在其內(nèi)的剎車(chē)粉塵。

1.2 帶式制動(dòng)器

帶式制動(dòng)器是通過(guò)使圍繞在制動(dòng)鼓周?chē)闹苿?dòng)帶收縮抱緊而產(chǎn)生制動(dòng)效果的一種制動(dòng)器。帶式制動(dòng)器主要由制動(dòng)鼓、制動(dòng)帶、液壓缸及活塞、推拉桿等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。盡管其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但帶式制動(dòng)器在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上僅占用較小的空間，而且具有良好的抱合性能，是一種典型的工業(yè)制動(dòng)器。帶式制動(dòng)器在工作時(shí)，制動(dòng)帶和制動(dòng)鼓之間會(huì)產(chǎn)生明顯的楔緊效應(yīng)，從而使制動(dòng)鼓轉(zhuǎn)速降低乃至停止。因此，在同等尺寸條件下，帶式制動(dòng)器通常相較于其他形式的制動(dòng)器能提供更大的制動(dòng)力。

圖2 帶式制動(dòng)器

相較于輪式自行火炮，履帶式自行火炮的自身重量更大，需要更大的制動(dòng)力才能達(dá)到可靠安全的制動(dòng)效果。因此，在履帶式自行火炮上使用的是帶式制動(dòng)器。自行火炮上的帶式制動(dòng)器與行星轉(zhuǎn)向器組合安裝，在轉(zhuǎn)向、制動(dòng)及駐車(chē)時(shí)提供制動(dòng)力。帶式制動(dòng)器在制動(dòng)時(shí)，允許制動(dòng)帶與制動(dòng)鼓之間有輕微的滑磨，使制動(dòng)鼓不至于突然止動(dòng)而對(duì)主動(dòng)輪及其他裝置產(chǎn)生猛烈沖擊。但如果制動(dòng)帶與制動(dòng)鼓之間產(chǎn)生過(guò)多的滑磨，則會(huì)引起制動(dòng)帶過(guò)度磨損或燒蝕。帶式制動(dòng)器的滑磨程度隨著制動(dòng)帶內(nèi)表面所襯敷的摩擦襯片的磨損程度增加及制動(dòng)帶與制動(dòng)鼓之間的間隙增大而增大。因此需經(jīng)常檢查和調(diào)整制動(dòng)帶與制動(dòng)鼓之間的間隙，防止因滑磨嚴(yán)重而導(dǎo)致制動(dòng)失靈。制動(dòng)帶與轉(zhuǎn)鼓之間的間隙可通過(guò)作為制動(dòng)帶固定端的調(diào)整螺栓進(jìn)行調(diào)整，最后通過(guò)鎖止螺母鎖緊，以防松動(dòng)。

制動(dòng)帶是帶式制動(dòng)器的關(guān)鍵部件，按抗變形能力的強(qiáng)弱可分為剛性制動(dòng)帶和撓性制動(dòng)帶。剛性制動(dòng)帶比撓性制動(dòng)帶厚，具有較大的強(qiáng)度和熱容性，其缺點(diǎn)是不易產(chǎn)生與制動(dòng)鼓相適應(yīng)的變形，在發(fā)生變形后難以恢復(fù)，可能會(huì)導(dǎo)致抱合性能的下降。撓性制動(dòng)帶在工作時(shí)可與制動(dòng)鼓更好地貼合，且制造成本較低。為保證強(qiáng)度和耐用性，在履帶式自行火炮上采用的是剛性制動(dòng)帶。制動(dòng)帶是通過(guò)在卷繞的鋼帶底板上粘接摩擦襯片制成的，其厚度根據(jù)不同的裝備需求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，通常越厚的制動(dòng)帶剛性越強(qiáng)，能提供更大的夾緊力，從而在摩擦襯片和制動(dòng)鼓之間產(chǎn)生更大的制動(dòng)力。帶式制動(dòng)器在制動(dòng)時(shí)需對(duì)制動(dòng)軸附加較大的作用力，因此在操作上極度依賴液壓助力。另外，由于制動(dòng)帶的繞出端和繞入端的張力不均等，造成制動(dòng)帶對(duì)制動(dòng)鼓各處的壓力也不均等，從而造成各摩擦襯片及制動(dòng)鼓表面磨損不均勻，影響其制動(dòng)效果和工作壽命。

2 失效模式及機(jī)理分析

2.1 液壓助力油缸滲漏導(dǎo)致制動(dòng)困難

自行火炮在使用過(guò)程中常出現(xiàn)制動(dòng)困難的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為制動(dòng)踏板發(fā)沉，需要極大力度才能將踏板踏到底或者甚至無(wú)法推動(dòng)踏板。出現(xiàn)這種情況的原因多為制動(dòng)液壓助力不足，從而導(dǎo)致制動(dòng)困難甚至無(wú)法制動(dòng)。最常見(jiàn)的具體原因?yàn)橹苿?dòng)器的液壓活塞孔出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致液壓油滲漏以至無(wú)法提供足夠的油壓。密封圈的失效也可能導(dǎo)致液壓助力不足。密封圈是由橡膠材料制成的，當(dāng)其彈力減弱至一定程度后就會(huì)發(fā)生永久變形，由此引發(fā)密封失效。另外，由于早期設(shè)計(jì)和加工缺陷導(dǎo)致的活塞、密封圈及凹槽三者的裝配不同心，在液壓的持續(xù)作用下，密封間隙也會(huì)不斷擴(kuò)大進(jìn)而導(dǎo)致密封圈的扭曲、變形甚至翻轉(zhuǎn)。

2.2 螺栓及螺母松動(dòng)導(dǎo)致制動(dòng)失效

不論是輪式自行火炮上采用的鼓式制動(dòng)器還是履帶式自行火炮上采用的帶式制動(dòng)器，其制動(dòng)蹄或者制動(dòng)帶均通過(guò)緊固螺栓進(jìn)行限位和固定，以保持摩擦襯片與制動(dòng)鼓之間的正常間隙。自行火炮的使用環(huán)境較為惡劣，在工作過(guò)程中制動(dòng)器需要頻繁經(jīng)受沖擊、彎曲、扭轉(zhuǎn)等各向載荷。緊固螺栓及鎖緊螺母的螺紋區(qū)域多為應(yīng)力集中的薄弱環(huán)節(jié)，其抗扭曲強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度較弱。當(dāng)自行火炮緊急制動(dòng)時(shí)，緊固螺栓及鎖緊螺母處的螺紋受到極大的軸向沖擊和拉伸應(yīng)力。在上述沖擊和應(yīng)力作用下，螺紋的磨損和變形逐漸累積，當(dāng)達(dá)到極限時(shí)極易引發(fā)疲勞斷裂。在實(shí)際工作中對(duì)自行火炮制動(dòng)器進(jìn)行檢查拆卸時(shí)，發(fā)現(xiàn)絕大部分的制動(dòng)器緊固螺栓在螺紋連接處都有磨損，且有的磨損較為嚴(yán)重。

2.3 機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力綜合作用導(dǎo)致制動(dòng)器失效

在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中，摩擦升溫所達(dá)到的溫度最大值出現(xiàn)在摩擦力最大的區(qū)域，摩擦熱量總是從摩擦襯片向制動(dòng)蹄或制動(dòng)帶傳遞，摩擦襯片溫度均高于制動(dòng)蹄或制動(dòng)帶接觸區(qū)的溫度。由于熱量傳遞需要一定時(shí)間，摩擦襯片和制動(dòng)蹄或制動(dòng)帶到達(dá)最大溫度的時(shí)刻不相同，制動(dòng)蹄或制動(dòng)帶總是滯后于摩擦襯片。而應(yīng)力場(chǎng)的最大值并非出現(xiàn)在溫度最大時(shí)刻，而是稍稍滯后，這主要是由于應(yīng)力的大小受到溫差、拉力、摩擦力以及所施加的制動(dòng)正壓力綜合影響所導(dǎo)致的。隨著制動(dòng)的進(jìn)行，熱量的產(chǎn)生速率逐漸減小，溫度梯度及最大應(yīng)力也隨之減小。制動(dòng)結(jié)束后進(jìn)入散熱過(guò)程，此時(shí)制動(dòng)蹄或制動(dòng)帶上出現(xiàn)拉應(yīng)力。每次制動(dòng)過(guò)后，摩擦襯片及制動(dòng)帶均會(huì)存在殘余塑性應(yīng)變，無(wú)法完全恢復(fù)至之前的狀態(tài)。在經(jīng)歷反復(fù)的制動(dòng)及散熱過(guò)程后，制動(dòng)帶的表面區(qū)域容易產(chǎn)生裂紋，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至超過(guò)閾值時(shí)制動(dòng)器失效。尤其是在緊急制動(dòng)工況下，上述熱衰退效應(yīng)更為明顯。自行火炮的使用環(huán)境及操作場(chǎng)景極具特殊性，且相較于民用汽車(chē)而言，自行火炮可能會(huì)更頻繁地更換駕駛員，甚至在許多情況下是由駕駛經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)都比較欠缺的新駕駛員進(jìn)行駕駛操作的。因此，自行火炮在行駛過(guò)程中可能會(huì)頻繁地用到緊急制動(dòng)，更容易造成制動(dòng)器過(guò)早失效。

2.4 其他失效情況

除了上述幾種典型的情況外，自行火炮制動(dòng)器在實(shí)際使用過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)的失效包括零部件磨損、銹蝕等。由于一些人為操作不當(dāng)或偶然因素，會(huì)導(dǎo)致自行火炮制動(dòng)器滲入油污或其他的雜質(zhì)。滲入油污可使制動(dòng)器摩擦副之間出現(xiàn)滑磨或者銹蝕，一些雜質(zhì)可導(dǎo)致制動(dòng)器過(guò)度磨損，造成制動(dòng)器失效。

3 自行火炮制動(dòng)器失效應(yīng)對(duì)措施

基于上述分析，根據(jù)自行火炮使用的實(shí)際情況，提出一些應(yīng)對(duì)措施。

3.1 控制人為損壞

自行火炮制動(dòng)器很多失效問(wèn)題與駕駛員的操作不當(dāng)、檢查保養(yǎng)不規(guī)范密切相關(guān)。例如，由于一些駕駛員駕駛技能不熟練，過(guò)于頻繁地使用緊急制動(dòng)或者長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)，均易使制動(dòng)器因摩擦熱效應(yīng)導(dǎo)致制動(dòng)失靈。

自行火炮是重型武器裝備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是底盤(pán)系統(tǒng)采用了許多特殊設(shè)計(jì)。因此，自行火炮在駕駛操作上有許多不同于民用汽車(chē)的地方，這就要求自行駕駛員必須熟悉裝備，熟練掌握特殊的駕駛技能。另外，自行火炮使用環(huán)境復(fù)雜且惡劣，在特定的戰(zhàn)術(shù)背景條件下需要進(jìn)行一些極限操作。這對(duì)自行火炮裝備本身及其操作人員均提出極高要求。而由于部隊(duì)人員的流動(dòng)性比較大，難以保證一個(gè)合格的自行火炮駕駛員長(zhǎng)時(shí)間在其崗位上工作。因此需要加強(qiáng)自行火炮駕駛員的專(zhuān)業(yè)化培訓(xùn)，讓其充分掌握制動(dòng)器在不同情況下的操作要領(lǐng)和技巧，以便充分利用地形和駕駛技能，盡量減少對(duì)自行火炮制動(dòng)器的過(guò)度使用。還需要加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)的知識(shí)與技能培訓(xùn)，改變以往只重操作、忽視維護(hù)保養(yǎng)的不良做法，嚴(yán)格落實(shí)裝備維修的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)定，減少制動(dòng)器的過(guò)早失效。

3.2 科學(xué)研究預(yù)測(cè)

自行火炮制動(dòng)器的失效原因具有很多偶然因素，但是從原理上分析仍能總結(jié)一些規(guī)律和特點(diǎn)?？衫糜邢拊治龅确椒▽?duì)自行火炮制動(dòng)器進(jìn)行受力分析，發(fā)現(xiàn)其容易發(fā)生形變和磨損的區(qū)域，進(jìn)行針對(duì)性的強(qiáng)化設(shè)計(jì)和維護(hù)保養(yǎng)，可延長(zhǎng)其使用壽命。另外，通過(guò)對(duì)使用情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析，可總結(jié)制動(dòng)器失效的一般規(guī)律和特點(diǎn)，預(yù)測(cè)其失效的時(shí)間，從而進(jìn)行預(yù)防性維修，可最大限度減少制動(dòng)器失效引發(fā)安全事故，保護(hù)裝備及人員安全。

3.3 適當(dāng)升級(jí)改進(jìn)

自行火炮的設(shè)計(jì)服役年限通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于民用汽車(chē)的設(shè)計(jì)使用壽命。這就導(dǎo)致許多自行火炮制動(dòng)器上的零部件在一定年限后，其設(shè)計(jì)和材料性能均落后于市場(chǎng)上的民用件。在這種情況下，可考慮采用可替代的一些材料或者通用備件進(jìn)行更換，從而延長(zhǎng)其工作壽命。對(duì)于一些耗損件，如密封圈、制動(dòng)帶、摩擦襯片等，在市場(chǎng)上有更好的產(chǎn)品的情況下，可在自行火炮大修的時(shí)候進(jìn)行更新升級(jí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

自行火炮是支撐現(xiàn)代國(guó)防的一類(lèi)主戰(zhàn)裝備，在陸軍的火力打擊體系中仍居于十分重要的地位。制動(dòng)器失效問(wèn)題對(duì)自行火炮戰(zhàn)斗力的發(fā)揮和操作人員的安全均產(chǎn)生較大影響。本研究可為自行火炮維修保障方面的相關(guān)研究提供參考。