夾鉗單元停放螺桿異常磨損原因分析與解決措施

韓紅文 趙金良 興百憲

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司研制的PX型四點緊湊式制動夾鉗單元，具有以下特點：制動倍率大(制動倍率為8.58)，輸出的制動力和停放力大，在轉向架上所占安裝空間小，模塊化程度高，且在產品全壽命周期內，檢修更換維護較為簡單，不需要拆卸輪對，大大減少了制動夾鉗單元檢修維護的人工作業(yè)強度，降低成本，提高效率[1]。

緊湊式制動夾鉗單元根據(jù)功能區(qū)分，包括常用制動夾鉗單元和帶停放功能制動夾鉗單元兩種結構，停放制動也稱為駐車制動，常用于軌道車輛的駐車[2]。在開發(fā)帶停放功能的緊湊式夾鉗單元時，夾鉗單元的停放缸是借鑒踏面制動單元的停放模塊進行改進設計的，該產品應用較多，經(jīng)過線路考核，結構可靠，性能穩(wěn)定，因此該停放模塊技術比較成熟。地鐵夾鉗單元使用該停放模塊，可以減少新產品開發(fā)的周期與難度，提高產品性能的穩(wěn)定性和可靠性，并降低開發(fā)成本。

1 問題概述

在列車運行過程中，停放制動夾鉗單元除了需要滿足常用制動與緩解及停放制動與緩解的功能外，還應具備手動緩解的功能，即在車輛出現(xiàn)故障或者入庫檢修等情況下，無法實施停放狀態(tài)下的充氣緩解，對停放制動夾鉗單元進行手動緩解，以保證對故障車實施移車的順利進行。為此，在停放制動夾鉗單元出廠前，需要進行不少于1萬次的手動緩解動作疲勞試驗。

停放制動夾鉗單元的手動緩解試驗過程是將停放缸進行一次充排氣，排氣時停放制動夾鉗單元施加了停放制動，在該狀態(tài)下拉動手緩解拉繩，完成停放制動夾鉗單元的手動緩解試驗。公司在對試制完成的停放制動夾鉗單元進行手動緩解疲勞試驗時，完成9 000次疲勞試驗后，拉動手緩解拉繩，停放缸未緩解。針對該情況，對失效原因進行了分析。

2 動作原理分析

帶停放功能的制動夾鉗單元結構如圖1所示，根據(jù)結構原理和試驗現(xiàn)象，經(jīng)分析，手動緩解疲勞功能失效的原因主要在停放缸部分(見圖2)。停放缸中充入高壓氣體，處于充氣緩解狀態(tài)，停放活塞處于充氣緩解位置。當需要停放制動時，將停放缸中的高壓氣體排出，停放缸中的蓄能彈簧將帶動停放活塞向下運動，帶動頂桿推動杠桿組成實施停放制動。在實施制動手動緩解時，彈簧力將促使停放活塞中的停放螺母與停放螺桿發(fā)生相對旋轉，停放活塞回復到圖1狀態(tài)，此時完成了手動緩解[3]。

圖1 帶停放制動夾鉗單元結構圖

圖2 停放缸手緩解結構圖

3 原因分析

停放缸未手動緩解，考慮是由于停放螺桿與停放螺母未發(fā)生相對的旋轉，導致停放活塞未能達到相應的回復位置。初步判斷故障出現(xiàn)在停放螺桿組件、停放活塞組件和手拉緩解機構組件三部分，具體情況需要經(jīng)過拆解分析。

3.1 拆解檢查

對出現(xiàn)故障的制動單元進行拆解后發(fā)現(xiàn)，停放螺桿組件中的停放螺桿零件的梯形螺紋磨損異常嚴重，導致非自鎖螺紋升角等參數(shù)形態(tài)發(fā)生了重大改變，而其他組件零件經(jīng)過拆解檢查，沒有明顯的故障痕跡，因此將這次試驗失效原因定位在停放螺桿上。由于停放螺桿的異常磨損，導致與非自鎖螺母的嚙合出現(xiàn)故障，最終出現(xiàn)手動緩解功能的失效，分解的零件如圖3所示。

圖3 停放螺桿磨損圖

3.2 磨耗原理與故障分析

由于該停放模塊采用的是踏面制動單元的停放結構，應用多年，經(jīng)過型式試驗和應用考核，考慮是由于緊湊式制動夾鉗單元的工況與原產品工況不同，導致試驗結果的不同。針對這個問題，分別對踏面制動單元停放模塊與緊湊式制動夾鉗單元停放模塊進行理論分析與對比，確定故障原因。

對于停放缸模塊，其停放制動的原理為：當停放缸排氣，停放活塞帶動停放螺母移動，從而推動停放螺桿伸出，最終推動杠桿實現(xiàn)停放制動。這個過程停放螺桿與停放螺母之間幾乎沒有相對滑動，因此很少有磨耗。當拉動手緩解裝置后，停放缸內棘輪與拉鉤脫節(jié)，停放螺桿與停放螺母之間有相對滑動，因此停放螺桿的磨耗主要集中在這一過程。

定性分析夾鉗的停放螺桿與踏面制動單元的停放螺桿的磨耗，根據(jù)經(jīng)驗，在結構確定的情況下，其磨耗大小主要與行程和制動力兩個因素有關。

對于磨耗過程的行程來說，根據(jù)其停放缸的制動原理，分為形變行程與空行程。形變行程，即閘片端從盤片之間的作用力為停放制動力到兩者剛好接觸的過程中停放螺桿的行程，其過程為停放活塞推動制動螺桿沿螺紋旋轉前進[4]。因為制動力較大，且沿螺紋滑動，因此磨耗主要發(fā)生在這個過程當中?？招谐?，即閘片端從緩解間隙到剛好與制動盤接觸的過程中停放螺桿的行程，其過程當中主要是氣缸復位彈簧的推動作用，因為其作用力相對于制動力，差距較大(停放制動力是氣缸復位彈簧力的十幾倍)，因此空行程過程當中，磨耗并不多。

關于制動力，其停放制動力的大小主要體現(xiàn)在停放彈簧的力值，兩種產品的停放彈簧實際計算力值如表1所示。

表1 兩種產品的停放彈簧的力值對比

由表1可得，制動夾鉗單元的彈簧在形變行程中的平均停放力要大于踏面制動器的彈簧。其原因主要是由于其空行程長短導致(踏面制動器的空行程較長，彈簧壓縮量較小)。

3.3 緊湊式制動夾鉗單元停放螺桿行程計算

關于形變行程的長度，因為停放螺桿與常用活塞的活塞面相抵，因此停放螺桿的行程可以通過常用活塞在形變過程的位移量來確定，并通過有限元建模方法來確定其形變位移的大小。

通過對制動夾鉗單元有限元建模，并添加停放工況，得出其形變位移為11.842 mm～11.987 mm，如圖4所示。停放螺桿行程約為11.914 mm左右。

3.4 踏面制動單元停放螺桿行程計算

通過對踏面制動單元有限元建模，并添加停放工況，得出其形變位移為2.260 mm～2.782 mm，如圖5所示。停放螺桿行程為2.521 mm左右。

圖4 制動夾鉗單元常用活塞形變位移圖

圖5 踏面制動單元常用活塞形變位移圖

3.5 分析結果

制動夾鉗單元停放螺桿的形變行程遠大于踏面制動單元的形變行程，并且在形變行程中制動夾鉗單元常用活塞的制動力反作用力也大于踏面制動單元常用活塞的制動力反作用力。由此可得，在停放缸單元結構大致相同的情況下，制動夾鉗單元停放螺桿的磨耗要大于踏面制動單元停放螺桿的磨耗。

4 解決方案及應用效果

4.1 解決方案

緊湊式制動夾鉗單元在手動緩解過程中，由于夾鉗外部杠桿的變形較大，在緩解過程中，首先是夾鉗的變形杠桿進行回復，此時受力較大，經(jīng)過仿真計算，停放螺桿與停放螺母的相對滑動距離為13 mm，需克服較大的杠桿變形力，由于停放螺母采用的鋁青銅材料，材質較硬且耐磨損，因此導致球墨鑄鐵材料停放螺桿的磨損較多。

而踏面制動單元由于外部杠桿較短，變形較小，在手動緩解時，經(jīng)過仿真計算，停放螺桿與停放螺母相對滑動距離為2.4 mm，滑動距離較短，因此磨損也較少，在進行1萬次手動緩解試驗后，停放螺桿累計磨損符合使用要求。

要解決緊湊式制動夾鉗單元的停放螺桿異常磨損問題，在零件結構保持不變的情況下，考慮到耐低溫性能，提出將球墨鑄鐵材質停放螺桿更換為42CrMo材質，硬度提高到28～32HRC[5]，這樣可以提高停放螺桿的硬度，增強其耐磨性；同時在螺紋副匹配處，增加適當?shù)臐櫥椭?，保證螺紋副運動下的潤滑。

4.2 應用效果

對優(yōu)化后停放制動夾鉗單元進行1.5萬次手動緩解疲勞試驗，試驗結果顯示，手動緩解功能正常，符合設計預期目標。試驗后將停放缸做拆解檢查：停放螺桿與停放螺母均未發(fā)現(xiàn)明顯的磨損，配合良好，非自鎖螺紋結構未發(fā)現(xiàn)明顯的改變，試驗后零件如圖6所示。

圖6 優(yōu)化試驗圖

5 結束語

通過更改停放螺桿的材質，提高其硬度與耐磨性，有效提高了制動夾鉗單元的手動緩解疲勞性能。非自鎖螺紋保持適當?shù)臐櫥?，降低螺紋副之間的摩擦因數(shù)，可以提高其潤滑和耐磨性。