踏面制动单元手动缓解装置的失效分析及改进

刘 磊 王龙泉 孙 博 郑俊琦

（中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲412001）

0 引言

踏面制动单元是制动系统的重要组成部分，对于轨道交通车辆的安全运行起着至关重要的作用。在车辆正常运行过程中，踏面制动单元通过风源系统供给的压力空气完成常用制动、缓解作用。而在车辆停车或者断电、断风的情况下，踏面制动单元通过自身的弹簧机构完成停放制动作用，并通过手动缓解装置完成停放制动的缓解。手动缓解装置的失效会直接影响车辆在停车或者断电检修后的正常运行启动。

本文将在充分分析的基础上，进行踏面制动单元手动缓解装置的结构优化，以有效解决手动缓解装置的失效问题。

1 踏面制动单元手动缓解装置的工作原理说明

手动缓解装置是踏面制动单元的重要组成部件之一，装配于踏面制动单元的停放缸侧面，实现停放制动的保持和缓解作用。手动缓解装置主要由拉环、棘轮销安装座、皮碗、垫片、弹簧、安装垫块、螺栓等部件组成，如图1所示。拉环的设置方便了手动缓解操作；棘轮销主要作用于停放缸内部机构，直接实现停放制动的保持和缓解；弹簧主要用于机构的复位和缓冲；皮碗、O型密封圈起到密封防尘的作用；安装垫块是整个机构装配的基座；螺栓用于手缓解装置在停放缸上的紧固；钢丝挡圈主要用于弹簧结构的锁紧和防脱出。

图1 手缓解装置示意图

1.1 停放制动的施加

踏面制动单元的停放缸部分如图2所示，主要组成部件为停放缸体、停放丝杆、中间体、弹簧、手动缓解装置、蓄能活塞等。

图2 踏面制动单元停放制动缸示意图

在车辆正常运行时，停放缸体通过中间体上的进气孔充满压缩空气，作用在蓄能活塞上，将主、次压缩弹簧向上压缩，同时带动停放丝杆向上运动，此时停放制动没有作用，处于缓解状态。

将停放缸内的压缩空气排空后，主、次压缩弹簧开始释放弹簧力，通过蓄能活塞带动停放丝杆向下运动。而停放丝杆向下的压力会最终作用在闸片上，从而施加停放制动作用。

1.2 停放制动的保持

如1.1所述，在排空停放缸内压缩空气的同时，弹簧力向下带动停放丝杆产生停放制动作用。与此同时，主、次压缩弹簧释放弹簧力会使棘轮产生旋转动作，该旋转动作会作用在停放丝杆上使得停放丝杆向上运动，从而消除停放丝杆的停放制动作用，此时就需要停放制动的保持机构。

踏面制动单元的手动缓解装置就是这样一个保持机构，其处于自然状态时，棘轮销安装座与棘轮销在弹簧压力的作用下伸出，作用于上述棘轮上，从而限制棘轮的旋转动作，使得停放制动作用得以保持。

1.3 停放制动的缓解

如1.2所述，停放制动保持时，手动缓解装置的棘轮销作用于棘轮上，限制了棘轮的动作，从而为停放缸储存了弹簧力，实现了车辆的停放制动功能。

当需要对停放制动进行缓解时，只要拉动手动缓解装置的拉环，使得棘轮销向外收回，失去对于棘轮的限位作用。此时棘轮将快速旋转，带动停放丝杆向上运动，压力失效，主、次压缩弹簧的力被释放，停放制动缓解。

2 手动缓解装置的失效分析

通过工作原理分析可以发现，手动缓解装置的失效主要体现在两个方面：停放制动不能保持和停放制动不能缓解。结合手动缓解装置在实际运用中出现的失效案例与手动缓解装置的作用原理，并通过不断试验验证，对其主要失效原因分析总结如下：

2.1 棘轮销磨损

在向踏面制动单元停放制动缸充风时，蓄能活塞向上运动带动停放丝杆向上运动，此时与停放丝杆配合的棘轮会产生旋转动作。棘轮具有单向性，此时的旋转方向不能被棘轮销限制，旋转过程中棘轮的齿会不断对棘轮销产生撞击、磨损。在停放制动施加时，棘轮销要限制棘轮的旋转动作，但在与棘轮接触的瞬间仍然会受到棘轮巨大的冲击力。此外，在进行手动缓解停放制动时，若手缓解装置向外扯出的程度和时间不够，快速旋转的棘轮仍然会与棘轮销产生接触，从而磨损和切削棘轮头部。

随着停放制动功能不断使用，上述由棘轮对棘轮销产生的撞击、磨损会使棘轮销头部逐渐变形、变短，最终的结果是棘轮销无法对棘轮进行有效限位，从而导致停放制动无法保持。

2.2 弹簧失效

手动缓解装置中的弹簧起着始终保持棘轮销向里伸出的作用。其中，小弹簧还能够缓冲停放缸充风时棘轮对棘轮销的冲击力。

在运用中若弹簧失效，棘轮销和棘轮杆垫失去了保持力，在棘轮盘的撞击下会不断向外移动，直至棘轮销完全无法对棘轮进行有效限位，此时的后果也是停放制动无法保持。

2.3 密封作用失效

密封作用失效即手缓解装置中的皮碗和O型圈破损或者变形，无法使停放缸内形成有效密封腔。此时向停放缸充风，因存在泄漏，主、次压缩弹簧无法被完全压缩，压缩量小，被存储的弹簧力也较小。再次排风时，弹簧产生的制动力则比正常停放制动时的制动力小很多，停放制动不能完全施加。

除了皮碗和O型圈破损、变形外，棘轮销安装座与皮碗配合面的表面粗糙度也会引起密封作用失效。

2.4 钢丝挡圈脱出

手动缓解装置的钢丝挡圈主要通过垫片限制棘轮销朝停放缸内部的自由度，使得其与棘轮销安装座有效连接，从而可以通过拉动拉环使棘轮销安装座带动棘轮销向外运动，达到停放制动缓解的目的。

钢丝挡圈脱出后，棘轮销从棘轮销安装座中脱出，无法完成伸缩动作，便会导致停放制动无法缓解的故障。

3 改进措施

根据实际运用信息以及现场多次的疲劳试验验证，上述引起手动缓解装置失效的原因中，棘轮销磨损和钢丝挡圈脱出是发生频次最多的，其他情形极少发生或从未出现过。

针对发生频次最多的失效原因，提出并验证实施了如下改进措施：

（1）棘轮销磨损的改进。结合棘轮销磨损的发生机理，对故障棘轮销进行了表面硬度检测，检测结果均在42～47 HRC。在综合考虑技术条件和充分进行疲劳试验验证后，将棘轮销表面硬度要求提升20%。

此外，为了避免因手动缓解时操作不当导致的棘轮销磨损，制定了专门的手动缓解操作规范并随产品交出。

（2）钢丝挡圈脱出的改进。手缓解装置中的钢丝挡圈安装在棘轮销上的沟槽内，且与垫片接触。随着手缓解装置的运用，钢丝挡圈不断受到垫片的挤压，会慢慢变形、脱出。在确保垫片作用的基础上，对垫片的结构进行优化，如图3所示，使得与钢丝挡圈接触面在内外两侧均形成沟槽，从而将钢丝挡圈限位，极大地降低甚至消除了其脱出的可能性。

图3 垫片结构改进示意图

（3）此外，对于极少出现的因棘轮销安装座表面粗糙度不良引起的密封性失效，改进了技术要求，将棘轮销安装座的表面粗糙度等级提升一级。

4 结语

踏面制动单元手动缓解装置的失效分析有助于深入了解产品结构和原理，可以有效预判故障原因。同时，基于失效分析对棘轮销、垫片等零部件进行一定的优化改进，能够使手动缓解装置更加稳定可靠，从而确保车辆运行安全。

[1]陈君，吴明华，郑小磊.电力机车制动技术[M].成都：西南交通大学出版社，2017.

[2]刘豫湘，陆缙华，潘传熙.DK-1型电空制动机与电力机车空气管路系统[M].北京：中国铁道出版社，2012.

[3]聂小武.电力机车制动系统检修与维护[M].成都：西南交通大学出版社，2017.