和谐型机（动）车制动夹钳锁定弹簧断裂机理与防治

刘玉龙，刘晓霞，涂晓剑

（1. 中国铁路兰州局集团有限公司 车辆部，甘肃 兰州 730000；2. 中国铁路南昌局集团有限公司 车辆部，江西 南昌 330002）

0 引言

和谐型机（动）车装用2种结构不同的制动夹钳，分别为克诺尔车辆设备（苏州）有限公司（简称克诺尔公司）和青岛四方法维莱轨道制动有限公司生产（动车全部为克诺尔公司生产）。克诺尔公司生产的制动夹钳锁定块采用卡簧结构。2017年5月，HXD1C0731机车发生了卡簧断裂、闸片脱落现象，直接威胁行车安全。针对该现象，重点从断裂卡簧的结构特点、受力情况、宏观断口、组装工艺、技术验证等方面进行调查研究。

1 断裂机理

克诺尔公司生产的制动夹钳卡簧类似于U形结构（见图1），采用Φ5 mm特种不锈钢丝制作，一端为约7 mm直角弯头作为止挡，另一端为平口切割。

卡簧作用原理为：一端连接在锁定块中部圆孔内，另一端通过压缩插入闸片托孔（见图2）。锁定块一端通过弹性销与闸片托相连，另一端通过弧形挂钩与卡簧相连，从而使锁定块插入闸片托内侧的凸台从后部托住闸片，实现闸片垂向定位。

图1 卡簧结构

图2 卡簧组装结构

锁定块与卡簧组装后限制了锁定块的活动，保持闸片的良好定位，使闸片不发生脱落。因此，卡簧结构虽简单，但作用较大。

分析制动夹钳卡簧的断裂机理，应根据其结构特点并结合案例，从受力情况、宏观断口、组装工艺、技术验证等方面入手。

1.1 受力情况[1-2]

卡簧两股（同一平面）间设计制造时采用了偏斜角结构，组装后形成弹力，作用于闸片托孔内壁；同时在卡簧内侧弯曲部和闸片托孔结合部产生弯曲和剪切应力。上述应力属于静态应力，如果没有其他外力作用，对卡簧几乎没有破坏性。

更换闸片时由于工装（撬棍或螺丝刀）插入卡簧一侧撬出锁定块，在卡簧与锁定块下缘产生弯曲和剪切应力。这种应力虽是外力作用，但相对较小且更换闸片周期较长（一般在C5修前没有整体更换），对卡簧的影响微乎其微，同时这个外力的作用不在断口部位，可以忽略不计。

一般情况，制动夹钳所属部件在机（动）车缓解状态下，只承受自重作用和来自轮轨振动的垂向冲击；在机（动）车制动工况下，还有来自闸片与制动盘的横向压力和摩擦振动。机（动）车制动条件下的作用力被制动夹钳各销、座、闸片托承载，锁定块及卡簧不受外力作用，但锁定块凸台直接与闸片下端面接触，闸片振动时可通过锁定块直接将振动传递给卡簧。因此，卡簧除承受静态应力外（内侧弯曲部和闸片托孔结合部应力相对集中），还要承受来自轮轨和制动工况下的振动作用。

通过对HXD1型机车振动噪声试验数据的分析，HXD1型机车噪声与机车振动有直接关系，在轮对状态较好时，司机室噪声满足要求[3]。机（动）车振动主要来源于车轮非正常磨损失圆在踏面形成的多边形振动。机车车轮失圆经镟修后大多呈17～22边形特征（不落轮车床镟修后导致的结果）。以机车轮径1 200 mm、运行速度65～75 km/h、车轮呈18边形为例，计算车轮振动频率为86.3～99.5 Hz，添乘验证可知，这一频率范围内司机室振动噪声十分明显，对机车走行部部件的危害极大。

近年来，HXD1型机车在中卫—太原（榆次）间运用时多发车轮失圆且形成多边形的现象（其余区段相对较轻），机车走行部部件断裂比较严重，主要表现为砂管支架、扫石器支架、感应器支架、脚梯、沙箱等部件出现裂纹或断裂。这些部件存在共同的特征：一是几乎不存在外力作用；二是存在内应力（紧固、焊接）；三是单侧悬空装配。因此，振动会造成机车走行部一些装配特殊、存在内应力部件的断裂。制动夹钳卡簧的特征与上述部件相似，因此可推测卡簧断裂是振动导致的结果。按照上述结论，该机车每一个卡簧都存在断裂的可能性，但其他卡簧并没有发生断裂，其中必有特殊原因。

1.2 宏观断口

卡簧断裂位置为位于闸片托一侧插入闸片托孔的结合部（见图3），是应力相对集中的部位。其宏观断口存在3个明显特征区域（见图4）：疲劳区位于卡簧内侧圆弧与闸片托孔结合部，纹路细密且光亮（弯曲部内侧约1/6断口）；扩展区存在典型贝壳纹，且纹路逐步扩大（断面中部约3/6断口）；脆断区断面粗糙呈撕裂状，无疲劳贝壳纹（弯曲部外侧约2/6断口）。根据宏观断口分析，完全符合疲劳断裂特征，可以定性为是疲劳断裂。

图3 卡簧裂断位置

图4 卡簧宏观断口

通过触感和目测进一步观察断裂的卡簧，疲劳源处（内侧圆弧部与闸片托孔结合部）触感表面存在毛刺，目视观察毛刺处存在硬伤。同时闸片托孔与卡簧圆弧部对应位置存在明显冲击伤损（见图3），检查拆卸的2台HXD1D型机车制动夹钳卡簧同一位置，无毛刺、碰伤、起台等缺陷。显而易见，这种硬伤非机车运用过程中磨损形成，是一种非正常外力冲击导致的结果。

1.3 组装工艺

厂商《制动夹钳单元组装作业指导书》规定[4]：闸片托上专用工装固定，将锁定弹簧穿入锁定块的Φ5.6 mm孔，直到R2.0 mm折弯处；锁定弹簧另一端穿入闸片托Φ5.2 mm孔中，同时将锁定块卡入闸片托宽11槽中；锁定块绕锁定簧转动，锁定块另一端也卡入闸片托宽11槽中；用导引销工装穿过闸片托孔和锁定块Φ10.0 mm孔。注意：圆柱弹性销的开口方向按照图纸所示，开口正对闸片托外侧端面；用橡胶锤将锁定块砸入闸片托槽中到位，完成闸片托组装。

通过测量试验得知：若卡簧组装后弯角一侧与锁定块密贴，此时卡簧平头部位插入闸片托上部孔深约4.5 mm，这种状态应该是最佳状态（压感验证应力相对较小）。

检查库存的12件制动夹钳新造备品，卡簧上部折弯处与锁定块间都存在3～6 mm间隙；检查多台机车制动夹钳卡簧装车后弯头位置，发现大多数卡簧上部弯头处间隙与备品类似，只有个别与锁定块接触。为分析装配后的卡簧长短不齐的因素，再次进行现场验证：推入锁定块前，先将卡簧弯头部位撬压至与锁定块接触，推入锁定块后出现3 mm左右的间隙（弹力作用的结果）；推入锁定块前，将卡簧弯头部位撬拉至与锁定块最大间隙，所用推力很大、间隙略有缩小。验证表明：这种大小不等的间隙由推入锁定块前卡簧的起始位置决定，弯头部位间隙越大，内应力也就越大。这个环节作业者不可能锤击卡簧下部调整弯头间隙，导致内侧圆弧部损伤；装车的制动夹钳个别弯头部位与锁定块接触，经了解是绑扎铁丝时人工所为，即使敲击弯头上部也不可能造成卡簧内侧圆弧部损伤。

为进一步查明卡簧内侧圆弧部伤损原因，对C5修现场待装的1个制动夹钳进行检查，发现其中一侧卡簧下部与作业平台接触（见图5）。这就发现了卡簧内侧圆弧部碰伤的原因。互换备品放置在一侧悬空的台案上，卡簧处于悬空状态不会与台案发生接触，这一问题难以发现；现场装车时制动夹钳采用天车运输，起落力度难以完全掌控，只要发生下落过猛（卡簧为承力点），就会造成卡簧内侧圆弧部的碰伤，导致早期失效。失效程度由天车下落速度和作业平台的刚度决定。

卡簧一旦发生伤损就会造成承力横截面积减小，应力更加集中，在振动作用下伤损处形成疲劳源，加速卡簧的疲劳断裂。

通过以上检查、验证和分析，说明作业指导书中对卡簧的组装存在漏洞。虽然对部件组装顺序、初装位置进行了说明，但对推入锁定块前卡簧的位置没有明示，随意性较大；对卡簧插入闸片托孔过深会造成较大应力，容易使卡簧失效预见性不足；制动夹钳备品悬空放置虽有预见，但对现场吊运放置在平台没有明确警示，也没有要求制作专用工装，容易造成卡簧着地磕碰，导致早期失效。

1.4 技术验证

图5 卡簧下部与作业平台接触

克诺尔公司用于和谐型机（动）车的制动夹钳投用以来，卡簧断裂问题属于偶发；如果存在结构、强度和材质问题，机（动）车运用至一定里程必然会发生疲劳问题，裂纹或断裂可能大面积爆发。为考察其可靠性，对进入C5修（约走行120万km）解体的2台HXD1D型机车的48个制动夹钳卡簧进行了着色探伤和触感检查。结果表明：被检的卡簧没有发现任何形式的裂纹；触感表面光滑，没有任何缺陷。

1.5 结论

通过以上调研分析可得出：这次和谐型机车制动夹钳卡簧断裂，是制造组装或装车吊运过程中卡簧与作业平台发生了磕碰，导致卡簧内表面过渡圆弧部与闸片托孔边缘撞击产生伤损，造成早期失效；伤损部位形成裂纹源，在高频振动作用下逐步扩展，直至疲劳断裂。

伤损的卡簧在一定时期内是否发生断裂，取决于卡簧内侧弯曲部与闸片托结合部的伤损程度。

2 防治措施

制动夹钳卡簧一旦发生断裂，将直接导致闸片失控脱落，脱落的闸片在机（动）车高速运行条件下，掉入道床或人员密集处所，不仅使车轮本身失去制动力，还将直接威胁行车和人身安全。因此，采取切实可行的防治措施对于防范机（动）车闸片脱落、确保行车安全意义重大。

2.1 压感检查

对在役装有克诺尔公司制动夹钳卡簧结构的机（动）车，采用压感检查的方法进行普查，主要普查：卡簧表面是否存在毛刺、碰伤、起台等缺陷；卡簧弹力。具体操作方法如下：

（1）对上部弯头存在间隙的卡簧用小型螺丝刀插入下部弯曲处，轻轻下压，感觉卡簧弹力；然后用手指触摸（不得戴手套）锁定块以下裸露部分（尤其是闸片托孔一侧的弯曲部）。

（2）对上部弯头没有间隙的卡簧用掌心上推卡簧下部，感觉卡簧弹力；然后用手指触摸（不得戴手套）锁定块以下裸露部分（尤其是闸片托孔一侧的弯曲部）。

检查后一旦发现卡簧表面存在碰伤、起台、毛刺等缺陷或弹力失效，立即扣修，更换制动夹钳。

2.2 防脱捆绑

卡簧一旦断裂，锁定块必然脱钩；卡簧若失去弹力也有可能导致锁定块脱钩，采用防脱捆绑作为二道防线是必要的。重点是绑扎方法要得当，首先要找准点位（锁定块卡簧一侧最短路径）；其次是钢丝（铁丝）一定要拧（拉）紧，目的是防止锁定块与卡簧脱钩，限制锁定块外移。目前机（动）车对制动夹钳锁定块都采用了防脱捆绑。机车采用铁丝拧紧捆绑方式；动车采用钢丝锁扣捆绑方式（见图6）。从上述2种捆绑方式来看：动车采用的方式相对可靠，推荐采用动车钢丝锁扣捆绑方式。

2.3 源头治理

（1）改造闸片托下部卡簧装入孔结构。首先对闸片托卡簧下部装入孔进行倒角处理，倒角弧度应与卡簧弯曲部弧度匹配，避免发生磕碰时对卡簧造成较大损伤；彻底解决的方式是改造闸片托铸造模具，将内侧支撑点移至闸片托孔外侧，从结构上保证制动夹钳在作业平台不发生倾斜且卡簧不与作业平台接触而发生碰伤。

图6 防脱捆绑方式

（2）完善质量保证体系。对卡簧的组装工艺标准、装车后上部弯头的限度要求、是否发生碰伤等项点要严格检查验收，确保装车后卡簧内侧弯曲部不得与闸片托孔发生碰伤或接触，从源头上卡控存在碰伤问题的卡簧装车运用[5-6]。

（3）完善组装工艺标准及各环节检查方法。明确制造、装车、日常作业各个环节的工艺标准（尤其是装车时的工装机具）、检查方法；明确卡簧安装到位的限度要求；警示运输、装车过程中的注意事项等。制成作业指导书，发放至各作业环节，规范作业行为[5-6]。

3 结束语

针对和谐型机车制动夹钳卡簧断裂问题展开调查，旨在研究机（动）车制动夹钳卡簧断裂机理；客观分析机（动）车制动夹钳卡簧断裂是否存在倾向性问题，并提出防治措施，对机（动）车防范类似问题提供借鉴，同时对进一步提高制动夹钳的质量和可靠性有一定的促进作用。