和谐型机（动）车制动夹钳锁定弹簧断裂机理与防治

2019-06-18刘玉龙刘晓霞涂晓剑

铁路技术创新 2019年2期

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。