港口AGV 用濕式多盤制動器失效分析與改進

何守訓，李 卿，劉宗強

（青特集團有限公司技術中心，山東 青島 266106）

引言

在工程機械領域，常見的制動器有：鼓式制動器、鉗盤式制動器、濕式多盤制動器。前兩種為干式制動器，而后一種為濕式制動器[1]。濕式多盤制動器是一種高安全型液剎制動器，具有制動力矩大、使用壽命長、抗熱衰退與抗污染能力強、免維護等特點[2]，此外還具有防爆性能，被法規(guī)強制應用于礦山運輸車輛。

我司為上海振華重工開發(fā)的AGV 轉向驅動橋（如圖1所示）采用了常閉式濕式多盤制動器。該AGV 為4×4 全驅車型，用于港口自動化碼頭，前后均可轉向，總速比24.66（帶輪邊減速），滿載后GVW 約98 t。該AGV 制動系統(tǒng)特點：1）制動力矩大，單個制動器制動力矩39 000 Nm（靜態(tài)），29 000 Nm（動態(tài)）；2）制動響應速度快（約0.5 s），制動距離短；3）液壓系統(tǒng)油壓高，制動器油壓約16 Mpa；4）要求高安全性、高可靠性以及高壽命。

圖1 AGV 轉向驅動橋外觀

受國產(chǎn)加工設備、尺寸公差控制及密封材料性能制約，該濕式多盤制動器在使用過程中出現(xiàn)漏油、串油現(xiàn)象。本文從密封結構、尺寸公差選取、密封材料選擇等方面進行深入研究，將這一故障情況得到有效控制。

1 制動器活塞密封結構

濕式多盤制動器活塞密封的密封性能是制動器制動性能重要因素之一。對于彈簧制動液壓開啟的常閉式濕式多盤制動器，其工作原理為：當整車制動時，壓力油卸載，在彈簧力的作用下推動活塞壓緊摩擦片（動片）及鋼片（靜片），在摩擦力作用下產(chǎn)生制動力矩使輪轂無法轉動，從而達到制動目的。當整車行駛時，壓力油進入活塞密封容腔內(nèi)克服彈簧力，解除制動[3]。

制動器活塞密封失效時，會引起內(nèi)部串油和漏油問題，嚴重時制動器無法正常開啟。濕式制動器內(nèi)部的液壓油流入輪邊減速器里面，從而使輪邊減速器里的齒輪油混入液壓油，導致齒輪油變質，造成浪費[4]。此外，減少輪邊齒輪等零部件的使用壽命。當混入一定程度后，輪邊產(chǎn)生液壓油壓力，引發(fā)漏油故障。

為解決港口AGV 濕式制動器串油和漏油故障，下面針對制動器活塞密封結構進行對比驗證，最終確定合適的密封結構來滿足港口AGV 的使用工況。

1.1 Y+O 型圈結構

該Y+O 型圈結構為濕式制動器常用結構，通過Y 型唇內(nèi)部的O 型圈將兩密封唇分別與活塞及制動缸滑動面接觸，提供初始壓力達到低壓防滲漏功能。一般Y 型圈選用邵氏硬度為A90 的橡膠材料，O 型圈選用硬度為A70 的橡膠材料[3]，在油液壓力下，兩密封唇能更好的與制動缸和活塞的滑動面貼合，實現(xiàn)高壓密封。兩個Y+O 型圈中間的O 型圈起到隔離作用，防止二者貼合，液壓油無法開啟制動器。該結構能提供較大的擠出間隙，但裝配時容易造成翻唇且抗吸出能力差。

圖2 Y+O 型密封圈結構

港口AGV 使用該Y+O 型圈結構一段時間后出現(xiàn)液壓油串油及漏油現(xiàn)象，拆解發(fā)現(xiàn)制動缸滑動面出現(xiàn)明顯劃痕（如圖3），個別制動器出現(xiàn)圖4 所示O 型圈被吸出。另外，發(fā)現(xiàn)輪邊總成出現(xiàn)金屬雜質。

圖3 制動缸劃痕

圖4 O 型圈被吸出

初步分析失效原因為：AGV 轉向驅動橋在使用過程中，由于摩擦片浸泡在輪邊齒輪油中，制動產(chǎn)生的摩擦材料雜質以及輪邊減速器齒輪磨合出現(xiàn)的金屬磨屑進入活塞內(nèi)部，造成制動缸滑動面出現(xiàn)劃痕，導致密封不良出現(xiàn)液壓油與齒輪油串油現(xiàn)象，輪邊混入液壓油到達一定程度后，輪邊內(nèi)部產(chǎn)生油壓，從輪端通氣帽處產(chǎn)生漏油。而O 型圈被吸出的主要原因是油壓高且液壓響應速度過快（約0.5 s），密封體回彈不及時，產(chǎn)生負壓將O 型圈吸出導致密封失效。

其實要回答這個問題，更多的是法價值判斷的問題。按照傳統(tǒng)的合同法規(guī)定來判斷合同成立的時點，應當是電商平臺在網(wǎng)站上展示商品為要約，消費者下單后為承諾，之后的交付貨款和發(fā)貨行為均是合同的履行。但電商合同中一般會通過格式條款將合同成立的時點設置為電商平臺發(fā)送訂單確認信息時，延后了合同成立生效的時點。

基于上述初步分析，要解決的問題為：（1）清理輪邊雜質防止殼體劃傷；（2）防止O 型圈被吸出。故對制動器活塞密封結構改進為格萊圈+O 型圈結構，同時將輪邊系統(tǒng)全部零部件用專用清洗劑進行清洗并更換新齒輪油。

1.2 格萊圈+O 型圈結構

格萊圈是由高耐磨復合聚四氟乙烯滑環(huán)（PTFE+40%銅粉）+氟橡膠O 型圈配合使用的組合密封，O 型圈提供初始預緊力，并對滑環(huán)的磨損起補償作用。PTFE 滑環(huán)材質偏軟，摩擦過程中出現(xiàn)的雜質可嵌入其內(nèi)部，防止劃傷殼體及活塞。液壓高壓可將格萊圈中O 型圈擠壓變形，壓力越大O 型圈變形越大，從而變形的O 型圈使格萊圈滑環(huán)與缸體更嚴密貼合密封，實現(xiàn)高壓密封。

PTFE 滑環(huán)的特殊設計結構，使其具有良好的抗擠出性能。此外，具有非常高的壓力穩(wěn)定性、良好的導熱性、無液壓爬行現(xiàn)象，它適用于液壓缸缸孔與活塞間密封，是雙向密封。但在低壓＜7 MPa 使用條件下容易出現(xiàn)微滲漏現(xiàn)象，造成制動液被污染[5]，同時因滑環(huán)與滑動面是面接觸，摩擦阻力較大，活塞回位靈敏度降低。該格萊圈結構由于嵌在制動缸和活塞溝槽中，解決了O 型圈被吸出故障。

為進一步解決輪邊齒輪油中的雜質進入活塞內(nèi)部，我們在格萊圈結構基礎上外側增加兩道O 型圈（圖5 中的零件1和4），用來阻隔輪邊齒輪油中的雜質，另外也可起到活塞雙重密封作用。

圖5 格萊圈結構

此結構驗證一段時間后，較第一種“Y+O 型圈”結構性能有較大改善，雖然解決了O 型圈被吸出問題，但仍出現(xiàn)制動缸體滑動面劃傷導致的串油和漏油現(xiàn)象。那么，如何避免制動缸體滑動面劃傷成為了要解決的重點。

為解決制動缸體滑動面劃傷故障，我們將德國KESSLER濕式制動器進行拆解及產(chǎn)品結構分析，發(fā)現(xiàn)其結構為格萊圈+單導向支撐環(huán)（如圖6 所示）。進一步對德國KESSLER 產(chǎn)品密封材料成分進行深度分析（測試方法：FTIR、PGC-MS、EDX、TGA 和ICP-OES），測試結果為：格萊圈中O 型圈采用FKM+炭黑材質，導向環(huán)和格萊圈滑環(huán)采用PTFE+錫青銅粉材質。

圖6 Kessler 格萊圈+單導向支撐結構

通過查閱相關文獻及咨詢國內(nèi)專業(yè)液壓密封廠家得出結論：因活塞重量較重，格萊圈中O 型圈為彈性體無法承受活塞體重量，會導致活塞與殼體在失壓制動狀態(tài)下出現(xiàn)偏心。

在液壓迅速沖擊及活塞滑移過程中，因活塞與制動缸偏心，導致二者出現(xiàn)“鐵磨鐵”，形成的鐵屑將密封圈及殼體劃傷，導致串油和漏油。而德國Kessler 使用的導向支撐環(huán)能夠起到支撐活塞作用，可將活塞與制動缸保持同軸。

通過上述對比分析，制動缸劃傷導致串油和漏油的根本問題應為缸體與活塞之間缺少導向支撐環(huán)，與輪邊齒輪油雜質關系不大。找出根本原因后，我們再次對制動器活塞密封結構進行改進如下。

1.3 斯特封+雙導向支撐環(huán)結構

斯特封與格萊圈密封原理相同，同樣適用于高壓密封。區(qū)別為其PTFE 滑環(huán)為階梯型，以唇口形式與制動缸滑動面接觸，摩擦阻力小且對殘余油膜有“泵回吸”作用，是單向密封。因該產(chǎn)品用的常閉式濕式多盤制動器僅液壓腔存在油液壓力，外側為齒輪油且安裝輪邊通氣裝置無壓力，故屬于單向密封。此外，考慮到該斯特封特有的“泵回吸”特性，最終確定采用該斯特封結構。

為解決活塞與制動缸出現(xiàn)“鐵磨鐵”現(xiàn)象，參考德國Kessler 結構，其格萊圈均布置在制動缸上，屬同側布置，對制動缸表面加工精度要求不高。而我司采用的結構，格萊圈分別布置在制動缸和活塞上，屬異側布置，對二者加工精度要求都較高。考慮到空間局限性及密封結構布置的差異性，我們在斯特封結構基礎上增加了兩道導向支撐環(huán)（圖7 中的零件1 和4），用來更好地支撐活塞，盡可能保持活塞與制動缸同軸，避免出現(xiàn)劃傷現(xiàn)象。

圖7 斯特封+雙導向支撐環(huán)結構

針對導向支撐環(huán)材料的選擇，考慮到PTFE 材質偏軟，支撐效果可能不理想，經(jīng)調研，決定將導向支撐環(huán)采用酚醛夾布材質，該材料具有高承載、高耐磨、抗沖擊、自潤滑等性能，廣泛應用于工程機械油缸中，可有效避免活塞與殼體往復運動及液壓沖擊時相互摩擦并產(chǎn)生鐵屑，從而對密封系統(tǒng)起到保護作用。

此外，針對輪邊系統(tǒng)磨合出現(xiàn)的金屬磨屑問題，我們將輪邊加油螺塞和最底部的放油螺塞均更換為強磁螺塞，用來吸附金屬雜質。

經(jīng)過對最終改進后的斯特封+雙導向支撐環(huán)密封結構進行試裝驗證，截止目前已運行超5 000 km，未再次出現(xiàn)串油及漏油現(xiàn)象。證明該結構方案可行，建議推廣應用。

2 制動器設計及工藝要求

為保證產(chǎn)品性能，我們對相關設計及工藝要求進行嚴格控制，具體如下：

（1）活塞與制動缸體材質為鍛造45 鋼[6]，整體熱處理后，二者加工表面硬度≥260 HB；

（2）活塞與制動缸體同軸度要求≤0.05；

（3）活塞與制動缸體滑動面加工后進行滾壓，粗糙度要求≤Ra0.4，溝槽底及側面粗糙度要求≤Ra0.8；

（4）嚴控活塞與制動缸體配合間隙，要求半徑方向公差值為0.25～0.35 mm；

（5）清理雜質，去尖角、毛刺，零部件100%尺寸檢驗；

（6）超聲波清洗，確保清潔度（按照微粒法進行控制檢測，達到≤2 級的標準要求）；

（7）裝配及搬運過程中嚴禁表面磕碰或劃傷，一旦出現(xiàn)即報廢處理；

（8）裝配前用干凈布擦拭，表面涂油潤滑，密封圈采用專用合件工裝壓裝，保證活塞與殼體裝配時受力均布。

3 結論

本文針對港口AGV 特殊工況使用條件下的常閉式濕式多盤制動器密封結構進行試裝對比驗證，確定最終活塞密封方案即斯特封+雙導向支撐環(huán)結構。此外，對相關設計參數(shù)及工藝進行嚴格控制，解決了濕式制動器串油和漏油問題，實現(xiàn)批量生產(chǎn)及拓展應用。