淺析制動管路和制動缸積水對制動夾鉗單元的影響

郭彥峰，李業明,2，孫新海,2

（1 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081）

目前主流運用于鐵路機車、動車組和城軌車輛上的氣動活塞式制動夾鉗單元，具有結構簡單、維護便利、制動輸出力穩定和功能可靠等特點，可根據不同的車型需求衍生出系列產品。不論是從功能上區分的常用制動夾鉗單元和帶停放制動夾鉗單元，還是從吊掛方式上區分的三點式和四點式，其基本原理均是采用壓縮空氣作為制動介質推動制動活塞移動，最終將空氣壓力轉變為機械推力，使閘片緊貼制動盤摩擦面，從而實現列車的制動功能。

由于空氣具有易于獲取和壓縮后特性穩定的優點，做為性能優異的制動介質廣泛運用于軌道車輛制動系統中，但壓縮空氣質量好壞對制動系統的穩定性有很大影響，因此對于制動風源中固體顆粒、濕度和含油量均有相關標準進行規范和要求。制動風源中的濕度對制動夾鉗單元正常工作有一定影響，文中以CR200J 型動力集中電動車組動力車制動夾鉗單元發生的一起故障為例，分析了制動管路和制動缸內長期積水對制動夾鉗單元零部件本身及單元功能的影響。

1 故障描述

某日下午，電動車組出庫（露天）行駛過程中，值乘司機聽到動力車下有異響，即刻停車進行車下檢查，發現動力車1 軸帶停放制動夾鉗單元雙側閘片均緊貼制動盤，經多次空氣制動緩解、停放制動緩解操作，制動夾鉗單元均未正常緩解，最終通過手動調節制動夾鉗單元回程螺母，使閘片和制動盤強行分離，進行多次空氣制動緩解和停放制動緩解試驗，列車途停時持續觀察制動夾鉗單元和制動摩擦副狀態，未見異常。

次日上午，車組到達終點及返程前，值乘司機進行多次空氣制動緩解、停放制動緩解操作，確認制動夾鉗單元工作正常。

第三天上午，車組返回本屬庫內，相關單位共同進行故障排查工作，動力車1 軸帶停放制動夾鉗單元不緩解故障復現。多次空氣制動緩解、停放制動緩解、停放制動手動緩解操作，閘片和制動盤均未分離，且人力無法晃動制動夾鉗單元。

2 現車拆解

在實施制動缸和停放缸中壓縮空氣排空操作，確認無安全風險后，按下面順序對故障制動夾鉗單元實施了拆除。

（1）空氣制動管路和停放制動管路空氣壓力確認。司控室儀表顯示停放制動管路空氣壓力排空，但空氣制動管路殘余壓力40 kPa 左右。

（2）拆除制動夾鉗單元中停放制動風管。停放缸進氣口、風管狀態正常，無殘余壓縮空氣和異物。

（3）拆除制動夾鉗單元中空氣制動風管。制動缸進氣口、風管分離時，管路中有大量冰水混合物被殘余壓縮空氣吹出，如圖1（a）所示。

（4）拆除故障制動夾鉗單元。分解制動夾鉗單元和構架間的連接組件，使制動夾鉗單元和轉向架分離，對制動夾鉗單元的進風口進行封堵防護；將制動夾鉗單元存放于電動車組相同環境中，即戶外存放（包括運輸過程）以保證后續故障原因分析的準確性。

（5）清潔管路。為確保更新后的制動夾鉗單元可靠工作，在車組靜置7 h 后，對管路進行充風清潔操作，空氣制動管路中仍有冰塊被吹出，如圖1（b）所示。

圖1 空氣制動管路冰水噴出及冰塊實物

（6）更新制動夾鉗單元。在確認管路已清潔后，實施制動夾鉗單元更新作業，并按相關作業要求進行了試驗，空氣制動和停放制動均工作正常，制動夾鉗單元各項功能狀態正常。

3 分解檢查

對故障制動夾鉗單元按照下面順序進行檢查。

（1）制動活塞位置測量。以制動缸進風口外端面為基準，用深度尺測量制動活塞位置為45.6 mm。

（2）分解制動缸缸體，使缸體與活塞分離。缸體和活塞之間有冰水混合物存在，潤滑脂中混合有冰塊碎屑，待所有冰塊融化后進行了收集，經測量所收集到的水量達55 ml，如圖2 所示。缸體和活塞對應區域有硌痕和銹跡存在，如圖3 所示。

圖2 缸體內存在冰水情況

圖3 缸體和活塞硌痕及銹跡

（3）制動夾鉗單元復原。將冰水、潤滑脂等清理后，重新涂抹油脂并組裝好缸體，使制動夾鉗單元復原。

（4）制動活塞位置重新測量。用同樣的方法測出制動活塞距制動缸進風口外端面26.1 mm，可以得出清理冰水前后制動活塞位移差19.5 mm。

（5）制動夾鉗單元性能試驗。按照產品出廠例行試驗大綱在試驗臺上對復原后的制動夾鉗單元進行試驗，全部項點試驗結果均滿足新造技術指標要求。

（6）關鍵零部件尺寸及狀態檢查。為排查其他可能導致夾鉗故障的環節，將制動缸和停放缸進行拆解，對關鍵零部件的尺寸和狀態進行詳細檢查，所有零部件狀態良好，無明顯卡滯痕跡和異常磨損，關鍵尺寸均符合圖紙要求，如圖4 所示。

（7）制動夾鉗單元重新組裝及試驗。將原零部件重新組裝成制動夾鉗單元，再次在試驗臺上進行完整的出廠例行試驗，各項點符合并滿足新造技術指標要求，如圖4 所示。

圖4 零部件檢查及試驗臺試驗

4 故障原因

通過故障制動夾鉗單元的現車拆解、分解檢查和試驗臺試驗，可以確定制動夾鉗單元緩解故障的原因是制動缸內的積冰限制了活塞復位，而制動管路內的積冰則造成了空氣制動排風不暢，導致表顯殘余壓力40 kPa。

4.1 冰水來源

制動系統用風取自外界大氣，含有沙塵和水分等，因此在經空壓機壓縮后還須進行濾塵、去油和除濕，符合相關技術標準要求后方可進入制動系統。制動系統中的壓縮空氣也會隨環境溫度的下降形成一定量的水分凝結在風管、儲風缸內壁等部位，因此多數儲風缸在底部設置有排水塞門，便于排水作業，以避免或降低對制動系統正常工作的影響。

現車拆解故障制動夾鉗單元空氣制動風管時，制動管路中的殘余壓縮空氣排出，連帶將管路中大量冰水混合物噴出。從冰水混合物的噴出量來判斷，已超出了正常情況下因環境溫度變化所造成的水汽冷凝量，在現車運用中非常少見，表明制動管路積水較為嚴重，進入制動系統的壓縮空氣未經過正常干燥。

4.2 故障定位

外界環境溫度未達冰點溫度時，制動活塞與缸體內腔之間的積水對制動夾鉗單元的正常制動和緩解功能影響甚微，制動夾鉗單元緩解時，制動缸的復原彈簧力足以克服阻力，使制動活塞回退至缸體內腔底部位置，如圖5（a）所示。

空氣制動或停放制動使制動活塞長時間處于制動推出位置，制動活塞與缸體內腔之間的積水量增加。當外界環境溫度低于冰點溫度時，積水將會凝固為固體冰，在空氣制動緩解、停放制動緩解或停放制動手動緩解狀態下，制動活塞因積冰的阻擋，均無法順利回退至缸體內腔底部位置，嚴重時制動活塞將長期保持制動推出位置不動，使閘片緊貼于制動盤摩擦面，如圖5（b）所示。

圖5 緩解工況制動缸內積水和積冰對制動活塞位置影響示意圖

4.3 故障產生與復現

4.3.1 故障產生

該電動車組長期跨局運行于南、北方之間，可能制動管路和制動缸已積存有一定量的液態水，轉配屬整備期間靜置于露天環境，遇低溫凝結成冰。

發生故障當天環境溫度-12～-5 ℃，電動車組轉配屬后首次上線運營，值乘司機發現制動夾鉗單元緩解不良故障。

4.3.2 故障處置

值乘司機處置無果后，通過手動調節制動夾鉗單元回程螺母使閘片和制動盤強行分離，并使閘片和制動盤具有了一定間隙，為制動活塞提供了可以繼續前移的空間，進行多次制動緩解試驗時，制動活塞在“增加”的空間和積冰之間實現往復運動，表現為制動夾鉗單元制動緩解功能的“恢復”。

運行途中因制動持續時間相對較短，活塞沒有長時間處于新的制動位置，因此制動夾鉗單元的緩解功能相對正常。隨著列車南行的地理位置不斷變化，外界溫度也逐步上升到冰點以上，積冰融化后不但有利于活塞的正常復位，制動缸內的間隙調整機構還會將之前通過回程螺母調大的活塞移動量經途中多次制動緩解消除掉。故值乘司機在到達終點后和返程前（環境溫度8～14 ℃）的多次制動緩解試驗，均確認制動夾鉗單元工作正常。

4.3.3 故障復現

向北返程運行，制動缸內的液態積水基本不會對制動夾鉗單元的正常制動緩解造成影響。

繼續向北運行過程中停站少、停站時間短，制動活塞基本長時間處于缸體內腔底部緩解位置，隨著環境溫度緩慢下降，制動活塞與缸體內腔底部的狹窄空間里的液態積水凝固為冰，但積冰量少，如圖5（a）所示，基本不會使制動活塞往復運動受限。

電動車組入庫后施加空氣制動或停放制動，必然將制動活塞推出至制動行程位置并長時間保持，制動活塞與缸體腔內底部空間擴大，缸體內腔及管路中可流動液態積水將會流入并聚集于缸體內壁下部，在低溫（當天環境溫度-9～0 ℃）條件下凝固，使制動活塞和與缸體內腔底部較大的空間內形成積冰，如圖5（b）所示，積冰厚度即為制動缸分解清理冰水前后制動活塞位置差（19.5 mm）。

4.3.4 缸體和活塞硌痕和銹跡

制動夾鉗單元拆解時，缸體內腔底面和活塞對應區域有硌痕和銹跡，經查看硌痕和銹跡位置，與積冰所在位置呈180°即缸體內腔底面上部。當缸體內腔下部積存少量冰時，制動緩解過程中制動缸復原彈簧在推動制動活塞回退至接近完全緩解位置（即制動活塞移動至缸體內腔底面的瞬間）遇到積冰突然阻擋，制動活塞及其他機構導向整體輕微偏斜，制動活塞底面局部近乎以點接觸形式撞擊缸體內腔底面上部，經多次撞擊后逐漸形成小區域的硌痕并破壞了防腐層，如圖6 所示。制動活塞硌痕區域在水汽的侵蝕下發生銹蝕。

圖6 少量積冰造成缸體內腔和活塞局部硌痕

5 危害分析

5.1 潤滑性能降低

油脂需在特定環境下使用才能發揮良好性能，正常情況下油脂有足夠附著力保持在零部件表面、零部件運動面間形成油膜，既可以防止或延緩金屬零部件表面銹蝕的發生，也可以減小各零部件運動摩擦阻力和運動表面的磨損，保證機械產品長期穩定工作。

當油脂中混入一定量的液態水，將影響其性能的發揮。油脂中混入0.15%的水分時會產生輕度乳化效應，混入0.15%～3% 的水分時會產生中度乳化效應［1］。從制動活塞部位潤滑脂用量和故障制動缸中收集到的積水量相比，可使油脂產生的乳化效應遠超中度水平。

另外，某些添加劑遇水會加速油脂的分解作用，加快油脂老化速率。

油脂乳化會降低油脂黏度，導致油脂附著力下降，不利于運動表面油膜的保持，嚴重時會造成零部件運動表面處于干摩擦狀態；油脂分解、老化會使潤滑性能弱化甚至喪失，同樣會造成零部件運動表面處于干摩擦狀態，并使金屬表面的腐蝕速度加快。

零部件表面的銹蝕、運動表面非正常磨損，均會縮減其使用壽命，影響制動夾鉗單元功能，容易導致運用故障的發生。

5.2 零部件損傷

5.2.1 橡膠皮碗

（1）潤滑性能降低，橡膠皮碗密封唇邊磨損加快。

（2）制動缸體內腔結冰極易造成橡膠皮碗密封唇邊割傷。

5.2.2 金屬零部件

（1）不利于金屬零部件防腐，當運動表面干摩擦時，造成磨損加快。

（2）低溫輕微結冰時，造成運動機構導向功能下降，加速導向機構零部件的磨損，也易于發生如制動活塞與缸體內壁這樣的硬性沖擊，造成零部件變形和磕傷等。

（3）低溫嚴重結冰時，造成制動活塞復位或運動導向機構卡滯故障，即使壓縮空氣排空，制動活塞因受積冰阻擋，也無法完全釋放制動杠桿彈性力，同時導致制動活塞承受偏載力。經仿真分析，制動活塞靠近積冰附近變截面部位將形成高應力，極端情況可造成變形或裂損。以故障制動夾鉗單元為例，對制動活塞進行應力仿真計算：

①積冰模型

綜合考慮缸體內壁及制動活塞表面的掛壁水量、油脂中摻雜的冰粒量和直接收集到的積水量（55 ml），選取總積水量為70 ml、制動活塞卡滯行程19.5 mm，按缸體內腔和活塞形狀尺寸進行積冰模型的建立，積冰受力面積S約2 620 mm2、總高約為24 mm，如圖7 所示。

圖7 積冰還原模型圖

②積冰卡滯力

電動車組通常使用停放制動或以最大空氣制動實施駐車，不論采用何種方式，只要制動活塞制動推力大于積冰所能承受的壓潰力時，積冰所產生的制動活塞卡滯力應與積冰抗壓潰力相等，也就是積冰抗壓潰力越大，制動夾鉗單元殘余制動夾緊力就越大。

積冰的抗壓潰力是受力面積與壓縮強度乘積，溫度越低壓縮強度越大。檢索相關文獻得到有關冰的單軸峰值壓縮強度σcp與溫度的關系曲線［2］，如圖8 所示。

圖8 單軸峰值壓縮強度與溫度關系曲線

選取-10 ℃和-20 ℃人工凍結冰的單軸峰值壓縮強度，按Fk=S?σcp公式計算積冰卡滯力，計算結果見表1。

表1 積冰卡滯力計算結果

③制動活塞應力仿真計算。

在-10 ℃和-20 ℃條件下，制動活塞因積冰卡滯引起的最大應力值分別為238.87 MPa 和388.32 MPa，應力云圖如圖9 所示。其中在-20 ℃條件下，最大應力已超過所用材料的屈服強度，如果遇到更低的環境溫度時，制動活塞發生變形或裂損的概率將會大增。

圖9 制動活塞仿真計算應力云圖（冰塊高度24 mm）

根據國外 學 者Hobbs［3］、Mellor［4］等的研究，在0～-20 ℃的區間內，溫度越低，冰的壓縮強度越高；在-20～-30 ℃的溫度區間，冰的壓縮強度的增加趨勢不會隨著溫度的降低出現轉折［5］。溫度越低，積冰對制動夾鉗單元本身功能及其內部零部件的影響越大。

5.3 制動夾鉗單元性能影響

5.3.1 氣密性

氣密性是保障列車制動系統正常工作的前提條件，所有制動氣路組成部件均有嚴格的氣密性指標要求。制動缸中影響氣密性能的零件主要是橡膠皮碗，橡膠皮碗密封唇邊過度磨損或割傷，會造成制動夾鉗單元氣密性能下降，嚴重時可導致制動夾鉗單元功能障礙，影響列車運用安全。

5.3.2 緩解故障

（1）制動管路積冰

制動管路中積冰將造成風路不暢或不通，導致制動缸排風時間延長或不排風，影響制動系統和制動夾鉗單元的緩解，容易發生抱閘運行。

（2）制動缸內積冰

制動缸內積冰將造成制動夾鉗單元緩解功能喪失，制動力因制動活塞復位受限而無法完全釋放，以文中故障制動夾鉗單元為例，制動夾鉗單元因積冰卡滯可能造成的殘余閘片壓力FC見表2。

表2 殘余閘片壓力

從表2 中可以看出，殘余閘片壓力數值很大，容易發生抱閘運行。

5.4 危害

制動管路或制動缸內積水危害巨大，尤其在冬季結冰嚴重時將造成制動系統或制動夾鉗單元緩解不良故障，如不能及時發現或處置不當，長時間抱閘運行后果嚴重。

制動系統緩解不良故障且抱閘運行，輕則導致制動摩擦副異常磨損，重則導致車輪擦傷、制動盤盤轂松弛、緊固件斷裂、盤體崩裂等，嚴重危及鐵路行車安全，需引起高度重視。

6 結論與建議

6.1 結論

（1）壓縮空氣含水量超標時影響油脂潤滑性能，造成油膜附著力下降，易加速制動缸橡膠皮碗密封唇邊磨損，不利于金屬零部件的防腐。

（2）低溫環境制動缸內少量積水結冰，易割傷橡膠皮碗密封唇邊，造成氣密性下降，嚴重時可影響制動夾鉗單元功能。

（3）低溫環境制動管路和制動缸內大量積水結冰，將造成制動夾鉗單元緩解不良，不僅可引起制動夾鉗單元自身零部件損傷，而且還極易導致抱閘運行，嚴重危及行車安全。

6.2 建議

（1）嚴格控制風源干燥器產品質量，保證其長期工作狀態良好。

（2）定期維護風源設備，進行風源濕度測試，并及時更換除濕耗材，保證風源質量符合相關規定。

（3）定期進行制動管路、儲風缸的排水作業，入冬前應對長交路、環境溫度跨度的列車進行專項作業。

（4）建議加裝或新造設備強制安裝風源濕度監測和預警裝置。