自行火炮制動器失效機理與應(yīng)對措施研究

梁慶海，白雲(yún)杰，張建卿

（1.中國人民解放軍陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北石家莊 050003；2.中國人民解放軍32153 部隊教研部，河北宣化 075100）

0 引言

制動器是自行火炮、步戰(zhàn)車等軍用車輛、各類民用汽車以及礦山機械、絞車、錨絞機、提升機等工程設(shè)備的重要組成部件，其主要作用是通過減少或者切斷動力的傳輸，使運動件減速、停止或者保持駐停狀態(tài)。隨著研發(fā)技術(shù)和工藝水平的進步，磁粉制動器、鉗盤式制動器以及電磁制動器等采用新型結(jié)構(gòu)形式的制動器得到廣泛應(yīng)用。在不同設(shè)備上使用的制動器在結(jié)構(gòu)上差異較大，但其功能和原理卻大同小異。制動器按工作方式可分為摩擦式制動器和非摩擦式制動器兩大類，詳細的分類及應(yīng)用情況見表1。

表1 常見制動器及其應(yīng)用情況

由于自行火炮自身的重量較大，即便是輕型自行火炮的自重也可達到15～18 t，一些重型自行火炮的整車重量甚至可達40 t 以上，為確保能夠提供足夠大的制動力，目前在輪式自行火炮上使用的是鼓式制動器，在履帶式自行火炮上則使用帶式制動器。作為動力傳動系統(tǒng)中最重要的安全控制部件，自行火炮制動器的制動穩(wěn)定性與可靠性在很大程度上決定了自行火炮制動系統(tǒng)的整體運行質(zhì)量，并對自行火炮及其操作人員的安全產(chǎn)生重要影響。目前針對自行火炮制動器的失效機理的專門研究還較少，以下從自行火炮的結(jié)構(gòu)原理入手，結(jié)合自行火炮的實際使用情況進行研究，系統(tǒng)分析造成自行火炮制動器失效的原因及過程，并提出一些應(yīng)對措施。

1 結(jié)構(gòu)原理分析

1.1 鼓式制動器

鼓式制動器主要由制動鼓、制動蹄、制動傳動機構(gòu)、摩擦襯片等組成，并與輪轂固定在一起，其結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。在工作時，制動蹄在傳動機構(gòu)的作用下將摩擦襯片往制動鼓上壓緊，輪轂在制動力的作用下減速或駐停，以確保行駛安全或駐車安全。

圖1 鼓式制動器

由于輪式自行火炮的底盤系統(tǒng)最早是從民用重型汽車的底盤系統(tǒng)演化而來的，且鼓式制動器造價便宜，因此其制動系統(tǒng)也沿用了重型汽車上通常使用的鼓式制動器的設(shè)計方案。一般情況下自行火炮的行駛速度相較于民用汽車而言要低得多，其制動蹄也比民用汽車上廣泛使用的盤式制動器的耐用程度高，這也是在輪式自行火炮上采用鼓式制動器而非盤式制動器的一個重要原因。但是其封閉式或半封閉式的設(shè)計結(jié)構(gòu)不利于提高制動效能和散熱[5,6]。鼓式制動器的主要受力部件在高溫影響下易發(fā)生形變，并引發(fā)制動衰退、抖振以及制動效率下降等現(xiàn)象。尤其是在崎嶇的路面上制動時，其操控穩(wěn)定性較差。因此，需要經(jīng)常調(diào)校制動蹄的位置，必要時須對制動器進行整體拆卸和分解維護，并清理淤積在其內(nèi)的剎車粉塵。

1.2 帶式制動器

帶式制動器是通過使圍繞在制動鼓周圍的制動帶收縮抱緊而產(chǎn)生制動效果的一種制動器。帶式制動器主要由制動鼓、制動帶、液壓缸及活塞、推拉桿等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。盡管其結(jié)構(gòu)較為簡單，但帶式制動器在設(shè)計結(jié)構(gòu)上僅占用較小的空間，而且具有良好的抱合性能，是一種典型的工業(yè)制動器。帶式制動器在工作時，制動帶和制動鼓之間會產(chǎn)生明顯的楔緊效應(yīng)，從而使制動鼓轉(zhuǎn)速降低乃至停止。因此，在同等尺寸條件下，帶式制動器通常相較于其他形式的制動器能提供更大的制動力。

圖2 帶式制動器

相較于輪式自行火炮，履帶式自行火炮的自身重量更大，需要更大的制動力才能達到可靠安全的制動效果。因此，在履帶式自行火炮上使用的是帶式制動器。自行火炮上的帶式制動器與行星轉(zhuǎn)向器組合安裝，在轉(zhuǎn)向、制動及駐車時提供制動力。帶式制動器在制動時，允許制動帶與制動鼓之間有輕微的滑磨，使制動鼓不至于突然止動而對主動輪及其他裝置產(chǎn)生猛烈沖擊。但如果制動帶與制動鼓之間產(chǎn)生過多的滑磨，則會引起制動帶過度磨損或燒蝕。帶式制動器的滑磨程度隨著制動帶內(nèi)表面所襯敷的摩擦襯片的磨損程度增加及制動帶與制動鼓之間的間隙增大而增大。因此需經(jīng)常檢查和調(diào)整制動帶與制動鼓之間的間隙，防止因滑磨嚴(yán)重而導(dǎo)致制動失靈。制動帶與轉(zhuǎn)鼓之間的間隙可通過作為制動帶固定端的調(diào)整螺栓進行調(diào)整，最后通過鎖止螺母鎖緊，以防松動。

制動帶是帶式制動器的關(guān)鍵部件，按抗變形能力的強弱可分為剛性制動帶和撓性制動帶。剛性制動帶比撓性制動帶厚，具有較大的強度和熱容性，其缺點是不易產(chǎn)生與制動鼓相適應(yīng)的變形，在發(fā)生變形后難以恢復(fù)，可能會導(dǎo)致抱合性能的下降。撓性制動帶在工作時可與制動鼓更好地貼合，且制造成本較低。為保證強度和耐用性，在履帶式自行火炮上采用的是剛性制動帶。制動帶是通過在卷繞的鋼帶底板上粘接摩擦襯片制成的，其厚度根據(jù)不同的裝備需求進行個性化設(shè)計，通常越厚的制動帶剛性越強，能提供更大的夾緊力，從而在摩擦襯片和制動鼓之間產(chǎn)生更大的制動力。帶式制動器在制動時需對制動軸附加較大的作用力，因此在操作上極度依賴液壓助力。另外，由于制動帶的繞出端和繞入端的張力不均等，造成制動帶對制動鼓各處的壓力也不均等，從而造成各摩擦襯片及制動鼓表面磨損不均勻，影響其制動效果和工作壽命。

2 失效模式及機理分析

2.1 液壓助力油缸滲漏導(dǎo)致制動困難

自行火炮在使用過程中常出現(xiàn)制動困難的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為制動踏板發(fā)沉，需要極大力度才能將踏板踏到底或者甚至無法推動踏板。出現(xiàn)這種情況的原因多為制動液壓助力不足，從而導(dǎo)致制動困難甚至無法制動。最常見的具體原因為制動器的液壓活塞孔出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致液壓油滲漏以至無法提供足夠的油壓。密封圈的失效也可能導(dǎo)致液壓助力不足。密封圈是由橡膠材料制成的，當(dāng)其彈力減弱至一定程度后就會發(fā)生永久變形，由此引發(fā)密封失效。另外，由于早期設(shè)計和加工缺陷導(dǎo)致的活塞、密封圈及凹槽三者的裝配不同心，在液壓的持續(xù)作用下，密封間隙也會不斷擴大進而導(dǎo)致密封圈的扭曲、變形甚至翻轉(zhuǎn)。

2.2 螺栓及螺母松動導(dǎo)致制動失效

不論是輪式自行火炮上采用的鼓式制動器還是履帶式自行火炮上采用的帶式制動器，其制動蹄或者制動帶均通過緊固螺栓進行限位和固定，以保持摩擦襯片與制動鼓之間的正常間隙。自行火炮的使用環(huán)境較為惡劣，在工作過程中制動器需要頻繁經(jīng)受沖擊、彎曲、扭轉(zhuǎn)等各向載荷。緊固螺栓及鎖緊螺母的螺紋區(qū)域多為應(yīng)力集中的薄弱環(huán)節(jié)，其抗扭曲強度、抗拉強度較弱。當(dāng)自行火炮緊急制動時，緊固螺栓及鎖緊螺母處的螺紋受到極大的軸向沖擊和拉伸應(yīng)力。在上述沖擊和應(yīng)力作用下，螺紋的磨損和變形逐漸累積，當(dāng)達到極限時極易引發(fā)疲勞斷裂。在實際工作中對自行火炮制動器進行檢查拆卸時，發(fā)現(xiàn)絕大部分的制動器緊固螺栓在螺紋連接處都有磨損，且有的磨損較為嚴(yán)重。

2.3 機械應(yīng)力和熱應(yīng)力綜合作用導(dǎo)致制動器失效

在整個制動過程中，摩擦升溫所達到的溫度最大值出現(xiàn)在摩擦力最大的區(qū)域，摩擦熱量總是從摩擦襯片向制動蹄或制動帶傳遞，摩擦襯片溫度均高于制動蹄或制動帶接觸區(qū)的溫度。由于熱量傳遞需要一定時間，摩擦襯片和制動蹄或制動帶到達最大溫度的時刻不相同，制動蹄或制動帶總是滯后于摩擦襯片。而應(yīng)力場的最大值并非出現(xiàn)在溫度最大時刻，而是稍稍滯后，這主要是由于應(yīng)力的大小受到溫差、拉力、摩擦力以及所施加的制動正壓力綜合影響所導(dǎo)致的。隨著制動的進行，熱量的產(chǎn)生速率逐漸減小，溫度梯度及最大應(yīng)力也隨之減小。制動結(jié)束后進入散熱過程，此時制動蹄或制動帶上出現(xiàn)拉應(yīng)力。每次制動過后，摩擦襯片及制動帶均會存在殘余塑性應(yīng)變，無法完全恢復(fù)至之前的狀態(tài)。在經(jīng)歷反復(fù)的制動及散熱過程后，制動帶的表面區(qū)域容易產(chǎn)生裂紋，當(dāng)裂紋擴展至超過閾值時制動器失效。尤其是在緊急制動工況下，上述熱衰退效應(yīng)更為明顯。自行火炮的使用環(huán)境及操作場景極具特殊性，且相較于民用汽車而言，自行火炮可能會更頻繁地更換駕駛員，甚至在許多情況下是由駕駛經(jīng)驗和技術(shù)都比較欠缺的新駕駛員進行駕駛操作的。因此，自行火炮在行駛過程中可能會頻繁地用到緊急制動，更容易造成制動器過早失效。

2.4 其他失效情況

除了上述幾種典型的情況外，自行火炮制動器在實際使用過程中還會出現(xiàn)的失效包括零部件磨損、銹蝕等。由于一些人為操作不當(dāng)或偶然因素，會導(dǎo)致自行火炮制動器滲入油污或其他的雜質(zhì)。滲入油污可使制動器摩擦副之間出現(xiàn)滑磨或者銹蝕，一些雜質(zhì)可導(dǎo)致制動器過度磨損，造成制動器失效。

3 自行火炮制動器失效應(yīng)對措施

基于上述分析，根據(jù)自行火炮使用的實際情況，提出一些應(yīng)對措施。

3.1 控制人為損壞

自行火炮制動器很多失效問題與駕駛員的操作不當(dāng)、檢查保養(yǎng)不規(guī)范密切相關(guān)。例如，由于一些駕駛員駕駛技能不熟練，過于頻繁地使用緊急制動或者長時間制動，均易使制動器因摩擦熱效應(yīng)導(dǎo)致制動失靈。

自行火炮是重型武器裝備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是底盤系統(tǒng)采用了許多特殊設(shè)計。因此，自行火炮在駕駛操作上有許多不同于民用汽車的地方，這就要求自行駕駛員必須熟悉裝備，熟練掌握特殊的駕駛技能。另外，自行火炮使用環(huán)境復(fù)雜且惡劣，在特定的戰(zhàn)術(shù)背景條件下需要進行一些極限操作。這對自行火炮裝備本身及其操作人員均提出極高要求。而由于部隊人員的流動性比較大，難以保證一個合格的自行火炮駕駛員長時間在其崗位上工作。因此需要加強自行火炮駕駛員的專業(yè)化培訓(xùn)，讓其充分掌握制動器在不同情況下的操作要領(lǐng)和技巧，以便充分利用地形和駕駛技能，盡量減少對自行火炮制動器的過度使用。還需要加強維護保養(yǎng)的知識與技能培訓(xùn)，改變以往只重操作、忽視維護保養(yǎng)的不良做法，嚴(yán)格落實裝備維修的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)定，減少制動器的過早失效。

3.2 科學(xué)研究預(yù)測

自行火炮制動器的失效原因具有很多偶然因素，但是從原理上分析仍能總結(jié)一些規(guī)律和特點?？衫糜邢拊治龅确椒▽ψ孕谢鹋谥苿悠鬟M行受力分析，發(fā)現(xiàn)其容易發(fā)生形變和磨損的區(qū)域，進行針對性的強化設(shè)計和維護保養(yǎng)，可延長其使用壽命。另外，通過對使用情況進行監(jiān)測和統(tǒng)計分析，可總結(jié)制動器失效的一般規(guī)律和特點，預(yù)測其失效的時間，從而進行預(yù)防性維修，可最大限度減少制動器失效引發(fā)安全事故，保護裝備及人員安全。

3.3 適當(dāng)升級改進

自行火炮的設(shè)計服役年限通常遠遠長于民用汽車的設(shè)計使用壽命。這就導(dǎo)致許多自行火炮制動器上的零部件在一定年限后，其設(shè)計和材料性能均落后于市場上的民用件。在這種情況下，可考慮采用可替代的一些材料或者通用備件進行更換，從而延長其工作壽命。對于一些耗損件，如密封圈、制動帶、摩擦襯片等，在市場上有更好的產(chǎn)品的情況下，可在自行火炮大修的時候進行更新升級。

4 結(jié)束語

自行火炮是支撐現(xiàn)代國防的一類主戰(zhàn)裝備，在陸軍的火力打擊體系中仍居于十分重要的地位。制動器失效問題對自行火炮戰(zhàn)斗力的發(fā)揮和操作人員的安全均產(chǎn)生較大影響。本研究可為自行火炮維修保障方面的相關(guān)研究提供參考。