自行火炮制动器失效机理与应对措施研究

梁庆海，白雲杰，张建卿

（1.中国人民解放军陆军工程大学石家庄校区，河北石家庄 050003；2.中国人民解放军32153 部队教研部，河北宣化 075100）

0 引言

制动器是自行火炮、步战车等军用车辆、各类民用汽车以及矿山机械、绞车、锚绞机、提升机等工程设备的重要组成部件，其主要作用是通过减少或者切断动力的传输，使运动件减速、停止或者保持驻停状态。随着研发技术和工艺水平的进步，磁粉制动器、钳盘式制动器以及电磁制动器等采用新型结构形式的制动器得到广泛应用。在不同设备上使用的制动器在结构上差异较大，但其功能和原理却大同小异。制动器按工作方式可分为摩擦式制动器和非摩擦式制动器两大类，详细的分类及应用情况见表1。

表1 常见制动器及其应用情况

由于自行火炮自身的重量较大，即便是轻型自行火炮的自重也可达到15～18 t，一些重型自行火炮的整车重量甚至可达40 t 以上，为确保能够提供足够大的制动力，目前在轮式自行火炮上使用的是鼓式制动器，在履带式自行火炮上则使用带式制动器。作为动力传动系统中最重要的安全控制部件，自行火炮制动器的制动稳定性与可靠性在很大程度上决定了自行火炮制动系统的整体运行质量，并对自行火炮及其操作人员的安全产生重要影响。目前针对自行火炮制动器的失效机理的专门研究还较少，以下从自行火炮的结构原理入手，结合自行火炮的实际使用情况进行研究，系统分析造成自行火炮制动器失效的原因及过程，并提出一些应对措施。

1 结构原理分析

1.1 鼓式制动器

鼓式制动器主要由制动鼓、制动蹄、制动传动机构、摩擦衬片等组成，并与轮毂固定在一起，其结构原理如图1 所示。在工作时，制动蹄在传动机构的作用下将摩擦衬片往制动鼓上压紧，轮毂在制动力的作用下减速或驻停，以确保行驶安全或驻车安全。

图1 鼓式制动器

由于轮式自行火炮的底盘系统最早是从民用重型汽车的底盘系统演化而来的，且鼓式制动器造价便宜，因此其制动系统也沿用了重型汽车上通常使用的鼓式制动器的设计方案。一般情况下自行火炮的行驶速度相较于民用汽车而言要低得多，其制动蹄也比民用汽车上广泛使用的盘式制动器的耐用程度高，这也是在轮式自行火炮上采用鼓式制动器而非盘式制动器的一个重要原因。但是其封闭式或半封闭式的设计结构不利于提高制动效能和散热[5,6]。鼓式制动器的主要受力部件在高温影响下易发生形变，并引发制动衰退、抖振以及制动效率下降等现象。尤其是在崎岖的路面上制动时，其操控稳定性较差。因此，需要经常调校制动蹄的位置，必要时须对制动器进行整体拆卸和分解维护，并清理淤积在其内的刹车粉尘。

1.2 带式制动器

带式制动器是通过使围绕在制动鼓周围的制动带收缩抱紧而产生制动效果的一种制动器。带式制动器主要由制动鼓、制动带、液压缸及活塞、推拉杆等组成，其结构如图2 所示。尽管其结构较为简单，但带式制动器在设计结构上仅占用较小的空间，而且具有良好的抱合性能，是一种典型的工业制动器。带式制动器在工作时，制动带和制动鼓之间会产生明显的楔紧效应，从而使制动鼓转速降低乃至停止。因此，在同等尺寸条件下，带式制动器通常相较于其他形式的制动器能提供更大的制动力。

图2 带式制动器

相较于轮式自行火炮，履带式自行火炮的自身重量更大，需要更大的制动力才能达到可靠安全的制动效果。因此，在履带式自行火炮上使用的是带式制动器。自行火炮上的带式制动器与行星转向器组合安装，在转向、制动及驻车时提供制动力。带式制动器在制动时，允许制动带与制动鼓之间有轻微的滑磨，使制动鼓不至于突然止动而对主动轮及其他装置产生猛烈冲击。但如果制动带与制动鼓之间产生过多的滑磨，则会引起制动带过度磨损或烧蚀。带式制动器的滑磨程度随着制动带内表面所衬敷的摩擦衬片的磨损程度增加及制动带与制动鼓之间的间隙增大而增大。因此需经常检查和调整制动带与制动鼓之间的间隙，防止因滑磨严重而导致制动失灵。制动带与转鼓之间的间隙可通过作为制动带固定端的调整螺栓进行调整，最后通过锁止螺母锁紧，以防松动。

制动带是带式制动器的关键部件，按抗变形能力的强弱可分为刚性制动带和挠性制动带。刚性制动带比挠性制动带厚，具有较大的强度和热容性，其缺点是不易产生与制动鼓相适应的变形，在发生变形后难以恢复，可能会导致抱合性能的下降。挠性制动带在工作时可与制动鼓更好地贴合，且制造成本较低。为保证强度和耐用性，在履带式自行火炮上采用的是刚性制动带。制动带是通过在卷绕的钢带底板上粘接摩擦衬片制成的，其厚度根据不同的装备需求进行个性化设计，通常越厚的制动带刚性越强，能提供更大的夹紧力，从而在摩擦衬片和制动鼓之间产生更大的制动力。带式制动器在制动时需对制动轴附加较大的作用力，因此在操作上极度依赖液压助力。另外，由于制动带的绕出端和绕入端的张力不均等，造成制动带对制动鼓各处的压力也不均等，从而造成各摩擦衬片及制动鼓表面磨损不均匀，影响其制动效果和工作寿命。

2 失效模式及机理分析

2.1 液压助力油缸渗漏导致制动困难

自行火炮在使用过程中常出现制动困难的现象，具体表现为制动踏板发沉，需要极大力度才能将踏板踏到底或者甚至无法推动踏板。出现这种情况的原因多为制动液压助力不足，从而导致制动困难甚至无法制动。最常见的具体原因为制动器的液压活塞孔出现裂纹，导致液压油渗漏以至无法提供足够的油压。密封圈的失效也可能导致液压助力不足。密封圈是由橡胶材料制成的，当其弹力减弱至一定程度后就会发生永久变形，由此引发密封失效。另外，由于早期设计和加工缺陷导致的活塞、密封圈及凹槽三者的装配不同心，在液压的持续作用下，密封间隙也会不断扩大进而导致密封圈的扭曲、变形甚至翻转。

2.2 螺栓及螺母松动导致制动失效

不论是轮式自行火炮上采用的鼓式制动器还是履带式自行火炮上采用的带式制动器，其制动蹄或者制动带均通过紧固螺栓进行限位和固定，以保持摩擦衬片与制动鼓之间的正常间隙。自行火炮的使用环境较为恶劣，在工作过程中制动器需要频繁经受冲击、弯曲、扭转等各向载荷。紧固螺栓及锁紧螺母的螺纹区域多为应力集中的薄弱环节，其抗扭曲强度、抗拉强度较弱。当自行火炮紧急制动时，紧固螺栓及锁紧螺母处的螺纹受到极大的轴向冲击和拉伸应力。在上述冲击和应力作用下，螺纹的磨损和变形逐渐累积，当达到极限时极易引发疲劳断裂。在实际工作中对自行火炮制动器进行检查拆卸时，发现绝大部分的制动器紧固螺栓在螺纹连接处都有磨损，且有的磨损较为严重。

2.3 机械应力和热应力综合作用导致制动器失效

在整个制动过程中，摩擦升温所达到的温度最大值出现在摩擦力最大的区域，摩擦热量总是从摩擦衬片向制动蹄或制动带传递，摩擦衬片温度均高于制动蹄或制动带接触区的温度。由于热量传递需要一定时间，摩擦衬片和制动蹄或制动带到达最大温度的时刻不相同，制动蹄或制动带总是滞后于摩擦衬片。而应力场的最大值并非出现在温度最大时刻，而是稍稍滞后，这主要是由于应力的大小受到温差、拉力、摩擦力以及所施加的制动正压力综合影响所导致的。随着制动的进行，热量的产生速率逐渐减小，温度梯度及最大应力也随之减小。制动结束后进入散热过程，此时制动蹄或制动带上出现拉应力。每次制动过后，摩擦衬片及制动带均会存在残余塑性应变，无法完全恢复至之前的状态。在经历反复的制动及散热过程后，制动带的表面区域容易产生裂纹，当裂纹扩展至超过阈值时制动器失效。尤其是在紧急制动工况下，上述热衰退效应更为明显。自行火炮的使用环境及操作场景极具特殊性，且相较于民用汽车而言，自行火炮可能会更频繁地更换驾驶员，甚至在许多情况下是由驾驶经验和技术都比较欠缺的新驾驶员进行驾驶操作的。因此，自行火炮在行驶过程中可能会频繁地用到紧急制动，更容易造成制动器过早失效。

2.4 其他失效情况

除了上述几种典型的情况外，自行火炮制动器在实际使用过程中还会出现的失效包括零部件磨损、锈蚀等。由于一些人为操作不当或偶然因素，会导致自行火炮制动器渗入油污或其他的杂质。渗入油污可使制动器摩擦副之间出现滑磨或者锈蚀，一些杂质可导致制动器过度磨损，造成制动器失效。

3 自行火炮制动器失效应对措施

基于上述分析，根据自行火炮使用的实际情况，提出一些应对措施。

3.1 控制人为损坏

自行火炮制动器很多失效问题与驾驶员的操作不当、检查保养不规范密切相关。例如，由于一些驾驶员驾驶技能不熟练，过于频繁地使用紧急制动或者长时间制动，均易使制动器因摩擦热效应导致制动失灵。

自行火炮是重型武器装备，其结构复杂，尤其是底盘系统采用了许多特殊设计。因此，自行火炮在驾驶操作上有许多不同于民用汽车的地方，这就要求自行驾驶员必须熟悉装备，熟练掌握特殊的驾驶技能。另外，自行火炮使用环境复杂且恶劣，在特定的战术背景条件下需要进行一些极限操作。这对自行火炮装备本身及其操作人员均提出极高要求。而由于部队人员的流动性比较大，难以保证一个合格的自行火炮驾驶员长时间在其岗位上工作。因此需要加强自行火炮驾驶员的专业化培训，让其充分掌握制动器在不同情况下的操作要领和技巧，以便充分利用地形和驾驶技能，尽量减少对自行火炮制动器的过度使用。还需要加强维护保养的知识与技能培训，改变以往只重操作、忽视维护保养的不良做法，严格落实装备维修的相关标准及规定，减少制动器的过早失效。

3.2 科学研究预测

自行火炮制动器的失效原因具有很多偶然因素，但是从原理上分析仍能总结一些规律和特点。可利用有限元分析等方法对自行火炮制动器进行受力分析，发现其容易发生形变和磨损的区域，进行针对性的强化设计和维护保养，可延长其使用寿命。另外，通过对使用情况进行监测和统计分析，可总结制动器失效的一般规律和特点，预测其失效的时间，从而进行预防性维修，可最大限度减少制动器失效引发安全事故，保护装备及人员安全。

3.3 适当升级改进

自行火炮的设计服役年限通常远远长于民用汽车的设计使用寿命。这就导致许多自行火炮制动器上的零部件在一定年限后，其设计和材料性能均落后于市场上的民用件。在这种情况下，可考虑采用可替代的一些材料或者通用备件进行更换，从而延长其工作寿命。对于一些耗损件，如密封圈、制动带、摩擦衬片等，在市场上有更好的产品的情况下，可在自行火炮大修的时候进行更新升级。

4 结束语

自行火炮是支撑现代国防的一类主战装备，在陆军的火力打击体系中仍居于十分重要的地位。制动器失效问题对自行火炮战斗力的发挥和操作人员的安全均产生较大影响。本研究可为自行火炮维修保障方面的相关研究提供参考。