何守訓(xùn)，李 卿，劉宗強(qiáng)

（青特集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，山東 青島 266106）

引言

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

我司為上海振華重工開發(fā)的AGV 轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋（如圖1所示）采用了常閉式濕式多盤制動(dòng)器。該AGV 為4×4 全驅(qū)車型，用于港口自動(dòng)化碼頭，前后均可轉(zhuǎn)向，總速比24.66（帶輪邊減速），滿載后GVW 約98 t。該AGV 制動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)：1）制動(dòng)力矩大，單個(gè)制動(dòng)器制動(dòng)力矩39 000 Nm（靜態(tài)），29 000 Nm（動(dòng)態(tài)）；2）制動(dòng)響應(yīng)速度快（約0.5 s），制動(dòng)距離短；3）液壓系統(tǒng)油壓高，制動(dòng)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(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋外觀

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

1 制動(dòng)器活塞密封結(jié)構(gòu)

濕式多盤制動(dòng)器活塞密封的密封性能是制動(dòng)器制動(dòng)性能重要因素之一。對(duì)于彈簧制動(dòng)液壓開啟的常閉式濕式多盤制動(dòng)器，其工作原理為：當(dāng)整車制動(dòng)時(shí)，壓力油卸載，在彈簧力的作用下推動(dòng)活塞壓緊摩擦片（動(dòng)片）及鋼片（靜片），在摩擦力作用下產(chǎn)生制動(dòng)力矩使輪轂無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到制動(dòng)目的。當(dāng)整車行駛時(shí)，壓力油進(jìn)入活塞密封容腔內(nèi)克服彈簧力，解除制動(dòng)[3]。

制動(dòng)器活塞密封失效時(shí)，會(huì)引起內(nèi)部串油和漏油問題，嚴(yán)重時(shí)制動(dòng)器無(wú)法正常開啟。濕式制動(dòng)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(dǎo)致齒輪油變質(zhì)，造成浪費(fèi)[4]。此外，減少輪邊齒輪等零部件的使用壽命。當(dāng)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(dòng)器串油和漏油故障，下面針對(duì)制動(dòng)器活塞密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，最終確定合適的密封結(jié)構(gòu)來(lái)滿足港口AGV 的使用工況。

1.1 Y+O 型圈結(jié)構(gòu)

該Y+O 型圈結(jié)構(gòu)為濕式制動(dòng)器常用結(jié)構(gòu)，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(dòng)缸滑動(dòng)面接觸，提供初始?jí)毫_(dá)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(dòng)缸和活塞的滑動(dòng)面貼合，實(shí)現(xiàn)高壓密封。兩個(gè)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(wú)法開啟制動(dòng)器。該結(jié)構(gòu)能提供較大的擠出間隙，但裝配時(shí)容易造成翻唇且抗吸出能力差。

圖2 Y+O 型密封圈結(jié)構(gòu)

港口AGV 使用該Y+O 型圈結(jié)構(gòu)一段時(shí)間后出現(xiàn)液壓油串油及漏油現(xiàn)象，拆解發(fā)現(xiàn)制動(dòng)缸滑動(dòng)面出現(xiàn)明顯劃痕（如圖3），個(gè)別制動(dòng)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(zhì)。

圖3 制動(dòng)缸劃痕

圖4 O 型圈被吸出

初步分析失效原因?yàn)椋篈GV 轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋在使用過程中，由于摩擦片浸泡在輪邊齒輪油中，制動(dòng)產(chǎn)生的摩擦材料雜質(zhì)以及輪邊減速器齒輪磨合出現(xiàn)的金屬磨屑進(jìn)入活塞內(nèi)部，造成制動(dòng)缸滑動(dòng)面出現(xiàn)劃痕，導(dǎo)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(dá)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(yīng)速度過快（約0.5 s），密封體回彈不及時(shí)，產(chǎn)生負(fù)壓將O 型圈吸出導(dǎo)致密封失效。

其實(shí)要回答這個(gè)問題，更多的是法價(jià)值判斷的問題。按照傳統(tǒng)的合同法規(guī)定來(lái)判斷合同成立的時(shí)點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)是電商平臺(tái)在網(wǎng)站上展示商品為要約，消費(fèi)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(huì)通過格式條款將合同成立的時(shí)點(diǎn)設(shè)置為電商平臺(tái)發(fā)送訂單確認(rèn)信息時(shí)，延后了合同成立生效的時(shí)點(diǎn)。

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

1.2 格萊圈+O 型圈結(jié)構(gòu)

格萊圈是由高耐磨復(fù)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(yù)緊力，并對(duì)滑環(huán)的磨損起補(bǔ)償作用。PTFE 滑環(huán)材質(zhì)偏軟，摩擦過程中出現(xiàn)的雜質(zhì)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(yán)密貼合密封，實(shí)現(xiàn)高壓密封。

PTFE 滑環(huán)的特殊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，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(dǎo)熱性、無(wú)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(dòng)液被污染[5]，同時(shí)因滑環(huán)與滑動(dòng)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(jié)構(gòu)由于嵌在制動(dòng)缸和活塞溝槽中，解決了O 型圈被吸出故障。

為進(jìn)一步解決輪邊齒輪油中的雜質(zhì)進(jìn)入活塞內(nèi)部，我們?cè)诟袢R圈結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上外側(cè)增加兩道O 型圈（圖5 中的零件1和4），用來(lái)阻隔輪邊齒輪油中的雜質(zhì)，另外也可起到活塞雙重密封作用。

圖5 格萊圈結(jié)構(gòu)

此結(jié)構(gòu)驗(yàn)證一段時(shí)間后，較第一種“Y+O 型圈”結(jié)構(gòu)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(dòng)缸體滑動(dòng)面劃傷導(dǎo)致的串油和漏油現(xiàn)象。那么，如何避免制動(dòng)缸體滑動(dòng)面劃傷成為了要解決的重點(diǎn)。

為解決制動(dòng)缸體滑動(dòng)面劃傷故障，我們將德國(guó)KESSLER濕式制動(dòng)器進(jìn)行拆解及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)為格萊圈+單導(dǎo)向支撐環(huán)（如圖6 所示）。進(jìn)一步對(duì)德國(guó)KESSLER 產(chǎn)品密封材料成分進(jìn)行深度分析（測(cè)試方法：FTIR、PGC-MS、EDX、TGA 和ICP-OES），測(cè)試結(jié)果為：格萊圈中O 型圈采用FKM+炭黑材質(zhì)，導(dǎo)向環(huán)和格萊圈滑環(huán)采用PTFE+錫青銅粉材質(zhì)。

圖6 Kessler 格萊圈+單導(dǎo)向支撐結(jié)構(gòu)

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)及咨詢國(guó)內(nèi)專業(yè)液壓密封廠家得出結(jié)論：因活塞重量較重，格萊圈中O 型圈為彈性體無(wú)法承受活塞體重量，會(huì)導(dǎo)致活塞與殼體在失壓制動(dòng)狀態(tài)下出現(xiàn)偏心。

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

通過上述對(duì)比分析，制動(dòng)缸劃傷導(dǎo)致串油和漏油的根本問題應(yīng)為缸體與活塞之間缺少導(dǎo)向支撐環(huán)，與輪邊齒輪油雜質(zhì)關(guān)系不大。找出根本原因后，我們?cè)俅螌?duì)制動(dòng)器活塞密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)如下。

1.3 斯特封+雙導(dǎo)向支撐環(huán)結(jié)構(gòu)

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(dòng)缸滑動(dòng)面接觸，摩擦阻力小且對(duì)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(dòng)器僅液壓腔存在油液壓力，外側(cè)為齒輪油且安裝輪邊通氣裝置無(wú)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(jié)構(gòu)。

為解決活塞與制動(dòng)缸出現(xiàn)“鐵磨鐵”現(xiàn)象，參考德國(guó)Kessler 結(jié)構(gòu)，其格萊圈均布置在制動(dòng)缸上，屬同側(cè)布置，對(duì)制動(dòng)缸表面加工精度要求不高。而我司采用的結(jié)構(gòu)，格萊圈分別布置在制動(dòng)缸和活塞上，屬異側(cè)布置，對(duì)二者加工精度要求都較高?？紤]到空間局限性及密封結(jié)構(gòu)布置的差異性，我們?cè)谒固胤饨Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了兩道導(dǎo)向支撐環(huán)（圖7 中的零件1 和4），用來(lái)更好地支撐活塞，盡可能保持活塞與制動(dòng)缸同軸，避免出現(xiàn)劃傷現(xiàn)象。

圖7 斯特封+雙導(dǎo)向支撐環(huán)結(jié)構(gòu)

針對(duì)導(dǎo)向支撐環(huán)材料的選擇，考慮到PTFE 材質(zhì)偏軟，支撐效果可能不理想，經(jīng)調(diào)研，決定將導(dǎo)向支撐環(huán)采用酚醛夾布材質(zhì)，該材料具有高承載、高耐磨、抗沖擊、自潤(rùn)滑等性能，廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械油缸中，可有效避免活塞與殼體往復(fù)運(yùn)動(dòng)及液壓沖擊時(shí)相互摩擦并產(chǎn)生鐵屑，從而對(duì)密封系統(tǒng)起到保護(hù)作用。

此外，針對(duì)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(qiáng)磁螺塞，用來(lái)吸附金屬雜質(zhì)。

經(jīng)過對(duì)最終改進(jìn)后的斯特封+雙導(dǎo)向支撐環(huán)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行試裝驗(yàn)證，截止目前已運(yùn)行超5 000 km，未再次出現(xiàn)串油及漏油現(xiàn)象。證明該結(jié)構(gòu)方案可行，建議推廣應(yīng)用。

2 制動(dòng)器設(shè)計(jì)及工藝要求

為保證產(chǎn)品性能，我們對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)及工藝要求進(jìn)行嚴(yán)格控制，具體如下：

（1）活塞與制動(dòng)缸體材質(zhì)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(dòng)缸體同軸度要求≤0.05；

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

（4）嚴(yán)控活塞與制動(dòng)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(zhì)，去尖角、毛刺，零部件100%尺寸檢驗(yàn)；

（6）超聲波清洗，確保清潔度（按照微粒法進(jìn)行控制檢測(cè)，達(dá)到≤2 級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)要求）；

（7）裝配及搬運(yùn)過程中嚴(yán)禁表面磕碰或劃傷，一旦出現(xiàn)即報(bào)廢處理；

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

3 結(jié)論

本文針對(duì)港口AGV 特殊工況使用條件下的常閉式濕式多盤制動(dòng)器密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行試裝對(duì)比驗(yàn)證，確定最終活塞密封方案即斯特封+雙導(dǎo)向支撐環(huán)結(jié)構(gòu)。此外，對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)及工藝進(jìn)行嚴(yán)格控制，解決了濕式制動(dòng)器串油和漏油問題，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)及拓展應(yīng)用。