韓海山， 孫廣合， 徐勇航

(北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100094)

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淺談制動系統(tǒng)橡膠零件常見問題分析及改進(jìn)驗(yàn)證

韓海山， 孫廣合， 徐勇航

(北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100094)

介紹了機(jī)車車輛制動系統(tǒng)橡膠零件的常見問題，并對出現(xiàn)問題進(jìn)行了分析和改進(jìn)驗(yàn)證，確保在實(shí)際運(yùn)用時橡膠零件的可靠性，降低產(chǎn)品整體故障率和提高機(jī)車車輛的運(yùn)行安全性。

機(jī)車車輛； 制動系統(tǒng)； 橡膠零件； 分析； 驗(yàn)證

制動系統(tǒng)是機(jī)車車輛的重要組成部件，它對保證車輛從運(yùn)行到停止起著重要作用。在實(shí)際運(yùn)用過程中，制動系統(tǒng)產(chǎn)品性能的好壞直接影響著車輛的制動性能，這就要求其必須具備良好的穩(wěn)定性能和可靠性[1]。

橡膠零件作為在制動系統(tǒng)中具有密封、防護(hù)、減震、連接、絕緣等作用的關(guān)鍵零件，對于制動系統(tǒng)保持氣密性、防塵、防水、吸震或隔震，減少或隔離受到的震動或沖擊等發(fā)揮著重要作用。

橡膠零件保持穩(wěn)定可靠的使用性能對于降低產(chǎn)品整體故障率和提高機(jī)車車輛運(yùn)行安全性具有重要的需求和現(xiàn)實(shí)意義，同時也可以降低運(yùn)用維護(hù)成本和不必要的人力、物力開支。

1 橡膠零件分類

制動系統(tǒng)橡膠零件，主要分為以下幾類：

(1) O形圈類

O形圈是一種截面為圓形的橡膠零件，因其截面為“O”形，因此被稱為O形圈。根據(jù)O形圈的使用工況(溫度、壓力、運(yùn)動狀態(tài)等)不同，可采用不同橡膠材料進(jìn)行制造，以滿足使用工況需求。

由于O形圈具有結(jié)構(gòu)簡單特點(diǎn)，是目前使用最為廣泛的一類橡膠零件，同時安裝也比較簡便，根據(jù)O形圈壓縮方向以及溝槽型式分為徑向密封和軸向密封兩種形式。

(2) 膜板類

膜板是一種中間夾有織物(如棉帆布、尼龍等)可往復(fù)運(yùn)動并保證氣密性的橡膠零件，在充入氣體壓力的作用下，推動膜板往復(fù)運(yùn)動，帶動與之配合的機(jī)械零件運(yùn)動。其外觀如圖1所示。

(3) 皮碗類

皮碗是一種可往復(fù)運(yùn)動并保證氣密性的橡膠金屬骨架復(fù)合橡膠零件，通常應(yīng)用在制動單元的制動缸或停放缸內(nèi)部，在活塞和制動缸或停放缸之間起密封空氣作用，在充入氣體壓力的作用下，推動皮碗帶動活塞等機(jī)械結(jié)構(gòu)動作，推動閘瓦抱緊車輪或制動盤制動。

圖1 膜板

(4)夾心閥類

夾心閥是一種可往復(fù)運(yùn)動并保證氣密性的橡膠金屬骨架復(fù)合橡膠零件，通常應(yīng)用在中繼閥、止回閥等產(chǎn)品內(nèi)部，在夾心閥橡膠平面與閥體閥口之間起密封空氣的作用。其外觀如圖2所示。

圖2 夾心閥

(5)防塵罩類

防塵罩是一種部分或全部由橡膠材料構(gòu)成的橡膠零件，通常應(yīng)用在制動單元的制動缸和連接桿之間起防護(hù)作用，防止塵土、沙礫、油污等雜質(zhì)進(jìn)入螺桿等關(guān)鍵部位，避免螺桿磨損。其外觀如圖3所示。

圖3 防塵罩

2 橡膠零件常見問題分析及改進(jìn)驗(yàn)證

2.1 O形圈類

(1) 零件材料在接觸工作介質(zhì)較長一段時間后出現(xiàn)截面脹大，導(dǎo)致零件在再安裝時發(fā)生切邊導(dǎo)致的基體損傷現(xiàn)象。此外，在實(shí)際運(yùn)用工作溫度條件下，出現(xiàn)零件材料失去回彈性現(xiàn)象。這是由于零件材料耐介質(zhì)能力不佳或在生產(chǎn)制造時，零件硫化不充分以及零件材料的耐寒性不佳等導(dǎo)致的。

此前零件在短期運(yùn)用過程中被偶然發(fā)現(xiàn)存在截面脹大現(xiàn)象，經(jīng)過實(shí)際的對比發(fā)現(xiàn)，可以排除零件橡膠材料本身變化因素的影響，最終確定為零件制造過程工藝條件波動所導(dǎo)致，經(jīng)過工藝整改后，問題未再出現(xiàn)。其次，零件在進(jìn)行組裝產(chǎn)品低溫試驗(yàn)測試時出現(xiàn)的漏風(fēng)現(xiàn)象，主要原因是零件材料的耐寒性不佳，經(jīng)過實(shí)際橡膠材料優(yōu)化，選擇更耐低溫材料配方，并通過脆性溫度、壓縮耐寒系數(shù)等[2]試驗(yàn)驗(yàn)證，再經(jīng)組裝產(chǎn)品低溫試驗(yàn)測試后，最終問題得以解決。

(2)零件材料在往復(fù)運(yùn)動較長一段時間后，出現(xiàn)橡膠基體磨損掉落的現(xiàn)象，如圖4所示。這是由于零件材料耐磨性不佳、滑動面潤滑不良等導(dǎo)致的。

此前該零件在進(jìn)行階段性疲勞試驗(yàn)后進(jìn)行例行試驗(yàn)測試氣密性時，被發(fā)現(xiàn)存在漏風(fēng)的現(xiàn)象。從圖4可以看出，零件磨損嚴(yán)重，較多橡膠顆粒掉落并附著在組裝件上。而零件在組裝時，已按照技術(shù)要求涂抹了潤滑脂，初始界面狀態(tài)良好，由此可以確認(rèn)，問題的出現(xiàn)與橡膠材料自身的耐磨性有密切的關(guān)系。經(jīng)過實(shí)際橡膠材料優(yōu)化，對材料的耐磨性能進(jìn)行改進(jìn)提升，并通過阿克隆磨耗等[2]試驗(yàn)驗(yàn)證，再經(jīng)組裝產(chǎn)品疲勞試驗(yàn)測試后，最終問題得以解決。

圖4 橡膠基體磨損

2.2 膜板類

(1)夾布零件分型面夾布裁剪不均勻，個別位置線頭過長，如圖5所示。這是由于零件夾布層通常為纖維強(qiáng)度較高的尼龍或其他較厚的織物，導(dǎo)致操作難度較高，采用普通的剪裁工具修整，導(dǎo)致分型面夾布裁剪不均勻。

圖5 線頭過長

此前裝有該膜板的組裝閥在實(shí)際運(yùn)用過程中出現(xiàn)偶發(fā)長排風(fēng)現(xiàn)象，經(jīng)對故障閥拆解后發(fā)現(xiàn)，內(nèi)孔處殘余較長的線頭，如動作后被夾在密封配合表面之間時，將會導(dǎo)致密封不嚴(yán)，產(chǎn)生漏風(fēng)后果，嚴(yán)重時將影響車輛的正常安全運(yùn)行。后續(xù)通過設(shè)計(jì)專用的裁剪工裝進(jìn)行修整等措施整改，保證零件修邊質(zhì)量，最終問題得以解決。

(2)夾布零件夾布層與橡膠層粘合力不夠，在往復(fù)運(yùn)動較長一段時間后，出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，如圖6所示。這是由于零件夾布層的表面處理方式、工藝參數(shù)落實(shí)等存在問題導(dǎo)致的。

圖6 鼓包

該膜板是在長壽命階段性疲勞試驗(yàn)后進(jìn)行例行試驗(yàn)測試時被發(fā)現(xiàn)存在問題的，體現(xiàn)在動作靈敏度上，從圖6可以看出，零件橡膠層與夾布分離，內(nèi)部充滿了一定壓力的氣體，體積變大后的零件，截面形狀也發(fā)生了較為明顯的變化，這將會影響零件的正常動作。零件橡膠層與夾布層部分脫離，根本上還是粘合力不夠?qū)е碌模虼烁倪M(jìn)和提升夾布層的表面處理方式，增進(jìn)零件夾布層與橡膠層粘合力可以解決該問題。經(jīng)過對零件制造過程工藝優(yōu)化，并通過粘合強(qiáng)度[2]試驗(yàn)驗(yàn)證，再經(jīng)組裝產(chǎn)品疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證，最終問題得以解決，這將極大提升零件的正常運(yùn)用壽命和可靠性。

(3)夾布零件夾布層在往復(fù)運(yùn)動較長一段時間后在彎折頻率較高位置出現(xiàn)因夾布層線頭斷裂導(dǎo)致的局部破裂。這是由于夾布層自身的疲勞強(qiáng)度不佳導(dǎo)致的。由于受此前工業(yè)水平限制，在先前部分膜板零件中，只能傾向選擇如棉帆布等材質(zhì)作為其夾布層，但與此同時，也積累下了較多的實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，相比以前，目前工業(yè)企業(yè)可提供更加豐富多樣的夾布材料，選擇具有更佳疲勞強(qiáng)度的纖維織物，如滌綸、錦綸等，可以在很大程度上改進(jìn)零件使用性能。在實(shí)際產(chǎn)品試驗(yàn)測試研究中，可以發(fā)現(xiàn)先進(jìn)夾布材料的逐步運(yùn)用，可以明顯提升產(chǎn)品的使用性能和壽命，并明顯地降低產(chǎn)品維護(hù)成本。

2.3 皮碗類

(1) 零件唇口工作面表面粗糙度偏大，存在明顯可見的模具加工痕跡。這是由于零件模具表面粗糙度不佳導(dǎo)致的。改進(jìn)零件模具內(nèi)表面加工工藝，特別是減小零件關(guān)鍵配合工作面對應(yīng)模具內(nèi)表面部分的粗糙度，可參考HB 8233橡膠零件的尺寸極限偏差和表面粗糙度要求標(biāo)準(zhǔn)中對于模具的具體要求。

(2) 零件橡膠與金屬骨架粘合力不夠，在運(yùn)用較長一段時間后，出現(xiàn)脫粘的現(xiàn)象，如圖7所示。這是由于零件金屬骨架的表面處理或硫化制造等環(huán)節(jié)存在問題等導(dǎo)致的。

圖7 橡膠與骨架脫粘

橡膠與骨架粘合力因涉及到較為復(fù)雜繁瑣的表面處理過程，存在著過程質(zhì)量控制難度大、批量產(chǎn)品在偶發(fā)脫粘問題時批次產(chǎn)品將判定為不合格風(fēng)險，這將大大影響產(chǎn)品的交付時間和造成產(chǎn)品本身極大浪費(fèi)。因此，在產(chǎn)品實(shí)際制造生產(chǎn)過程中，強(qiáng)化監(jiān)督工藝文件落實(shí)和執(zhí)行情況，建立必要的互檢手段，下大力氣提高質(zhì)量意識，保證骨架表面處理質(zhì)量。此外，改進(jìn)和提升骨架的表面處理方式，提升零件橡膠層與金屬骨架粘合力，避免零件金屬骨架與粘合劑(如圖8(1)所示)、粘合劑與橡膠層以及粘合劑之間出現(xiàn)脫粘現(xiàn)象發(fā)生，產(chǎn)品橡膠層與金屬骨架剝離破壞應(yīng)達(dá)到厚層橡膠破壞(R)標(biāo)準(zhǔn)，如圖8(2)所示，并通過粘合強(qiáng)度[2]試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖8(3)所示。

橡膠與骨架脫粘，將導(dǎo)致制動單元缸內(nèi)壓力下降，造成制動單元制動力部分喪失或不完全緩解，嚴(yán)重影響制動單元功能發(fā)揮和車輛行車安全。對此通過開展專門質(zhì)量整改工作，解決了產(chǎn)品存在的脫粘質(zhì)量問題。對于產(chǎn)品長久的質(zhì)量穩(wěn)定，關(guān)鍵還是需要制造企業(yè)靜下心來，踏踏實(shí)實(shí)把制造過程中各個環(huán)節(jié)落實(shí)到位，做到件件心中都有把握，并加強(qiáng)階段性過程檢驗(yàn)，及時發(fā)現(xiàn)問題及時整改，讓主動整改成為企業(yè)自身積極主動把握質(zhì)量的新常態(tài)，也只有這樣，才能在激烈的競爭中脫穎而出，并不斷發(fā)展。

圖8 骨架與橡膠粘合性能驗(yàn)證

2.4 夾心閥類

(1) 零件橡膠配合工作面存在平面度超差現(xiàn)象。這是由于零件骨架在制造加工后存在翹曲變形或在硫化制造時，骨架耐溫程度不夠?qū)е伦冃位蛳鹉z配合面橡膠基體不均勻收縮等導(dǎo)致的。

橡膠面的平面度在實(shí)際工作中，對其進(jìn)行檢驗(yàn)是比較困難的，源于橡膠基體具有彈性的特點(diǎn)，也沒有較為經(jīng)濟(jì)適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行檢測，給實(shí)際生產(chǎn)使用帶來了諸多困惑。根據(jù)目前掌握的情況來看，橡膠平面度超差的主要原因以橡膠基體的不均勻收縮導(dǎo)致為主。從具體運(yùn)用來看，應(yīng)該具體問題具體分析，針對不同的配合方式，進(jìn)行氣密性測試驗(yàn)證，在保證氣密性的前提下作不同的技術(shù)要求，可以適當(dāng)?shù)亟档椭圃祀y度和成本，提升產(chǎn)品競爭力。

(2)零件骨架滑動配合工作面存在明顯可見的劃傷、磕碰等缺陷。這是由于零件骨架在制造或使用周轉(zhuǎn)過程中缺乏適當(dāng)防護(hù)手段導(dǎo)致的。

零件的滑動面是關(guān)鍵表面，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)采取恰當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，避免在周轉(zhuǎn)過程中骨架受到磕碰或劃傷，降低修復(fù)成本，提高骨架關(guān)鍵表面外觀質(zhì)量，保證產(chǎn)品運(yùn)用性能。

2.5 防塵罩類

(1)零件材料在運(yùn)用較長時間后，表面出現(xiàn)明顯可見的龜裂、裂紋等缺陷，如圖9所示。這是由于零件材料自身耐候性不佳導(dǎo)致的。零件材料經(jīng)過長時間的使用，產(chǎn)生不可逆結(jié)構(gòu)變化，在嚴(yán)重情況下可能會導(dǎo)致零件防護(hù)功能的失效。

圖9 表面龜裂

在實(shí)際運(yùn)用環(huán)境中，一般要求零件同時具有耐候、耐低溫和一定耐油性能，三者又很難同時兼得。在該問題出現(xiàn)時，意味著材料的選擇大概率出現(xiàn)了偏差，對于零件使用來說，耐候性能是需要首要保證的。早期，將天然橡膠作為零件主體材質(zhì)，由于其具有良好耐低溫性能，得到了較為廣泛的運(yùn)用，至今在部分車型中還在使用。但隨著社會的發(fā)展，機(jī)車車輛運(yùn)用壽命的提高，對產(chǎn)品的使用壽命提出了更高的要求，一些耐候性能更佳的橡膠材料及彈性體逐漸進(jìn)入人們的視野，提供了越來越多的選擇，如氯丁橡膠(CR)、硅橡膠(MVQ)以及聚酯彈性體(TPC)等。根據(jù)零件的實(shí)際運(yùn)用工況，選擇耐候性良好的材料，兼顧零件的耐寒性，并通過耐候性、耐臭氧老化[2]試驗(yàn)驗(yàn)證，最終使得零件滿足產(chǎn)品長壽命周期的使用要求。

(2) 零件材料在運(yùn)用工作溫度條件下，零件材料失去回彈性，變形困難。這是由于零件材料耐寒性不佳導(dǎo)致的。零件所使用的材料可分為結(jié)晶材料和非結(jié)晶材料，兩者在低溫條件下的外在表現(xiàn)略有不同，因此在零件主體材料選擇時，應(yīng)結(jié)合零件應(yīng)達(dá)到的低溫要求，選擇合適的主體材料，使用溫度應(yīng)避開結(jié)晶材料的結(jié)晶溫度范圍，通過材料優(yōu)化設(shè)計(jì)，兼顧零件的耐候性，改進(jìn)和提升材料的耐寒性，并通過脆性溫度、壓縮耐寒系數(shù)等[2]進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。目前廣泛使用的氯丁橡膠等材質(zhì)，在不斷滿足日益提高的低溫要求前面越發(fā)顯得困難，需要繼續(xù)對不斷涌現(xiàn)的新材料進(jìn)行開發(fā)運(yùn)用和驗(yàn)證，為制動系統(tǒng)產(chǎn)品提供更多更好的選擇。

3 結(jié)束語

(1)橡膠零件是機(jī)車車輛制動系統(tǒng)中一類關(guān)鍵的零部件，零件質(zhì)量對于保證機(jī)車車輛制動系統(tǒng)性能穩(wěn)定性和可靠性起著重要作用。因此在零件整個設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造過程中，從模具設(shè)計(jì)、材料選擇以及設(shè)計(jì)、骨架表面處理、生產(chǎn)制造過程周轉(zhuǎn)等各個環(huán)節(jié)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，充分結(jié)合零件運(yùn)用工況進(jìn)行綜合考慮，通過必要的試驗(yàn)測試方法進(jìn)行驗(yàn)證，確保橡膠零件實(shí)際運(yùn)用的可靠性，降低產(chǎn)品整體故障率和提高機(jī)車車輛運(yùn)行安全性。

(2)制造工藝是橡膠零件生產(chǎn)制造的核心關(guān)鍵所在，對于關(guān)鍵或特殊過程環(huán)節(jié)，在實(shí)際生產(chǎn)制造過程中，應(yīng)引起企業(yè)自身足夠的重視，加強(qiáng)制造工藝過程監(jiān)控檢驗(yàn)，不斷地培育精益求精的工匠精神，將細(xì)節(jié)管控措施落實(shí)到位，特別是，在具備條件的前提下，提升自動化生產(chǎn)制造設(shè)備在零件制造工藝過程中使用的比重，減少因手工操作帶來的風(fēng)險。

[1] 王月明. 動車組制動技術(shù)[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2012.

[2] 劉植榕，湯華遠(yuǎn)，鄭亞麗.橡膠工業(yè)手冊[M](修訂版) 第八分冊 試驗(yàn)方法. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1992.

Brief Discussion on the Common Problems Analysis of Rubber Parts in Braking System and Verification for Improvement

HANHaishan,SUNGuanghe,XUYonghang

(Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co., Beijing 100094, China)

The common problem of rubber parts of locomotive braking system was introduced in this paper, and problem analysis was carried out, and also improvement verification was put forward to ensure the reliability of rubber parts in the practical applications. Eventually reducing the failure rate of products and improving the locomotive operation safety.

rolling stock; braking system; rubber parts; analysis; verification

??)男，工程師(

2016-03-28)

1008-7842 (2016) 05-0078-04

U260.35+1

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.17