楊建平， 盛震風(fēng)， 肖維遠(yuǎn)， 呂 超， 楊 璨， 劉 蘋

(1 眉山中車制動科技股份有限公司， 四川眉山 620010；2 中國中車股份有限公司， 北京 100143)

120型貨車空氣控制閥(以下簡稱120閥)于1993年在鐵路貨車上全面推廣。120閥采用直接式二壓力作用方式，能適應(yīng)壓力保持操縱,沿用103閥的橡膠膜板和金屬滑閥結(jié)構(gòu)，增設(shè)了加速緩解閥、半自動緩解閥及緊急閥先導(dǎo)結(jié)構(gòu)。20多年來，120閥經(jīng)歷了全國各種運(yùn)行條件下的運(yùn)用和苛刻的考驗，在鐵路貨車上裝車比例幾乎達(dá)到100%。

120閥作為我國鐵路貨車制動系統(tǒng)中的主型控制閥，其性能的可靠性直接影響車輛制動系統(tǒng)的可靠性。隨著鐵路貨車重載、快速的不斷發(fā)展及我國鐵路運(yùn)輸模式的變化，對制動技術(shù)的可靠性要求更高，近年來120閥經(jīng)過不斷改進(jìn)，性能、質(zhì)量較為穩(wěn)定，但由于受其結(jié)構(gòu)、材料等限制，在運(yùn)用中偶發(fā)性的意外緊急、緩解不良等問題，對運(yùn)輸秩序和運(yùn)輸安全造成了不利影響。因此，對120閥結(jié)構(gòu)、材料等進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)十分必要。

1 運(yùn)用狀況調(diào)研分析

2011年中國鐵路總公司組織相關(guān)單位分夏、冬兩季對齊齊哈爾、南寧等車輛段進(jìn)行了專項調(diào)研，共跟班作業(yè)37 400多輛，發(fā)現(xiàn)有制動故障的車輛168例，故障率為0.45%，其中120閥故障26例，占整個制動故障的15.5%。經(jīng)統(tǒng)計分析，120閥運(yùn)用中存在的主要問題有：

(1)偶發(fā)性意外制動

120閥運(yùn)用中存在偶發(fā)性意外制動而在試驗臺上檢測合格的問題。

處于緩解狀態(tài)的制動機(jī)，當(dāng)列車管緩慢減壓(或輕微漏泄)時，制動機(jī)不得發(fā)生制動作用的性能，即為制動機(jī)的穩(wěn)定性。要獲得良好的穩(wěn)定性，只要在列車管緩慢減壓時，不讓主活塞上移即可。在120閥中，穩(wěn)定性是通過副風(fēng)缸壓縮空氣向列車管逆流和主活塞尾部所設(shè)的穩(wěn)定彈簧及其他阻力作用保證的。

若要主活塞上移，需要先在主活塞兩側(cè)形成足以壓縮穩(wěn)定彈簧的壓力差才可。若穩(wěn)定彈簧裝配負(fù)荷小，對主活塞的移動不能產(chǎn)生很好的阻礙作用，則當(dāng)列車管緩慢減壓(或輕微漏泄)時，主活塞兩側(cè)輕微的壓力波動即可壓縮穩(wěn)定彈簧，造成主活塞上移，發(fā)生意外制動。

(2)偶發(fā)性自然緩解

偶發(fā)性自然緩解多發(fā)生在小減壓調(diào)速制動或調(diào)車作業(yè)中。結(jié)合對滑閥副狀態(tài)理論分析,見圖1，可以看出引起自然緩解的主要原因是滑閥副拉傷及副風(fēng)缸管路漏泄。

圖1 滑閥座拉傷、剝離

(3)偶發(fā)性意外緊急

目前120閥存在偶發(fā)性意外緊急。以太原局湖東段為例，在2014年共有35起意外緊急，在運(yùn)用現(xiàn)場對發(fā)生意外緊急列車故障排查中發(fā)現(xiàn)，除了機(jī)車操縱、信號突變等原因外，車輛制動裝置故障主要集中在緊急閥。

緊急閥引起意外緊急故障的主要原因：一是φ2.5逆流孔被異物堵塞，列車管壓力漏泄或?qū)嵤┏Ｓ弥苿訒r出現(xiàn)意外緊急；二是緊急閥在組裝后，緊急閥活塞桿距離先導(dǎo)閥頂桿間的距離太近，在列車管壓力波動時，容易觸發(fā)先導(dǎo)閥，從而引起意外緊急。

(4)閥內(nèi)清潔度差

120閥內(nèi)部清潔度差是運(yùn)用中最突出的問題之一。殘留或進(jìn)入閥內(nèi)部的各種污物會損傷滑閥副研磨面、橡膠膜板，堵塞閥內(nèi)氣路小孔，因此對閥的作用可靠性危害極大。

在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)閥內(nèi)部的污物有既有制造過程中殘留的鑄造粘沙、金屬加工屑，未清除干凈的加工毛刺、石蠟、密封膠等，也有運(yùn)用過程中因氣源質(zhì)量差或防護(hù)不佳而進(jìn)入閥內(nèi)的灰塵、油污、雜質(zhì)。見圖2。

圖2 閥內(nèi)污物

(5)其他

①鑄鐵件防腐性能較差

采用磷化處理的120閥球墨鑄鐵件防腐性能較差，在運(yùn)用過程中閥體內(nèi)腔及表面易產(chǎn)生銹蝕，銹斑掉進(jìn)閥體關(guān)鍵零部件中，影響120閥整機(jī)性能，見圖3。

圖3 閥體銹蝕

②緊急閥故障

緊急閥φ1濾塵縮堵在極寒天氣易出現(xiàn)凍結(jié)堵塞，緊急閥導(dǎo)向桿導(dǎo)向能力不足導(dǎo)致偏磨,及緊急閥排氣口防塵結(jié)構(gòu)不良產(chǎn)生倒吸導(dǎo)致放風(fēng)閥導(dǎo)向桿偏磨現(xiàn)象，見圖4。

圖4 緊急活塞桿、放風(fēng)閥導(dǎo)向桿偏磨

③配356 mm、254 mm制動缸縮堵易漏裝、誤裝配356 mm、254 mm制動缸120閥互相轉(zhuǎn)換時需要更換3處縮堵，由于縮堵外形尺寸都是一樣的，在現(xiàn)場更換時易誤裝、漏裝。

④緩解閥解鎖壓力過高，影響緩解閥性能。

⑤φ16夾芯閥組裝時易側(cè)翻由于夾芯閥是以芯板為導(dǎo)向，φ16芯板厚度為1 mm，導(dǎo)向能力不足，在組裝時易側(cè)翻，如未能及時發(fā)現(xiàn)會影響整機(jī)性能。

2 改進(jìn)措施

通過對120閥的這些故障點進(jìn)行深入研究，提出以下一些解決措施,以便更好的解決120閥運(yùn)用中存在的慣性故障。

2.1 調(diào)整穩(wěn)定彈簧座尺寸，提高穩(wěn)定性

為了提高作用部的穩(wěn)定性，防止意外制動，適當(dāng)增加穩(wěn)定彈簧作用力?？紤]到零部件互換，采用原穩(wěn)定彈簧配合加厚的穩(wěn)定簧座增大穩(wěn)定彈簧的組裝負(fù)荷。穩(wěn)定彈簧座由原來的4.5 mm增加到8.6 mm，與120-1閥一致，穩(wěn)定彈簧組裝負(fù)荷相應(yīng)的增加了6.5 N左右，主活塞動作壓差比改進(jìn)前提高了約1～2 kPa。

圖5 穩(wěn)定彈簧座示意圖

2.2 互換滑閥副材質(zhì)

針對滑閥副的故障點進(jìn)行深入研究，提出互換滑閥副材質(zhì)方案，從源頭保證滑閥副材質(zhì)特性匹配的合理性。

從現(xiàn)有120閥滑閥副出現(xiàn)拉傷的情況看，滑閥套出現(xiàn)點蝕、剝離的情況比較嚴(yán)重，滑閥拉傷的程度要輕，滑閥副疲勞耐久2萬次左右拉傷就已經(jīng)很明顯，見圖6。

圖6 經(jīng)2萬次左右疲勞耐久試驗后的既有滑閥副狀態(tài)

互換材質(zhì)方案是基于原有滑閥副材質(zhì)，只是根據(jù)3個部件材質(zhì)性能，將滑閥套這一難于研磨且工作接觸面積最大的部件材質(zhì)調(diào)整為致密度最好，依次是滑閥、節(jié)制閥，使其材料特性匹配更加合理，降低因材質(zhì)問題出現(xiàn)的剝離、拉傷問題，互換材質(zhì)滑閥副69 830次后耐磨試驗見圖7。

現(xiàn)有滑閥副與互換材質(zhì)滑閥副對比見表1。

2.3 緊急閥改進(jìn)

2.3.1φ1濾塵縮堵橫置

目前緊急閥的φ1濾塵縮堵為垂直安裝方式，由于縮孔較小，當(dāng)壓力空氣通過此縮孔時流速發(fā)生急劇變化，受重力作用，壓力空氣中的水氣會聚集在此處，若遭遇極寒天氣，則容易凍結(jié)堵塞，影響緊急閥性能。為此，設(shè)計緊急閥φ1濾塵縮堵橫置結(jié)構(gòu)，避免其在極寒天氣下因聚集而凍結(jié)堵塞，見圖8。

圖7 經(jīng)7萬次左右疲勞耐久試驗后的 互換材質(zhì)滑閥副狀態(tài)

現(xiàn)有的滑閥副互換材質(zhì)的滑閥副材質(zhì)成型工藝硬度/HB材質(zhì)成型工藝硬度/HB滑閥ZCuZn40Mn4Al2鍛壓≥160ZCuZn16Si4鍛壓100～130滑閥套ZCuSn5Pb5Zn5鑄造≥65ZCuZn40Mn4Al2液態(tài)模鍛160～180節(jié)制閥ZCuZn16Si4鑄造≥100ZCuSn5Pb5Zn5鑄造65～85

2.3.2緊急活塞桿導(dǎo)向結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為防止緊急活塞桿的偏磨，增大了緊急活塞桿與放風(fēng)閥座之間的間隙，并放入一個起扶持緊急閥活塞桿作用的彈性橡膠件。緊急活塞桿動作過程中始終與該橡膠件接觸，從而避免了兩金屬件之間的硬磨損，不僅解決了緊急活塞桿的偏磨問題，同時還由于放開了導(dǎo)向間隙，使活塞桿的運(yùn)動更為靈活，緊急閥作用更加可靠，見圖8。

2.3.3放風(fēng)閥導(dǎo)向桿結(jié)構(gòu)改進(jìn)

由于目前緊急閥排風(fēng)口處防塵不良，且放風(fēng)閥導(dǎo)向桿結(jié)構(gòu)又使得空氣中的雜質(zhì)容易在周圍堆積，若這些雜質(zhì)進(jìn)入放風(fēng)閥的桿套之間，則會使放風(fēng)閥導(dǎo)向桿與放風(fēng)閥套間的摩擦阻力增大，造成放風(fēng)閥導(dǎo)向桿偏磨，引起緊急閥緊急后排風(fēng)不止。因此，優(yōu)化了放風(fēng)閥桿結(jié)構(gòu)，取消了臺階設(shè)計。同時還對排氣口處進(jìn)行優(yōu)化，防止排氣后的倒吸現(xiàn)象，有效地防止了因雜質(zhì)進(jìn)入引起的放風(fēng)閥桿偏磨現(xiàn)象，見圖8。

2.3.4防塵結(jié)構(gòu)改進(jìn)

對排氣口處進(jìn)行優(yōu)化，排風(fēng)口罩墊采用內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，防止排氣后的倒吸現(xiàn)象；緊固銷釘上采用卡槽結(jié)構(gòu)，防止排風(fēng)口罩墊上下竄動，使防塵效果良好。

2.3.5控制緊急活塞桿到先導(dǎo)閥頂桿間距離

緊急制動作用的發(fā)生需要緊急活塞下移，使緊急活塞桿的下端面先通過先導(dǎo)閥頂桿頂開先導(dǎo)閥，然后繼續(xù)下移頂開放風(fēng)閥，使放風(fēng)閥口開啟。若緊急活塞桿下端面與先導(dǎo)閥頂桿上端面間距離過小，當(dāng)常用制動減壓時，緊急活塞下移量大于緊急活塞桿下端面與先導(dǎo)閥頂桿間的距離時，則會發(fā)生意外緊急制動，影響緊急閥的安定性。

緊急活塞桿與頂桿之間距離直接影響安定簧的實際工作載荷，從而影響安定性，距離越長安定性越好，反之安定性越差。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制緊急活塞桿下端面與先導(dǎo)閥頂桿上端面間的距離。

圖8 緊急閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

2.4 防塵結(jié)構(gòu)

2.4.1主閥排氣口結(jié)構(gòu)改進(jìn)

主閥排氣口處的改進(jìn)主要是解決其易丟失和灰塵倒吸問題。通過設(shè)計螺旋迷宮式排氣結(jié)構(gòu)，將螺旋式排風(fēng)芯和防塵柵堵壓裝到主閥下蓋排氣口處，既解決了空間不足及加工工藝性問題，又使得外部空氣雜質(zhì)不易進(jìn)入主閥體內(nèi)部，有效地提高了其防塵能力，且裝配牢靠，防盜性能良好，見圖9。

圖9 螺旋迷宮式排風(fēng)部示意圖

2.4.2中間體防塵

現(xiàn)有中間體與主閥各氣路除了列車管通路使用的是銅基粉末冶金濾塵杯結(jié)構(gòu)外，其他如副風(fēng)缸通路、制動缸通路、加速緩解風(fēng)缸通路都采用濾塵網(wǎng)進(jìn)行過濾。由于濾塵網(wǎng)濾塵效果有限，各風(fēng)缸中的一些空氣雜質(zhì)及銹跡容易透過濾塵網(wǎng)進(jìn)入到控制閥中，導(dǎo)致工作面拉傷漏泄，為了解決這一問題，增加不銹鋼纖維燒結(jié)集塵濾芯結(jié)構(gòu)。不銹鋼纖維燒結(jié)集塵濾芯結(jié)構(gòu)采用不銹鋼濾層與不銹鋼纖維結(jié)合仿生人手搖滾篩分技術(shù)，精確控制不銹鋼纖維分布，有效地控制孔徑的均勻性，最大限度的提高開孔率，增大透氣量，提高過濾精度。

圖10 中間體不銹鋼濾塵結(jié)構(gòu)

2.5 其他

2.5.1球鐵件采用QPQ防腐處理

通過采用QPQ表面處理或氣相法防腐處理替代磷化處理，從而提高鑄鐵件的防腐能力?，F(xiàn)有磷化處理的鑄鐵件在經(jīng)過6 h中性鹽霧會出現(xiàn)紅銹，見圖11。QPQ處理后的鑄鐵件經(jīng)過72 h內(nèi)未出現(xiàn)紅銹，見圖12。

圖11 磷化處理的緊急閥體6 h鹽霧試驗前后對比

圖12 QPQ處理72 h鹽霧試驗前后對比

2.5.2設(shè)計新型集成縮堵

設(shè)計新型轉(zhuǎn)換縮堵，通過改變縮堵外形大小，保證縮堵和安裝螺紋孔一一對應(yīng)，從而避免誤裝的出現(xiàn)；通過在出廠時已將轉(zhuǎn)換縮堵裝配在各閥體上，因而避免了漏裝問題。

2.5.3調(diào)整緩解閥彈簧參數(shù)

現(xiàn)有120閥緩解閥解鎖壓力偏高，影響到手動緩解性能。其主要原因是彈簧過硬，組裝負(fù)荷過大，造成緩解閥過早復(fù)位。鑒于此原因，重新設(shè)計緩解閥彈簧，將緩解閥彈簧剛度由2.47 N/mm調(diào)整為1.8 N/mm，可使緩解閥解鎖壓力的下降，保證手動緩解性能。

2.5.4改進(jìn)夾芯閥導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有夾芯閥導(dǎo)向主要是靠金屬芯板，由于芯板厚度較薄，導(dǎo)向長度不夠，在組裝的時候，容易出現(xiàn)側(cè)翻現(xiàn)象，從而影響組裝效率，且如果側(cè)翻后沒有及時發(fā)現(xiàn)會影響后續(xù)整機(jī)性能。在不影響夾芯閥性能的前提下，重新設(shè)計夾芯閥，增加了1.5 mm芯板導(dǎo)向長度，可有效的防止組裝時的側(cè)翻現(xiàn)象。

3 樣機(jī)試驗驗證

為驗證改進(jìn)方案，共試制200套改進(jìn)樣機(jī)，進(jìn)行了相關(guān)試驗驗證。

3.1 單閥試驗

改進(jìn)樣機(jī)在微控120閥電空試驗臺上按TB/T 2951-2009《鐵道貨車空氣控制閥》的規(guī)定進(jìn)行了性能試驗，試驗結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求，主閥動作時列車管減壓量為21.5～36 kPa(既有閥約為19～35 kPa)，；緊急靈敏度值為55～85 kPa(既有閥約為35～100 kPa)，試驗證明，改進(jìn)后的120閥在保證性能不變的基礎(chǔ)上，提高了主閥和緊急閥的穩(wěn)定性。

3.2 單車試驗

改進(jìn)樣機(jī)在單車試驗臺上按TB/T 1492-2002《鐵道車輛制動機(jī)單車試驗方法》的規(guī)定進(jìn)行了性能試驗，并對改進(jìn)前后的120閥進(jìn)行了穩(wěn)定性、安定性對比試驗，試驗結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 低溫試驗

在哈科所低溫試驗站對3套改進(jìn)樣機(jī)進(jìn)行了-50 ℃、48 h環(huán)境下的低溫性能試驗，試驗結(jié)果符合TB/T 1492-2002的要求。

3.4 列車試驗

改進(jìn)樣機(jī)在150輛列車定置試驗臺上進(jìn)行了編組制動試驗，檢驗改進(jìn)樣機(jī)編組情況下的充氣、制動、保壓、緩解等性能。試驗結(jié)果表明，改進(jìn)樣機(jī)對制動波速影響較小。

4 結(jié) 論

通過對120閥部分結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，經(jīng)樣機(jī)試制及相關(guān)試驗驗證，結(jié)果表明改進(jìn)措施能夠有效解決120閥運(yùn)用中存在的慣性問題，提高運(yùn)用可靠性，更好的保障鐵路貨物運(yùn)輸安全和秩序。