李善飛， 宮大斐， 孫國棟， 薛學棟

（中車青島四方機車車輛股份有限公司， 山東青島 266111）

0 引言

增壓缸作為一種典型的氣液壓轉(zhuǎn)換裝置融合了液壓系統(tǒng)體積小、輸出大和氣壓系統(tǒng)環(huán)保、低成本的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

動車組由于頻繁的會車和進出隧道， 造成側(cè)門承受大沖擊的不穩(wěn)定外部載荷， 同時車門密封也會隨運用時間的增加由于密封膠條的蠕變也會產(chǎn)生劣化， 需要進行適當?shù)某叽缪a償。 采用增壓缸驅(qū)動的側(cè)門壓緊密封系統(tǒng)可以有效解決上述問題，抵抗沖擊載荷和實現(xiàn)尺寸補償。

在實際應(yīng)用過程中增壓缸止回閥部位出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，漏油部位見圖1 所示。 雖然不系統(tǒng)影響正常功能，但嚴重影響用戶的體驗，需要研究分析進制定解決方案。

圖1 增壓缸止回閥部位漏油圖示

1 側(cè)門壓緊結(jié)構(gòu)原理介紹

側(cè)門壓緊密封系統(tǒng)依靠動車組提供的壓縮空氣通過增壓缸轉(zhuǎn)換成壓緊車門的高壓油，驅(qū)動油缸來壓緊車門。包括1 組增壓缸組件、4 套鎖緊缸、1 組電磁閥組成。增壓缸組件作為核心器件又包括油箱、缸體組件、活塞、止回閥、壓力開關(guān)等器件。 具體系統(tǒng)組成見圖2 所示。

圖2 側(cè)門壓緊密封系統(tǒng)圖示

實現(xiàn)車門壓緊密封的核心控制部件為止回閥組件，包括止回閥和導向活塞。

車門松弛指令觸發(fā)驅(qū)動增壓缸排氣釋放然后油壓降低，此時導向活塞向下回彈，驅(qū)動止回閥打開，鎖緊缸內(nèi)的高壓油退回增壓缸內(nèi)，具體見圖3 所示。

圖3 增壓缸釋放時止回閥狀態(tài)圖示

車門壓緊指令觸發(fā)驅(qū)動增壓缸供氣加壓然后油壓升高，此時導向活塞被向上頂起，止回閥密封球被向下頂開，增壓缸內(nèi)的高壓油進入鎖緊缸驅(qū)動車門壓緊，見圖4。

圖4 增壓缸加壓時止回閥狀態(tài)圖示

車門運用中受到大沖擊載荷時， 鎖緊缸內(nèi)的油壓升高，止回閥密封球被向上頂緊，切斷鎖緊缸內(nèi)液壓油和增壓缸內(nèi)的高壓油，實現(xiàn)回路隔離。防止外部載荷對回路造成反向沖擊，具體見圖5。

圖5 車門承受外部沖擊時止回閥狀態(tài)圖示

車門的壓緊裝置采用4 個直動式液壓缸，通過壓緊缸的輸出力和膠條的反力平衡實現(xiàn)車門密封， 具體見圖6 所示。 伴隨著運用中膠條高度由于老化蠕變等原因的逐漸降低， 壓緊缸的行程也會跟隨變化，較機械壓緊裝置能夠自適應(yīng)的進行尺寸補償。

圖6 車門壓緊密封狀態(tài)圖示

2 增壓導向活塞部位結(jié)構(gòu)方案

導向活塞伴隨著車門的壓緊密封及松弛動作上下往復運動， 每壓緊一次活塞在高壓油的作用下向上運動一次，每釋放一次則在復位彈簧的作用下向下運動一次。 導向活塞和缸體靠兩級密封圈（SKY-14 和1AP14）密封，橡膠密封圈與導向活塞長期存在運動摩擦，失效后便會漏油，見圖7。

圖7 導向活塞部位結(jié)構(gòu)圖

導向活塞采用45 鋼機械加工而成， 表面粗糙度為Ra0.8，表面進行發(fā)黑處理。 密封圈采用丁腈橡膠整體成型。 缸體為鋁合金整體鑄造后機加工而成， 表面粗糙度為Ra0.8。

3 原因分析

3.1 外界載荷沖擊因素分析

動車組在靜態(tài)壓緊后，壓緊系統(tǒng)達到平衡，當在運動中受到氣動載荷時， 作用在門板上的氣動力傳遞到4 個壓緊油缸的活塞桿上，當氣動力大于壓緊力時，活塞桿便會后退，液壓系統(tǒng)的壓強便增大，當載荷過高導致液壓系統(tǒng)的壓強超過設(shè)計允許的極限值時，便會出現(xiàn)滲漏。而目前的滲漏部位在導向活塞部位， 外部載荷由于止回閥的隔離作用不會對導向活塞部位造成沖擊。 因此外部載荷沖擊不是導致滲漏的直接原因。

3.2 液壓油因素分析

所用液壓油為水-乙二醇系液壓油， 和鋁基的增壓缸缸體，丁腈橡膠密封圈及45 鋼導向活塞都具有良好的相容性[1]，因此液壓油選型不是導致腐蝕進而滲漏的直接原因。

3.3 結(jié)構(gòu)因素分析

由于液壓油在金屬表面的附著性稍弱，在活塞向上運動時導向活塞離開密封區(qū)域的表面液壓油被刮掉，造成表現(xiàn)直接和空氣接觸， 若導向活塞的表面發(fā)黑防護層被破壞，則會引起表面腐蝕。 腐蝕后的導向活塞在與密封圈相互接觸運動時會加劇密封圈的磨損，進而造成密封失效。

3.4 表面處理因素分析

表面處理方式為發(fā)黑處理， 由于增壓缸的分解檢修周期為3 年，因此中性鹽霧試驗的時間按照標準要求的[4]的NSS 試驗方法，要求3h 以上（相當于環(huán)境中3 年），同時結(jié)合車門耐久試驗完成了6 萬次的動作試驗。 但并未對兩種工況進行綜合評估， 地面試驗驗證和列車運用的實際工況存在偏離。

圖8 導向活塞密封不良導致漏油

3.5 故障件拆解

通過拆解發(fā)現(xiàn)，密封件密封失效（磨損、變形、老化），導向活塞表面粗超度嚴重超過正常的Ra0.8）限值，具有明顯的磨損后腐蝕痕跡。

3.6 分析結(jié)論

通過上述分析， 導向活塞部位漏油的主要原因為對導向活塞的表面防護層在磨損和腐蝕疊加工況下的綜合評估不足導致表面腐蝕。 在與密封圈相互接觸運動時加劇密封圈的磨損，造成密封失效形成滲漏。

4 改進方案及驗證

4.1 改進方案

基于不改變結(jié)構(gòu)的前提下， 通過改變表面處理方式進行耐蝕性及耐磨性提升， 目前的主流較經(jīng)濟的表面處理方式為表面鍍鎳磷、表面鍍鉻、表面磷化、表面發(fā)黑四種方案。 目前導向活塞基體為45 鋼并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，硬度偏低為HBS200（相當于HV200），表面磷化和表面發(fā)黑不能提升表面硬度，導致耐磨性稍差。

關(guān)于鍍鎳磷處理已有研究，工藝方案已經(jīng)相當成熟，可以有效提升硬度和耐磨性能[2-3]。

關(guān)于鍍鉻處理屬于成熟工藝，也可以有效提升硬度，但對于導向活塞端頭的螺紋加工表面較難處置。

采用鍍鎳磷和鍍鉻處理， 根據(jù)樣件實測值鍍鎳磷后硬度可達HV560 左右、 鍍鉻后硬度可達了HV987 左右。較原表面硬度提升2 到4 倍以上。

針對上述四種方案開展地面驗證，選取較優(yōu)的技術(shù)方案。

4.2 試驗驗證

針對對疊加工況評估不足問題，分步開展試驗驗證，首先根據(jù)目前的主流表面處理方式，制作表面鍍鎳磷、表面鍍鉻、表面磷化、表面發(fā)黑四種方案進行中性鹽霧試驗對比；鹽霧試驗3h 后無明顯銹蝕，具體狀態(tài)如圖9 所示。

圖9 3h 鹽霧試驗后不同方案的對比

繼續(xù)進行鹽霧試驗，10h 鹽霧試驗后鍍鎳磷表面無銹跡，其余方案均出現(xiàn)不同程度銹蝕。具體如圖10 所示。

圖10 10h 鹽霧試驗后不同方案的對比

選擇3h 鹽霧試驗后的缸后進行耐久動作試驗，6 萬次耐久后表面鍍鎳磷和表面鍍鉻的整體狀態(tài)較好， 表面無異常。表面磷化和表面發(fā)黑的整體狀態(tài)較差，均出現(xiàn)了不同程度的磨蝕，導向活塞狀態(tài)如圖11 所示。

圖11 鹽霧、耐久組合試驗后不同方案的對比

根據(jù)上述的鹽霧試驗和動作試驗對比情況來看表面鍍鎳磷和表面鍍鉻均能滿足運用要求， 表面磷化和表面發(fā)黑方案不滿足運用要求， 但表面鍍鎳磷對環(huán)境耐蝕性優(yōu)于鍍鉻。

4.3 改進效果評價

表面鍍鎳磷方案自實施后基本解決了檢修周期內(nèi)導向活塞部位滲漏問題， 地面驗證和實際運用的效果基本一致。

5 結(jié)論

本文針動車組側(cè)門用增壓缸漏油問題展開了技術(shù)分析找出了滲漏原因，并行了試驗驗證比選研究。

側(cè)門用增壓缸滲漏的主要原因為對運動磨損部件的耐腐蝕綜合評估不足導致， 單個因素分別測試存在明顯缺陷。

針對增壓缸導向活塞滲漏問題， 采用表面鍍鎳磷的方案可以滿足運用檢修周期的要求。

針對運用環(huán)境的多因素影響可以采用逐項分解順序驗證的方案開展，但需要進一步開展相應(yīng)的研究及驗證工作。