梅卓民 王賢龍 汪 鵬

(中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

制動(dòng)系統(tǒng)是軌道交通車(chē)輛最核心的組成部分之一，其性能直接影響列車(chē)的運(yùn)行安全及乘客的乘車(chē)安全。而基礎(chǔ)制動(dòng)作為列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的裝置之一，是列車(chē)在制動(dòng)系統(tǒng)其他制動(dòng)措施失效情況下的最后一道安全保障[1-2]。制動(dòng)缸作為基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)中提供制動(dòng)力的執(zhí)行部件，其性能的可靠性直接影響列車(chē)制動(dòng)距離和運(yùn)行的平穩(wěn)性[3-5]。在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，密封失效是制動(dòng)缸最典型的故障問(wèn)題之一。本文重點(diǎn)分析了制動(dòng)缸造成密封性失效的原因及解決方法。

1 故障現(xiàn)象

制動(dòng)缸安裝在制動(dòng)夾鉗上，在列車(chē)實(shí)施制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)缸將空氣壓力轉(zhuǎn)化為機(jī)械輸出力作用在制動(dòng)夾鉗上，從而力經(jīng)過(guò)制動(dòng)桿、閘片托，最終推動(dòng)閘片作用在制動(dòng)盤(pán)表面實(shí)施制動(dòng)，制動(dòng)缸的安裝形式及傳力簡(jiǎn)圖如圖1所示。當(dāng)制動(dòng)缸出現(xiàn)密封失效時(shí)，在實(shí)施制動(dòng)的狀態(tài)下呼吸器會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)排氣現(xiàn)象，導(dǎo)致制動(dòng)風(fēng)缸持續(xù)供風(fēng)和壓降；當(dāng)密封失效嚴(yán)重或完全失效時(shí)，會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)力不足或制動(dòng)功能失效，從而對(duì)列車(chē)制動(dòng)性能產(chǎn)生不利影響。

圖1 制動(dòng)缸在工作狀態(tài)下的安裝形式及傳力簡(jiǎn)圖

2 密封機(jī)構(gòu)組成及常見(jiàn)故障原因

制動(dòng)缸密封機(jī)構(gòu)主要由缸體、骨架密封圈、活塞、緩解彈簧、呼吸器等組成(見(jiàn)圖2)。根據(jù)生產(chǎn)及運(yùn)用過(guò)程中對(duì)密封失效故障制動(dòng)缸的分析總結(jié)，制動(dòng)缸密封失效的常見(jiàn)故障原因有：(1)制動(dòng)缸內(nèi)部存在異物；(2)骨架密封圈破損；(3)活塞或缸體存在缺陷；(4)制動(dòng)缸各件之間配合異常。

圖2 制動(dòng)缸密封機(jī)構(gòu)組成

前3種常見(jiàn)故障原因通過(guò)對(duì)零部件生產(chǎn)、組裝、試驗(yàn)及運(yùn)用環(huán)節(jié)加強(qiáng)質(zhì)量、工藝等方面的管控，可以有效降低制動(dòng)缸密封性失效的概率。本文主要針對(duì)第4種故障原因制動(dòng)缸各件之間配合異常進(jìn)行詳細(xì)分析、優(yōu)化及驗(yàn)證。

2.1 初步原因分析

根據(jù)制動(dòng)缸密封機(jī)構(gòu)的組成可以看出，各件之間存在影響密封性能的配合有：骨架密封圈與活塞之間的配合，骨架密封圈與缸體之間的配合。

(1)由于骨架密封圈與活塞之間是通過(guò)過(guò)盈壓裝連接，屬于靜密封結(jié)構(gòu)，影響氣密性的因素比較單一，該處配合只需通過(guò)仿真計(jì)算設(shè)計(jì)、控制合適的過(guò)盈量并加以試驗(yàn)驗(yàn)證，即可滿足密封要求。

(2)骨架密封圈與缸體之間的配合影響密封性能的因素有：骨架密封圈唇口結(jié)構(gòu)不同；骨架密封圈唇口與缸體配合的過(guò)盈量不同；缸體內(nèi)壁粗糙度不同。圖3是某型號(hào)制動(dòng)缸在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中發(fā)生密封性失效后拆解分析的零部件狀態(tài)，從圖中可以明顯觀察到骨架密封圈唇口存在異常磨損，磨損下來(lái)的較多橡膠顆粒與油脂混合后堆積在骨架密封圈儲(chǔ)油槽及唇口處導(dǎo)致密封失效。

通過(guò)對(duì)故障零部件的狀態(tài)、尺寸進(jìn)行詳細(xì)檢查，缸體內(nèi)壁的粗糙度為Ra1.412 μm～Ra1.714 μm，初步判定為缸體內(nèi)壁粗糙導(dǎo)致骨架密封圈唇口的異常磨損。同時(shí)也考慮到骨架密封圈唇口的結(jié)構(gòu)及與缸體的過(guò)盈量不同也會(huì)導(dǎo)致容易磨損，原骨架密封圈唇口為尖角結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4)，尖部截面非常薄，在低溫環(huán)境下橡膠硬度會(huì)有所上升，同時(shí)缸體內(nèi)壁比較粗糙，會(huì)加速橡膠唇口的磨損。

圖4 骨架密封圈唇口結(jié)構(gòu)

2.2 驗(yàn)證分析原因

通過(guò)對(duì)故障制動(dòng)缸進(jìn)行清洗，重新組裝并經(jīng)氣密性檢查合格后，進(jìn)行常溫動(dòng)作耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行大概40萬(wàn)次時(shí)出現(xiàn)氣密性不合格現(xiàn)象，對(duì)制動(dòng)缸拆解檢查發(fā)現(xiàn)制動(dòng)缸內(nèi)部同樣出現(xiàn)較多的橡膠磨損顆粒。對(duì)制動(dòng)缸重新清洗組裝測(cè)試合格后進(jìn)行-50 ℃低溫環(huán)境下的動(dòng)作耐久試驗(yàn)(見(jiàn)圖5)，試驗(yàn)進(jìn)行大概10萬(wàn)次時(shí)出現(xiàn)氣密性不合格現(xiàn)象，同樣對(duì)制動(dòng)缸拆解檢查發(fā)現(xiàn)制動(dòng)缸內(nèi)部存在橡膠磨損顆粒。通過(guò)耐久試驗(yàn)證實(shí)了因密封圈的異常磨損導(dǎo)致氣密性失效，同時(shí)根據(jù)在常溫、低溫環(huán)境下出現(xiàn)氣密性失效的耐久次數(shù)也證實(shí)了在低溫環(huán)境下，骨架密封圈唇口的磨損會(huì)出現(xiàn)加劇現(xiàn)象。

圖5 低溫耐久試驗(yàn)

3 優(yōu)化方案

3.1 缸體粗糙度的優(yōu)化

根據(jù)上述原因的分析，綜合考慮產(chǎn)品密封性能及經(jīng)濟(jì)性，將缸體的粗糙度要求控制在Ra0.8 μm以上。同時(shí)考慮缸體內(nèi)壁經(jīng)過(guò)化學(xué)鍍層處理，處理后鍍層會(huì)存在局部高點(diǎn)等情況，因此同時(shí)優(yōu)化缸體零件生產(chǎn)工藝，在化學(xué)鍍層處理后增加拋光工序，保證缸體零件的最終成品內(nèi)壁光滑。

3.2 骨架密封圈的優(yōu)化

基于上述的原因分析，將骨架密封圈唇口結(jié)構(gòu)優(yōu)化成具有倒圓角的結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖6)，消除唇口尖部在低溫環(huán)境下磨損加劇或密封不良等情況。同時(shí)經(jīng)仿真軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，優(yōu)化骨架密封圈與缸體配合的過(guò)盈量，保證產(chǎn)品在常溫環(huán)境下可以達(dá)到合適的靈敏度要求，同時(shí)在低溫環(huán)境下，骨架密封圈唇口存在彈性降低的情況下還均具有足夠的過(guò)盈量以保證密封結(jié)構(gòu)的可靠性(見(jiàn)圖7、圖8)。

圖6 骨架密封圈唇口優(yōu)化結(jié)構(gòu)

圖7 常溫(25 ℃)環(huán)境下：骨架密封圈—缸體間接觸壓力云圖

圖8 低溫(-50 ℃)環(huán)境下：骨架密封圈—缸體間接觸壓力云圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上提出的解決優(yōu)化方案，進(jìn)行了3套樣機(jī)產(chǎn)品的試制，并進(jìn)行了常溫氣密性試驗(yàn)、-50 ℃低溫和+50 ℃高溫環(huán)境下的氣密性試驗(yàn)以及耐久試驗(yàn)，同時(shí)也進(jìn)行了小批量組裝運(yùn)用確認(rèn)。

4.1 氣密性試驗(yàn)

對(duì)3套樣機(jī)在常溫下進(jìn)行低壓、高壓氣密性測(cè)試，試驗(yàn)合格后，在-50 ℃低溫環(huán)境下存放48 h進(jìn)行低壓、高壓氣密性測(cè)試，然后在+50 ℃高溫環(huán)境下存放48 h進(jìn)行低壓、高壓氣密性測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果均滿足技術(shù)要求(見(jiàn)表1)。

表1 常溫、低溫、高溫氣密性試驗(yàn)結(jié)果 /kPa

4.2 耐久試驗(yàn)

(1)常溫耐久試驗(yàn)

選取2套試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行100萬(wàn)次的常溫動(dòng)作耐久試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中每20萬(wàn)次對(duì)制動(dòng)缸氣密性進(jìn)行一次測(cè)試，確保試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)品氣密性合格。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)樣機(jī)再進(jìn)行氣密性測(cè)試，試驗(yàn)前后結(jié)果接近。同時(shí)對(duì)制動(dòng)缸進(jìn)行分解檢查，骨架密封圈及缸體內(nèi)壁均未出現(xiàn)異常磨損(見(jiàn)圖9)。

圖9 常溫耐久試驗(yàn)后的缸體及活塞組件

(2)低溫耐久試驗(yàn)

選取1套試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行20萬(wàn)次的低溫動(dòng)作耐久試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中每5萬(wàn)次對(duì)制動(dòng)缸氣密性進(jìn)行一次測(cè)試，確保試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)品氣密性合格。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)樣機(jī)再進(jìn)行氣密性測(cè)試，試驗(yàn)后產(chǎn)品氣密性滿足要求。同時(shí)對(duì)制動(dòng)缸進(jìn)行分解檢查，骨架密封圈及缸體內(nèi)壁均未出現(xiàn)異常磨損(見(jiàn)圖10)。

圖10 低溫耐久試驗(yàn)后的缸體及活塞組件

4.3 小批量樣機(jī)測(cè)試

上述各項(xiàng)試驗(yàn)通過(guò)后，進(jìn)行了小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)運(yùn)用，經(jīng)過(guò)對(duì)產(chǎn)品的運(yùn)用情況跟蹤，直至產(chǎn)品分解檢修修程，運(yùn)用過(guò)程中產(chǎn)品的密封性能良好，進(jìn)一步驗(yàn)證了解決優(yōu)化方案的可行性。

5 總結(jié)

通過(guò)優(yōu)化缸體粗糙度、改進(jìn)骨架密封圈結(jié)構(gòu)及優(yōu)化活塞密封機(jī)構(gòu)匹配性等措施對(duì)制動(dòng)缸密封失效故障提出了具體優(yōu)化方案，從根本上控制了制動(dòng)缸密封失效故障的發(fā)生，有效降低了產(chǎn)品密封性失效的故障率，為后續(xù)制動(dòng)缸的安全運(yùn)用及推廣提供了可靠的技術(shù)支撐。