120型貨車(chē)空氣控制閥優(yōu)化改進(jìn)

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

(1 眉山中車(chē)制動(dòng)科技股份有限公司， 四川眉山 620010；2 中國(guó)中車(chē)股份有限公司， 北京 100143)

120型貨車(chē)空氣控制閥(以下簡(jiǎn)稱(chēng)120閥)于1993年在鐵路貨車(chē)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(dòng)緩解閥及緊急閥先導(dǎo)結(jié)構(gòu)。20多年來(lái)，120閥經(jīng)歷了全國(guó)各種運(yùn)行條件下的運(yùn)用和苛刻的考驗(yàn)，在鐵路貨車(chē)上裝車(chē)比例幾乎達(dá)到100%。

120閥作為我國(guó)鐵路貨車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中的主型控制閥，其性能的可靠性直接影響車(chē)輛制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。隨著鐵路貨車(chē)重載、快速的不斷發(fā)展及我國(guó)鐵路運(yùn)輸模式的變化，對(duì)制動(dòng)技術(shù)的可靠性要求更高，近年來(lái)120閥經(jīng)過(guò)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(wèn)題，對(duì)運(yùn)輸秩序和運(yùn)輸安全造成了不利影響。因此，對(duì)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(guó)鐵路總公司組織相關(guān)單位分夏、冬兩季對(duì)齊齊哈爾、南寧等車(chē)輛段進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)調(diào)研，共跟班作業(yè)37 400多輛，發(fā)現(xiàn)有制動(dòng)故障的車(chē)輛168例，故障率為0.45%，其中120閥故障26例，占整個(gè)制動(dòng)故障的15.5%。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，120閥運(yùn)用中存在的主要問(wèn)題有：

(1)偶發(fā)性意外制動(dòng)

120閥運(yùn)用中存在偶發(fā)性意外制動(dòng)而在試驗(yàn)臺(tái)上檢測(cè)合格的問(wèn)題。

處于緩解狀態(tài)的制動(dòng)機(jī)，當(dāng)列車(chē)管緩慢減壓(或輕微漏泄)時(shí)，制動(dòng)機(jī)不得發(fā)生制動(dòng)作用的性能，即為制動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性。要獲得良好的穩(wěn)定性，只要在列車(chē)管緩慢減壓時(shí)，不讓主活塞上移即可。在120閥中，穩(wěn)定性是通過(guò)副風(fēng)缸壓縮空氣向列車(chē)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(duì)主活塞的移動(dòng)不能產(chǎn)生很好的阻礙作用，則當(dāng)列車(chē)管緩慢減壓(或輕微漏泄)時(shí)，主活塞兩側(cè)輕微的壓力波動(dòng)即可壓縮穩(wěn)定彈簧，造成主活塞上移，發(fā)生意外制動(dòng)。

(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(dòng)或調(diào)車(chē)作業(yè)中。結(jié)合對(duì)滑閥副狀態(tài)理論分析,見(jiàn)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(chǎng)對(duì)發(fā)生意外緊急列車(chē)故障排查中發(fā)現(xiàn)，除了機(jī)車(chē)操縱、信號(hào)突變等原因外，車(chē)輛制動(dòng)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(chē)管壓力漏泄或?qū)嵤┏Ｓ弥苿?dòng)時(shí)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(chē)管壓力波動(dòng)時(shí)，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(wèn)題之一。殘留或進(jìn)入閥內(nèi)部的各種污物會(huì)損傷滑閥副研磨面、橡膠膜板，堵塞閥內(nèi)氣路小孔，因此對(duì)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(dòng)缸縮堵易漏裝、誤裝配356 mm、254 mm制動(dòng)缸120閥互相轉(zhuǎn)換時(shí)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(chǎng)更換時(shí)易誤裝、漏裝。

④緩解閥解鎖壓力過(guò)高，影響緩解閥性能。

⑤φ16夾芯閥組裝時(shí)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(shí)易側(cè)翻，如未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)會(huì)影響整機(jī)性能。

2 改進(jìn)措施

通過(guò)對(duì)120閥的這些故障點(diǎn)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(dòng)，適當(dāng)增加穩(wěn)定彈簧作用力。考慮到零部件互換，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(lái)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(dòng)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(duì)滑閥副的故障點(diǎn)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(diǎn)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(wàn)次左右拉傷就已經(jīng)很明顯，見(jiàn)圖6。

圖6 經(jīng)2萬(wàn)次左右疲勞耐久試驗(yàn)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(gè)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(wèn)題出現(xiàn)的剝離、拉傷問(wèn)題，互換材質(zhì)滑閥副69 830次后耐磨試驗(yàn)見(jiàn)圖7。

現(xiàn)有滑閥副與互換材質(zhì)滑閥副對(duì)比見(jiàn)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(guò)此縮孔時(shí)流速發(fā)生急劇變化，受重力作用，壓力空氣中的水氣會(huì)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(jì)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(jiàn)圖8。

圖7 經(jīng)7萬(wàn)次左右疲勞耐久試驗(yàn)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(gè)起扶持緊急閥活塞桿作用的彈性橡膠件。緊急活塞桿動(dòng)作過(guò)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(wèn)題，同時(shí)還由于放開(kāi)了導(dǎo)向間隙，使活塞桿的運(yùn)動(dòng)更為靈活，緊急閥作用更加可靠，見(jiàn)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?chē)逊e，若這些雜質(zhì)進(jìn)入放風(fēng)閥的桿套之間，則會(huì)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(tái)階設(shè)計(jì)。同時(shí)還對(duì)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(jiàn)圖8。

2.3.4防塵結(jié)構(gòu)改進(jìn)

對(duì)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(xiāo)釘上采用卡槽結(jié)構(gòu)，防止排風(fēng)口罩墊上下竄動(dòng)，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(dòng)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(guò)先導(dǎo)閥頂桿頂開(kāi)先導(dǎo)閥，然后繼續(xù)下移頂開(kāi)放風(fēng)閥，使放風(fēng)閥口開(kāi)啟。若緊急活塞桿下端面與先導(dǎo)閥頂桿上端面間距離過(guò)小，當(dāng)常用制動(dòng)減壓時(shí)，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(shí)，則會(huì)發(fā)生意外緊急制動(dòng)，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(shí)際工作載荷，從而影響安定性，距離越長(zhǎng)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(wèn)題。通過(guò)設(shè)計(jì)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(wèn)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(jiàn)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(chē)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(dòng)缸通路、加速緩解風(fēng)缸通路都采用濾塵網(wǎng)進(jìn)行過(guò)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(guò)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(wèn)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(kāi)孔率，增大透氣量，提高過(guò)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(guò)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(guò)6 h中性鹽霧會(huì)出現(xiàn)紅銹，見(jiàn)圖11。QPQ處理后的鑄鐵件經(jīng)過(guò)72 h內(nèi)未出現(xiàn)紅銹，見(jiàn)圖12。

圖11 磷化處理的緊急閥體6 h鹽霧試驗(yàn)前后對(duì)比

圖12 QPQ處理72 h鹽霧試驗(yàn)前后對(duì)比

2.5.2設(shè)計(jì)新型集成縮堵

設(shè)計(jì)新型轉(zhuǎn)換縮堵，通過(guò)改變縮堵外形大小，保證縮堵和安裝螺紋孔一一對(duì)應(yīng)，從而避免誤裝的出現(xiàn)；通過(guò)在出廠(chǎng)時(shí)已將轉(zhuǎn)換縮堵裝配在各閥體上，因而避免了漏裝問(wèn)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(dòng)緩解性能。其主要原因是彈簧過(guò)硬，組裝負(fù)荷過(guò)大，造成緩解閥過(guò)早復(fù)位。鑒于此原因，重新設(shè)計(jì)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(dòng)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(zhǎng)度不夠，在組裝的時(shí)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(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)會(huì)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(jì)夾芯閥，增加了1.5 mm芯板導(dǎo)向長(zhǎng)度，可有效的防止組裝時(shí)的側(cè)翻現(xiàn)象。

3 樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)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(yàn)驗(yàn)證。

3.1 單閥試驗(yàn)

改進(jìn)樣機(jī)在微控120閥電空試驗(yàn)臺(tái)上按TB/T 2951-2009《鐵道貨車(chē)空氣控制閥》的規(guī)定進(jìn)行了性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求，主閥動(dòng)作時(shí)列車(chē)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(yàn)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(chē)試驗(yàn)

改進(jìn)樣機(jī)在單車(chē)試驗(yàn)臺(tái)上按TB/T 1492-2002《鐵道車(chē)輛制動(dòng)機(jī)單車(chē)試驗(yàn)方法》的規(guī)定進(jìn)行了性能試驗(yàn)，并對(duì)改進(jìn)前后的120閥進(jìn)行了穩(wěn)定性、安定性對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 低溫試驗(yàn)

在哈科所低溫試驗(yàn)站對(duì)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(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合TB/T 1492-2002的要求。

3.4 列車(chē)試驗(yàn)

改進(jìn)樣機(jī)在150輛列車(chē)定置試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了編組制動(dòng)試驗(yàn)，檢驗(yàn)改進(jìn)樣機(jī)編組情況下的充氣、制動(dòng)、保壓、緩解等性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)樣機(jī)對(duì)制動(dòng)波速影響較小。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)120閥部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，經(jīng)樣機(jī)試制及相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)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(wèn)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。