制動缸常見密封失效分析及控制方法研究

梅卓民 王賢龍 汪 鵬

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

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

1 故障現(xiàn)象

制動缸安裝在制動夾鉗上，在列車實施制動時，制動缸將空氣壓力轉(zhuǎn)化為機械輸出力作用在制動夾鉗上，從而力經(jīng)過制動桿、閘片托，最終推動閘片作用在制動盤表面實施制動，制動缸的安裝形式及傳力簡圖如圖1所示。當(dāng)制動缸出現(xiàn)密封失效時，在實施制動的狀態(tài)下呼吸器會出現(xiàn)長排氣現(xiàn)象，導(dǎo)致制動風(fēng)缸持續(xù)供風(fēng)和壓降；當(dāng)密封失效嚴重或完全失效時，會導(dǎo)致制動力不足或制動功能失效，從而對列車制動性能產(chǎn)生不利影響。

圖1 制動缸在工作狀態(tài)下的安裝形式及傳力簡圖

2 密封機構(gòu)組成及常見故障原因

制動缸密封機構(gòu)主要由缸體、骨架密封圈、活塞、緩解彈簧、呼吸器等組成(見圖2)。根據(jù)生產(chǎn)及運用過程中對密封失效故障制動缸的分析總結(jié)，制動缸密封失效的常見故障原因有：(1)制動缸內(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)制動缸各件之間配合異常。

圖2 制動缸密封機構(gòu)組成

前3種常見故障原因通過對零部件生產(chǎn)、組裝、試驗及運用環(huán)節(jié)加強質(zhì)量、工藝等方面的管控，可以有效降低制動缸密封性失效的概率。本文主要針對第4種故障原因制動缸各件之間配合異常進行詳細分析、優(yōu)化及驗證。

2.1 初步原因分析

根據(jù)制動缸密封機構(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過盈壓裝連接，屬于靜密封結(jié)構(gòu)，影響氣密性的因素比較單一，該處配合只需通過仿真計算設(shè)計、控制合適的過盈量并加以試驗驗證，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盈量不同；缸體內(nèi)壁粗糙度不同。圖3是某型號制動缸在實際運用過程中發(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，磨損下來的較多橡膠顆粒與油脂混合后堆積在骨架密封圈儲油槽及唇口處導(dǎo)致密封失效。

通過對故障零部件的狀態(tài)、尺寸進行詳細檢查，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。同時也考慮到骨架密封圈唇口的結(jié)構(gòu)及與缸體的過盈量不同也會導(dǎo)致容易磨損，原骨架密封圈唇口為尖角結(jié)構(gòu)(見圖4)，尖部截面非常薄，在低溫環(huán)境下橡膠硬度會有所上升，同時缸體內(nèi)壁比較粗糙，會加速橡膠唇口的磨損。

圖4 骨架密封圈唇口結(jié)構(gòu)

2.2 驗證分析原因

通過對故障制動缸進行清洗，重新組裝并經(jīng)氣密性檢查合格后，進行常溫動作耐久試驗，試驗進行大概40萬次時出現(xiàn)氣密性不合格現(xiàn)象，對制動缸拆解檢查發(fā)現(xiàn)制動缸內(nèi)部同樣出現(xiàn)較多的橡膠磨損顆粒。對制動缸重新清洗組裝測試合格后進行-50 ℃低溫環(huán)境下的動作耐久試驗(見圖5)，試驗進行大概10萬次時出現(xiàn)氣密性不合格現(xiàn)象，同樣對制動缸拆解檢查發(fā)現(xiàn)制動缸內(nèi)部存在橡膠磨損顆粒。通過耐久試驗證實了因密封圈的異常磨損導(dǎo)致氣密性失效，同時根據(jù)在常溫、低溫環(huán)境下出現(xiàn)氣密性失效的耐久次數(shù)也證實了在低溫環(huán)境下，骨架密封圈唇口的磨損會出現(xiàn)加劇現(xiàn)象。

圖5 低溫耐久試驗

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)濟性，將缸體的粗糙度要求控制在Ra0.8 μm以上。同時考慮缸體內(nèi)壁經(jīng)過化學(xué)鍍層處理，處理后鍍層會存在局部高點等情況，因此同時優(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。同時經(jīng)仿真軟件進行模擬計算，優(yōu)化骨架密封圈與缸體配合的過盈量，保證產(chǎn)品在常溫環(huán)境下可以達到合適的靈敏度要求，同時在低溫環(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盈量以保證密封結(jié)構(gòu)的可靠性(見圖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 試驗驗證

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

4.1 氣密性試驗

對3套樣機在常溫下進行低壓、高壓氣密性測試，試驗合格后，在-50 ℃低溫環(huán)境下存放48 h進行低壓、高壓氣密性測試，然后在+50 ℃高溫環(huán)境下存放48 h進行低壓、高壓氣密性測試。試驗結(jié)果均滿足技術(shù)要求(見表1)。

表1 常溫、低溫、高溫氣密性試驗結(jié)果 /kPa

4.2 耐久試驗

(1)常溫耐久試驗

選取2套試驗樣機進行100萬次的常溫動作耐久試驗，在試驗過程中每20萬次對制動缸氣密性進行一次測試，確保試驗過程中產(chǎn)品氣密性合格。試驗結(jié)束后對樣機再進行氣密性測試，試驗前后結(jié)果接近。同時對制動缸進行分解檢查，骨架密封圈及缸體內(nèi)壁均未出現(xiàn)異常磨損(見圖9)。

圖9 常溫耐久試驗后的缸體及活塞組件

(2)低溫耐久試驗

選取1套試驗樣機進行20萬次的低溫動作耐久試驗，在試驗過程中每5萬次對制動缸氣密性進行一次測試，確保試驗過程中產(chǎn)品氣密性合格。試驗結(jié)束后對樣機再進行氣密性測試，試驗后產(chǎn)品氣密性滿足要求。同時對制動缸進行分解檢查，骨架密封圈及缸體內(nèi)壁均未出現(xiàn)異常磨損(見圖10)。

圖10 低溫耐久試驗后的缸體及活塞組件

4.3 小批量樣機測試

上述各項試驗通過后，進行了小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)運用，經(jīng)過對產(chǎn)品的運用情況跟蹤，直至產(chǎn)品分解檢修修程，運用過程中產(chǎn)品的密封性能良好，進一步驗證了解決優(yōu)化方案的可行性。

5 總結(jié)

通過優(yōu)化缸體粗糙度、改進骨架密封圈結(jié)構(gòu)及優(yōu)化活塞密封機構(gòu)匹配性等措施對制動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)制動缸的安全運用及推廣提供了可靠的技術(shù)支撐。