基于DOE 設(shè)計(jì)對軌道交通車輛空重車閥性能的設(shè)計(jì)優(yōu)化

馬 明， 張鵬飛， 蓋鵬舉

（南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司， 江蘇 南京 211800）

0 引言

對于軌道交通車輛控制而言，載客量不同，列車制動(dòng)時(shí)所需的空氣制動(dòng)壓力也不同，列車車重越大，所需的制動(dòng)力也越大。 列車在緊急制動(dòng)時(shí)通過機(jī)械壓力控制閥獲得所需的制動(dòng)壓力， 以保證列車制動(dòng)系統(tǒng)在緊急工況下的可靠性。

空重車閥是軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)中常用的緊急壓力控制閥， 可根據(jù)車輛載重變化在線自動(dòng)調(diào)整輸出制動(dòng)壓力。具有在制動(dòng)系統(tǒng)即使發(fā)生空氣彈簧故障無壓力時(shí)，也能保證一定制動(dòng)壓力輸出的安全保障功能， 同時(shí)還具有調(diào)整空載時(shí)的制動(dòng)力和增壓比的功能。 當(dāng)列車施加緊急制動(dòng)時(shí)， 空重車閥根據(jù)不同載客量調(diào)整相應(yīng)的制動(dòng)壓力，在保證列車運(yùn)行安全的同時(shí)，最大程度地發(fā)揮制動(dòng)系統(tǒng)的作用，縮短緊急制動(dòng)距離。

空重車閥具有調(diào)節(jié)范圍廣，工作安全可靠等特點(diǎn)，但因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，配合運(yùn)動(dòng)部件較多，導(dǎo)致空重車閥的調(diào)節(jié)精度不足，尤其是在車輛經(jīng)過長期運(yùn)營后，空重車閥輸出壓力會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)。 為滿足使用要求，需在列車運(yùn)營中對空重車閥進(jìn)行定期壓力調(diào)整，以滿足列車制動(dòng)要求。隨著軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展， 也對車輛的控制精度及長期運(yùn)行后輸出穩(wěn)定性提出了更高的要求， 因此分析優(yōu)化空重車閥性能具有重要意義[1]。

DOE 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法是處理多因子試驗(yàn)的一種科學(xué)方法，能夠通過較少的試驗(yàn)次數(shù)得到較好的工藝優(yōu)化參數(shù)[2]，廣泛應(yīng)用于工藝及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面[3]。 通過對空重車閥結(jié)構(gòu)原理的分析，依據(jù)實(shí)際工作中的工況要求，以提高輸出穩(wěn)定性作為分析目標(biāo)， 確定進(jìn)行分析的影響因子， 通過Minitab 軟件對空重車閥試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 找出影響產(chǎn)品性能的顯著因子， 再針對顯著因子進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案[4]。

1 工作原理

空重車閥本質(zhì)上是具有預(yù)控調(diào)節(jié)功能的調(diào)壓閥，對其最主要的要求是長期工作時(shí)輸出壓力的穩(wěn)定性。 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成及工作原理見圖1，平衡杠桿以滾子作為支點(diǎn)，上下兩側(cè)分別受AS 彈簧力Fs，VL 彈簧力Fv （空車調(diào)整彈簧力），空簧輸入空氣壓力Ps 及輸出制動(dòng)壓力Pv。當(dāng)作用在杠桿兩側(cè)的四個(gè)作用力達(dá)到平衡時(shí)，即可輸出所需的制動(dòng)壓力Pv。 彈簧力Fs 和Fv 為初始調(diào)整力，設(shè)定后不再改變，制動(dòng)壓力Pv 會(huì)跟蹤空簧壓力Ps 的變化輸出相應(yīng)的工作壓力。

圖1 結(jié)構(gòu)及原理示意圖Fig.1 Structure and schematic diagram

空重車閥輸出作用曲線見圖2。初始空簧壓力Ps 為0時(shí)，空重車閥此時(shí)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)減壓閥。 通過調(diào)整作用力Fv 確定空重車閥輸出的恒定空車保證壓力Pv0，通過調(diào)整作用力Fs 確定空簧拐點(diǎn)壓力Ps1。 在空簧壓力由0至Ps1 過程中，輸出制動(dòng)壓力不變，始終為恒定的Pv0。通過調(diào)整螺栓改變滾子位置， 根據(jù)輸出要求確定平衡杠桿作用支點(diǎn)的位置，最終確定輸出壓力比例值。當(dāng)空簧壓力大于Ps1 后， 輸出壓力Pv 開始按設(shè)定曲線跟隨Ps 的變化輸出制動(dòng)壓力。

圖2 工作特性曲線示意圖Fig.2 Work characteristic curve diagram

2 DOE 設(shè)計(jì)方案

2.1 試驗(yàn)因子

根據(jù)產(chǎn)品應(yīng)用及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性分析，彈簧、橡膠件的影響程度較低，可近似為一個(gè)恒定件不再進(jìn)行單獨(dú)分析。 在開展試驗(yàn)前，需對彈簧、橡膠件的性能進(jìn)行檢測，消除零部件應(yīng)力，保證試驗(yàn)部件的性能均在同一個(gè)水平范圍內(nèi)。 因此需將空重車閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理， 分析在空重車閥達(dá)到受力平衡時(shí)，各受力部件配合間隙的影響，圖3 為空重車閥簡化后的結(jié)構(gòu)圖。

圖3 結(jié)構(gòu)及原理示意圖Fig.3 Structure and schematic diagram

螺栓固定在閥體中，位置調(diào)整桿安裝在固定螺栓上，兩者配合時(shí)產(chǎn)生間隙為L1，滾子和調(diào)整螺栓固定，滾子上端與閥體接觸，作為平衡時(shí)的作用支點(diǎn)。杠桿左右兩側(cè)支點(diǎn)的尺寸要求嚴(yán)格，其尺寸公差形成間隙為L2。 連接片負(fù)責(zé)連接杠桿和支撐塊， 支撐塊安裝在閥體中并有一定的軸向滑動(dòng)空間，以保證杠桿的活動(dòng)量，支撐塊的兩側(cè)形成間隙為L3 和L4。

本文選擇四個(gè)活動(dòng)間隙作為因子進(jìn)行分析，為減少試驗(yàn)次數(shù)和提高試驗(yàn)效率，本試驗(yàn)采用部分因子方法，中心點(diǎn)重復(fù)3次，試驗(yàn)方案見表1。

表1 因子水平設(shè)計(jì)Tab.1 Factor design

2.2 考核指標(biāo)

空重車閥在出廠試驗(yàn)時(shí)需對空車保證壓力Pv0、拐點(diǎn)壓力Ps1 及空簧滿載Ps2 工況下輸出壓力Pv1 進(jìn)行測試。 由于輸出壓力受拐點(diǎn)，作用彈簧力等因素的影響，直接測試結(jié)果可能無法找到主要作用因子， 因此需將輸出壓力轉(zhuǎn)化為比例曲線進(jìn)行分析。 通過對空重車閥結(jié)構(gòu)和既有數(shù)據(jù)分析，空車保證壓力穩(wěn)定性較好，跟間隙相關(guān)度較低， 因此選擇空重車閥的拐點(diǎn)和設(shè)定比例的測試結(jié)果進(jìn)行分析。

配合間隙的影響需要一定的動(dòng)作次數(shù)才會(huì)顯現(xiàn)，相同狀態(tài)下的測試點(diǎn)也會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)， 因此需對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理：①按標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整值進(jìn)行調(diào)整，將首次調(diào)整值作為基準(zhǔn)值； ②產(chǎn)品進(jìn)行1 萬次疲勞試驗(yàn)測試， 每2000次疲勞試驗(yàn)后進(jìn)行性能測試， 每次測試取三次重復(fù)試驗(yàn)的平均值； ③5 次試驗(yàn)結(jié)果與基準(zhǔn)值的方差值作為試驗(yàn)考核計(jì)算值。 試驗(yàn)方案及測試結(jié)構(gòu)見表2。

表2 因子試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Factor test results

3 結(jié)果分析

DOE 試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種在完全試驗(yàn)組合中抽取最具代表性的組合進(jìn)行試驗(yàn)的方案， 目前所用的試驗(yàn)表均為統(tǒng)計(jì)專家在做大量分析、試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定的。保證了較高的置信度， 即試驗(yàn)設(shè)計(jì)能以較少的試驗(yàn)次數(shù)獲得較優(yōu)或最佳的結(jié)果， 即最有效最經(jīng)濟(jì)的手段獲得最有價(jià)值的結(jié)果。 通過軟件Minitab 對試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬合分析，檢測模型無彎曲和失擬，表明試驗(yàn)結(jié)果總體有效可信。 運(yùn)用Pareto圖評估各項(xiàng)效應(yīng)的顯著性，見圖4～圖7，該圖能夠顯示出每項(xiàng)因素對響應(yīng)變量的影響程度[2]。

圖4 比例的效應(yīng)Pareto 圖Fig.4 Effect pareto diagram of proportion

圖7 拐點(diǎn)的殘差圖Fig.7 Residual diagram of inflection point

影響比例曲線特性的主要因子為間隙L1、L2 以及L1 與L2 的相互作用效應(yīng)。 空重車閥在達(dá)到工作平衡時(shí)，平衡杠桿以滾子作為支點(diǎn)，處于水平位，彈簧力及空氣壓力分別作用在杠桿上。當(dāng)間隙L1 增大時(shí)，滾子處缺少有效的限位，存在較大的橫向移動(dòng)空間。空重車閥在工作過程中，隨著杠桿的運(yùn)動(dòng)及以列車的振動(dòng)，滾子會(huì)在間隙范圍內(nèi)隨機(jī)移動(dòng)， 導(dǎo)致了比例曲線會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)。 間隙L2 是平衡杠桿運(yùn)動(dòng)的主要定位尺寸，此間隙公差應(yīng)盡量接近理論值0， 過大的間隙會(huì)導(dǎo)致各作用力無法有效的作用在杠桿上，導(dǎo)致杠桿受力不均，工作時(shí)晃動(dòng)，導(dǎo)致輸出壓力出現(xiàn)波動(dòng)。結(jié)合工程應(yīng)用要求，過于精密的尺寸不利于工程實(shí)現(xiàn)，增大生產(chǎn)成本，因此將L2 的間隙控制在0.1 范圍內(nèi)，既可滿足使用要求，又具有良好的操作性。

圖5 比例的殘差圖Fig.5 Residual diagram of proportion

通過圖6 和圖7 所示， 拐點(diǎn)的主要影響因子為間隙L4。 拐點(diǎn)處工作示意如圖8 所示，在空車保證調(diào)整后，作用于平衡杠桿的彈簧力Fv 與輸出制動(dòng)壓力Pv 達(dá)到平衡。 此時(shí)杠桿左側(cè)僅受彈簧力Fs 的作用，將杠桿左側(cè)壓至最低點(diǎn)。 在進(jìn)行拐點(diǎn)時(shí)測試時(shí)，逐步增大空簧壓力Ps，當(dāng)空簧壓力與彈簧作用力Fs 平衡時(shí)即達(dá)到拐點(diǎn)的臨界點(diǎn)，此時(shí)平衡杠桿兩側(cè)受四個(gè)作用力，同時(shí)與滾子貼合，達(dá)到了平衡狀態(tài)。為了確定拐點(diǎn)值，需要進(jìn)一步增大空簧壓力，當(dāng)空簧壓力增大到打破杠桿平衡時(shí)，輸出壓力Fv會(huì)相應(yīng)增加，此時(shí)的空簧壓力Fs 即為所需要的拐點(diǎn)值。

圖6 拐點(diǎn)的效應(yīng)Pareto 圖Fig.6 Effect pareto diagram of inflection point

圖8 拐點(diǎn)工作示意圖Fig.8 Work characteristic diagram of inflection point

拐點(diǎn)在圖9 工作狀態(tài)時(shí)，由于杠桿的上下移動(dòng)，導(dǎo)致間隙L4 減小， 過小的間隙會(huì)阻礙拐點(diǎn)值的快速建立，因此間隙L4 需根據(jù)實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行控制。

圖9 拐點(diǎn)測試示意圖Fig.9 Work characteristic test diagram of inflection point

過大的間隙L1 對比例特性影響最大， 實(shí)際工程應(yīng)用中采用過小的精度控制會(huì)引起較大的生產(chǎn)制造成本，因此僅需將其控制在一定范圍內(nèi)即可滿足工程應(yīng)用。 對比例特性影響最大的因子L1，選擇工程應(yīng)用中可達(dá)到的三種間隙值，每種間隙值各使用三個(gè)樣品，按章節(jié)2.2 的試驗(yàn)要求進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。 其它的零部件參數(shù)保持在一個(gè)水平基準(zhǔn)中，排除尺寸誤差對試驗(yàn)的干擾，使試驗(yàn)結(jié)果更加可信。 試驗(yàn)結(jié)果見表3，間隙在0.15 時(shí)效果最佳，過大的間隙會(huì)導(dǎo)致滾子在工作中移動(dòng)，而過小的間隙會(huì)阻礙滾子的正常移動(dòng)，使平衡杠桿在運(yùn)動(dòng)調(diào)整過程中額外克服過多的阻力，反而會(huì)造成了不良的影響。

4 結(jié)論

通過分析空重車閥的結(jié)構(gòu)和功能，采用DOE 法進(jìn)行正交試驗(yàn)分析， 獲得影響產(chǎn)品比例特性和拐點(diǎn)性能的主要影響因子，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況相符。對影響比例曲線的顯著因子進(jìn)行進(jìn)一步專項(xiàng)試驗(yàn)， 得到了影響比例性能的最優(yōu)參數(shù)，為空重車閥后續(xù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)，縮短研發(fā)周期， 同時(shí)也為同類氣壓機(jī)械閥的試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了參考。