鐵道車輛減振器漏油故障與內(nèi)部特性分析

賈洪龍， 宋春元， 強(qiáng) 鋒

(長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 技術(shù)中心轉(zhuǎn)向架開發(fā)部， 吉林長(zhǎng)春 130062)

鐵道車輛減振器漏油故障與內(nèi)部特性分析

賈洪龍， 宋春元， 強(qiáng) 鋒

(長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 技術(shù)中心轉(zhuǎn)向架開發(fā)部， 吉林長(zhǎng)春 130062)

目前我國(guó)出口至海外的軌道車輛日益增多，出口國(guó)家多為亞、非、拉等第三世界國(guó)家。這些國(guó)家多存在鐵路年久失修，路況惡劣，車輛維修維護(hù)不及時(shí)的情況，與國(guó)內(nèi)相比較差距較大。而線路條件差會(huì)給車輛各系統(tǒng)部件的振動(dòng)特別是轉(zhuǎn)向架服役環(huán)境造成很大的影響。這種情況就要求我們?cè)O(shè)計(jì)車輛時(shí)根據(jù)線路特點(diǎn)采取針對(duì)性的措施。本文針對(duì)某出口鐵道車輛油壓減振器漏油故障情況，從減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的特性入手進(jìn)行了分析，提出了避免減振器漏油的建議。

減振器； 漏油； 內(nèi)部特性； 分析

鐵道車輛的車輪與鋼軌面之間是鋼對(duì)鋼的接觸，車輪表面的不規(guī)則和軌道的不平順都將直接經(jīng)車輪傳到懸掛部件上去，從而引起鐵道車輛各部分的高頻和低頻振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)降低機(jī)械部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命，惡化運(yùn)行品質(zhì)，對(duì)車輛的安全性、舒適度和經(jīng)濟(jì)性都是不利的。油壓減振器利用內(nèi)部油液流動(dòng)的阻力消耗振動(dòng)的能量，能有效緩和并吸收路面?zhèn)鱽?lái)的沖擊振動(dòng)，達(dá)到優(yōu)化車輛操控性、穩(wěn)定性和舒適度的目的，在鐵道車輛上廣泛使用。隨著鐵路提速的進(jìn)行，油壓減振器作為鐵道車輛重要的減振部件，其部件的可靠性及減振性能的好壞直接影響著鐵路車輛的性能。在速度較低的鐵道車輛上，減振器數(shù)量較少，而在高速車輛上，不僅有一、二系垂向減振器，還有二系橫向減振器、二系抗蛇行減振器以及車端減振器、受電弓減振器等。由此可見，減振器對(duì)機(jī)車車輛，尤其是高速鐵道車輛來(lái)說是非常重要的元件。

油壓減振器在大量使用的同時(shí)，也出現(xiàn)了很多的故障，油液泄漏是減振器最常見的故障之一。減振器油液泄漏分為內(nèi)泄漏和外泄漏。內(nèi)泄漏主要發(fā)生在上腔和下腔之間，由活塞環(huán)及活塞與缸筒間的間隙造成，內(nèi)泄漏降低減振器效率，但不會(huì)造成油液流失，對(duì)減振器性能影響不大。外泄漏是指上腔的油液流到腔外，外泄漏造成油液流失，油量減少，減振器性能下降。圖1為某出口項(xiàng)目鐵路客車轉(zhuǎn)向架一系垂向減振器外泄漏圖示，車輛在上線運(yùn)營(yíng)很短時(shí)間內(nèi)(最短運(yùn)營(yíng)里程僅為2 400 km)就因嚴(yán)重漏油而失效，并且隨著運(yùn)營(yíng)里程的增加，漏油情況呈現(xiàn)批量趨勢(shì)。根據(jù)該故障減振器的分解情況，從油液泄漏的特點(diǎn)出發(fā)，分析了油壓減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、阻力特性、散熱特性以及密封材質(zhì)等方面對(duì)減振器漏油的影響，并提出了避免減振器漏油的建議。

1 故障減振器的分解情況

對(duì)圖1所示的故障減振器進(jìn)行分解，發(fā)現(xiàn)O型密封圈和油封與導(dǎo)向和角環(huán)粘連(圖2)，油封有明顯硬化變形現(xiàn)象(圖3)，O型密封圈拆卸過程中已碎裂，活塞桿、內(nèi)筒和閥片均存在明顯變色；油液發(fā)黑，有惡臭異味。

圖1 減振器泄漏外觀圖

從分解情況來(lái)看，雖然減振器使用時(shí)間、里程很短， 但內(nèi)部橡膠件存在明顯的高溫變形、硬化，甚至與金屬件相粘連的現(xiàn)象；而金屬件存在明顯的因高溫變色現(xiàn)象。這些現(xiàn)象都表明減振器在使用過程中出現(xiàn)了高溫。下面將從減振器內(nèi)部特性進(jìn)一步分析產(chǎn)生高溫的原因。

圖2 O型密封圈和油封粘連

圖3 油封失效

2 減振器內(nèi)部特性分析

2.1 減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹

該故障減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示，剖面結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，在活塞上裝有拉伸節(jié)流閥和壓縮節(jié)流閥，兩種節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)相同，均為單向閥，但成反向分布。每個(gè)節(jié)流閥由上下兩組多層彈簧閥片、閥片限位止擋及節(jié)流孔組成。底座上的回油閥由錐形彈簧及擋片組成，壓縮閥由底部中部的多層彈簧閥片、限位止擋及節(jié)流孔組成。

1-密封鎖緊裝置；2-導(dǎo)向座；3-活塞桿；4-活塞及閥裝置；5-壓力缸；6-底座及底閥；7-儲(chǔ)油缸；8-端部連接裝置。

圖4 減振器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1-拉伸閥；2-壓縮閥；3-回油閥；4-底座壓縮閥。

圖5 減振器的剖面示意圖

2.2 阻力特性分析

由該減振器結(jié)構(gòu)可知其F-v阻力特性圖為近似線性圖(圖6)。從特性圖可以看出，不存在明顯的卸荷區(qū)。卸荷區(qū)是指當(dāng)減振器的活塞運(yùn)行速度大于選擇的卸荷點(diǎn)后，隨著速度的增加阻尼力僅有緩慢增加(圖7)。卸荷區(qū)的制定是為了限制減振器的油壓，避免油壓過高而損壞結(jié)構(gòu)、降低密封裝置壽命、產(chǎn)生油液泄漏。車輛在線路狀況較好的情況下運(yùn)營(yíng)時(shí)，來(lái)自軌道的沖擊速度小，兩種減振器的阻尼特性并無(wú)差異，如我國(guó)高鐵、動(dòng)車組線路條件較好，轉(zhuǎn)向架一系垂向減振器大量使用了線性減振器，并未發(fā)生漏油故障；但車輛在較差線路運(yùn)營(yíng)時(shí)，來(lái)自軌道的沖擊速度較大，頻繁超過卸荷速度時(shí)，線性減振器因?yàn)椴淮嬖谛逗蓞^(qū)，導(dǎo)致活塞受力線性增大，油壓過高，油液溫度升高，密封裝置損壞。

圖6 線性減振器阻力特性圖

圖7 有卸荷減振器阻力特性圖

2.3 散熱特性分析

油壓減振器減振的原理是通過活塞做功將振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，一部分由減振器油液及零部件吸收，另一部分通過熱交換，散發(fā)到外界。減振器在工作時(shí)，不斷產(chǎn)生熱能，內(nèi)部溫度升高，同時(shí)不斷的通過熱交換散發(fā)熱能，使內(nèi)部溫度降低，在動(dòng)態(tài)傳熱過程中最終達(dá)到熱平衡。從該故障減振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以看出其為油液雙向流動(dòng)減振器，減振器在工作時(shí)的油液流動(dòng)如圖8所示。拉伸時(shí)，活塞左端工作缸中的高壓油頂開活塞上的節(jié)流調(diào)壓閥從活塞左端流到活塞右端，同時(shí)儲(chǔ)油缸中的油液在活塞右端油缸中的吸力作用下經(jīng)底閥流到活塞右端工作缸；當(dāng)減振器壓縮時(shí)，活塞左端工作缸的高壓油分別通過活塞節(jié)流閥和底閥，從活塞右端流到活塞左端及儲(chǔ)油缸。這種結(jié)構(gòu)的減振器較多的高壓油長(zhǎng)時(shí)間的存在于工作缸中，流動(dòng)小，且向外界散熱需經(jīng)過多層介質(zhì)，散熱性差，容易造成工作缸內(nèi)局部高溫。油液流動(dòng)性小，使得油液中的氣泡不易散發(fā)出去，容易產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，造成油液壓力不穩(wěn)定，氣泡進(jìn)入高壓區(qū)后崩潰，也容易使減振器局部產(chǎn)生非常高的溫度和沖擊壓力。

1-防塵罩；2-油液；3-儲(chǔ)油缸；4-底閥；5-工作缸；6-活塞。圖8 油液雙向往復(fù)流動(dòng)減振器工作示意圖

油液?jiǎn)蜗蛄鲃?dòng)減振器工作示意圖如圖9所示，減振器拉伸時(shí)，活塞上的單向閥關(guān)閉，底閥上的單向閥開啟，活塞左端的高壓油頂開導(dǎo)向座上的節(jié)流閥流到儲(chǔ)油缸，同時(shí)儲(chǔ)油缸中的油液在活塞右端工作缸吸力作用下經(jīng)底閥上的單向閥流到活塞右端的壓力缸；減振器壓縮時(shí)，底閥上的單向閥關(guān)閉，活塞右端的高壓油頂開活塞上的單向閥流到活塞左端，由于活塞缸向右運(yùn)動(dòng)要占去壓力缸內(nèi)一部分容積，因此油缸內(nèi)的總油量必然要減少，這部分被活塞桿體積所排開的油量，頂開導(dǎo)向座上的節(jié)流調(diào)壓閥從活塞左端流到儲(chǔ)油缸。

1-防塵罩；2-油液；3-儲(chǔ)油缸；4-底閥；5-工作缸；6-活塞。圖9 油液?jiǎn)蜗蜓h(huán)流動(dòng)減振器工作示意圖

相比雙向往復(fù)流動(dòng)減振器，油液?jiǎn)蜗蜓h(huán)流動(dòng)的減振器易于散熱，節(jié)流產(chǎn)生的熱量通過油的循環(huán)，傳遞到外儲(chǔ)油缸，使整個(gè)減振器的油溫較均勻，不會(huì)產(chǎn)生局部油高溫，可延長(zhǎng)油液及密封裝置的使用壽命，而且，液壓油向單一方向循環(huán)，在傳輸過程中出現(xiàn)的氣泡會(huì)很快消失，從而不易影響減振阻尼性能。

2.4 密封裝置耐高溫性能分析

該故障減振器油封材質(zhì)為天然橡膠，耐熱溫度僅為80℃。而實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中，由于線路條件、減振器阻力特性及散熱特性的影響，油液的溫度可能會(huì)達(dá)到120℃甚至更高，油封在高溫環(huán)境下，很快老化失效，導(dǎo)致漏油。

3 改進(jìn)措施

通過以上分析，對(duì)線路情況較差的國(guó)家出口的車輛，在選擇油壓減振器，特別是一系垂向油壓減振器時(shí)，為了避免出現(xiàn)因漏油故障而失效，建議注意以下幾點(diǎn)：

(1) 選用內(nèi)部設(shè)置卸荷閥的減振器，在線路沖擊較大的情況下，防止油壓、油溫過高而損壞結(jié)構(gòu)、降低密封裝置壽命和產(chǎn)生油液泄漏；

(2) 選用油液?jiǎn)蜗蜓h(huán)流動(dòng)的減振器，通過油液的單向循環(huán)流動(dòng)，易于散熱，減振器的油溫較均勻，不會(huì)產(chǎn)生局部油高溫，而且，液壓油向單一方向循環(huán)，在傳輸過程中出現(xiàn)的氣泡會(huì)很快消失，不易產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象；

(3) 在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)允許的條件下，選用體積較大的減振器，增大散熱面積，可有效降低熱平衡溫度；

(4) 選用更耐高溫的含氟橡膠材質(zhì)油封，油封的耐熱溫度提高，耐熱性能更好，防止油封過早老化。

[1] 楊國(guó)楨,王福天.機(jī)車車輛液壓減振器[M].北京: 中國(guó)鐵道出版社,2003.

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Analysis of Leakage and Internal Characteristics of Railway Vehicle Hydraulic Damper

JIAHonglong,SONGChunyuan,QIANGFeng

(R&D Center Bogie Department, Changchun Railway Vehicle Co.,Ltd.,Changchun 130062 Jilin, China)

At present, China's rail vehicles exported to overseas is increasing, export countries is mostly in Asia, Africa, and other third world countries. Many of these countries the railway conditions are very poor, and vehicle maintenance is not enough, which is very different from ours. It will be a great impact to the vibration of vehicle system components, especially bogie service environment. All of these situations require special designs of the vehicle according to the characteristics. Aimed at the leakage fault of dampers of an export railway vehicle, the internal structure characteristics of the damper is analyzed, and the suggestion to avoid leakage of the damper is put forward.

damper; leakageinternal; characteristic; analysis

1008-7842 (2015) 06-0032-03

)男，工程師(

2015-07-12)

U279.3+24

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.06.08