非延時(shí)型高度閥性能及相關(guān)問題分析

張振超， 郭宗斌， 馬永喜2， 王 濤

(1.中車四方車輛研究所有限公司, 山東 青島 266031； 2.中車青島四方機(jī)車車輛有限公司， 山東 青島 266111)

引言

隨著列車行車速度的提高，軌道高低不平順造成的輪對(duì)跳動(dòng)加劇，對(duì)乘車舒適性造成不利影響。空氣彈簧作為一種減振元件，憑借其剛度低且可調(diào)、隔振性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種車輛[1]。動(dòng)車組和城軌車輛上采用的高度閥是空氣彈簧懸掛系統(tǒng)裝置中的一個(gè)重要組成部件，具有良好的緩解振動(dòng)的能力，空氣彈簧的優(yōu)點(diǎn)只有在采用性能良好的高度閥情況下，才能充分體現(xiàn)出來[2]。

本研究在某項(xiàng)目中承擔(dān)了非延時(shí)型高度閥的自主研制工作，并在一些項(xiàng)目中承接了非延時(shí)型高度閥的檢修工作，在研發(fā)和檢修過程中對(duì)影響高度閥性能參數(shù)的零部件進(jìn)行了大量研究工作，形成規(guī)律性認(rèn)識(shí)，為確保檢修、新造高度閥的性能指標(biāo)滿足技術(shù)條件[3]的要求，提供了技術(shù)和理論支撐。

1 結(jié)構(gòu)及性能指標(biāo)

1.1 高度閥結(jié)構(gòu)

高度閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，高度閥進(jìn)氣口連接主風(fēng)管，出氣口連接空簧，排氣口通向大氣。閥體安裝于車體上，杠桿一端通過連桿與轉(zhuǎn)向架相連，杠桿另一端通過緊固螺栓固定于轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸底部裝有一個(gè)偏心銷。車體高度變化時(shí)，車體與轉(zhuǎn)向架相對(duì)高度改變，杠桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸底部設(shè)有偏心銷可在滑塊槽內(nèi)移動(dòng)，將轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊、閥桿的左右移動(dòng)。閥桿向左移動(dòng)時(shí)，閥座閥芯打開，總風(fēng)壓力推開止回閥芯向空氣彈簧充氣，車體高度閥逐漸升高。反之，空氣彈簧內(nèi)的壓縮空氣向大氣排出，降低車體高度。杠桿處于水平位時(shí)，杠桿處于中立位，同時(shí)關(guān)閉總風(fēng)口、空簧口和閥桿空腔之間的氣路，因此車體高度閥保持不變[4-5]。

1.止回閥芯 2.閥座閥芯 3.螺塞 4.閥桿 5.密封圈6.護(hù)套 7.偏心銷 8.閥體 9.轉(zhuǎn)軸 10.杠桿11.排氣口 12.出氣口 13.進(jìn)氣口圖1 高度閥結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 性能指標(biāo)

高度閥的主要性能要求有死區(qū)角度、氣密性和流量特性[3]。

1) 死區(qū)范圍

高度閥既不充風(fēng)也不排風(fēng)時(shí)杠桿所處的中立位置定義為中立位，杠桿自中立位開始至充、排風(fēng)的角度范圍定義為死區(qū)范圍。動(dòng)車組非延時(shí)型高度閥規(guī)定的死區(qū)范圍為±(40′～1°20′) 。

在車輛運(yùn)行過程中，因?yàn)檐囕v軌道不平順造成車體與轉(zhuǎn)向架的相對(duì)位移，體現(xiàn)為高度閥杠桿圍繞閥體的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。在直線段車輛正常運(yùn)行時(shí)，并不需要高度閥對(duì)車體高度進(jìn)行調(diào)整，只有在車輛過彎、到站上下客時(shí)才需要高度閥動(dòng)作，以保證車體高度穩(wěn)定。

2) 氣密性要求

高度閥進(jìn)氣口與總風(fēng)管路相連，出氣口與空簧相連，氣密性不良也會(huì)導(dǎo)致耗風(fēng)量的增大和能源的浪費(fèi)，因此對(duì)高度閥的氣密性進(jìn)行了要求：

閥座氣密性：總風(fēng)接口和空簧接口分別連接0.1 L容積，杠桿旋轉(zhuǎn)至中立位，總風(fēng)接口壓力調(diào)整為(1000±20)kPa，保壓30 s后，總風(fēng)接口壓降應(yīng)不大于5 kPa；

閥桿氣密性：杠桿旋轉(zhuǎn)至中立位，總風(fēng)接口壓力調(diào)整為(1000±20)kPa，充風(fēng)方向旋轉(zhuǎn)杠桿一定角度，使空簧接口壓力達(dá)到(400±10)kPa，并截?cái)嗫傦L(fēng)接口壓縮空氣，保壓30 s后，空簧接口壓降應(yīng)不大于5 kPa；止回閥氣密性：杠桿旋轉(zhuǎn)至中立位，排空總風(fēng)接口壓縮空氣，使總風(fēng)接口壓力為0，向排風(fēng)方向旋轉(zhuǎn)杠桿一定角度，使空簧接口壓力達(dá)到50～100 kPa，向充風(fēng)方向旋轉(zhuǎn)杠桿一定角度，保壓30 s，空簧接口壓降應(yīng)不大于1 kPa。

3) 流量特性

高度閥的流量特性取決于高度閥內(nèi)部的節(jié)流結(jié)構(gòu)，通過合理的節(jié)流結(jié)構(gòu)，能使高度閥具有快速充排風(fēng)功能和慢速充排風(fēng)功能。[6]

圖2為高度閥流量特性曲線示意圖，隨著高度閥杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)，自左到右分別經(jīng)歷快排截?cái)?、快排慢排過渡階段、慢排截?cái)唷⑺绤^(qū)階段、慢充階段、慢充快充過渡階段、快充階段?？炫?、慢排過渡階段和慢充、快充過渡階段是由閥桿、閥體上的倒角形成的有效通徑變化引起的。

圖2 流量特性曲線示意圖

高度閥在慢充、慢排階段對(duì)空簧壓縮空氣進(jìn)行微調(diào)，車輛在經(jīng)過轉(zhuǎn)彎半徑較大的彎道或車輛停站少量上下客時(shí)出現(xiàn)此工況，在快充、快排階段對(duì)空簧壓力進(jìn)行快速調(diào)整，車輛在經(jīng)過轉(zhuǎn)彎半徑較小的彎道或車輛停站大量上下客時(shí)出現(xiàn)此工況。

按照技術(shù)條件[3]的要求和測(cè)試方法，高度閥流量特性應(yīng)符合表1要求。

表1 流量特性要求

2 常見問題分析

2.1 死區(qū)范圍問題分析

技術(shù)條件中要求高度閥死區(qū)范圍為±(40′～1°20′)，若死區(qū)范圍為0或過小，則車輛在直線段正常運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致高度閥充排氣的發(fā)生，造成車輛耗風(fēng)量增大，致使能源浪費(fèi)；若死區(qū)范圍過大，高度閥在過彎、到站上下客等需要高度閥動(dòng)作的工況下，未產(chǎn)生作用或處于慢充、慢排階段，致使空氣彈簧失去其優(yōu)勢(shì)，甚至產(chǎn)生空簧壓力調(diào)節(jié)不及時(shí)，造成制動(dòng)力輸出不準(zhǔn)確的情況。影響死區(qū)范圍的部件有：閥座閥芯、閥桿、閥體、偏心銷、轉(zhuǎn)軸、護(hù)套、滑塊。

杠桿的轉(zhuǎn)動(dòng)最終體現(xiàn)閥桿端面的左右移動(dòng)，導(dǎo)致閥座閥芯的開啟或關(guān)閉，考慮偏心銷、護(hù)套、滑塊之間的配合間隙，杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度與閥桿端面移動(dòng)距離的關(guān)系式如下：

s=r·sinθ-Δd-Δa

(1)

式中,s為閥桿端面相對(duì)于中立位時(shí)的位移，mm；r為偏心銷相對(duì)于轉(zhuǎn)軸中心的距離，mm；θ為杠桿相對(duì)于中立位轉(zhuǎn)動(dòng)角度，(°)； Δd為護(hù)套內(nèi)徑與偏心銷直徑差，即護(hù)套與偏心銷的配合間隙，mm； Δa為護(hù)套外緣與滑塊滑槽配合間隙，mm。

護(hù)套與偏心銷的配合間隙、護(hù)套外緣與滑塊滑槽的配合間隙均會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)偏心銷的空轉(zhuǎn)，不會(huì)造成滑塊、閥桿的左右移動(dòng)。當(dāng)配合間隙較大時(shí)，若要實(shí)現(xiàn)閥桿端面的移動(dòng)就需要更大的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，死區(qū)角度相對(duì)增大，反之，死區(qū)角度相對(duì)減小；當(dāng)偏心銷相對(duì)于轉(zhuǎn)軸中心的距離r增大時(shí)，只需較小的轉(zhuǎn)動(dòng)角度即可實(shí)現(xiàn)滑塊、閥桿的移動(dòng)，死區(qū)角度相對(duì)減小，反之，死區(qū)角度相對(duì)增大。

閥座閥芯橡膠坐于閥桿、閥體的閥口，閥芯橡膠應(yīng)力需達(dá)到一定值時(shí)才會(huì)實(shí)現(xiàn)密封，假設(shè)閥芯橡膠為受力面下的圓環(huán)橡膠堆，則應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如下：

σ=Ea[(1+ε)-(1+ε)-2]/3

(2)

Ea=100.0198Hr-0.5432

(3)

ε=f/h

(4)

式中，σ為閥芯橡膠應(yīng)力，MPa；ε為閥芯橡膠應(yīng)變；Ea為閥芯橡膠的彈性模量，GPa；Hr為閥芯橡膠洛氏硬度；f為閥芯橡膠受力位置的變形量，mm；h為閥芯橡膠的厚度，mm。

當(dāng)ε<0.15時(shí)，橡膠變形屬于小形變問題，符合虎克定律，閥芯橡膠壓縮應(yīng)變近似滿足如下公式：

σ≈Ea·ε

(5)

結(jié)合式(3)～式(5)，整理得近似簡(jiǎn)化公式如下：

σ≈100.0198Hr-0.5432·f/h

(6)

由簡(jiǎn)化公式可知，應(yīng)力一定時(shí)，橡膠硬度越大，橡膠變形量越小；反之，橡膠變形量越大。

死區(qū)范圍內(nèi)，閥體閥口和閥桿閥口形成到兩處密封附均需實(shí)現(xiàn)密封，則兩處密封付的閥芯橡膠應(yīng)力均需達(dá)到密封所需到必需應(yīng)力，根據(jù)力的平衡可得如下方程：

σ1·S1+σ2·S2=p·S

(7)

σ1≥q1

(8)

σ2≥q2

(9)

式中，σ1為閥體閥口閥芯橡膠應(yīng)力，MPa；σ2為閥桿閥口閥芯應(yīng)力，MPa；p為總風(fēng)壓力，MPa；S1為閥體閥口作用面積，mm2；S2為閥桿閥口作用面積，mm2；S為總風(fēng)作用面積，mm2；q1為閥體閥口實(shí)現(xiàn)密封的必須比壓，MPa；q2為閥桿閥口實(shí)現(xiàn)密封的必須比壓，MPa。

高度閥杠桿向充氣方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，閥桿閥口應(yīng)力增大，閥體閥口應(yīng)力減小，直至閥體閥口應(yīng)力減小至小于q1時(shí)，高度閥開始充氣；高度閥杠桿向排氣方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，閥體閥口應(yīng)力增大，閥桿閥口應(yīng)力減小，直至閥桿閥口應(yīng)力減小至小于q2時(shí)，高度閥開始排氣。

除去配合間隙外，閥座閥芯橡膠的硬度Hr也會(huì)對(duì)死區(qū)角度有影響。當(dāng)橡膠硬度較小時(shí)，閥芯橡膠的變形量f較大，杠桿需要轉(zhuǎn)動(dòng)較大的角度才能使閥口打開，死區(qū)范圍相對(duì)較大。同理，當(dāng)橡膠硬度較大時(shí)，死區(qū)范圍相對(duì)較小。

受高度閥結(jié)構(gòu)及工作狀況限制，總風(fēng)壓力及總風(fēng)作用面積基本為恒定值，根據(jù)式(7)可知，閥體閥口、閥桿閥口作用面積對(duì)死區(qū)角度也有影響。作用面積越大，需要的閥口應(yīng)力越小，死區(qū)范圍內(nèi)高度閥杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)造成的允許應(yīng)變量越小，則死區(qū)范圍越小，反之，死區(qū)范圍越大。

2.2 氣密性問題分析

高度閥單閥試驗(yàn)時(shí)，對(duì)閥座氣密性、閥桿氣密性、止回閥氣密性3項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了要求，影響氣密性的零件主要有：密封圈、閥芯、閥桿、閥體、螺塞。O形圈因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性能良好而被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備密封部件中[7]，高度閥中的密封圈也多采用O形圈。

進(jìn)行閥座氣密性試驗(yàn)時(shí)，杠桿處于中立位，總風(fēng)壓縮空氣與空簧壓縮空氣的分布情況如圖3所示。若此時(shí)閥座氣密性試驗(yàn)不合格，應(yīng)首先檢查閥頭是否松動(dòng)，可通過肥皂水或側(cè)漏液檢查閥頭處鋁密封墊是否漏風(fēng)；若無泄漏， 檢查閥頭閥座、閥座閥芯間是否有臟污或異物。當(dāng)閥體內(nèi)部因素導(dǎo)致閥座氣密性不合格時(shí)，會(huì)導(dǎo)致總風(fēng)持續(xù)向空簧充風(fēng)、排氣口持續(xù)漏風(fēng)的情況，在車上表現(xiàn)為高度閥杠桿水平或向下輕微傾斜，排氣口持續(xù)排風(fēng)，導(dǎo)致車輛耗風(fēng)量增大。

圖3 高度閥中立位壓縮空氣分布示意圖

進(jìn)行閥桿氣密性試驗(yàn)時(shí)，杠桿處于充風(fēng)位，總風(fēng)壓縮空氣與空簧壓縮空氣的分布情況如圖4所示。若此時(shí)閥桿氣密性試驗(yàn)不合格，應(yīng)首先檢查螺堵是否松動(dòng)，可通過肥皂水或側(cè)漏液檢查螺堵處鋁密封墊是否漏風(fēng)；若無泄漏，檢查閥桿閥座、閥座閥芯間是否有臟污或異物；若無臟污或異物，檢查閥桿是否有異常磨損；若無異常磨損，檢查O形圈狀態(tài)是否正常。

圖4 高度閥充風(fēng)位壓縮空氣分布示意圖

O形圈是擠壓式密封，安裝后其截面一般受到15%～30%的壓縮變形。若拉伸量過大，將導(dǎo)致O形圈截面過度減小，易造成泄漏；若拉伸量過小，在裝配時(shí)易脫出。不同材質(zhì)的密封件，其物理性能和化學(xué)性能都不一樣。在選擇O形圈材質(zhì)時(shí)，不但要考慮與工作介質(zhì)的相容性，還需考慮O形圈的工作壓力、溫度等因素進(jìn)行合理選取。O形圈裝配時(shí)應(yīng)采用正確的裝配工藝和裝配方式[8-11]。只有綜合考慮各種因素的前提下，才能保證O形圈在良好狀態(tài)下正常工作。

當(dāng)閥體內(nèi)部因素導(dǎo)致閥桿氣密性不合格時(shí)，會(huì)導(dǎo)致空簧接口壓縮空氣持續(xù)從排氣口排出，在車上表現(xiàn)為高度閥杠桿或向上輕微傾斜，排氣口持續(xù)排風(fēng)，同樣造成車輛耗風(fēng)量的增加。

進(jìn)行止回閥氣密性試驗(yàn)時(shí)，杠桿處于充風(fēng)位，進(jìn)氣口壓縮空氣排空，空簧壓縮空氣的分布情況如圖5所示。若此時(shí)止回閥氣密性試驗(yàn)不合格， 應(yīng)檢查閥頭-閥座、閥座-閥芯間是否有臟污或異物。止回閥氣密性不合格時(shí)，會(huì)導(dǎo)致車輛斷電氣路排空時(shí)，空簧內(nèi)壓縮空氣從空簧止回閥處泄漏，導(dǎo)致車輛高度閥下降，空氣彈簧壓縮等情況的發(fā)生。

圖5 高度閥止回位壓縮空氣分布示意圖

2.3 流量問題分析

高度閥流量特性試驗(yàn)時(shí)考察指標(biāo)有：慢充時(shí)間、慢排時(shí)間、快充時(shí)間、快排時(shí)間。在某高度閥檢修項(xiàng)目中，高度閥重新組裝后除去進(jìn)行以上試驗(yàn)外，還增加了進(jìn)行流量曲線的試驗(yàn)，測(cè)試高度閥性能[12]。影響流量特性的零件主要有：閥體、閥桿、過濾網(wǎng)。充排氣過程中，閥桿與閥體形成環(huán)形縫隙，其流量公式如下：

(10)

式中，qv為壓縮空氣流量，L/s；D為環(huán)形縫隙處閥桿直徑，mm；δ為環(huán)形縫隙寬度，mm； Δp為環(huán)形縫隙壓差，MPa；μ為壓縮空氣的動(dòng)力黏度，MPa·s；l為環(huán)形縫隙長(zhǎng)度，mm。

慢充試驗(yàn)時(shí)，杠桿向充風(fēng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)4°，總風(fēng)壓縮空氣由進(jìn)氣口進(jìn)入閥體，通過閥桿端部節(jié)流部分與閥體的環(huán)形縫隙，流經(jīng)出氣口，進(jìn)入空簧。根據(jù)公式可知影響高度閥慢充流量的主要因素是環(huán)形縫隙的寬度δ。若慢充時(shí)間過快，則說明環(huán)形縫隙的寬度過大，異常磨損或加工超差都有可能造成以上情況的發(fā)生，此種情況只能更換閥體或閥桿；若慢充時(shí)間過慢，則說明環(huán)形縫隙的寬度過小，可能會(huì)造成杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)卡滯，可對(duì)閥體或閥桿中不符合圖紙要求的零件進(jìn)行整改，考慮到此時(shí)環(huán)形縫隙寬度為10-2mm級(jí)，整改難度較大，建議直接更換不符圖零件。

慢排試驗(yàn)時(shí)，杠桿向排風(fēng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)4°，空簧壓縮空氣由出氣口進(jìn)入閥體，通過閥桿端部節(jié)流部分與閥體的環(huán)形縫隙，然后通過閥桿中孔，流經(jīng)排氣口，排到大氣中，影響高度閥慢排流量的主要因素也是環(huán)形縫隙的寬度δ，不再贅述。

快充試驗(yàn)時(shí)，杠桿向充風(fēng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)10°，總風(fēng)壓縮空氣由進(jìn)氣口進(jìn)入閥體，通過閥桿端部非節(jié)流部分與閥體的環(huán)形縫隙，流經(jīng)出氣口，進(jìn)入空簧，此時(shí)環(huán)形縫隙較大，其對(duì)流量影響較小?？斐鋾r(shí)間與閥桿端部節(jié)流部分長(zhǎng)度、閥體閥口倒角大小、閥體出氣口處氣路通徑、進(jìn)氣口和出氣口處過濾網(wǎng)的過濾精度有關(guān)。

快排試驗(yàn)時(shí)，杠桿向排風(fēng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)10°，空簧壓縮空氣由出氣口進(jìn)入閥體，通過閥桿端部非節(jié)流部分與閥體的環(huán)形縫隙，然后通過閥桿中孔，流經(jīng)排氣口，排到大氣中，快排時(shí)間主要與閥桿閥口外沿倒角大小、閥體出氣口處氣路通徑、出氣口和排氣口處過濾網(wǎng)的過濾精度有關(guān)。

3 結(jié)論

通過理論分析和實(shí)踐，在檢修和試制過程中對(duì)影響高度閥性能參數(shù)的零部件進(jìn)行了大量研究，形成規(guī)律性認(rèn)識(shí)，為確保檢修、新造高度閥的性能指標(biāo)滿足要求，提供技術(shù)和理論支撐，為保證乘車舒適性，提高運(yùn)行品質(zhì)提供保障。根據(jù)理論分析可知：

影響高度閥死區(qū)角度的主要因素有：閥座閥芯橡膠硬度、閥桿閥口端面尺寸、閥體閥口端面尺寸、轉(zhuǎn)軸偏心銷安裝孔位置尺寸、護(hù)套與偏心銷和滑塊的配合尺寸關(guān)系。

影響高度閥氣密性的零件主要有：閥桿密封圈、閥芯、閥桿、閥體、螺塞。

影響高度閥流量特性的因素主要有：閥體與閥桿形成的環(huán)形縫隙、配合尺寸以及過濾網(wǎng)精度。