K型圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及驗證 *

臧傳相，曹云麗，余毅權(quán)，虞曉峰

(南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司，江蘇 南京 21000)

0 引 言

K型圈是于20世紀(jì)50年代最早在西德的克諾爾制動機上首次使用的一種密封結(jié)構(gòu)[1]。目前在國內(nèi)的城軌領(lǐng)域，踏面制動單元停放缸內(nèi)部的主密封大多采用K型圈，它具有制造方便、檢修容易、密封性能好等優(yōu)點。筆者介紹了K型圈的結(jié)構(gòu)原理，根據(jù)市場調(diào)研收集的故障信息[2-5]，對K型圈結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以保證K型圈應(yīng)用更加穩(wěn)定可靠。

1 結(jié)構(gòu)及原理

K踏面制動單元停放缸結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，K型圈裝到停放缸活塞的密封槽內(nèi)，停放氣腔充入高壓氣體，推動停放缸活塞運動壓縮停放彈簧，實現(xiàn)停放制動的緩解，地鐵車輛運營過程中，停放氣腔內(nèi)部處于長充氣狀態(tài)，在故障工況，停放氣腔內(nèi)部氣壓排除，停放彈簧推動活塞施加安全制動。

圖1 踏面制動單元停放缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1.停放缸體 2.K型圈 3.停放缸活塞 4.停放彈簧

現(xiàn)有K型圈密封結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，K型圈處于密封溝槽內(nèi)，右側(cè)為密封停放氣腔，氣腔內(nèi)為高壓停放緩解壓力。高壓側(cè)壓力通過縫隙撐開支撐唇口進入壓力腔室，壓力腔室壓力作用在內(nèi)部將K型圈向外撐開，使主密封唇口及輔助密封唇口兩處達到密封目的。

圖2 現(xiàn)有K型圈結(jié)構(gòu)原理

2 問題描述

在現(xiàn)有城軌地鐵車輛運營過程中，踏面制動單元產(chǎn)品停放缸處于長充氣狀態(tài)。經(jīng)過試驗，停放缸在-25 ℃環(huán)境下密封功能正常，在-40 ℃環(huán)境下密封功能失效；另外在停放缸充氣瞬間，常出現(xiàn)停放缸漏氣現(xiàn)象，漏風(fēng)持續(xù)一段時間后恢復(fù)正常，嚴(yán)重的將一直漏風(fēng)，影響車輛停放制動緩解功能，提高車輛的耗風(fēng)量進而影響車輛制動安全。目前隨著北方城市地鐵建設(shè)的推進，對踏面制動單元低溫性能有了更高要求，同時產(chǎn)品可靠性決定了列車制動安全，不允許出現(xiàn)漏氣風(fēng)險。

3 優(yōu)化設(shè)計

經(jīng)分析，產(chǎn)品低溫氣密性失效，主要原因為材料低溫特性差和K型圈的安裝過盈量低兩方面導(dǎo)致；另外，在停放缸充氣瞬間，由于支撐唇口與零件內(nèi)壁有一定的密封作用，充氣過程高壓側(cè)壓力起初沒有順利進入壓力腔室，導(dǎo)致主密封唇口無足夠的接觸力從而導(dǎo)致K型圈失去密封效果，高壓側(cè)壓力直接通過主密封唇口漏出；當(dāng)壓力腔室的壓力建立成功后，主密封唇口恢復(fù)密封功能，密封才能實現(xiàn)正常。

為了保證產(chǎn)品低溫的密封性能可靠，解決產(chǎn)品低溫密封型問題及充氣瞬間漏氣問題，特開展優(yōu)化設(shè)計，主要通過以下幾方面進行優(yōu)化。

(1) 材料優(yōu)化 優(yōu)化橡膠材料配方，根據(jù)行業(yè)內(nèi)工程經(jīng)驗，石墨烯丁腈橡膠低溫密封能力優(yōu)于傳統(tǒng)橡膠，在此，在K型圈材料制備過程中添加石墨烯部分替代傳統(tǒng)炭黑作為補強劑來提升丁腈橡膠的耐寒性能及使用壽命。

(2) 過盈量優(yōu)化 現(xiàn)有K型圈主唇口與停放缸內(nèi)壁的過盈量為1 mm，為了提高密封性能，考慮增大主唇口過盈量，但過盈量增大，可能導(dǎo)致輔密封唇口褶皺現(xiàn)象。在此，通過有限元仿真模擬主唇口外徑分別為180 mm、182 mm、184 mm三種尺寸的K型圈裝配后的狀態(tài)，分別對應(yīng)主唇口與停放缸內(nèi)壁的過盈量1 mm、2 mm、3 mm，建立仿真模型如圖3。

經(jīng)過分析，裝配前后的K型圈剖面如圖4所示；在過盈量2 mm情況下，K型圈的輔密封唇口平整，如圖5所示；但在過盈量3 mm情況下，輔密封唇口出現(xiàn)褶皺，如圖6所示。

圖3 仿真模型 圖4 裝配前后的K型圈剖面

圖5 主唇口2 mm過盈量裝配后變形規(guī)整 圖6 主唇口3 mm過盈量裝配后唇口出現(xiàn)褶皺

經(jīng)過上述優(yōu)化分析，增大主唇口過盈量由1 mm到2 mm，保證K型圈密封開啟壓力最高，同時防止輔密封唇口出現(xiàn)褶皺影響產(chǎn)品密封性能。

(3) 導(dǎo)通溝槽設(shè)計 為了保證壓力腔室的壓力正常建立，防止密封功能失效，特對K型圈截面進行優(yōu)化，主要在支撐唇口圓周開4條導(dǎo)通溝槽，結(jié)構(gòu)尺寸如圖7所示，支撐唇口起到支撐作用，但由于導(dǎo)通槽作用，支撐唇口與零件內(nèi)壁無密封，工作過程中，工作氣壓可以順利通過導(dǎo)通溝槽進入壓力腔室，從而順利建立密封作用。

圖7 優(yōu)化后K型圈結(jié)構(gòu)圖

4 試驗驗證

根據(jù)上述優(yōu)化方案完成樣件并安裝于踏面制動單元停放缸，樣件主要開展材料低溫試驗性能測試、產(chǎn)品高低溫試驗驗證及產(chǎn)品動密封疲勞試驗三方面驗證，試驗情況如下。

(1) 橡膠低溫試驗 采用溫度回縮法(Tr試驗)對橡膠材料進行測試，測試Tr10對應(yīng)溫度達到-50 ℃，說明材料本身滿足低溫環(huán)境要求。

(2) 高低溫密封性能測試 根據(jù)《TCAMET 04004.8-2018 城市軌道交通車輛制動系統(tǒng) 第8部分：踏面制動單元技術(shù)規(guī)范》設(shè)計要求，產(chǎn)品需滿足-40～50℃環(huán)境要求。采用步入式高低溫試驗箱，將組裝產(chǎn)品置于其中，如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后K型圈結(jié)構(gòu)圖

將溫度設(shè)置-40 ℃并保持，48 h后在低溫環(huán)境下測試產(chǎn)品密封性及功能；然后將溫度調(diào)整到50 ℃，48 h后在高溫環(huán)境下測試產(chǎn)品密封性及功能。經(jīng)過試驗，產(chǎn)品停放缸功能無異常，不同溫度下的密封測試結(jié)果及對比如表1所列。

表1 氣密性測試結(jié)果

(3) 疲勞性能測試 根據(jù)《TCAMET 04004.8-2018 城市軌道交通車輛制動系統(tǒng) 第8部分：踏面制動單元技術(shù)規(guī)范》要求，對踏面制動單元產(chǎn)品開展10萬次停放缸動作疲勞試驗，試驗完成后各項性能指標(biāo)滿足設(shè)計要求，拆解停放缸，缸體內(nèi)部磨損狀態(tài)如圖9所示，K型圈未出現(xiàn)異常。另外，通過試驗跟蹤，在充氣初始狀態(tài)，未出現(xiàn)氣密性異?，F(xiàn)象，密封件可以迅速起到密封效果。

圖9 疲勞試驗后缸體及橡膠件狀態(tài)圖

5 結(jié) 論

針對K型圈現(xiàn)車故障現(xiàn)象進行分析，從橡膠材料、過盈量及結(jié)構(gòu)形式三方面進行優(yōu)化，優(yōu)化后樣件滿足材料低溫穩(wěn)定性、產(chǎn)品高低溫氣密性及疲勞試驗要求。試驗結(jié)果表明:

(1) 通過改善材料成分及增大主唇口與缸壁的過盈量，解決了K型圈的低溫密封問題，產(chǎn)品滿足-40 ℃的低溫環(huán)境要求。

(2) 通過產(chǎn)品的疲勞試驗，驗證了K型圈的使用壽命。

(3) 通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加導(dǎo)通溝槽設(shè)計避免了停放缸氣壓建立瞬間的漏氣問題。

(4) K型圈滿足產(chǎn)品的性能要求。

優(yōu)化后的K型圈可以滿足產(chǎn)品性能要求，該優(yōu)化方案將提升產(chǎn)品運營的可靠性，具有較高的應(yīng)用價值。