動(dòng)車組截?cái)嗳T失效分析及失效驗(yàn)證

徐立立，李慧，杜勝杰，李煥

（廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司，廣州 510656）

引言

動(dòng)車組截?cái)嗳T用來關(guān)閉制動(dòng)管，截?cái)嗫傦L(fēng)缸向制動(dòng)管充風(fēng)的通路，工作過程中長(zhǎng)期處于導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)列車由于各種因素導(dǎo)致制動(dòng)不緩解或者需要檢修時(shí)，需要操作截?cái)嗳T以保證可拖曳或運(yùn)維[1]。截?cái)嗳T一旦出現(xiàn)故障，將對(duì)列車運(yùn)行乃至人身安全產(chǎn)生重大影響。截?cái)嗳T使用過程中出現(xiàn)了多例密封性失效，將導(dǎo)致不能充分關(guān)閉氣壓管路，有潛在危險(xiǎn)因素。

本文，首先總結(jié)截?cái)嗳T實(shí)際使用中工作環(huán)境，根據(jù)截?cái)嗳T的工作環(huán)境確定導(dǎo)致其可能出現(xiàn)的失效模式；隨后對(duì)截?cái)嗳T進(jìn)行相應(yīng)的環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)驗(yàn)證，確定影響截?cái)嗳T失效的敏感因素；最后提出相應(yīng)的改進(jìn)建議措施。

1 截?cái)嗳T工作環(huán)境分析

動(dòng)車組截?cái)嗳T處于動(dòng)車裙板內(nèi)、車底，是直接與外部環(huán)境接觸的。通過調(diào)研得知，其工作過程經(jīng)歷了溫度、振動(dòng)、腐蝕以及疲勞等應(yīng)力的考核，這些環(huán)境應(yīng)力將導(dǎo)致截?cái)嗳T出現(xiàn)失效。產(chǎn)品在高溫的條件下，會(huì)導(dǎo)致其組成結(jié)構(gòu)中不同材料由于膨脹系數(shù)不一導(dǎo)致變形；同時(shí)高溫條件下會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部有機(jī)材料[2]，如密封橡膠圈發(fā)生老化、氣泡以及裂紋，最終導(dǎo)致截?cái)嗳T漏氣。截?cái)嗳T除了受高溫環(huán)境的影響，實(shí)際運(yùn)行過程中還要受振動(dòng)的影響。振動(dòng)主要包括正弦掃頻和隨機(jī)振動(dòng)，產(chǎn)品在實(shí)際使用過程中所遇到的都是隨機(jī)性質(zhì)的振動(dòng)。振動(dòng)對(duì)截?cái)嗳T的結(jié)構(gòu)及工作性能均會(huì)產(chǎn)生影響，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上的彎曲、變形，更嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致發(fā)生裂紋；同時(shí)振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致工作不正常、接觸件接觸不良等。截?cái)嗳T在使用過程中，可能會(huì)遇到自然和誘發(fā)的腐蝕大氣環(huán)境，如鹽霧、二氧化硫等。自然大氣腐蝕主要是鹽霧。鹽霧的危害性主要體現(xiàn)在對(duì)金屬及各種金屬鍍層的強(qiáng)烈腐蝕，當(dāng)因?yàn)楦g而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，不僅零部件表面會(huì)遭到損壞，還會(huì)使機(jī)械強(qiáng)度下降；同時(shí)鹽霧還會(huì)影響電氣效應(yīng)，導(dǎo)致絕緣材料及金屬被損壞，影響導(dǎo)電性能[3]。截?cái)嗳T工作的過程是切斷空氣制動(dòng)的過程，此過程中將承受一定的空氣壓力，長(zhǎng)時(shí)間處于這種狀態(tài)導(dǎo)致截?cái)嗳T出現(xiàn)靜壓疲勞失效。

截?cái)嗳T在使用過程中，出現(xiàn)了密封不嚴(yán)、漏氣的失效模式。因此，設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證其工作中所經(jīng)歷的環(huán)境，驗(yàn)證截?cái)嗳T出現(xiàn)失效的敏感環(huán)境及敏感部位，為后期的改進(jìn)提供相應(yīng)的措施。

2 截?cái)嗳T失效應(yīng)力驗(yàn)證及分析

2.1 腐蝕環(huán)境驗(yàn)證及分析

根據(jù)截?cái)嗳T的安裝位置，考慮截?cái)嗳T將承受自然的大氣腐蝕，一般以鹽霧為主[4]。因此，選擇2件截?cái)嗳T進(jìn)行528 h的中性鹽霧試驗(yàn)，試驗(yàn)后樣品未見明顯腐蝕。試驗(yàn)條件見表1，試驗(yàn)前后樣品外觀見圖1。

表1 鹽霧試驗(yàn)條件

圖1 試驗(yàn)前后樣品外觀

以上鹽霧試驗(yàn)，以24 h為一個(gè)觀察周期，共經(jīng)歷了22個(gè)周期的觀察測(cè)試，樣品表面有白色鹽霧沉降，未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕與銹漬，導(dǎo)通性能良好，內(nèi)部線路無腐蝕，內(nèi)部無鹽霧痕跡，氣密性良好?？梢酝茰y(cè)，截?cái)嗳T在自然環(huán)境中耐腐蝕性較好，南部城市的濕熱空氣、海濱城市的環(huán)境和雨水等自然環(huán)境不是截?cái)嗳T的主要故障因素，也不是其薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)于其整體壽命的影響也較小。

2.2 高溫環(huán)境驗(yàn)證及分析

根據(jù)分析，高溫條件僅對(duì)塑料、橡膠等有機(jī)材料影響較大[5]。而截?cái)嗳T的密封圈是橡膠材質(zhì)的，并且密封橡膠圈是長(zhǎng)時(shí)間保持被壓縮的狀態(tài)，依據(jù)GB/T 20028-2005，橡膠材料的壓縮性在高溫條件下隨著時(shí)間的延長(zhǎng)是逐漸衰退的。因此，選擇橡膠密封圈30件，分成三組，每組10件分別進(jìn)行240 h的熱老化試驗(yàn)，其溫度點(diǎn)分別為80 ℃、95 ℃和110 ℃。每隔80 h進(jìn)行其壓縮應(yīng)力比的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 不同溫度下壓縮永久變形率的指標(biāo)參數(shù)

根據(jù)測(cè)試結(jié)果得知，橡膠密封圈80 ℃、95 ℃、110 ℃的160 h后的壓縮永久變形要比80 h嚴(yán)重，而達(dá)到了240 h后，其壓縮永久變形更是下降到89 %。因此，橡膠密封圈在承受壓縮的條件下，長(zhǎng)時(shí)間的高溫會(huì)導(dǎo)致其壓縮永久變形的形變加大，其彈性降低，會(huì)導(dǎo)致截?cái)嗳T出現(xiàn)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 振動(dòng)環(huán)境驗(yàn)證及分析

截?cái)嗳T在使用過程中，還要承受列車振動(dòng)的影響。依據(jù)GB/T 21563-2018，對(duì)截?cái)嗳T進(jìn)行長(zhǎng)壽命振動(dòng)及振動(dòng)驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)后進(jìn)行檢測(cè)，確定振動(dòng)是否對(duì)截?cái)嗳T產(chǎn)生影響。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，選擇B級(jí)車體安裝產(chǎn)品進(jìn)行模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)，詳細(xì)試驗(yàn)條件見表3。

表3 功能隨機(jī)振動(dòng)及模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)

振動(dòng)試驗(yàn)后，檢測(cè)截?cái)嗳T的外觀，氣密性測(cè)試，均未發(fā)現(xiàn)有異常。說明振動(dòng)環(huán)境對(duì)截?cái)嗳T的影響較小。

2.4 靜壓力驗(yàn)證及分析

結(jié)合截?cái)嗳T實(shí)際工作的特性，選擇3件新品，9件舊品進(jìn)行靜壓試驗(yàn)。試驗(yàn)共計(jì)進(jìn)行1 900次，試驗(yàn)中每隔100次檢查樣品的氣密性。其中2件舊品分別在第1 700次與1 900次時(shí)氣密性失效，試驗(yàn)條件如表4所示。試驗(yàn)過程如圖2所示。

表4 靜壓壽命試驗(yàn)條件

圖2 靜壓試驗(yàn)過程

3 結(jié)果分析

根據(jù)截?cái)嗳T工作環(huán)境特性，分別對(duì)截?cái)嗳T及其組成部件進(jìn)行了鹽霧、高溫、振動(dòng)以及靜壓的驗(yàn)證試驗(yàn)。鹽霧試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)后，樣品無任何異常。高溫試驗(yàn)后，密封圈的彈性迷明顯變差；靜壓試驗(yàn)后，有2件樣品出現(xiàn)密封失效。對(duì)其內(nèi)部電路進(jìn)行X-RAY檢查未發(fā)現(xiàn)明顯異常，如圖3所示。對(duì)失效密封圈進(jìn)行成分分析[6]，對(duì)比新件結(jié)果如圖4所示。由其成分顯示，未發(fā)生明顯變化，因此可以判斷其密封失效是由于密封圈老化導(dǎo)致。

圖3 截?cái)嗳T內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖4 失效密封圈紅外光譜圖

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

通過對(duì)截?cái)嗳T工作環(huán)境分析、試驗(yàn)驗(yàn)證以及驗(yàn)證結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)截?cái)嗳T在自然環(huán)境中耐腐蝕性較好，南部城市的濕熱空氣、海濱城市的環(huán)境和雨水等自然環(huán)境不是截?cái)嗳T的主要故障因素，也不是其薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)于其整體壽命的影響也較小。通過對(duì)密封圈的老化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)密封圈的壓縮永久變形率較大，對(duì)密封圈的壽命有較大影響。最后通過對(duì)新、舊樣品的靜壓試驗(yàn)以及截?cái)嗳T內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以及密封圈化學(xué)特性分析，得出截?cái)嗳T密封失效是由于密封圈老化導(dǎo)致。

4.2 建議

截?cái)嗳T金屬外殼與電路密封部分耐腐蝕性較高、耐振動(dòng)性較好，但其內(nèi)部密封圈長(zhǎng)期處于擠壓與高溫環(huán)境，其工作應(yīng)力較高，壽命較低，綜合以上研究，建議如下：

1）建議嘗試新型配方或材料替代原有密封圈產(chǎn)品。

2）建議定期檢查線路氣密性，截?cái)嗳T開閉穩(wěn)定性。