軌道交通連接器常用密封結(jié)構(gòu)適配環(huán)境分析

辛狀狀，李成國，鐘 海

(1.中車四方車輛機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.中航光電華億(沈陽)電子科技有限公司，遼寧 沈陽 110027)

隨著軌道交通車輛向高速度發(fā)展，車輛運(yùn)營環(huán)境復(fù)雜多變，因密封件壓縮量問題、密封件老化導(dǎo)致的故障逐漸增多，密封失效占比已達(dá)15%，影響車輛運(yùn)行安全，因此有必要通過完善模擬實(shí)際使用工況的試驗(yàn)方法等方式開展防護(hù)結(jié)構(gòu)研究。

1 密封環(huán)境與密封結(jié)構(gòu)

1.1 軌道交通密封環(huán)境

軌道交通密封結(jié)構(gòu)在不同車輛、不同應(yīng)用位置、不同使用工況，其連接器的密封結(jié)構(gòu)是不同的，而依據(jù)現(xiàn)有車輛位置標(biāo)準(zhǔn)，有著對應(yīng)環(huán)境IP等要求[1-2](見表1)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)要求的車輛不同位置防護(hù)要求

通過對軌道交通裝備領(lǐng)域用國內(nèi)外中低壓連接器、網(wǎng)絡(luò)連接器、控制連接器防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)的梳理對比，結(jié)合連接器使用環(huán)境和工況的研究、檢修使用可靠性要求，對防護(hù)關(guān)鍵要求形成如下對比(見表2)。

表2 國內(nèi)外技術(shù)對比

通過上述對比，國內(nèi)技術(shù)在壓縮量研究方面較為薄弱，因此應(yīng)建立可靠的研究適用方法，模擬使用工況研究，提升連接器使用壽命。

1.2 現(xiàn)有連接器密封結(jié)構(gòu)

目前，軌道交通裝備用連接器所涉及的車輛類型有動(dòng)車、城軌、機(jī)車，所使用的位置大體分為車外及車內(nèi)，連接器的類型有圓形與矩形。連接器所需密封的位置總體有3處：插頭與插座對接端的密封、插座與車體安裝處的密封、連接器尾附端的密封(見圖1)。

圖1 現(xiàn)有典型連接器防護(hù)結(jié)構(gòu)

1.2.1 插頭與插座對接端的密封

1)圓形對接端主要為徑向密封，密封件以O(shè)型圈為主[3](見圖2)。

圖2 圓形徑向密封結(jié)構(gòu)

2)矩形對接端有徑向密封(見圖3)和軸向密封(見圖4)，徑向密封件為D型圈，軸向密封為矩形圈。

圖3 矩形徑向密封結(jié)構(gòu)

圖4 矩形軸向密封結(jié)構(gòu)

1.2.2 插座與車體安裝處的密封

1)圓形安裝處主要為軸向密封，密封件以密封膠墊為主(見圖5)。

圖5 圓形安裝處密封結(jié)構(gòu)

2)矩形安裝處為軸向密封，密封件為O型圈或密封膠墊(見圖6)。

a) 密封件為O型圈

1.2.3 連接器尾附端的密封

尾附端多采用螺紋密封結(jié)構(gòu)(尾附端殼體與杯形管配合處、尾附端管接頭與杯形管配合處)，密封件采用O型圈(見圖7)。

圖7 產(chǎn)品螺紋密封結(jié)構(gòu)

2 密封原理

密封件壓縮示意圖如圖8所示。

a) O型圈密封

密封件裝配、壓縮后，其單位面積上形成的壓力不同，密封圈壓應(yīng)力從中間向兩側(cè)逐漸降低，壓應(yīng)力最大處形成“防水線”，密封件壓強(qiáng)P=F/S，密封內(nèi)外介質(zhì)壓差為Pa(例如：水下1 m深壓差為0.01 MPa)，當(dāng)Pa

圖9 密封壓差示意圖

3 連接器密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 徑向連接器密封結(jié)構(gòu)及應(yīng)用原則

1)徑向密封按結(jié)構(gòu)形式分為兩類(見圖10)。

a) 密封圈安裝在筒上

O型圈安裝在圓軸/圓筒上的徑向壓縮密封，公司產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，此類密封形式在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3452.1和GB/T 3452.3中已有詳細(xì)的規(guī)定。

2)現(xiàn)有連接器徑向密封統(tǒng)計(jì)見表3[5-6]。按初始壓縮率為10%～15%選擇O型圈內(nèi)徑。

表3 徑向密封統(tǒng)計(jì)表

3)徑向密封結(jié)構(gòu)密封圈線徑選擇原則[7]如下。

a.受O型圈插入配合深度及殼體晃動(dòng)量影響，O型圈配合深，受殼體晃動(dòng)影響大(易出現(xiàn)單邊壓縮量過大)，O型圈線徑選擇相比較大，反之O型圈線徑選擇相對小。

對接端殼體上是鍵槽時(shí)：O型圈在殼體根部時(shí)(O型圈在軸上)，其線徑較小，線徑范圍一般是1.8～2 mm。對接端殼體上是鍵時(shí)：O型圈在方盤根部時(shí)(O型圈在筒上)，其線徑較大，線徑范圍一般是3.1～3.5 mm。

b.利用螺紋空刀槽作為密封溝槽的尾附端O型圈密封，線徑受螺紋螺距影響，螺距越大，空刀槽(即密封槽)越寬，螺紋齒越高(即密封槽越深)，O型圈線徑選擇越大：當(dāng)螺距為1.5 mm時(shí)，O型圈線徑為1.8～2.65 mm；當(dāng)螺距為2 mm時(shí)，O型圈線徑為3.1～3.5 mm。

c.殼體與杯形管配合，O型圈裝在殼體上時(shí)，O型圈同時(shí)起到密封及螺紋防松作用，所以螺紋直徑越大，線徑越大，以便提供更大的螺紋防松力矩。

4)徑向密封配合件間隙選擇原則及軸心偏移量計(jì)算如下。

O型圈在溝槽中受介質(zhì)壓力作用時(shí)，會(huì)發(fā)生變形(見圖11)，“流”向間隙位置，達(dá)到密封效果，也就是說，隨著壓力的增加，O型圈發(fā)生更大的變形，其應(yīng)力也增加，獲得更緊的密封。當(dāng)O型圈承受高壓時(shí)，會(huì)被擠入間隙中，造成密封失效，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使間隙盡量小[8]，間隙控制表如圖12所示。

圖11 O型圈受壓力變形分析

圖12 間隙控制表

水下1 m的壓強(qiáng)為0.01 MPa，遠(yuǎn)小于3.5 MPa，為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)尺寸取整考慮，通用產(chǎn)品建議<5 mm，徑向間隙0.1 mm；≥5 mm，徑向間隙0.15 mm；而實(shí)際使用時(shí)徑向間隙造成的偏移量修正為5%。

5)表面粗糙度的選擇。表面粗糙度Ra通用為0.8、1.6、3.2和6.3 μm，轉(zhuǎn)換為不平度平均高度為3.2、6.3、12.5和25 μm，即表面粗糙點(diǎn)波峰與波谷的平均距離。粗糙點(diǎn)的尺寸見表4。建議表面粗糙度Ra為1.6 μm，壓縮量修正為0.3%。

表4 粗糙點(diǎn)的尺寸表

3.2 軸向連接器密封結(jié)構(gòu)及應(yīng)用原則

1)安裝面密封結(jié)構(gòu)形式見表5。

表5 安裝面密封結(jié)構(gòu)表

2)端面矩形圈設(shè)計(jì)要求見表6。

表6 對接端密封結(jié)構(gòu)表

3)軸向密封結(jié)構(gòu)選擇使用原則如下。

a.端面O型圈密封原理同徑向密封。螺母安裝O型圈線徑不隨殼體的增大而增大，原因是密封圈受到的壓強(qiáng)不變。螺母安裝線徑一般選擇1.78～2 mm，螺母安裝時(shí)，O型圈的壓縮量大于徑向密封，壓縮量不低于28.7%～43.2%。

b.對接端以矩形膠墊密封時(shí)，矩形膠墊的寬度及厚度不隨殼體的增大而增大(同理壓強(qiáng)不變)。

3.3 螺紋連接器密封結(jié)構(gòu)及應(yīng)用原則

螺紋連接器密封結(jié)構(gòu)及使用要求說明見表7。

表7 螺紋密封結(jié)構(gòu)表

3.4 密封件材料的梳理及應(yīng)用原則

電氣連接器的密封件材料基本有丁腈橡膠、硅橡膠、乙丙橡膠等3種[9]，每種橡膠的性能初步總結(jié)如下：1)丁腈橡膠的抗拉、耐水、耐磨、耐油性能較好；2)乙丙橡膠的耐撕裂沖擊、耐酸堿、耐老化性能較好；3)硅橡膠的回彈性、耐高低溫、耐老化、耐燃性能較好。

每種材料在性能上有很大不同，因而根據(jù)性能使用在連接器的不同位置上：1)電連接器內(nèi)部密封O型圈采用丁腈橡膠，應(yīng)耐水、抗拉、耐磨；2)暴露外部護(hù)套膠墊采用乙丙橡膠較多，應(yīng)抗撕裂沖擊、耐酸堿、耐老化；3)連接器內(nèi)部封線處采用硅橡膠，應(yīng)具有回彈性、耐高低溫、耐老化、耐燃性能。通過材料的性能來決定各自的使用位置，因此材料的使用壽命依據(jù)各自的性能與材料的使用環(huán)境有直接的關(guān)系。

各部分密封件如圖13所示。

a) 連接器各密封部位

4 案例分析

橡膠壓縮力近似計(jì)算模型：

(1)

式中，δ是壓縮內(nèi)應(yīng)力；ε=f/h=變形量/高度；Ea是表觀彈性模量，Ea=3G，其中，G是切變模量，G=(5.3+0.777HS)/(100-HS)，其中，HS是肖式硬度值。

針對上述計(jì)算模型，通過對典型的密封圈做壓力試驗(yàn)，與其作對比，形成密封圈驗(yàn)證試驗(yàn)表(見表8)。

表8 密封圈驗(yàn)證試驗(yàn)表

IP67：水下1 m，壓強(qiáng)為10 kPa，大氣壓強(qiáng)為100 kPa，通過理論計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果的研究，均滿足IP67的要求。以試驗(yàn)為例，密封圈20%壓縮量時(shí)，壓強(qiáng)為2～4倍的大氣壓；密封圈27%壓縮量時(shí)，壓強(qiáng)為近5倍的大氣壓。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

連接器密封性能應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4208和GB/T 34119，所要達(dá)到的密封等級為塵密、水密、氣密(見圖14)。

a) 塵密示意圖

軌道車輛現(xiàn)有產(chǎn)品的使用情況有多種使用環(huán)境，為驗(yàn)證其密封件在27%壓縮量下產(chǎn)生密封壓力是否滿足要求，以最嚴(yán)酷的氣密試驗(yàn)對其進(jìn)行驗(yàn)證，以風(fēng)壓、洗車典型環(huán)境進(jìn)行實(shí)例研究(見表9)。

表9 連接器的實(shí)際使用條件分析

5.1 風(fēng)壓

5.1.1 理論研究

動(dòng)車最高時(shí)速為380 km/h，根據(jù)伯努利方程得出風(fēng)壓關(guān)系，風(fēng)壓通用公式：

(2)

式中，P是風(fēng)壓，單位為kPa或kN/mm2；V是風(fēng)速，單位為m/s。

車輛在有風(fēng)時(shí)相向而行，將V總=(105.56+24.5)m/s代入可計(jì)算得：P=10.57 kPa(近似為水下1 m壓強(qiáng))。根據(jù)氣象要求，風(fēng)速等級劃分見表10(10級以上高鐵停運(yùn))。

表10 風(fēng)速的描述

IP67：水下1 m，壓強(qiáng)為10 kPa，大氣壓強(qiáng)為100 kPa。通過計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)果，常用的密封圈20%壓縮量時(shí)，壓強(qiáng)為2～4倍的大氣壓；27%壓縮量時(shí)，壓強(qiáng)為近5倍的大氣壓，理論滿足風(fēng)壓要求。

5.1.2 產(chǎn)品試驗(yàn)

驗(yàn)證O型密封圈及密封墊在給定壓縮量下的安全系數(shù)時(shí)，將不同內(nèi)徑密封圈或密封墊組成不同殼體號產(chǎn)品(見圖15)，對其進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，以驗(yàn)證O型圈壓強(qiáng)對密封性能的影響，樣品信息見表11。

表11 連接器的氣密試驗(yàn)結(jié)果

圖15 連接器的氣密試驗(yàn)示意圖

通過試驗(yàn)結(jié)果可知，27%壓縮量下的O型圈、密封墊滿足風(fēng)壓要求。

5.2 洗車

5.2.1 理論研究

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4208—2017要求，IPX9簡要要求如下：防高溫、高壓噴水，溫度(80±5) ℃，扇形噴嘴水流量為(15±1) L/min。

扇形噴嘴水流量(15±1) L/min，即0.004 m3/s，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)噴嘴截面積(見圖16)可知，水速度為v=4×10-3/(3.14×1.17×0.665×10-6)=1.64×103(m/s)。

圖16 噴嘴截面示意圖(單位為mm)

噴嘴噴水后呈60°扇形，試驗(yàn)樣件與噴嘴距離為0.125 m，由于水量少，不考慮自身重力加速度及水著力面力方向，根據(jù)動(dòng)量定理

Ft=mv

(3)

呈60°扇形著力面受力為F=mv/t=6.55×103(N)，進(jìn)而計(jì)算壓強(qiáng)為P=F/S=0.425×106(Pa)=425 kPa。

重載系列HIR車端產(chǎn)品密封壓縮量及壓強(qiáng)根據(jù)前期總結(jié)見表12。

表12 連接器的密封尺寸核算表

5.2.2 產(chǎn)品試驗(yàn)

連接器的氣密試驗(yàn)示意圖如圖17所示。產(chǎn)品先放至高溫箱內(nèi)，溫度為80 ℃，溫度穩(wěn)定時(shí)長為0.5 h；高溫試驗(yàn)后迅速進(jìn)行0.425 MPa氣密試驗(yàn)，持續(xù)30 min，試驗(yàn)結(jié)果無漏氣、冒泡情況。

圖17 連接器的氣密試驗(yàn)示意圖

6 結(jié)語

針對軌道交通不同使用工況、不同位置有不同的適配結(jié)構(gòu)，但依據(jù)密封原理，連接器的密封件按壓縮量27%左右設(shè)計(jì)最適宜。通過密封件應(yīng)力的計(jì)算及模擬風(fēng)壓、洗車等氣密試驗(yàn)，及耐高溫的相關(guān)研究[10]可知，在不同工況下不同密封結(jié)構(gòu)，其壓縮量滿足實(shí)際車輛工況使用要求。