動(dòng)車組用雙脈沖電磁閥優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

劉 每，尚小菲，王群偉，陳笑鏑，韓朝霞

（1 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094；2 中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，長(zhǎng)春 130062；3 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

雙脈沖電磁閥控制動(dòng)車組停放施加和緩解功能。當(dāng)動(dòng)車組列車需要可靠停放或處于無電、無壓縮空氣狀態(tài)時(shí)，停放制動(dòng)能夠保證最大載荷的動(dòng)車組停在坡度為30‰的坡道上不溜車。當(dāng)雙脈沖電磁閥的停放端得電，停放缸將充風(fēng)，實(shí)現(xiàn)停放制動(dòng)施加［1-2］。在動(dòng)車組運(yùn)用過程中，出現(xiàn)過雙脈沖電磁閥由于內(nèi)部串風(fēng)引起誤動(dòng)作導(dǎo)致列車偶發(fā)停放不施加的故障。

研究雙脈沖電磁閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行設(shè)計(jì)和工藝的多重改進(jìn)優(yōu)化，模擬并驗(yàn)證雙脈沖電磁閥長(zhǎng)期運(yùn)用后仍滿足性能要求，可有效避免閥出現(xiàn)串風(fēng)引起誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)。

1 雙脈沖電磁閥工作原理

雙脈沖電磁閥為二位五通電磁閥，在停放制動(dòng)模塊上作二位三通用。制動(dòng)和緩解功能的工作原理如圖1 所示。B 口與S 口通過氣路板封堵，P口是輸入口，接上游減壓閥輸出口，A 口接停放缸，R 口是排風(fēng)口（連通大氣）。當(dāng)列車處于停放緩解狀態(tài)時(shí)，P 口與A 口連通，B 口與S 口連通，停放缸壓力為600 kPa 左右。

圖1 雙脈沖電磁閥停放施加工作原理簡(jiǎn)圖

當(dāng)雙脈沖電磁閥接收到停放施加電控信號(hào)后（c2 線圈得電），c2 側(cè)動(dòng)鐵芯受磁力作用抬起閥口，使得先導(dǎo)風(fēng)由右側(cè)V 腔室進(jìn)入主閥體a 最右側(cè)作用在閥桿右端面，閥桿d 在先導(dǎo)氣控壓力的推動(dòng)下向左側(cè)移動(dòng)。最終使得P 口與B 口連通，A 口與R口連通，停放缸氣壓通過R 口排大氣。同理，當(dāng)需要停放緩解時(shí)，c1 線圈得電。

2 雙脈沖電磁閥密封特點(diǎn)

雙脈沖電磁閥采用滑閥結(jié)構(gòu)，導(dǎo)套、閥桿和閥桿上的密封圈是它的關(guān)鍵零部件。其中閥桿上有4 處密封位置，如果均采用傳統(tǒng)的O 形圈密封形式，將導(dǎo)致閥桿的動(dòng)作阻力較大，使得電磁閥的最低工作壓力升高，電磁閥對(duì)系統(tǒng)風(fēng)壓穩(wěn)定性的要求提高，同時(shí)也增加了雙脈沖電磁閥手動(dòng)模式下進(jìn)行功能切換的操作難度。因此雙脈沖電磁閥閥桿密封位置采用的是K 形圈密封［3］。K 形圈在無壓縮空氣進(jìn)入時(shí)密封壓量?。ú话l(fā)揮密封作用），使得閥桿運(yùn)動(dòng)阻力小。當(dāng)有壓縮空氣時(shí)，氣壓將K形圈撐大，隨之密封壓量變大，實(shí)現(xiàn)氣路密封，工作壓力越高，K 形圈密封壓量也越大。由于壓量自補(bǔ)償作用，K 形圈產(chǎn)生一定磨損后，仍然可以保證較好的密封效果，密封結(jié)構(gòu)壽命較長(zhǎng)。

3 失效分析

3.1 失效過程分析

雙脈沖電磁閥接收停放施加脈沖指令時(shí)，受到先導(dǎo)控制氣路的作用，閥桿會(huì)從右往左移動(dòng)，當(dāng)K 形圈②、③隨閥桿移動(dòng)到銅導(dǎo)套氣孔（如圖2 所示）倒角所形成的溝槽內(nèi)時(shí)被氣壓撐大，之后K 形圈②、③繼續(xù)隨閥桿移動(dòng)，受到的阻力明顯增大，引起卡滯，導(dǎo)致K 形圈臨時(shí)密封失效，并且此時(shí)K形圈①不發(fā)揮密封作用（停放施加時(shí)，右側(cè)線圈得電，先導(dǎo)風(fēng)進(jìn)入閥桿右端腔室將K 形圈④撐開，發(fā)揮密封作用；左側(cè)線圈不得電，K 形圈①未被撐開，不發(fā)揮密封作用）。因此P 口壓力越過K 形圈②并泄漏到K 形圈①左側(cè)，順著閥內(nèi)部的先導(dǎo)控制氣路從左側(cè)鐵芯組件的排風(fēng)口溢出，但鐵芯組件的排風(fēng)口通徑較小，若泄漏流量足夠大，形成的背壓則作用于閥桿左側(cè)端面，最終推動(dòng)閥桿向右（緩解端）運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致停放緩解。

圖2 K 形圈密封原理示意圖

3.2 仿真計(jì)算驗(yàn)證

結(jié)合失效過程分析，將雙脈沖電磁閥簡(jiǎn)化，建立故障分析模型，模擬K 形圈漏泄流量與鐵芯組件排風(fēng)流量差和電磁閥動(dòng)作壓力的關(guān)系。當(dāng)K 形圈漏泄流量超過鐵芯組件排風(fēng)流量，且達(dá)到一定流量差時(shí)，會(huì)在K 形圈①的左側(cè)腔室形成一定背壓，當(dāng)背壓作用于閥桿端面的力超過運(yùn)動(dòng)阻力時(shí)，閥桿開始向右移動(dòng)。

對(duì)雙脈沖電磁閥最低動(dòng)作壓力進(jìn)行測(cè)試：在工作氣壓為零的條件下對(duì)被測(cè)電磁閥一端線圈持續(xù)供電，然后緩慢升高工作氣壓，電磁閥邏輯功能切換的瞬間對(duì)應(yīng)的工作壓力值就是閥的最低動(dòng)作壓力?？芍姶砰y在60 kPa 壓力作用下閥桿可由靜態(tài)發(fā)生邏輯功能切換。

根據(jù)故障分析模型以及測(cè)試得到的最低動(dòng)作壓力，模擬當(dāng)電磁閥閥桿密封結(jié)構(gòu)發(fā)生串風(fēng)，K 形圈漏泄流量-鐵芯組件排風(fēng)流量≥65 L/min 時(shí)，形成的背壓可使閥桿被推動(dòng)，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 泄漏流量與背壓關(guān)系曲線

4 優(yōu)化方案

4.1 工藝方法優(yōu)化

雙脈沖電磁閥銅導(dǎo)套導(dǎo)氣孔由圓周均布的20個(gè)直徑1.5 mm 的小孔組成，閥桿運(yùn)動(dòng)過程中不可避免地要出現(xiàn)密封圈往復(fù)越過導(dǎo)氣孔，為降低密封圈的磨損，必須保證導(dǎo)氣孔的加工毛刺清除干凈，如圖4 所示。原方案的銅導(dǎo)套在加工出導(dǎo)氣孔后，通過一次車削加工將導(dǎo)套內(nèi)表面的導(dǎo)氣孔毛刺清除，并形成一圈倒角溝槽。這使得K 形圈在過孔時(shí)卡滯在倒角溝槽的風(fēng)險(xiǎn)增大。優(yōu)化方案通過磨粒流加工方法［4］實(shí)現(xiàn)銅套導(dǎo)氣孔去毛刺，這種方法是利用含有磨料的磨流介質(zhì)在擠壓作用下，往復(fù)流過待加工表面，達(dá)到尖邊倒圓或去毛刺的目的。該方法具有加工一致性好，過程控制可靠，不產(chǎn)生二次毛刺的優(yōu)點(diǎn)。

圖4 銅套去毛刺效果對(duì)比圖

4.2 密封方式優(yōu)化

雙脈沖電磁閥閥桿通過4 個(gè)密封圈隔離5 個(gè)氣路通道，為降低閥桿動(dòng)作阻尼，采用了K 形圈密封，但②、③位置的K 形圈往復(fù)越過銅套導(dǎo)氣孔時(shí)存在串風(fēng)隱患，為提高氣路的密封可靠性，將②、③位置的K 形圈改為O 形圈，同時(shí)保留①、④位置的K 形圈，使閥桿仍然具有較小的動(dòng)作阻尼，降低卡滯風(fēng)險(xiǎn)（如圖2 所示）。

4.3 閥桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于K 形圈的形狀特點(diǎn)，閥桿安裝K 形圈的溝槽較深，同時(shí)溝槽單側(cè)設(shè)置有導(dǎo)氣孔，以實(shí)現(xiàn)單側(cè)密封功能。導(dǎo)氣孔可使K 形圈在工作狀態(tài)時(shí)充氣撐大，在非工作狀態(tài)時(shí)排氣恢復(fù)原本的形狀。②、③位置的密封圈改為O 形圈后，對(duì)應(yīng)位置的閥桿溝槽需考慮O 形圈密封壓量重新調(diào)整尺寸，并取消該位置的溝槽單側(cè)導(dǎo)氣孔，如圖5 所示。

圖5 閥桿結(jié)構(gòu)更變對(duì)比示意圖

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 失效對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)說明：根據(jù)動(dòng)車組日常運(yùn)用數(shù)據(jù)，假設(shè)列車每日停放施加指令的次數(shù)最多不會(huì)超過30 次。則運(yùn)用1 年雙脈沖電磁閥最多動(dòng)作約1 萬次，以此類推。通過疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化前后的雙脈沖電磁閥經(jīng)歷一定運(yùn)用后發(fā)生失效的風(fēng)險(xiǎn)。將樣件累計(jì)疲 勞 動(dòng) 作 次 數(shù) 達(dá)1 萬、2 萬、3 萬、10 萬 次 時(shí) 分 別 等效模擬該產(chǎn)品對(duì)應(yīng)使用1、2、3、10 年的動(dòng)作次數(shù)。

試驗(yàn)方法：取6 只雙脈沖電磁閥樣件作為試驗(yàn)對(duì)象，分為2 組（A 組：1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)樣件；B 組：4號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)樣件），其中A 組是采用優(yōu)化方案的樣件，B 組是原方案的樣件。對(duì)所有電磁閥進(jìn)行10萬次常溫疲勞動(dòng)作試驗(yàn)，并捕捉產(chǎn)品累積動(dòng)作到1萬、2 萬、3 萬、10 萬次時(shí)，對(duì)試驗(yàn) 樣 件進(jìn)行停放施加和緩解100 次，觀察樣件是否存在異常情況。

試驗(yàn)結(jié)果：通過驗(yàn)證試驗(yàn)，優(yōu)化方案電磁閥樣件在整個(gè)10 萬次疲勞試驗(yàn)過程中，始終沒有出現(xiàn)過漏風(fēng)、卡滯、甚至自行停放緩解的情況；原方案電磁閥樣件累計(jì)經(jīng)歷2 萬次疲勞動(dòng)作時(shí)，出現(xiàn)1 只樣件控制時(shí)偶爾存在自行停放緩解的失效現(xiàn)象，隨著疲勞動(dòng)作次數(shù)的增加，出現(xiàn)失效現(xiàn)象的樣件數(shù)量增加，見表1。

表1 10 萬次疲勞動(dòng)作失效趨勢(shì)

驗(yàn)證結(jié)論：原方案雙脈沖電磁閥在經(jīng)歷一定次數(shù)的疲勞動(dòng)作后，將出現(xiàn)停放自行緩解的風(fēng)險(xiǎn)，并隨動(dòng)作次數(shù)的增加，失效風(fēng)險(xiǎn)增大；優(yōu)化后的雙脈沖電磁閥在經(jīng)歷一定次數(shù)的疲勞動(dòng)作后，仍可有效避免產(chǎn)品出現(xiàn)文中所述原因引起的內(nèi)部漏風(fēng)、卡滯、甚至自行停放緩解的失效現(xiàn)象。

5.2 百萬次疲勞試驗(yàn)

試驗(yàn)說明：由5.1 試驗(yàn)的結(jié)論可知原雙脈沖電磁閥隨著疲勞動(dòng)作次數(shù)的累計(jì)失效風(fēng)險(xiǎn)將逐漸提高，為驗(yàn)證發(fā)生失效的趨勢(shì)是否與潤(rùn)滑效果有關(guān)以及優(yōu)化后的電磁閥是否可以滿足長(zhǎng)期運(yùn)用的壽命要求，開展了常溫百萬次疲勞壽命試驗(yàn)。

試驗(yàn)內(nèi)容：取6 只優(yōu)化方案樣件作為試驗(yàn)對(duì)象，分為2 組（A 組：1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)樣件；B 組：4 號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)樣件），其中A 組是動(dòng)密封位置僅涂抹少量潤(rùn)滑脂的樣件，B 組是動(dòng)密封位置涂抹適量潤(rùn)滑脂的樣件。對(duì)所有電磁閥進(jìn)行100 萬次常溫疲勞動(dòng)作試驗(yàn)，每10 萬次動(dòng)作后，測(cè)試電磁閥最低工作壓力以此判斷閥的動(dòng)作阻尼變化情況；在完成100萬次動(dòng)作后，測(cè)試樣件的氣密性指標(biāo)［6］，并測(cè)試電磁閥是否能出現(xiàn)文中特指的失效現(xiàn)象，最終所有樣件進(jìn)行拆解觀察內(nèi)部磨損情況。

試驗(yàn)結(jié)果：通過驗(yàn)證試驗(yàn)，6 只樣件中，A 組樣件在疲勞動(dòng)作累計(jì)過程中最低工作壓力有增大趨勢(shì)，尤其40 萬次疲勞動(dòng)作后阻尼明顯增加，100 萬次疲勞動(dòng)作后最低工作壓力最大值為136 kPa，且其中有1 只電磁閥的氣密性指標(biāo)不合格；B 組樣件在疲勞動(dòng)作累計(jì)過程中最低工作壓力曲線較為平緩，100 萬次疲勞動(dòng)作后最低工作壓力最大值為95 kPa，如圖6 所示，且氣密性指標(biāo)仍合格。6 只樣件均沒有測(cè)試出失效現(xiàn)象。同時(shí)對(duì)樣件進(jìn)行拆解，A 組樣件閥桿均看不到殘留潤(rùn)滑脂，排風(fēng)側(cè)的閥桿附近存在明顯黑色污漬，是由于密封圈過度磨損導(dǎo)致，如圖7 所示。B 組樣件閥桿上均仍殘留少量油膜，閥桿上的密封圈存在一定磨損。

圖6 最低動(dòng)作壓力對(duì)比曲線

圖7 涂抹少量潤(rùn)滑脂后進(jìn)行疲勞動(dòng)作百萬次后的電磁閥閥桿

驗(yàn)證結(jié)論：雙脈沖電磁閥在經(jīng)歷大量動(dòng)作循環(huán)后，潤(rùn)滑脂逐漸消耗，電磁閥的動(dòng)作阻尼逐漸升高；潤(rùn)滑效果不足時(shí)，將加劇密封件運(yùn)動(dòng)時(shí)的磨損，使得電磁閥的氣密性能更早地衰減；潤(rùn)滑狀態(tài)的好壞不會(huì)影響優(yōu)化后的雙脈沖電磁閥出現(xiàn)文中特指的失效現(xiàn)象；優(yōu)化后的雙脈沖電磁閥樣件經(jīng)歷100 萬次常溫疲勞動(dòng)作試驗(yàn)后，仍滿足氣密性能要求。

5.3 低溫試驗(yàn)

試驗(yàn)說明：電磁閥產(chǎn)品在冬季低溫環(huán)境下發(fā)生漏泄故障率高于其他季節(jié)，主要是由于低溫下橡膠件收縮，橡膠材料硬度變硬，導(dǎo)致閥內(nèi)部橡膠件實(shí)際密封壓量變小，尤其是動(dòng)密封的位置容易出現(xiàn)漏泄問題。為驗(yàn)證雙脈沖電磁閥優(yōu)化方案是否滿足產(chǎn)品冬季低溫運(yùn)用環(huán)境的可靠性要求，開展低溫-40 ℃氣密性試驗(yàn)和低溫疲勞運(yùn)用試驗(yàn)。

試驗(yàn)內(nèi)容：取3 只優(yōu)化方案樣件作為試驗(yàn)對(duì)象（1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)樣件），在常溫下對(duì)樣件進(jìn)行氣密性功能測(cè)試（容積負(fù)載不大于100 ml），選取-40 ℃溫度點(diǎn)持續(xù)冷凍16 h 后［5］，對(duì)樣件進(jìn)行氣密性功能測(cè)試；隨后在該溫度環(huán)境下進(jìn)行10 萬次疲勞動(dòng)作試驗(yàn)，動(dòng)作次數(shù)完成后再次在低溫環(huán)境下對(duì)樣件進(jìn)行氣密性功能測(cè)試。

試驗(yàn)結(jié)果：通過驗(yàn)證試驗(yàn)，3 個(gè)樣件的常溫漏泄量均在5 kPa/min 以內(nèi)，經(jīng)歷16 h 的低溫冷凍后，低溫漏泄量均在10 kPa/min 以內(nèi)；經(jīng)歷低溫環(huán)境下10 萬次疲勞動(dòng)作后，漏泄均在10 kPa/min 以內(nèi)，見表2。

表2 低溫氣密性試驗(yàn)結(jié)果單位：kPa/min

驗(yàn)證結(jié)論：樣件在低溫-40 ℃環(huán)境下氣密性能功能良好，在經(jīng)過低溫10 萬次疲勞動(dòng)作后，其氣密性功能仍然滿足技術(shù)要求［6］。優(yōu)化后的雙脈沖電磁閥低溫環(huán)境適應(yīng)性良好。

6 結(jié) 論

針對(duì)雙脈沖電磁閥開展了工藝方法、密封方式、閥桿結(jié)構(gòu)3 個(gè)方面的優(yōu)化改進(jìn)，并通過失效對(duì)比試驗(yàn)、常溫百萬次疲勞試驗(yàn)、低溫環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：

（1）常溫環(huán)境下，10 萬次疲勞動(dòng)作試驗(yàn)后，原方案的雙脈沖電磁閥會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部串風(fēng)引起卡滯、甚至自行緩解的失效現(xiàn)象，優(yōu)化后的電磁閥樣件可有效避免類似問題。

（2）優(yōu)化的雙脈沖電磁閥經(jīng)歷常溫環(huán)境100 萬次疲勞動(dòng)作后，氣密性仍然能滿足技術(shù)要求；閥桿上潤(rùn)滑脂的用量不會(huì)影響優(yōu)化的雙脈沖電磁閥出現(xiàn)該類失效。

（3）低溫環(huán)境下，優(yōu)化的雙脈沖電磁閥低溫漏泄量小于10 kPa/min（容積負(fù)載不大于100 ml）；經(jīng)歷10 萬次低溫疲勞動(dòng)作后，樣件的氣密性能仍滿足技術(shù)要求。

文中分析了動(dòng)車組關(guān)于停放制動(dòng)控制雙脈沖電磁閥的一種典型故障問題，從故障現(xiàn)象收集、產(chǎn)品工作原理分析、失效分析、改進(jìn)方案設(shè)計(jì)和驗(yàn)證試驗(yàn)等方面開展研究工作，為動(dòng)車組其他閥類部件優(yōu)化研究提供一種方法思路。