高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)調(diào)壓閥彈簧力值衰減因素試驗(yàn)研究

靳明旭，趙春光，常程城，張波，曹宏發(fā)

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094；3 鐵科縱橫（天津）科技發(fā)展有限公司，天津 301700）

減壓閥、溢流閥、安全閥等調(diào)壓閥是高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部件，其輸出壓力的穩(wěn)定性直接影響列車運(yùn)用安全。彈簧是直接保證調(diào)壓閥壓力輸出的重要零件，彈簧的力值衰減程度決定了調(diào)壓閥輸出壓力的穩(wěn)定性。

隨著動(dòng)車組的廣泛應(yīng)用，彈簧力值衰減引起調(diào)壓閥輸出值不穩(wěn)定的情況逐漸顯現(xiàn)并引起重視。與進(jìn)口調(diào)壓閥相比，國產(chǎn)調(diào)壓閥輸出壓力變化幅度較大。

彈簧衰減是隨著使用時(shí)間推移而產(chǎn)生的必然現(xiàn)象，文中就影響彈簧衰減的因素進(jìn)行研究，在既有基礎(chǔ)上形成對(duì)照方案，設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)行比較驗(yàn)證，從而確定彈簧優(yōu)化方案以開展應(yīng)用。

1 彈簧應(yīng)力松弛理論

金屬材料或元件在一定應(yīng)變條件下，應(yīng)力隨時(shí)間推移而降低的現(xiàn)象稱為金屬應(yīng)力松弛。典型的金屬應(yīng)力松弛曲線如圖1 所示［1］。

圖1 典型的金屬應(yīng)力松弛曲線

曲線分為2 個(gè)階段，第Ⅰ階段（圖中ab 線段）持續(xù)較短時(shí)間，應(yīng)力隨時(shí)間延長而急劇下降；第Ⅱ階段（圖中bc 線段）持續(xù)時(shí)間較長，應(yīng)力隨時(shí)間延續(xù)而緩慢降低并趨向恒定［2］。在一定溫度（T）和一定初始應(yīng)力（σ0）的條件下，材料或零件的抗應(yīng)力松弛性能可用剩余應(yīng)力（σsh）、應(yīng)力松弛率（vs）、Ⅰ階段的松弛穩(wěn)定系數(shù)s0和Ⅱ階段的松弛速率系數(shù)t0等特性指標(biāo)表征［3］。

應(yīng)力松弛是機(jī)械彈簧、螺栓等基礎(chǔ)件、精密儀器及儀表中彈性元件的主要失效模式［4］。當(dāng)前對(duì)于應(yīng)力松弛的產(chǎn)生機(jī)制尚無統(tǒng)一結(jié)論，但是可以確定應(yīng)力松弛與材料微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生位錯(cuò)有直接關(guān)系［5］。

彈簧類零件作為典型的金屬材料零件，在運(yùn)用過程中同樣會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象［6］，在減壓閥內(nèi)，彈簧零件應(yīng)力松弛引起的現(xiàn)象是彈簧力值的衰減。而對(duì)于彈簧類零件，如何在滿足使用要求并兼顧生產(chǎn)效率的前提下有效改善力值衰減則成為了彈簧及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 彈簧力衰減影響因素試驗(yàn)研究

有研究表明，在一定應(yīng)力水平下，彈簧應(yīng)力松弛的主要影響因素有彈簧材料、強(qiáng)壓方式、表面是否拋丸等［7］。而上述因素對(duì)于特定彈簧的影響程度因彈簧結(jié)構(gòu)而異。對(duì)于動(dòng)車組減壓閥彈簧，設(shè)計(jì)試驗(yàn)分析上述因素對(duì)力值衰減的影響并尋找適合的優(yōu)化方法。

2.1 試驗(yàn)對(duì)象

當(dāng)前使用彈簧采用碳素合金鋼絲材料，立定處理（冷強(qiáng)壓）后拋丸處理的方式生產(chǎn)。

以現(xiàn)有彈簧為基準(zhǔn)，通過對(duì)材料、強(qiáng)壓方式和表面是否拋丸進(jìn)行調(diào)整，參考正交試驗(yàn)方法，按照以下組別生產(chǎn)彈簧樣件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，見表1。狀態(tài)1 和狀態(tài)2的彈簧是當(dāng)前正在使用的2 種調(diào)壓閥彈簧，其中1 為國產(chǎn)彈簧，2 為進(jìn)口彈簧。

表1 彈簧力值衰減對(duì)照方案

選取上述每種狀態(tài)彈簧各8 個(gè)開展測(cè)試。

通過狀態(tài)3 和狀態(tài)5 比較，狀態(tài)2 和狀態(tài)8 比較，狀態(tài)6 和狀態(tài)7 比較，可明確強(qiáng)壓方式對(duì)彈簧力值衰減的影響。通過狀態(tài)1 和狀態(tài)3 比較，狀態(tài)4 和狀態(tài)5 比較，可明確拋丸與否對(duì)彈簧力值衰減的影響。通過狀態(tài)7 和狀態(tài)8 比較，可明確沉淀硬化不銹鋼與奧氏體不銹鋼對(duì)彈簧力值衰減的影響；通過狀態(tài)5 和狀態(tài)8 比較，可明確碳素彈簧鋼絲與奧氏體不銹鋼對(duì)彈簧力值衰減的影響；通過狀態(tài)5 和狀態(tài)7 比較，可明確碳素合金鋼絲與沉淀硬化不銹鋼對(duì)彈簧力值衰減的影響。

2.2 試驗(yàn)方法

當(dāng)前對(duì)于彈簧的力值衰減尚無統(tǒng)一測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。參考彈簧常用衰減測(cè)試方法，采用如圖2 所示工裝進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，其中螺栓選用10.9級(jí)，彈簧上下墊塊熱處理硬度不低于500 HV。

圖2 彈簧力值衰減測(cè)試工裝

試驗(yàn)周期為9周，試驗(yàn)開始前逐個(gè)測(cè)量被測(cè)彈簧在工作位置的力值F0，用工裝將彈簧壓縮到工作高度靜置，每周測(cè)量彈簧在工作位置的力值Fn。計(jì)算彈簧力值衰減率k為式（1）：

對(duì)每組狀態(tài)彈簧每周測(cè)試的衰減率取平均值并記錄。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

每組彈簧每周衰減率試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 彈簧力值衰減數(shù)據(jù) 單位：%

將上述數(shù)據(jù)整理成曲線，如圖3 所示。

圖3 彈簧力值衰減曲線

對(duì)上述各組狀態(tài)力值衰減率取平均值計(jì)算并排序如圖4 所示，其中狀態(tài)1 和狀態(tài)2 分別是當(dāng)前正在列車上使用的2 種彈簧。圖中狀態(tài)4、狀態(tài)5、狀態(tài)6、狀態(tài)7、狀態(tài)8的彈簧可用于改善力值衰減問題。

圖4 彈簧力值平均衰減率

3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究強(qiáng)壓方式、拋丸與材料對(duì)彈簧力值衰減的影響。

3.1 強(qiáng)壓方式影響比較

比較狀態(tài)3 和狀態(tài)5，狀態(tài)2 和狀態(tài)8，狀態(tài)6和狀態(tài)7，彈簧強(qiáng)壓方式狀態(tài)對(duì)照見表3。

表3 彈簧強(qiáng)壓方式狀態(tài)對(duì)照表

對(duì)于碳素合金鋼絲，采用熱強(qiáng)壓工藝的彈簧力值衰減較采用冷強(qiáng)壓工藝的彈簧力值衰減明顯減少，如圖5 所示。

圖5 碳素合金鋼絲彈簧不同強(qiáng)壓方式衰減比較

對(duì)于奧氏體不銹鋼，采用熱強(qiáng)壓工藝的彈簧力值衰減較采用冷強(qiáng)壓工藝的彈簧力值衰減有一定程度減少，如圖6 所示。

圖6 奧氏體不銹鋼彈簧不同強(qiáng)壓方式衰減比較

對(duì)于沉淀硬化不銹鋼，采用熱強(qiáng)壓工藝的彈簧力值衰減較采用冷強(qiáng)壓工藝的彈簧力值衰減略小，如圖7 所示。

3.2 拋丸處理影響比較

比較狀態(tài)1 和狀態(tài)3，狀態(tài)4 和狀態(tài)5，彈簧拋丸處理狀態(tài)見表4。

表4 彈簧拋丸處理狀態(tài)對(duì)照表

對(duì)于進(jìn)行冷強(qiáng)壓的碳素合金鋼絲彈簧，未進(jìn)行拋丸處理的彈簧力值衰減較進(jìn)行過拋丸處理的彈簧力值衰減明顯減少，如圖8 所示。

圖8 冷強(qiáng)壓彈簧拋丸處理衰減比較

未進(jìn)行拋丸處理的彈簧力值衰減較進(jìn)行過拋丸處理的彈簧力值衰減略小，無明顯區(qū)別，如圖9所示。

圖9 熱強(qiáng)壓彈簧拋丸處理衰減比較

對(duì)照?qǐng)D8 和圖9，進(jìn)行過熱強(qiáng)壓處理的碳素彈簧鋼絲力值衰減明顯降低，可認(rèn)為對(duì)于碳素彈簧鋼絲，熱強(qiáng)壓處理的影響程度要大于拋丸處理的影響程度。

3.3 材料影響比較

比較狀態(tài)5，狀態(tài)7 和狀態(tài)8，彈簧材料狀態(tài)見表5。

表5 彈簧材料狀態(tài)對(duì)照表

彈簧在拋丸條件和強(qiáng)壓方式相同的條件下，沉淀硬化不銹鋼力值衰減小于奧氏體不銹鋼力值衰減，奧氏體不銹鋼力值衰減小于碳素合金鋼絲力值衰減，如圖10 所示。

圖10 不同材料彈簧衰減比較

4 小結(jié)

通過以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：

（1）熱強(qiáng)壓處理后的彈簧抗衰減能力優(yōu)于冷強(qiáng)壓處理后的彈簧；對(duì)于碳素彈簧鋼絲，該影響較為顯著。

（2）不進(jìn)行拋丸處理的彈簧抗衰減能力優(yōu)于拋丸處理的彈簧。

（3）不同材料抗衰減能力：沉淀硬化不銹鋼>奧氏體不銹鋼>碳素合金鋼絲。

考慮到熱強(qiáng)壓處理的生產(chǎn)效率和成本問題，在動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)中選擇狀態(tài)6的彈簧作為優(yōu)化方案，即沉淀硬化不銹鋼、冷強(qiáng)壓、不進(jìn)行拋丸處理。

5 驗(yàn)證

根據(jù)上述研究結(jié)果，選取減壓閥進(jìn)行驗(yàn)證。分別選用當(dāng)前現(xiàn)車運(yùn)用的彈簧狀態(tài)1、狀態(tài)2 與優(yōu)化后的彈簧狀態(tài)6 裝入減壓閥內(nèi)開展試驗(yàn)。

將3 種不同狀態(tài)的彈簧分別裝入減壓閥中如圖11 所示，按照使用接口連接減壓閥氣路，并模擬減壓閥在列車運(yùn)行時(shí)的入口氣壓。調(diào)節(jié)減壓閥輸出值為（600±1）kPa，記錄各減壓閥起始輸出調(diào)節(jié)值。每周記錄各減壓閥輸出壓力，持續(xù)觀察壓力變化。

圖11 減壓閥裝入不同彈簧后測(cè)試工裝

測(cè)試期間各減壓閥輸出值的衰減情況如圖12所示?？梢钥闯?，裝配優(yōu)化后彈簧的減壓閥經(jīng)過9周的衰減測(cè)試，較裝配既有彈簧的減壓閥衰減有較明顯減少，優(yōu)化方案有效。

圖12 減壓閥輸出壓力衰減率

6 結(jié)論

文中針對(duì)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)調(diào)壓閥調(diào)定值在運(yùn)用過程中隨時(shí)間衰減的問題，以減壓閥彈簧為對(duì)象，運(yùn)用彈簧力值衰減相關(guān)基礎(chǔ)理論，開展了多種材料、處理方式彈簧的衰減特性研究。明確了不同種類彈簧鋼絲及處理方式對(duì)彈簧衰減的影響，有效提升了彈簧的抗衰減性能。優(yōu)化后的彈簧經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，抗衰減程度優(yōu)于同類進(jìn)口產(chǎn)品。裝配不同彈簧的減壓閥調(diào)定壓力試驗(yàn)表明，利用研究成果優(yōu)化后的減壓閥彈簧，可有效減少減壓閥調(diào)定壓力的衰減。