货车空气控制阀橡胶密封膜板灵敏度改进研究

货车空气控制阀橡胶密封膜板灵敏度改进研究

颜瑶1、汪明栋2、张明远1、葛琪1、肖祥龙1、赵斌1

（1、株洲时代新材料科技股份有限公司2、中车齐齐哈尔车辆有限公司 ）

摘要：随着铁路货车技术发展，120阀橡胶膜板寿命低、检修周期短等问题是制约120阀检修周期延长的主要因素之一，已影响到铁路货车修程修制改革。空气制动阀橡胶夹布膜板的关键性能在于其产品的灵敏度，灵敏度的高低影响产品的控制时间及开合度。在既有货车空气控制阀橡胶膜板基础上，对比国内外橡胶膜板的使用情况，开展了橡胶膜板灵敏度改进研究，提出了夹布橡胶膜板的截面结构及配套改进内容。通过仿真运动分析、样件试制及试验验证，可满足现有标准要求，为延长膜板使用寿命和控制阀检修周期提供参考。

关键词：空气控制阀 橡胶膜板 夹布 灵敏度

1 问题提出

上世纪90年代，原铁道部组织铁道科学研究院和眉山车辆工厂开展新型货车空气控制阀研制。新型货车空气控制阀是在103阀的基础上，吸收国外成熟技术，结合我国实际情况研制成功，并定型为120型货车空气控制阀，现已成为我国铁路货车主型空气控制阀1。

120型货车空气控制阀采用二压力机构、直接作用方式，主控机构仍采用橡胶膜板和金属滑阀结构，研制之初，橡胶膜板采用天然橡胶材料制造，受橡胶膜板的使用寿命等限制，检修周期为2年。至2011年，为系统提升120/120-1型制动阀运用可靠性，延长检修周期,从产品性能、结构、制造和检修工艺、质量控制等方面进行优化改进，研制了主动润滑120/120-1型制动阀，研制了滑阀面储油形式的主动润滑结构、石墨烯夹布橡胶膜板，检修周期预计可达到4年，仍没有达到8年以上的要求。橡胶密封膜板的寿命，成为了影响制动阀检修周期的主要因素2。

图1 120型货车空气控制阀

当前，长寿命、高性能的密封膜板技术被国外垄断，进口密封膜板价格售价高昂，且部分制动阀不单独供应密封膜板仅能整阀采购，周期长，成本高，难以满足国内货车制动阀的检修要求。因此，国产化的长寿命、高性能密封膜板的研制迫在眉睫。

作为研制工作的第一步，先对密封膜板三种主要失效形式进行了分析：一，膜板结合处的材料撕裂导致阀体漏气；二，膜板静密封出永久压缩变形而导致导体漏气；三，膜板因灵敏度下降影响制动阀的控制时间和开合度而失效。其中，前面两种失效形式主要与膜板的材质相关，通过对材质进行优化能得到很好的改善，而膜板灵敏度性能则不相同，膜板的灵敏度性能受多方面因素影响，且很大程度受制于膜板所用材料。通常，膜板所用材料强度越高，灵敏度性能的表现越差。因此，密封膜板的灵敏度性能成为了当前攻克长寿命密封膜板研制的一大难点。本文的研究工作，在保证密封膜板强度的前提下，从膜板结构设计出发，探究密封膜板的灵敏度性能的改进。

2 结构改进研究

以制动阀的主阀膜板为例，结合有限元分析，围绕配合尺寸、运动型面结构进行设计和优化，优化膜板的灵敏度性能。

膜板结构设计包括静密封设计和运动型面设计两个部分。膜板静密封面的设计需要保证能与阀体接口相配合，在650 kPa风压下阀体不漏气，而运动型面的设计，需要保证膜板在运动过程中能够带动活塞运动到指定位置，不会产生膜板折叠、过度拉伸等异常情况。膜板在120阀运用过程中，将两侧压力差转化为位移，带动往复活塞运动到指定位置发生开合，从而实现阀体的制动、保压、缓解等功能。膜板在阀体内运动过程中长期承受高气压，往复折弯。因此，运动型面的设计至关重要。

2.1 配合尺寸设计

2.1.1 静密封设计

橡胶膜板内外接口处采用O型圈密封，根据O型圈初始压缩量设计准则，静密封初始压缩量通常选择在12~30 %范围内。与上下活塞配合的内接口处O型圈密封静密封初始压缩量12.5%，与阀体、阀盖配合的外接口处O型圈密封静密封初始压缩量为30%。主膜板内外接口处初始组装示意见图2。

图2 主阀膜板初始组装示意图

2.1.2 行程位置尺寸设计

120阀主活塞的行程为20mm。以主阀体与主阀上盖配合面为基准， 上、下行程分别为9.5mm和10.5mm，见图3。

图3 120阀主阀膜板安装结构示意图

2.2 膜板运动型面设计与优化

因圆台形截面夹布橡胶膜板制造工艺性好、承载能力强、使用寿命长，国内外相关行业夹布膜板多采用该结构，因此，新型货车制动阀橡胶夹布膜板采用圆台形截面结构。橡胶将骨架材料夹在中间，使骨架材料与空气隔断，可避免骨架材料吸收空气中的水分，还可避免骨架材料与金属材料直接接触引起的异常磨耗、破损。因此，新型夹布橡胶膜板分成胶+布+胶三层（图4），胶与布间采用粘结剂粘，通过膜板硫化成形工艺形成一个整体。

图4 橡胶夹布模板结构示意图

通过对膜板运动过程的模拟和分析，确定了膜板灵敏度的主要影响因素：折弯面结构、膜板内外侧接口处的厚度、膜板冗余体积。结合有限元分析，对紧急阀膜板结构进行迭代优化（图5）：模拟密封膜板在制动阀中的运用工况，对接口处的应力分布情况进行了分析，在能够满足抗撕裂的情况下，尽可能减少此处橡胶厚度；通过仿真软件模拟不同行程下橡胶膜板的形态，在满足极限行程时膜板不撕扯的前提条件下，减小膜板的冗余体积；在老结构（图5-a）的基础上，迭代出了三种新的截面结构。

图5 主阀膜板（a）老结构、（b）新结构1、（c）新结构2、（d）新结构3

截面示意图

3 有限元仿真分析

根据120阀主阀膜板安装情况，建立仿真模型（图6），膜板组件由上配合块、下配合块和橡胶体组成。加载过程分为两个步骤：一是橡胶体两头预压缩贴合；二是配合块上下滑移运动，带动膜板运动。通过有限元仿真模拟了膜板在阀体中的全运动轨迹，并提取了膜板运动过程中的反力曲线，对灵敏度进行分析，见图7。

图6仿真模型

利用有限元仿真，模拟了膜板的全运动轨迹。仿真计算分析结果表明，主阀膜板改进结构合理，在120阀作用过程中可正常运动，不会产生膜板折叠、过度拉伸等异常情况（图7a-d）。同时，提取了不同结构膜板在运动过程中的反力曲线，可以发现，新结构3反力的下降过程相比老结构、新结构1和2趋势更为提前，表明新结构3 可能具有更高的灵敏度。

图7膜板运动过程中应力变化趋势和反力曲线

4 样件试制及试验情况

选用天然橡胶为基材、PA66作为夹层材料，树脂+二甲苯+三氯乙烯混合溶剂为粘接剂，分别试制了上述四种结构的密封模板，对其灵敏度性能和疲劳性能进行了试验验证。

4.1 灵敏度间接测试

利用膜板压缩到指定位置的垂向压缩力作为灵敏度的一个间接评判指标。通过测力计，测试了常温和低温条件下，四种结构膜板的垂向压缩力（图8）。测试的结果表明：新结构3的压缩力相比老结构在常温和低温下分别降低了37 %和40 %（表1），表现出了最佳的灵敏度，与前述有限元分析的结论一致。

表1 不同结构膜板垂向压缩力测试

图8 膜板垂向压缩力测试数据

4.2主阀膜板灵敏度试验

在制动阀性能试验台上对主阀膜板的基本功能进行了装阀性能试验：膜板安装于阀体内，能实现良好的密封性和充气、保压、制动、缓解性能。其中，膜板灵敏度的直接技术指标是放风作用发生压力，它直接反映膜板在阀体内运动过程中的灵敏度，阀体放风作用发生压力越小，说明膜板灵敏度越高。其中，新、老结构的阀体放风作用发生压力试验数据对比如下表2，显而易见，新结构3的放风作用发生压力相比老结构下降42%, 灵敏度显著提升，与前述有限元分析和间接测试的结论一致。

表2 新、老结构膜板灵敏度技术指标对比

4.3 装阀循环试验

将四种灵敏度优化后的密封膜板（主阀、紧急阀、缓解阀、加速缓解阀）装于120型货车空气控制阀上，在循环试验台上进行循环试验，试验减压量分别为50 kPa、90 kPa、120 kPa、150 kPa实施制动，包括紧急制动共5种工况往复循环，试验共进行了25万次，分解检查各夹布橡胶膜板，未见异常。

图9 装阀循环试验台

4.4 循环试验

按照《铁路货车制动系统用橡胶件》（TB/T2206-2018）行业标准附录A规定，制作了专用膜板循环试验工装，见图10。

图10 专用膜板循环试验工装

主阀和紧急阀膜板按双面工作膜板要求、缓解阀膜板和加速缓解膜板按单面工作膜板要求，在专用循环试验工装上进行了常温和低温循环试验，试验结果见表3。

表3 循环试验结果

通过试验可知，夹布橡胶膜板已达到《铁路货车制动系统用橡胶件》（TB/T2206-2018）行业标准规定，应进一步开展试验研究，以适应检修周期延长及实际运用工况的要求。

5结束语

本文在120阀既有结构基础上，开展了橡胶密封膜板灵敏度改进研究工作，完成结构设计、样件试制及相关试验工作。新研制的橡胶密封膜板灵敏度性能和疲劳寿命显著提升，可满足《铁路货车制动系统用橡胶件》（TB/T2206-2018）行业标准规定，为延长膜板使用寿命和控制阀检修周期提供参考。

参考文献：

[1]夏寅荪 吴培元等.120型空气制动机[M].2版.北京：中国铁道出版社.1995（2006.9重印）.

[2]闫海旭 胡小英 宋传江 吕英 肖颖 陈建德.铁路货车120空气制动阀夹布橡胶膜板的研制