作用閥潛在失效模式分析與優化研究

周 婷 彭艷華 吳 劍 李開曄

（中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲412001）

0 引言

制動系統是能夠產生可控制的列車減速力，以實現和控制能量轉換的裝置或系統。機車制動系統是機車的一個重要組成部分，其制動性能的好壞直接影響鐵路運輸安全和效益。作用閥作為制動系統的關鍵部件，在目前國內制動系統上廣泛運用，它通過放大自動制動控制器和單獨制動控制器預控壓力，實現小流量的制動缸預控壓力對總風與制動缸之間大流量輸出壓力的控制，其性能好壞直接影響到制動機的安全性能。因此，進行作用閥的潛在失效模式分析與優化研究對于確保機車的正常運行具有十分重要的意義。

1 作用閥的結構及工作原理

1.1 作用閥的結構

作用閥主要由閥體、上蓋、雙膠閥桿、截斷閥彈簧、閥座、閥桿、活塞桿、活塞、中繼膜板、下蓋等結構組成，如圖1所示。

1.2 作用閥的工作原理

作用閥有三個作用位置：制動位、保壓位和緩解位。

圖1 作用閥結構示意圖

1.2.1 制動位

當預控口壓力上升時，活塞組件在下腔室壓力的作用下向上移動，雙膠閥桿下方O型圈壓緊活塞組件上閥口，關斷排氣閥，并推動閥桿上移，雙膠閥桿上方O型圈脫離閥座閥口，打開進氣閥，總風向制動缸充風，制動缸壓力上升。

1.2.2 保壓位

當預控口壓力保持時，制動缸壓力通過溢流孔進入到活塞組件上腔室，反作用于活塞組件，活塞組件向下移動，當活塞組件上下腔室壓力相等時，閥桿下移，雙膠閥桿上方O型圈壓緊閥座閥口，總風與制動缸之間的閥口關閉，切斷總風與制動缸的通路，同時，制動缸與排氣口之間的通路也被切斷，制動缸壓力保持。

1.2.3 緩解位

當預控口壓力下降時，活塞組件上方腔室壓力推動活塞組件向下移動，雙膠閥桿上方O型圈仍壓緊閥座閥口，總風與制動缸之間的通路切斷。雙膠閥桿下方O型圈脫離活塞組件下閥口，打開排氣孔，制動缸壓縮空氣經閥桿排出，制動缸壓力下降。

2 潛在失效模式分析

作用閥通過活塞帶動活塞桿上下移動與雙膠閥桿配合運動產生制動和緩解作用，其在制造過程中潛在失效模式主要有：關鍵零部件機加工尺寸超差、部件裝配不良。

2.1 關鍵零部件機加工尺寸超差

2.1.1 失效后果

機加工部件尺寸不滿足要求會造成零件之間配合不良。作用閥閥體、閥蓋、活塞桿、活塞尺寸均有同軸度要求，尺寸精度要求高。制動時若閥體內孔同軸度超差，將可能會增加活塞運動阻力，導致作用閥制動和緩解動作異常、異常磨損等故障現象，影響作用閥正常使用。

2.1.2 失效原因分析

（1）加工設備選型不當。加工設備加工精度、粗糙度及形位公差低于加工產品尺寸要求。

（2）加工方法及工裝不當。二次裝夾及加工夾具使用不當易造成定位不準，部件變形，閥體回轉孔系的同軸度不滿足要求。

（3）加工刀具及檢測工具選用不當。閥體等部件內溝槽尺寸加工難度大且不能直接使用簡單的檢測工具檢測，加工刀具及檢測工具選用不當易造成部件關鍵尺寸不滿足要求。

（4）加工過程質量管控不嚴。未規定機加工產品的檢驗要求、檢驗項點及檢驗方法，造成不能直接測量的尺寸、形位公差、同軸度等關鍵尺寸不滿足要求。

2.2 部件裝配不良

2.2.1 失效后果

部件裝配不良會造成零件之間的配合失效，活塞與活塞桿裝配為過盈配合，壓裝不到位，長久使用易造成活塞與活塞桿松脫，當活塞桿與活塞松脫時，活塞將不能帶動活塞桿下移，下閥口不能打開或不能完全打開，制動缸壓力不能通過下閥口排出或排氣能力受限，造成制動缸壓力不能緩解或緩解慢等故障。

2.2.2 失效原因分析

（1）部件不清潔。導致異物進入制動系統管路，影響制動機風源質量。

（2）部件壓裝時變形。活塞與活塞桿壓裝時若壓裝壓力過大，將導致活塞與活塞桿之間形成擠壓，造成重要配合尺寸發生變化。

（3）部件壓裝不到位。活塞與活塞桿壓裝時若壓裝壓力過小，將導致活塞桿不能與活塞貼合，活塞與活塞桿之間存在間隙，造成活塞組件行程偏短。

3 應對措施

3.1 關鍵零部件的制造優化及質量控制

（1）提高加工設備精度。閥體、閥蓋、活塞桿與活塞等部件設計精度要求較高，通過采用數控車和加工中心保證各尺寸和形位公差精度。

（2）采用合適的加工方法及工裝。針對閥體需二次裝夾加工的回轉孔，采用裝夾工裝等方法保證同軸度要求，閥蓋等可以一次裝夾加工的尺寸盡量減少二次裝夾。活塞桿加工前對毛坯料進行調質熱處理，防止加工變形。

（3）采用定制刀具加工內溝槽。閥體及閥蓋不易加工的內溝槽采用定制的專用內溝槽刀和外圓槽刀加工。

（4）加強關鍵尺寸加工質量控制。規定機加工部件檢驗要求、檢驗項點及檢驗方法，首件加工產品檢驗合格方能開始批量加工，末件加工產品檢驗合格該批次加工產品方能判定為合格產品。

3.2 關鍵組裝工序及過程控制

（1）加強零部件加工后、裝配前及裝配后的清洗、吹掃及防護管控，避免加工金屬屑殘留及外部環境的二次污染。

（2）將活塞與活塞桿壓裝工序識別為特殊過程，驗證活塞與活塞桿壓裝壓力，規定最小壓裝壓力及最大壓裝壓力。

（3）細化活塞壓裝后合格判定標準，如用手嘗試將活塞與活塞桿旋轉、將活塞反向退出活塞桿，看是否存在轉動及松動趨勢。加強作用閥二次檢驗及互檢，操作者檢驗、試驗合格后，檢查人員對作用閥進行抽檢，抽檢合格方能判定為合格產品。

4 結語

對于制動系統而言，關鍵、重要的閥類質量直接決定制動機的性能，而關鍵、重要的閥類性能需要通過制造工藝進行保障，包括設備、工裝、加工方法及加工后的檢驗標準等因素。本文通過上述理論分析與優化研究，提出了作用閥故障問題的改進措施和制造工藝優化的研究方向，部分措施已運用于實踐中且改進效果良好，有效提高了制動系統的可靠性能。

[1]劉豫湘，陸縉華，潘傳熙.DK-1型電空制動機與電力機車空氣管路系統[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

[2]饒忠.列車制動[M].2版.北京：中國鐵道出版社，2011.