制動夾鉗單元轉動關節防水功能改進與可靠性驗證

張慶爽, 趙 鵬， 韓海山

(1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081； 2 北京縱橫機電技術開發公司， 北京 100094)

城市軌道交通車輛用制動夾鉗單元在檢修過程中發現夾鉗臂軸承部分存在不同程度的因進水生銹及所涂抹油脂變質現象,這可能導致制動夾鉗的制動與緩解功能異常,嚴重時將影響車輛運營安全。

該制動夾鉗單元轉動關節處密封方式主要由轉軸保護蓋與密封圈配合的密封面組成。由于制動夾鉗單元夾鉗臂與轉軸是一組相對轉動副，該軸承處的密封方式為非完全密封，其保護蓋與夾鉗臂之間存在一定的間隙，在長期使用以及車輛高壓清洗過程中，水分容易從此間隙進入轉軸內部，導致軸承生銹，既有結構密封圈防水效果較差。其次，地鐵車輛經常處于當地日曬雨淋的露天惡劣工況，加劇了制動夾鉗單元轉動關節處生銹的形成。

針對制動夾鉗單元轉動關節處在運用過程反饋軸承生銹情況，需要對其防水功能改進，對主要密封圈結構優化，并經可靠性驗證通過后，確保制動夾鉗單元具有可靠使用性能，這對于降低產品整體故障率和提高機車車輛運行安全性具有重要現實意義，同時，也可以降低運用維護成本和不必要的人力、物力開支。

1 密封圈結構對比與優化

為了適應車輛維護及檢修作業中高壓水清洗的要求(圖3箭頭為高壓水流向)，優化設計新型防護結構的密封圈用于抑制外界水流進入裝置內軸承位置，保證軸承處于良好潤滑狀態。

制動夾鉗單元安裝于軌道交通車輛轉向架(見圖1)，圖2、圖3分別為制動夾鉗單元轉動關節的原防護結構、新防護結構示意圖，從中可以看出，與原結構相比，新結構密封圈分別增加圓周橡膠遮擋以及異形橡膠唇結構，以用于遮擋和阻擋外來水流，阻塞泄漏通道，防止進入裝置內軸承位置，從而獲得密封效果提升。

圖1 軌道交通車輛及 制動夾鉗單元

圖2 制動夾鉗單元原防護結構示意圖

密封圈由金屬骨架及橡膠構成，與原結構相比，為提升密封圈外露橡膠部分耐老化、耐候性能，新結構密封圈材質由NBR變更為HNBR[1-2]，以更好的滿足運用使用要求，分別如圖4、圖5所示。此外，金屬骨架材質由鍍鋅碳鋼變更為不銹鋼，骨架不需要表面處理，以更好滿足密封圈在骨架外露使用工況條件下防腐要求。

圖3 制動夾鉗單元 新防護結構示意圖

圖4 密封圈原結構示意圖

圖5 密封圈新結構示意圖

2 密封圈新結構有限元分析

密封圈安裝后通過在唇口徑向方向產生一定程度的預壓縮，使其具備初始密封能力，并在系統壓力作用下產生密封力，與初始密封力合成為總密封力，進而實現對轉軸保護蓋和軸承接觸的密封。

本節對密封圈唇口密封性能進行ABAQUS有限元分析仿真預測。

2.1 橡膠材料模型

橡膠硫化后分子呈網狀排布，具有超彈性、不可壓縮、大變形等特點，其應力、應變關系也表現出高度的非線性，描述其力學行為的本構模型也極為復雜。工程上常用的橡膠本構模型主要是Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型[3]。

Mooney-Rivlin本構模型能夠較好地描述變形小于150%的橡膠材料的力學性能，其應變能密度函數描述為：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中C10、C01為單軸拉伸試驗測得的數據擬和而成的材料常數。

考慮密封圈的變形量以及本構模型對其變形情況的預報能力，文中采用Mooney-Rivlin模型作為橡膠材料的本構模型。

2.2 材料參數的確定

為得到Mooney-Rivlin模型的材料參數，按照GB/T 528-2009國家標準試驗方法，對氫化丁腈橡膠(HNBR)進行單軸拉伸試驗，得到單軸拉伸模式下的應力應變關系，部分數據如表1所示。

表1 單軸拉伸試驗數據

將單軸拉伸模式下測得的數據導入有限元分析軟件中，與程序提供的單軸拉伸標準曲線進行擬合，擬合曲線如圖6所示。從中可以看出，橡膠材料在變形小于150%時，基于Mooney-Rivlin模型的單軸拉伸的標準擬合曲線與試驗所得的單軸拉伸曲線數據吻合度好，因此，Mooney-Rivlin模型能夠較好地描述此橡膠結構的變形行為。

圖6 單軸拉伸試驗擬合曲線

經數據處理后得到的Mooney-Rivlin模型的材料參數如表2所示。

表2 擬合后的Mooney-Rivlin模型材料參數

2.3 有限元模型

考慮密封圈為軸對稱模型，因此對其軸對稱截面進行分析(見圖7)：主體部分為橡膠，深灰顏色部分為金屬骨架。密封圈的網格劃分對于分析結果有著重要的影響，為得到準確的分析結果，密封圈網格劃分時應采用結構化網格與掃掠網格相結合的方式，以掃掠網格為主，在較窄區域采用結構化網格。橡膠單元采用4節點、雙線性、完全積分、常壓力雜交單元(CAX4H)，骨架單元采用4節點、雙線性、減縮積分單元(CAX4R)[4]。

圖7 密封圈有限元網格劃分

2.4 邊界條件定義

密封圈與剛性環、密封圈與定位圈之間的接觸類型均為面面接觸，接觸屬性選項中定義切向屬性，摩擦公式選擇Penalty選項，剪應力和彈性滑動保持默認值。法向屬性則考慮接觸壓力與穿透之間的關系，并將設置選為Hard Contact選項。

對于密封性能的模擬，需要經兩個分析步驟，首先通過移動剛性環對密封圈進行預壓縮，形成初始密封面；然后在密封面及上部面施加水壓(圖8中箭頭部位)，從而模擬在最惡劣的工況下密封圈變形情況以及密封性能。

圖8 密封圈分析模型

2.5 有限元分析結果

當初始預壓縮量為0.6 mm，介質工作壓力為0.1 MPa時，初始預壓縮(P=0)與介質壓力(P=0.1 MPa)下的密封圈截面等效應力云圖見圖9。從中可以看出，密封圈初始預壓縮后應力區主要集中在壓縮部分和密封圈與定位圈接觸部位，其中壓縮部位應力比較均勻，密封圈與定位圈接觸部位最高應力達2 MPa；當介質工作壓力為0.1 MPa時，密封圈變形進一步加大，由于密封圈可繞定位圈轉動，因此應力分布及應力值與無介質壓力時基本相同，只是密封圈的變形有所差異。考慮氫化丁腈(HNBR)材料的拉伸強度為15.6 MPa，密封圈滿足使用要求。

圖9 密封圈等效應力云圖

密封圈與剛性環相接觸部位的應力云圖見圖10。當接觸應力大于介質工作壓力時，密封圈可以實現良好的密封，否則就會發生泄漏。由圖10可知，接觸面最大應力發生在密封圈尖端部位，當介質工作壓力為0.1MPa時，密封面的最大接觸壓力為1.36 MPa，大于介質工作壓力，仿真結果表明密封圈具有良好的密封效果。

3 可靠性試驗

為驗證密封圈在制動夾鉗單元內使用的可靠性，對制動夾鉗單元進行制動、緩解動作的100萬次疲勞耐久試驗；在疲勞試驗完成后，對制動夾鉗單元參照GB 4208-2008 標準進行了IPX4防護等級噴淋試驗(見圖11)，以驗證制動夾鉗單元在疲勞耐久試驗后新結構密封圈防水性能。

圖10 密封圈接觸應力云圖

圖11 噴淋試驗

圖12 密封防護區域拆解后狀態

試驗結果表明：(1)新結構密封圈滿足制動夾鉗單元疲勞試驗性能要求，疲勞試驗后的例行試驗數據均符合標準；(2)經過噴淋試驗測試，新結構密封圈防水效果顯著，對密封圈防護區域進行拆解檢查，軸承及配合位置無明顯滲水痕跡，且內部潤滑脂狀態良好(見圖11、圖12)。

圖13 軸承潤滑脂狀態

4 結 論

(1) 制動夾鉗單元關節處新結構密封圈采用氫化丁腈(HNBR)作為橡膠主體材料，其耐油、高低溫性、耐候性能優異，可以滿足產品運用使用防護需求。

(2) 密封圈采用不銹鋼材質金屬骨架，避免骨架表面處理環節，簡化制造工藝過程，滿足在使用工況條件下防腐蝕要求。

(3) 新結構密封圈唇口部分經有限元分析，接觸位置無應力集中區域，滿足制動夾鉗單元100萬次疲勞耐久試驗要求；通過了IPX4防護等級的噴淋試驗，這說明新結構密封圈防水效果顯著，關節處軸承轉動靈活，對密封圈防護區域進行了拆解檢查，未發現與其配合位置有明顯滲水痕跡，內部潤滑脂狀態良好，達到了設計優化預期效果。