120型貨車空氣控制閥優化改進

楊建平， 盛震風， 肖維遠， 呂 超， 楊 璨， 劉 蘋

(1 眉山中車制動科技股份有限公司， 四川眉山 620010；2 中國中車股份有限公司， 北京 100143)

120型貨車空氣控制閥(以下簡稱120閥)于1993年在鐵路貨車上全面推廣。120閥采用直接式二壓力作用方式，能適應壓力保持操縱,沿用103閥的橡膠膜板和金屬滑閥結構，增設了加速緩解閥、半自動緩解閥及緊急閥先導結構。20多年來，120閥經歷了全國各種運行條件下的運用和苛刻的考驗，在鐵路貨車上裝車比例幾乎達到100%。

120閥作為我國鐵路貨車制動系統中的主型控制閥，其性能的可靠性直接影響車輛制動系統的可靠性。隨著鐵路貨車重載、快速的不斷發展及我國鐵路運輸模式的變化，對制動技術的可靠性要求更高，近年來120閥經過不斷改進，性能、質量較為穩定，但由于受其結構、材料等限制，在運用中偶發性的意外緊急、緩解不良等問題，對運輸秩序和運輸安全造成了不利影響。因此，對120閥結構、材料等進行優化改進十分必要。

1 運用狀況調研分析

2011年中國鐵路總公司組織相關單位分夏、冬兩季對齊齊哈爾、南寧等車輛段進行了專項調研，共跟班作業37 400多輛，發現有制動故障的車輛168例，故障率為0.45%，其中120閥故障26例，占整個制動故障的15.5%。經統計分析，120閥運用中存在的主要問題有：

(1)偶發性意外制動

120閥運用中存在偶發性意外制動而在試驗臺上檢測合格的問題。

處于緩解狀態的制動機，當列車管緩慢減壓(或輕微漏泄)時，制動機不得發生制動作用的性能，即為制動機的穩定性。要獲得良好的穩定性，只要在列車管緩慢減壓時，不讓主活塞上移即可。在120閥中，穩定性是通過副風缸壓縮空氣向列車管逆流和主活塞尾部所設的穩定彈簧及其他阻力作用保證的。

若要主活塞上移，需要先在主活塞兩側形成足以壓縮穩定彈簧的壓力差才可。若穩定彈簧裝配負荷小，對主活塞的移動不能產生很好的阻礙作用，則當列車管緩慢減壓(或輕微漏泄)時，主活塞兩側輕微的壓力波動即可壓縮穩定彈簧，造成主活塞上移，發生意外制動。

(2)偶發性自然緩解

偶發性自然緩解多發生在小減壓調速制動或調車作業中。結合對滑閥副狀態理論分析,見圖1，可以看出引起自然緩解的主要原因是滑閥副拉傷及副風缸管路漏泄。

圖1 滑閥座拉傷、剝離

(3)偶發性意外緊急

目前120閥存在偶發性意外緊急。以太原局湖東段為例，在2014年共有35起意外緊急，在運用現場對發生意外緊急列車故障排查中發現，除了機車操縱、信號突變等原因外，車輛制動裝置故障主要集中在緊急閥。

緊急閥引起意外緊急故障的主要原因：一是φ2.5逆流孔被異物堵塞，列車管壓力漏泄或實施常用制動時出現意外緊急；二是緊急閥在組裝后，緊急閥活塞桿距離先導閥頂桿間的距離太近，在列車管壓力波動時，容易觸發先導閥，從而引起意外緊急。

(4)閥內清潔度差

120閥內部清潔度差是運用中最突出的問題之一。殘留或進入閥內部的各種污物會損傷滑閥副研磨面、橡膠膜板，堵塞閥內氣路小孔，因此對閥的作用可靠性危害極大。

在調研中發現閥內部的污物有既有制造過程中殘留的鑄造粘沙、金屬加工屑，未清除干凈的加工毛刺、石蠟、密封膠等，也有運用過程中因氣源質量差或防護不佳而進入閥內的灰塵、油污、雜質。見圖2。

圖2 閥內污物

(5)其他

①鑄鐵件防腐性能較差

采用磷化處理的120閥球墨鑄鐵件防腐性能較差，在運用過程中閥體內腔及表面易產生銹蝕，銹斑掉進閥體關鍵零部件中，影響120閥整機性能，見圖3。

圖3 閥體銹蝕

②緊急閥故障

緊急閥φ1濾塵縮堵在極寒天氣易出現凍結堵塞，緊急閥導向桿導向能力不足導致偏磨,及緊急閥排氣口防塵結構不良產生倒吸導致放風閥導向桿偏磨現象，見圖4。

圖4 緊急活塞桿、放風閥導向桿偏磨

③配356 mm、254 mm制動缸縮堵易漏裝、誤裝配356 mm、254 mm制動缸120閥互相轉換時需要更換3處縮堵，由于縮堵外形尺寸都是一樣的，在現場更換時易誤裝、漏裝。

④緩解閥解鎖壓力過高，影響緩解閥性能。

⑤φ16夾芯閥組裝時易側翻由于夾芯閥是以芯板為導向，φ16芯板厚度為1 mm，導向能力不足，在組裝時易側翻，如未能及時發現會影響整機性能。

2 改進措施

通過對120閥的這些故障點進行深入研究，提出以下一些解決措施,以便更好的解決120閥運用中存在的慣性故障。

2.1 調整穩定彈簧座尺寸，提高穩定性

為了提高作用部的穩定性，防止意外制動，適當增加穩定彈簧作用力?？紤]到零部件互換，采用原穩定彈簧配合加厚的穩定簧座增大穩定彈簧的組裝負荷。穩定彈簧座由原來的4.5 mm增加到8.6 mm，與120-1閥一致，穩定彈簧組裝負荷相應的增加了6.5 N左右，主活塞動作壓差比改進前提高了約1～2 kPa。

圖5 穩定彈簧座示意圖

2.2 互換滑閥副材質

針對滑閥副的故障點進行深入研究，提出互換滑閥副材質方案，從源頭保證滑閥副材質特性匹配的合理性。

從現有120閥滑閥副出現拉傷的情況看，滑閥套出現點蝕、剝離的情況比較嚴重，滑閥拉傷的程度要輕，滑閥副疲勞耐久2萬次左右拉傷就已經很明顯，見圖6。

圖6 經2萬次左右疲勞耐久試驗后的既有滑閥副狀態

互換材質方案是基于原有滑閥副材質，只是根據3個部件材質性能，將滑閥套這一難于研磨且工作接觸面積最大的部件材質調整為致密度最好，依次是滑閥、節制閥，使其材料特性匹配更加合理，降低因材質問題出現的剝離、拉傷問題，互換材質滑閥副69 830次后耐磨試驗見圖7。

現有滑閥副與互換材質滑閥副對比見表1。

2.3 緊急閥改進

2.3.1φ1濾塵縮堵橫置

目前緊急閥的φ1濾塵縮堵為垂直安裝方式，由于縮孔較小，當壓力空氣通過此縮孔時流速發生急劇變化，受重力作用，壓力空氣中的水氣會聚集在此處，若遭遇極寒天氣，則容易凍結堵塞，影響緊急閥性能。為此，設計緊急閥φ1濾塵縮堵橫置結構，避免其在極寒天氣下因聚集而凍結堵塞，見圖8。

圖7 經7萬次左右疲勞耐久試驗后的 互換材質滑閥副狀態

現有的滑閥副互換材質的滑閥副材質成型工藝硬度/HB材質成型工藝硬度/HB滑閥ZCuZn40Mn4Al2鍛壓≥160ZCuZn16Si4鍛壓100～130滑閥套ZCuSn5Pb5Zn5鑄造≥65ZCuZn40Mn4Al2液態模鍛160～180節制閥ZCuZn16Si4鑄造≥100ZCuSn5Pb5Zn5鑄造65～85

2.3.2緊急活塞桿導向結構改進

為防止緊急活塞桿的偏磨，增大了緊急活塞桿與放風閥座之間的間隙，并放入一個起扶持緊急閥活塞桿作用的彈性橡膠件。緊急活塞桿動作過程中始終與該橡膠件接觸，從而避免了兩金屬件之間的硬磨損，不僅解決了緊急活塞桿的偏磨問題，同時還由于放開了導向間隙，使活塞桿的運動更為靈活，緊急閥作用更加可靠，見圖8。

2.3.3放風閥導向桿結構改進

由于目前緊急閥排風口處防塵不良，且放風閥導向桿結構又使得空氣中的雜質容易在周圍堆積，若這些雜質進入放風閥的桿套之間，則會使放風閥導向桿與放風閥套間的摩擦阻力增大，造成放風閥導向桿偏磨，引起緊急閥緊急后排風不止。因此，優化了放風閥桿結構，取消了臺階設計。同時還對排氣口處進行優化，防止排氣后的倒吸現象，有效地防止了因雜質進入引起的放風閥桿偏磨現象，見圖8。

2.3.4防塵結構改進

對排氣口處進行優化，排風口罩墊采用內凹結構，防止排氣后的倒吸現象；緊固銷釘上采用卡槽結構，防止排風口罩墊上下竄動，使防塵效果良好。

2.3.5控制緊急活塞桿到先導閥頂桿間距離

緊急制動作用的發生需要緊急活塞下移，使緊急活塞桿的下端面先通過先導閥頂桿頂開先導閥，然后繼續下移頂開放風閥，使放風閥口開啟。若緊急活塞桿下端面與先導閥頂桿上端面間距離過小，當常用制動減壓時，緊急活塞下移量大于緊急活塞桿下端面與先導閥頂桿間的距離時，則會發生意外緊急制動，影響緊急閥的安定性。

緊急活塞桿與頂桿之間距離直接影響安定簧的實際工作載荷，從而影響安定性，距離越長安定性越好，反之安定性越差。因此，應嚴格控制緊急活塞桿下端面與先導閥頂桿上端面間的距離。

圖8 緊急閥結構優化示意圖

2.4 防塵結構

2.4.1主閥排氣口結構改進

主閥排氣口處的改進主要是解決其易丟失和灰塵倒吸問題。通過設計螺旋迷宮式排氣結構，將螺旋式排風芯和防塵柵堵壓裝到主閥下蓋排氣口處，既解決了空間不足及加工工藝性問題，又使得外部空氣雜質不易進入主閥體內部，有效地提高了其防塵能力，且裝配牢靠，防盜性能良好，見圖9。

圖9 螺旋迷宮式排風部示意圖

2.4.2中間體防塵

現有中間體與主閥各氣路除了列車管通路使用的是銅基粉末冶金濾塵杯結構外，其他如副風缸通路、制動缸通路、加速緩解風缸通路都采用濾塵網進行過濾。由于濾塵網濾塵效果有限，各風缸中的一些空氣雜質及銹跡容易透過濾塵網進入到控制閥中，導致工作面拉傷漏泄，為了解決這一問題，增加不銹鋼纖維燒結集塵濾芯結構。不銹鋼纖維燒結集塵濾芯結構采用不銹鋼濾層與不銹鋼纖維結合仿生人手搖滾篩分技術，精確控制不銹鋼纖維分布，有效地控制孔徑的均勻性，最大限度的提高開孔率，增大透氣量，提高過濾精度。

圖10 中間體不銹鋼濾塵結構

2.5 其他

2.5.1球鐵件采用QPQ防腐處理

通過采用QPQ表面處理或氣相法防腐處理替代磷化處理，從而提高鑄鐵件的防腐能力?，F有磷化處理的鑄鐵件在經過6 h中性鹽霧會出現紅銹，見圖11。QPQ處理后的鑄鐵件經過72 h內未出現紅銹，見圖12。

圖11 磷化處理的緊急閥體6 h鹽霧試驗前后對比

圖12 QPQ處理72 h鹽霧試驗前后對比

2.5.2設計新型集成縮堵

設計新型轉換縮堵，通過改變縮堵外形大小，保證縮堵和安裝螺紋孔一一對應，從而避免誤裝的出現；通過在出廠時已將轉換縮堵裝配在各閥體上，因而避免了漏裝問題。

2.5.3調整緩解閥彈簧參數

現有120閥緩解閥解鎖壓力偏高，影響到手動緩解性能。其主要原因是彈簧過硬，組裝負荷過大，造成緩解閥過早復位。鑒于此原因，重新設計緩解閥彈簧，將緩解閥彈簧剛度由2.47 N/mm調整為1.8 N/mm，可使緩解閥解鎖壓力的下降，保證手動緩解性能。

2.5.4改進夾芯閥導向結構

現有夾芯閥導向主要是靠金屬芯板，由于芯板厚度較薄，導向長度不夠，在組裝的時候，容易出現側翻現象，從而影響組裝效率，且如果側翻后沒有及時發現會影響后續整機性能。在不影響夾芯閥性能的前提下，重新設計夾芯閥，增加了1.5 mm芯板導向長度，可有效的防止組裝時的側翻現象。

3 樣機試驗驗證

為驗證改進方案，共試制200套改進樣機，進行了相關試驗驗證。

3.1 單閥試驗

改進樣機在微控120閥電空試驗臺上按TB/T 2951-2009《鐵道貨車空氣控制閥》的規定進行了性能試驗，試驗結果符合標準要求，主閥動作時列車管減壓量為21.5～36 kPa(既有閥約為19～35 kPa)，；緊急靈敏度值為55～85 kPa(既有閥約為35～100 kPa)，試驗證明，改進后的120閥在保證性能不變的基礎上，提高了主閥和緊急閥的穩定性。

3.2 單車試驗

改進樣機在單車試驗臺上按TB/T 1492-2002《鐵道車輛制動機單車試驗方法》的規定進行了性能試驗，并對改進前后的120閥進行了穩定性、安定性對比試驗，試驗結果符合標準要求。

3.3 低溫試驗

在哈科所低溫試驗站對3套改進樣機進行了-50 ℃、48 h環境下的低溫性能試驗，試驗結果符合TB/T 1492-2002的要求。

3.4 列車試驗

改進樣機在150輛列車定置試驗臺上進行了編組制動試驗，檢驗改進樣機編組情況下的充氣、制動、保壓、緩解等性能。試驗結果表明，改進樣機對制動波速影響較小。

4 結 論

通過對120閥部分結構設計進行優化改進，經樣機試制及相關試驗驗證，結果表明改進措施能夠有效解決120閥運用中存在的慣性問題，提高運用可靠性，更好的保障鐵路貨物運輸安全和秩序。