軌道車輛單向閥振動異響分析及處理措施

秦嗣峰 張立國 梁德龍 王壽峰 汪 松

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東 青島 266000)

0 引言

列車振動噪聲是乘客舒適性的重要評價指標(biāo)之一。單向閥作為軌道車輛空氣制動管路中的重要零部件，在上游壓縮空氣輸送被中斷時，可防止已經(jīng)輸送到下游用風(fēng)設(shè)備中的壓縮空氣逆向回流[1]。一旦單向閥出現(xiàn)振動異響，有可能影響乘客的乘車舒適性。本文針對單向閥振動異響問題，從單向閥的結(jié)構(gòu)原理、振動模態(tài)等方面進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，為后期出現(xiàn)同類問題提供參考。

1 問題描述

軌道車輛上偶發(fā)了多起單向閥異響問題，故障現(xiàn)象均為氣流通過時單向閥產(chǎn)生高頻振動，并發(fā)出“嗡嗡”異響，發(fā)生異響時車輛總風(fēng)壓力均在正常范圍內(nèi)。

2 設(shè)計原理

2.1 系統(tǒng)原理

在軌道車輛的空氣管路中，總風(fēng)管與下游風(fēng)缸之間會設(shè)置一個單向閥，用于防止下游風(fēng)缸的壓縮空氣逆流回總風(fēng)管，以保證下游用風(fēng)裝置不受總風(fēng)管內(nèi)空氣壓力低的影響。單向閥位置如圖1所示。

圖1 單向閥氣路原理

2.2 結(jié)構(gòu)原理

單向閥由閥體、閥盤、閥座、彈簧、密封圈等組成，如圖2所示。氣流方向參照圖2的箭頭方向，由A1口進(jìn)入，由A2口輸出。當(dāng)A1口空氣壓力大于A2口空氣壓力時，氣流從A1口進(jìn)入，空氣壓力克服彈簧作用力推開閥盤，通過A2口輸出；當(dāng)A2口空氣壓力大于A1口空氣壓力時，A2口空氣壓力作用于閥盤，關(guān)閉閥口，達(dá)到止回的作用。

圖2 單向閥結(jié)構(gòu)

3 原因分析

3.1 故障調(diào)查

現(xiàn)車檢查，單向閥安裝狀態(tài)良好，無漏風(fēng)現(xiàn)象，單向閥處有明顯“嗡嗡”異響傳出，觸摸單向閥閥體有振動現(xiàn)象，手動關(guān)閉支路上的截斷塞門，異響消除，恢復(fù)塞門，重新出現(xiàn)異響振動。

拆下單向閥檢查閥體外觀狀態(tài)良好，管路接口無異物。對故障單向閥進(jìn)行分解檢查，閥體、閥盤、彈簧、密封圈外觀良好，未見異常，如圖3所示。因此，單向閥異響問題并非單向閥本身缺陷導(dǎo)致。

圖3 單向閥拆解各部件正常

3.2 故障復(fù)現(xiàn)

模擬單向閥現(xiàn)車安裝狀態(tài)，在地面搭建試驗(yàn)臺，設(shè)備連接如圖4所示，單向閥一端外接風(fēng)源和140 L風(fēng)缸(模擬總風(fēng)管)，另一端外接50 L風(fēng)缸(模擬下游風(fēng)缸)，通過操作塞門3排氣模擬現(xiàn)車工況，具體試驗(yàn)情況如下。

工況一：風(fēng)源初充風(fēng)過程中，風(fēng)缸1壓力約800 kPa，風(fēng)缸2壓力約400 kPa，兩個風(fēng)缸壓差較大時，單向閥出現(xiàn)明顯異響。

工況二：風(fēng)壓穩(wěn)定后，兩個風(fēng)缸壓力約 880 kPa，單向閥異響消除；打開塞門3進(jìn)行排氣，單向閥再次出現(xiàn)異響，響聲較工況一小。

圖4 試驗(yàn)設(shè)備連接示意

3.3 異響分析

單向閥受力分析圖如圖5所示。其中，PA1為單向閥進(jìn)氣側(cè)(A1)壓縮空氣作用在閥盤上的力；PA2為單向閥排氣側(cè)(A2)壓縮空氣作用在閥盤上的力；F摩擦力為閥盤在運(yùn)動過程中受到的摩擦力；F彈簧力為壓縮彈簧作用在閥盤上的力。

圖5 受力分析

隨著下游用風(fēng)裝置的空氣消耗，風(fēng)缸壓力值會下降至低于總風(fēng)管壓力，此時在力的作用下，單向閥閥盤由關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)換為開啟狀態(tài)，主風(fēng)管開始向下游風(fēng)缸充氣。由于充風(fēng)起始時刻，上游管路與下游管路之間壓差較大，管路系統(tǒng)中壓力存在一定波動，單向閥閥盤左右兩側(cè)受力也是一個動態(tài)變化的過程，最終導(dǎo)致閥盤產(chǎn)生快速開啟/關(guān)閉的共振運(yùn)動狀態(tài)，從而產(chǎn)生異響。當(dāng)單向閥進(jìn)氣口(A1)和排氣口(A2)壓力趨近穩(wěn)定時，閥盤將趨于穩(wěn)定狀態(tài)，異音逐漸消失。

根據(jù)故障復(fù)現(xiàn)情況和理論分析可知，造成單向閥異響的原因?yàn)閱蜗蜷y兩端壓差較大時，氣流通過速率高，氣流擾動導(dǎo)致單向閥閥盤產(chǎn)生頻繁振動發(fā)出異響。

3.4 振動模態(tài)分析

根據(jù)單向閥結(jié)構(gòu)可知，與單向閥閥盤頻繁振動相關(guān)的主要組成部件為單向閥內(nèi)部彈簧及閥盤本身。基于以上，對單向閥閥盤進(jìn)行了異響工況的振動模態(tài)分析，具體如下：

(1)對閥盤進(jìn)行受力分析，閥盤兩側(cè)受到穩(wěn)態(tài)力、瞬態(tài)力、彈簧力、摩擦力，結(jié)合閥口流量，建立閥體受力的常微分方程，求得數(shù)值解，然后進(jìn)行傅里葉變換，求得氣流擾動產(chǎn)生的激振頻率為16.9 Hz。

(2)對閥盤組件(包括彈簧)的固有頻率進(jìn)行計算，固有頻率計算公式如下[2]：

(1)

式中：m為閥盤組件的質(zhì)量，為0.043 kg；k為彈簧的剛度，通過以下公式進(jìn)行計算[3]：

(2)

式中：G為彈簧材料的切變模量，彈簧為不銹鋼材質(zhì)，切變模量為80 GPa；d為彈簧絲直徑，為1 mm；D為彈簧直徑，為17 mm；n為彈簧有效圈數(shù)，數(shù)值為6，計算得到彈簧剛度為339.2 N/m。

通過以上計算公式計算得到閥盤組件的固有頻率為14.1 Hz，與氣流的激振頻率16.9 Hz 非常接近，由此導(dǎo)致共振產(chǎn)生異響。

4 優(yōu)化措施

4.1 優(yōu)化方案

通過以上分析，導(dǎo)致單向閥異響的原因?yàn)闅饬鲾_動與單向閥閥盤共振產(chǎn)生。為避免共振，根據(jù)公式(1)可考慮從兩個方面對單向閥進(jìn)行改善：改變彈簧剛度或改變閥盤組件的質(zhì)量。本文在不改變單向閥外形及接口尺寸的前提下，從降低彈簧剛度的角度出發(fā)，將彈簧參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，彈簧絲直徑為0.8 mm，彈簧直徑為 18 mm，長度 23 mm，如圖6所示。

4.2 方案驗(yàn)證

(1)對降低彈簧剛度后的閥盤組件進(jìn)行固有頻率計算，優(yōu)化后的彈簧剛度為117.1 N/m， 閥盤組件固有頻率為8.3 Hz，較氣流激振頻率 16.9 Hz小，不會發(fā)生共振。

圖6 彈簧優(yōu)化前后的對比

(2)選取優(yōu)化后的彈簧安裝于單向閥內(nèi)， 分別模擬風(fēng)缸1和風(fēng)缸2不同壓差時的排氣試驗(yàn)，壓差為100 kPa、200 kPa、400 kPa、600 kPa時，單向閥均未出現(xiàn)異響。

(3)對優(yōu)化后單向閥進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，出氣口封閉，進(jìn)氣口通入1 000 kPa的壓力空氣，保壓1 min，未發(fā)生泄漏。

(4)對優(yōu)化后的單向閥進(jìn)行止回功能試驗(yàn)，出氣口通入50 kPa的壓力空氣，并保壓1 min，未發(fā)生泄漏。

5 結(jié)束語

單向閥兩端壓差較大時，氣流通過速率高，氣流擾動產(chǎn)生的激振頻率與單向閥閥盤組件的固有頻率產(chǎn)生共振，從而導(dǎo)致單向閥發(fā)生異響。針對此種現(xiàn)象，從降低彈簧剛度的角度出發(fā)，對彈簧進(jìn)行了優(yōu)化，降低了閥盤組件固有頻率，避免了與氣流波動產(chǎn)生共振，從而達(dá)到消除異響的目的。該方案已在多個動車組項(xiàng)目上裝車驗(yàn)證，效果良好。