104型空氣分配閥慣性故障的改進措施

朱迎春 ,池 海 ,田 宇 ,安 鴻 ,李謀逵 ,呂 超 ,吳正雨,楊金龍

(1.眉山中車制動科技股份有限公司,四川 眉山 620010;2.北京縱橫機電科技有限公司,北京 100094)

104型空氣分配閥(以下簡稱為“104閥”)是我國旅客列車的主型分配閥[1],經過四十多年的發展與完善,已具有結構簡單、檢修方便等優點。但受其結構、材料等限制,104閥在運用過程中會出現漏風自緩及偶發性緊急制動后排風不止等故障,同時還存在閥內清潔度差、滑閥面潤滑不良及拉傷等慣性問題,對旅客列車運輸安全和運輸秩序產生了不良影響。

104閥采用滑閥結構[2],為金屬平面密封,受研磨質量、潤滑油脂和風源質量的影響較大。現場調研及反饋信息表明,104閥在運用過程中普遍存在滑閥副潤滑不良的問題,新造或檢修后的104閥在運用4～5個月以后,滑閥副中的潤滑油即流失干凈,作用部的滑閥與滑閥座基本上已呈干摩擦狀態,易造成滑閥副工作面拉傷、剝離,導致漏泄、自緩等故障發生。

1 改進技術路線

考慮到現有的104閥在客車上裝車數量大,且各客車檢修單位對現有104閥已具備較完整、成熟的檢修工藝及設備,結合近年來相關單位在現有滑閥結構和新型柱塞結構上研發取得的多項新技術,確定了以下技術改進路線:

(1) 根據中國鐵路總公司運輛客車函〔2015〕201號文《客車制動故障攻關研討會會議紀要》中對104分配閥的滑閥副自潤滑功能、滑閥副材料匹配特性、主閥內外部防塵性能等進行改進研究的要求,提出在現有104閥基礎上采用主動潤滑方案[3],同時采用互換材質、優化一局減通路、新型防塵結構、緊急閥新型導向及QPQ 防腐處理等新技術對104閥進行改進,減少故障產生。

(2) 根據中國鐵路總公司機輛動客函〔2018〕92號文《關于防范旅客列車冬季制動系統故障有關要求的通知》中開展無滑閥104分配閥結構研究的要求,提出了在150閥基礎上研制全新的性能和接口與現有104閥一致的無滑閥分配閥方案[4]。

2 104閥的改進方案

2.1 滑閥副主動潤滑技術

采用具有自動開閉功能的主動潤滑結構(圖1),通過在閥內設置獨立的儲油腔儲存11 mL的潤滑油,利用閥內的壓力變化,將儲油腔內的潤滑油輸送到滑閥副2個工作面。同時,利用節制閥工作原理,在節制閥工作行程的中點設置自動開關,中點(制動位)打開油路,其余行程(充氣位和保壓位)關閉油路,實現了節制閥面和滑閥座面的主動潤滑功能,極大減少了儲油腔內潤滑油的耗油量,顯著延長了滑閥副潤滑時間和使用壽命。

圖1 滑閥副主動潤滑機構示意圖

2.2 滑閥副互換材質技術

現有104閥滑閥副材質的致密度(硬度)從高到低依次是滑閥、節制閥、滑閥套,其中滑閥套致密度最低,但工作接觸面最大,導致在使用過程中易出現點蝕、剝離及拉傷的情況。通過互換滑閥副材質(表1),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高,滑閥副材質的致密度從高到低依次變為滑閥套、滑閥、節制閥,使其材料特性匹配更加合理化,提高滑閥副耐磨性,降低因材質問題出現的剝離、拉傷問題,延長滑閥副使用壽命。

表1 滑閥副材質對比

2.3 滑閥優化一局減通路技術

現有104閥在制動保壓位時,雖然節制閥切斷了一局減通路,但滑閥與滑閥套的一局減通路未斷開(相交1.5 mm),如圖2所示。當滑閥工作面有劃痕時,工作風缸或列車管的壓縮空氣很可能進入滑閥內的一局減通路,容易造成局減排氣口漏風。

圖2 改進前制動保壓位一局減通路

從設計源頭優化一局減通路設計,使104閥在制動保壓位時,節制閥切斷了一局減通路的同時,滑閥與滑閥套的一局減通路也斷開(相隔2.5 mm),形成滑閥與滑閥套的一局減通路的雙密封結構,如圖3所示。這樣,當滑閥工作面有劃痕時,即使工作風缸或列車管空氣可能進入滑閥內的一局減通路,也不會造成局減排氣口漏風,顯著減少局減排氣口漏泄現象,提高客車分配閥的作用穩定性。

圖3 改進后制動保壓位一局減通路

2.4 緊急閥新型導向技術

現有緊急活塞桿與緊急閥座間為剛性接觸,可能導致緊急活塞桿偏磨、卡滯,出現緊急制動后排風不止的故障,影響緊急閥作用穩定性。

在緊急閥座內設置導向O 形圈[5](圖4),使緊急活塞桿處于柔性導向,減少剛性接觸磨損,可基本解決緊急活塞桿偏磨、卡滯問題,消除緊急制動后排風不止的故障,提高緊急閥的作用穩定性。

圖4 緊急活塞桿柔性導向結構

2.5 螺旋式排風部防塵技術

采用螺旋式排風部(圖5),可防止外界沙塵、雜質從鐵路客車分配閥作用部、均衡部排氣口進入分配閥內部,增強客車分配閥防塵能力,提高客車分配閥內部清潔度,顯著減少客車分配閥因清潔度問題導致的漏風故障,且不影響客車分配閥的排氣性能。

圖5 螺旋式排風部

2.6 中間體防塵技術

在中間體工作風缸、副風缸、制動缸等氣路上設置不銹鋼燒結濾塵器(圖6),最大限度提高開孔率,增大透氣量,提高過濾精度(過濾精度為50μm),提升進入閥內壓縮空氣的清潔度。

圖6 中間體與濾塵器

2.7 鑄鐵件QPQ防腐處理技術

現有104閥的鑄鐵件防腐采用磷化處理以及整閥組裝后噴漆的防腐工藝。運用中受環境溫濕度影響,磷化處理的104閥鑄鐵件,易出現銹蝕現象;同時,鑄鐵件外部漆皮常出現局部起泡或脫落,一旦進入到閥體內部,不僅難于清理,而且影響產品性能,對行車安全帶來較大隱患。借鑒120 閥鑄鐵件的成熟運用經驗[6],104閥鑄鐵件采用QPQ 處理技術替代磷化及油漆工藝,以提高104閥鑄鐵件內、外表面的防腐能力,從根本上杜絕漆皮脫落進入閥內帶來的安全隱患。磷化處理與QPQ 處理的鑄鐵件鹽霧試驗后對比情況,如圖7所示。

圖7 磷化處理與QPQ 處理的鑄鐵件鹽霧試驗情況對比

2.8 技術評審

2016年1月19日,104閥滑閥副主動潤滑、互換材質技術等改進方案通過了中國鐵路總公司組織的專家評審。2018年4月11日,客車主動潤滑104閥運用考核通過了中國鐵路總公司評審。

2018年10月15日,中國鐵路總公司以機輛動客函〔2018〕118號《關于公布客車104型分配閥(主動潤滑)圖樣的通知》公布了主動潤滑104型空氣分配閥、既有104型空氣分配閥主動潤滑改造的圖樣和技術條件,要求自2019年1月1日起,新造客車采購時鐵路局選裝的104型空氣分配閥須為主動潤滑型,客車檢修時各單位可根據實際情況選擇裝用主動潤滑104型空氣分配閥或對既有104型空氣分配閥進行主動潤滑改造。

3 無滑閥分配閥方案

主動潤滑104閥作用部采用滑閥結構,雖顯著改善了滑閥副潤滑狀態,但滑閥副運動屬于金屬間摩擦運動,長時間運動摩擦后金屬面的劃傷仍不可避免,使104閥檢修周期進一步延長較為困難。根據中國鐵路總公司機輛動客函〔2018〕92號文要求,相關單位開展了無滑閥分配閥研制。

3.1 研制目標

無滑閥分配閥研制目標如下:

(1) 無滑閥分配閥安裝接口與現有104閥一致;

(2) 無滑閥分配閥性能與現有104閥一致[7];

(3) 可以與現有104閥混編運用[8];

(4) 適應現有104集成電空制動機安裝要求[9];

(5) 適應環境溫度±50℃及其它運用環境條件;

(6) 預計檢修期達到A3修(120萬km)。

3.2 方案說明

該分配閥主閥采用二壓力間接作用方式[10],作用部采用150閥成熟的柱塞結構,膜板采用夾布工藝,主閥接口按104閥接口設計,增加均衡部,閥體和蓋類零件采用鋁合金材質;緊急閥采用鋁合金材質的104緊急閥;中間體借用104閥的鑄鐵中間體或集成板式中間體;檢修期為A3 修(120 萬km);適應環境溫度±50℃。

主閥(圖8)適應現有104集成電空制動機的安裝要求;預留電空制動控制接口,容積室緩解通路引到分配閥的安裝面,便于今后取消現有外露的保壓連接管。

圖8 主閥外形圖

該主閥與104 主閥的最大區別集中在作用部。104閥作用部采用滑閥結構(圖9),包括主活塞組成、滑閥、滑閥套、節制閥等。無滑閥分配閥作用部采用柱塞結構(圖10),取代原104閥的滑閥結構,原滑閥、滑閥座上的充氣、一局減、制動、緩解等通路變為相應的止閥結構,通過主活塞上下動作帶動各止閥的開關,實現原滑閥副移動所起的作用。

圖10 無滑閥分配閥作用部剖面圖

活塞動作阻力由主活塞彈簧(制動)和平衡閥彈簧(緩解)來控制,作用性能由加工手段和精度來保證,無滑閥分配閥徹底摒棄技藝型生產和閥面漏泄這一慣性質量問題。

鋁合金104緊急閥是在104緊急閥基礎上,把現有的鑄鐵緊急閥體、緊急閥蓋、放風閥蓋的材質改為150閥已成熟運用的鋁合金材質ZL111,采用重力鑄造,其性能參數、安裝接口與現有104緊急閥一致,能進行互換,如圖11所示。鋁合金緊急閥體、緊急閥蓋、放風閥蓋與鑄鐵緊急閥對應部件接口及外形尺寸一致可互換,便于推廣運用。

圖11 鋁合金緊急閥剖面圖

3.3 結題驗收

無滑閥分配閥已完成了研發及各項試驗驗證,2021年3 月通過了國鐵集團科信部項目結題驗收,2023年6月通過了國鐵集團科信部方案評審和試用評審,獲得運用考核資質。

4 結束語

主動潤滑104閥在不改變104閥主體結構和基本性能的基礎上,增設了主動潤滑機構以改善滑閥副的潤滑狀態,互換滑閥副材質提高了滑閥副的耐磨性,運用表明主動潤滑104閥改善了滑閥副的潤滑狀態,能延長滑閥副使用壽命。同時通過采用中間體不銹鋼濾塵器、螺旋式排風部、緊急閥新型導向結構等改進措施,提高了104閥運用可靠性,可滿足104閥延長檢修周期至A2修周期的要求。

無滑閥分配閥大量借鑒了150閥、104閥成熟的結構及經驗,采用無滑閥柱塞結構、鋁合金104緊急閥等新技術,保證了分配閥的可靠性、可用性、安全性和可維護性。各項試驗表明:無滑閥分配閥在保持104閥作用性能和接口尺寸的前提下,能適應我國鐵路客車運用環境,符合司機操作習慣,能適應各型車輛安裝要求,進一步提高了可靠性,延長檢修周期至A3修。