高速動車組制動系統調壓閥彈簧力值衰減因素試驗研究

靳明旭，趙春光，常程城，張波，曹宏發

（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 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094；3 鐵科縱橫（天津）科技發展有限公司，天津 301700）

減壓閥、溢流閥、安全閥等調壓閥是高速動車組制動系統的重要組成部件，其輸出壓力的穩定性直接影響列車運用安全。彈簧是直接保證調壓閥壓力輸出的重要零件，彈簧的力值衰減程度決定了調壓閥輸出壓力的穩定性。

隨著動車組的廣泛應用，彈簧力值衰減引起調壓閥輸出值不穩定的情況逐漸顯現并引起重視。與進口調壓閥相比，國產調壓閥輸出壓力變化幅度較大。

彈簧衰減是隨著使用時間推移而產生的必然現象，文中就影響彈簧衰減的因素進行研究，在既有基礎上形成對照方案，設計試驗進行比較驗證，從而確定彈簧優化方案以開展應用。

1 彈簧應力松弛理論

金屬材料或元件在一定應變條件下，應力隨時間推移而降低的現象稱為金屬應力松弛。典型的金屬應力松弛曲線如圖1 所示［1］。

圖1 典型的金屬應力松弛曲線

曲線分為2 個階段，第Ⅰ階段（圖中ab 線段）持續較短時間，應力隨時間延長而急劇下降；第Ⅱ階段（圖中bc 線段）持續時間較長，應力隨時間延續而緩慢降低并趨向恒定［2］。在一定溫度（T）和一定初始應力（σ0）的條件下，材料或零件的抗應力松弛性能可用剩余應力（σsh）、應力松弛率（vs）、Ⅰ階段的松弛穩定系數s0和Ⅱ階段的松弛速率系數t0等特性指標表征［3］。

應力松弛是機械彈簧、螺栓等基礎件、精密儀器及儀表中彈性元件的主要失效模式［4］。當前對于應力松弛的產生機制尚無統一結論，但是可以確定應力松弛與材料微觀結構發生位錯有直接關系［5］。

彈簧類零件作為典型的金屬材料零件，在運用過程中同樣會出現應力松弛現象［6］，在減壓閥內，彈簧零件應力松弛引起的現象是彈簧力值的衰減。而對于彈簧類零件，如何在滿足使用要求并兼顧生產效率的前提下有效改善力值衰減則成為了彈簧及機械結構設計的重點和難點。

2 彈簧力衰減影響因素試驗研究

有研究表明，在一定應力水平下，彈簧應力松弛的主要影響因素有彈簧材料、強壓方式、表面是否拋丸等［7］。而上述因素對于特定彈簧的影響程度因彈簧結構而異。對于動車組減壓閥彈簧，設計試驗分析上述因素對力值衰減的影響并尋找適合的優化方法。

2.1 試驗對象

當前使用彈簧采用碳素合金鋼絲材料，立定處理（冷強壓）后拋丸處理的方式生產。

以現有彈簧為基準，通過對材料、強壓方式和表面是否拋丸進行調整，參考正交試驗方法，按照以下組別生產彈簧樣件進行對比試驗，見表1。狀態1 和狀態2的彈簧是當前正在使用的2 種調壓閥彈簧，其中1 為國產彈簧，2 為進口彈簧。

表1 彈簧力值衰減對照方案

選取上述每種狀態彈簧各8 個開展測試。

通過狀態3 和狀態5 比較，狀態2 和狀態8 比較，狀態6 和狀態7 比較，可明確強壓方式對彈簧力值衰減的影響。通過狀態1 和狀態3 比較，狀態4 和狀態5 比較，可明確拋丸與否對彈簧力值衰減的影響。通過狀態7 和狀態8 比較，可明確沉淀硬化不銹鋼與奧氏體不銹鋼對彈簧力值衰減的影響；通過狀態5 和狀態8 比較，可明確碳素彈簧鋼絲與奧氏體不銹鋼對彈簧力值衰減的影響；通過狀態5 和狀態7 比較，可明確碳素合金鋼絲與沉淀硬化不銹鋼對彈簧力值衰減的影響。

2.2 試驗方法

當前對于彈簧的力值衰減尚無統一測試標準。參考彈簧常用衰減測試方法，采用如圖2 所示工裝進行試驗驗證，其中螺栓選用10.9級，彈簧上下墊塊熱處理硬度不低于500 HV。

圖2 彈簧力值衰減測試工裝

試驗周期為9周，試驗開始前逐個測量被測彈簧在工作位置的力值F0，用工裝將彈簧壓縮到工作高度靜置，每周測量彈簧在工作位置的力值Fn。計算彈簧力值衰減率k為式（1）：

對每組狀態彈簧每周測試的衰減率取平均值并記錄。

2.3 試驗結果

每組彈簧每周衰減率試驗數據見表2。

表2 彈簧力值衰減數據 單位：%

將上述數據整理成曲線，如圖3 所示。

圖3 彈簧力值衰減曲線

對上述各組狀態力值衰減率取平均值計算并排序如圖4 所示，其中狀態1 和狀態2 分別是當前正在列車上使用的2 種彈簧。圖中狀態4、狀態5、狀態6、狀態7、狀態8的彈簧可用于改善力值衰減問題。

圖4 彈簧力值平均衰減率

3 數據分析

對上述試驗數據進行分析，研究強壓方式、拋丸與材料對彈簧力值衰減的影響。

3.1 強壓方式影響比較

比較狀態3 和狀態5，狀態2 和狀態8，狀態6和狀態7，彈簧強壓方式狀態對照見表3。

表3 彈簧強壓方式狀態對照表

對于碳素合金鋼絲，采用熱強壓工藝的彈簧力值衰減較采用冷強壓工藝的彈簧力值衰減明顯減少，如圖5 所示。

圖5 碳素合金鋼絲彈簧不同強壓方式衰減比較

對于奧氏體不銹鋼，采用熱強壓工藝的彈簧力值衰減較采用冷強壓工藝的彈簧力值衰減有一定程度減少，如圖6 所示。

圖6 奧氏體不銹鋼彈簧不同強壓方式衰減比較

對于沉淀硬化不銹鋼，采用熱強壓工藝的彈簧力值衰減較采用冷強壓工藝的彈簧力值衰減略小，如圖7 所示。

3.2 拋丸處理影響比較

比較狀態1 和狀態3，狀態4 和狀態5，彈簧拋丸處理狀態見表4。

表4 彈簧拋丸處理狀態對照表

對于進行冷強壓的碳素合金鋼絲彈簧，未進行拋丸處理的彈簧力值衰減較進行過拋丸處理的彈簧力值衰減明顯減少，如圖8 所示。

圖8 冷強壓彈簧拋丸處理衰減比較

未進行拋丸處理的彈簧力值衰減較進行過拋丸處理的彈簧力值衰減略小，無明顯區別，如圖9所示。

圖9 熱強壓彈簧拋丸處理衰減比較

對照圖8 和圖9，進行過熱強壓處理的碳素彈簧鋼絲力值衰減明顯降低，可認為對于碳素彈簧鋼絲，熱強壓處理的影響程度要大于拋丸處理的影響程度。

3.3 材料影響比較

比較狀態5，狀態7 和狀態8，彈簧材料狀態見表5。

表5 彈簧材料狀態對照表

彈簧在拋丸條件和強壓方式相同的條件下，沉淀硬化不銹鋼力值衰減小于奧氏體不銹鋼力值衰減，奧氏體不銹鋼力值衰減小于碳素合金鋼絲力值衰減，如圖10 所示。

圖10 不同材料彈簧衰減比較

4 小結

通過以上試驗數據可知：

（1）熱強壓處理后的彈簧抗衰減能力優于冷強壓處理后的彈簧；對于碳素彈簧鋼絲，該影響較為顯著。

（2）不進行拋丸處理的彈簧抗衰減能力優于拋丸處理的彈簧。

（3）不同材料抗衰減能力：沉淀硬化不銹鋼>奧氏體不銹鋼>碳素合金鋼絲。

考慮到熱強壓處理的生產效率和成本問題，在動車組制動系統中選擇狀態6的彈簧作為優化方案，即沉淀硬化不銹鋼、冷強壓、不進行拋丸處理。

5 驗證

根據上述研究結果，選取減壓閥進行驗證。分別選用當前現車運用的彈簧狀態1、狀態2 與優化后的彈簧狀態6 裝入減壓閥內開展試驗。

將3 種不同狀態的彈簧分別裝入減壓閥中如圖11 所示，按照使用接口連接減壓閥氣路，并模擬減壓閥在列車運行時的入口氣壓。調節減壓閥輸出值為（600±1）kPa，記錄各減壓閥起始輸出調節值。每周記錄各減壓閥輸出壓力，持續觀察壓力變化。

圖11 減壓閥裝入不同彈簧后測試工裝

測試期間各減壓閥輸出值的衰減情況如圖12所示。可以看出，裝配優化后彈簧的減壓閥經過9周的衰減測試，較裝配既有彈簧的減壓閥衰減有較明顯減少，優化方案有效。

圖12 減壓閥輸出壓力衰減率

6 結論

文中針對動車組制動系統調壓閥調定值在運用過程中隨時間衰減的問題，以減壓閥彈簧為對象，運用彈簧力值衰減相關基礎理論，開展了多種材料、處理方式彈簧的衰減特性研究。明確了不同種類彈簧鋼絲及處理方式對彈簧衰減的影響，有效提升了彈簧的抗衰減性能。優化后的彈簧經試驗驗證，抗衰減程度優于同類進口產品。裝配不同彈簧的減壓閥調定壓力試驗表明，利用研究成果優化后的減壓閥彈簧，可有效減少減壓閥調定壓力的衰減。