120閥緊急活塞桿扭矩校核及異常斷裂分析*

張成國，趙亞棟，姚小沛，劉寶安，王建國

(1 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081;2 中國北車集團 齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司，黑龍江齊齊哈爾161002)

緊急閥是為改善列車緊急制動性能而設置，作用是在緊急制動時，產(chǎn)生強烈的列車管緊急局部減壓，加快列車管的排氣速度，提高列車制動機緊急制動的靈敏度及可靠性，提高緊急制動波速，改善緊急制動性能［1］。緊急活塞桿是120型緊急閥的關鍵零件之一，為中孔結構(圖1)，在列車管充氣時將列車管的壓縮空氣導入緊急室內，在緊急制動時緊急室內壓縮空氣在緊急活塞上部形成背壓，推動緊急活塞下移，頂桿頂開先導閥消除放風閥背壓后打開放風閥放風，確保緊急制動作用。

某車輛段在檢修和組裝120閥時，連續(xù)發(fā)生7起12根緊急活塞桿斷裂故障，斷裂部位均在頭部和桿部連接處，具體情況見表1。在運用過程中緊急活塞桿發(fā)生斷裂出現(xiàn)“時起緊急，時不起緊急”的現(xiàn)象，影響鐵路行車安全。針對車輛段發(fā)生的部分緊急活塞桿低于組裝力矩40±3 N·m［2］而于頭部和桿部連接處扭斷的問題，原鐵道部委托成立的120閥慣性質量攻關組進行分析，以查明原因，制定對應措施。

1 緊急活塞桿扭斷強度校核

圖1給出了緊急活塞桿的剖面圖。車輛段發(fā)生斷裂的緊急活塞桿斷裂位置均位于頭部和桿部連接處，此處壁厚最薄，僅為2 mm。

本文對HPb59－1材質緊急活塞桿的此薄弱處進行扭矩強度校核，以確定圖樣的此處尺寸設計是否合理。緊急活塞桿縱向呈階梯桿狀，但組裝時扭矩作用在Φ16部分及與頭部連接處，因此在強度校核時仍按空芯

表1 車輛段緊急活塞桿的斷裂故障情況

軸計算，緊急活塞桿不被扭斷的最大扭矩為

式中D和d分別為活塞桿扭矩作用處截面的外徑和內徑，其中D=16 mm，d=12 mm。脆性材料構件斷裂時的極限應力是強度極限σb，緊急活塞桿在組裝時均勻加載，因此活塞桿可認為受靜載荷作用，［τ］與［σ］之間存在以下關系［3］:

其中，脆性材料許用應力，nb為安全系數(shù)。一般機械制造中靜載情況下脆性材料nb可在 2 ～3.5 中取值［4］。

銅合金棒材的σb主要參考標準有GB/T 4423－2007《銅及銅合金拉制棒》［5］和 GB13808 －1992《銅及銅合金擠制棒》［6］，但緊急活塞桿用哪種當前未明確規(guī)定。直徑20～40 mm的HPb59－1拉制棒σb為390 MPa，對nb等取極值(［τ］/［σ］=0.8，nb=3.5)和(［τ］/［σ］=1.0，nb=2.0)計算，許用扭矩范圍為 49.0～107.15 N·m。若取銅擠制棒σb=365 MPa，按極限值(［τ］/［σ］=0.8，nb=3.5)和(［τ］/［σ］=1.0，nb=2.0)，許用扭矩范圍為45.84 ～80.23 N·m。即在極端情況下，許用扭矩極小值與組裝要求力矩相比裕度不大。

實際使用中，棒材的σb多略高于標準要求，如中國鐵道科學研究院(鐵科院)使用的銅合金拉制棒，本文測試的σb即為425 MPa，高于GB/T 4423要求的390 MPa。若以425 MPa的實際σb計算，則許用扭矩范圍為53.38～116.77 N·m，其極限情況下的裕度仍不很大;對于擠制棒因無棒材未進行試驗。

圖1 緊急活塞桿剖面圖

2 緊急活塞桿實物驗證

為驗證強度校核結果，進行了實物驗證。首先對試驗用的緊急活塞桿進行了化學成分分析和力學性能檢測，以確定其是否符合設計要求。

2.1 試驗用緊急活塞桿的化學成分

緊急活塞桿化學成分分析在OBLF750直讀光譜儀上進行，激發(fā)區(qū)在活塞桿頭部，分析結果見表2。緊急活塞桿化學成分未發(fā)現(xiàn)雜質含量超標，符合GB/T 5231－2001《加工銅及銅合金化學成分和產(chǎn)品形狀》［7］中HPb59－1的技術條件要求。眉山制動科技有限公司對車輛段低扭矩斷裂的緊急活塞桿也進行了化學成分分析，主加元素Pb含量符合要求(表2)［8］。

表2 緊急活塞桿的化學成分

2.2 試驗用緊急活塞桿棒料的力學性能

對試驗用緊急活塞桿的原棒料按GB/T 228－2002制備拉伸試樣并進行試驗，拉伸試驗在SANS微機控制電子萬能試驗機上進行;硬度測試在TH606數(shù)顯布氏硬度計上進行，測試結果見表3。抗拉強度和斷后伸長率均符合GB/T 4423－2007《銅及銅合金拉制棒》［5］中HPb59－1的技術條件要求;異常斷裂緊急活塞桿的硬度分布較寬。

表3 緊急活塞桿(棒料)的力學性能及硬度

2 .3 緊急活塞桿扭斷強度試驗

組裝前對試驗的緊急活塞桿進行尺寸檢測，均符合設計要求。將緊急活塞桿按照組裝結構組裝成緊急活塞部，專用工具夾緊活塞桿頭部銑扁處，用力矩扳手對M16×1.5壓緊螺母緊固，緊固過程中勻速加載。鐵科院緊急活塞桿的扭斷力矩為90～145 N·m(表4)［9］;攻關組對各工廠家的緊急活塞桿也進行了扭斷試驗，斷裂扭矩為58～121 N·m(表4)［9］。兩次實物試驗驗證雖未發(fā)現(xiàn)存在低于組裝要求力矩扭斷的情況，但需注意的是120閥質量攻關組對各工廠緊急活塞桿從各主機廠抽檢試驗的結果離散度較大(表4)［9］，最低值僅為58 N·m，而最高值則達到121 N·m。斷裂力矩的高度離散性說明需加強緊急活塞桿的質量穩(wěn)定性控制。

表4 緊急活塞桿斷裂扭矩

3 宏觀斷口和顯微組織分析

3.1 宏觀斷口

緊急活塞桿的斷口形貌見圖2，異常斷裂的活塞桿斷口較平齊，未發(fā)生明顯的塑性變形(圖2b)。試驗用緊急活塞桿斷口扭轉變形的痕跡清晰，塑性變形明顯，斷口由多個金屬光澤的臺階面構成，撕裂特征明顯，撕裂溝較深，顯示在扭斷過程中吸收了更多的變形能(圖2a)。緊急活塞桿安裝密封圈的孔嚴重變形，分解后密封圈有不同程度變形或損傷，部分活塞桿螺紋損傷(圖文中未給出)。

圖2 緊急活塞桿斷口

3.2 顯微組織

對緊急活塞桿進行顯微組織分析(圖3)。異常斷裂與試驗用緊急活塞桿的顯微組織均為α+β+Pb相，灰色基體為β相，白色棒狀和片針狀為α相，散布于基體上的黑點狀物為游離鉛。試驗用緊急活塞桿的晶粒細小，α相均勻彌散(圖3a);而異常斷裂緊急活塞桿的晶粒組織顯著粗大(圖3b)，這種粗大的組織可能與原銅合金棒料的成型工藝或熱處理有關。

車輛段異常斷裂的緊急活塞桿其Pb元素含量符合要求，其他雜質元素未進行測量，宏觀斷口較平齊，斷裂前未發(fā)生明顯的塑性變形，這種斷裂形式可能與其粗大的晶粒組織有關，而顯微組織需從棒料及緊急活塞桿的制造、熱處理工藝上加以控制，尤其要注意加工下料時的料頭、料尾檢查。

圖3 緊急活塞桿的金相組織

4 結論及措施建議

本文對120閥緊急活塞桿進行扭矩強度校核和實物驗證，并對異常斷裂與試驗用的緊急活塞桿進行了宏觀斷口、顯微組織的對比。

(1)強度校核發(fā)現(xiàn)，極端不利情況下緊急活塞桿的許用扭矩僅略高于組裝要求力矩，特別是對于執(zhí)行GB 13808－1992《銅及銅合金擠制棒》的緊急活塞桿。為此建議對緊急活塞桿所用的銅合金棒材，明確優(yōu)先執(zhí)行GB/T 4423－2007《銅及銅合金拉制棒》以在極端情況下保留較大的裕度。

(2)對異常斷裂與試驗用活塞桿宏觀斷口、顯微組織的分析，異常斷裂緊急活塞桿斷口平齊，無明顯塑性變形，晶粒組織粗大，這種粗大的晶粒組織會導致材料力學性能惡化。建議在緊急活塞桿制造過程中加強料頭、料尾及批次質量穩(wěn)定性的控制。

［1］夏寅蓀，吳培元.120型空氣制動機［M］.北京:中國鐵道出版社，1995.

［2］四川制動科技股份有限公司.120型貨車空氣控制閥技術條件(MSP120FJT)［S］.2010.

［3］單輝祖.材料力學教程［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［4］徐 灝.安全系數(shù)與許用應力［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1981.

［5］GB/T 4423.銅及銅合金拉制棒［S］.2007.

［6］GB 13808.銅及銅合金擠制棒［S］.1992.

［7］GB/T 5231.加工銅及銅合金化學成分和產(chǎn)品形狀［S］.2001.

［8］安 鴻.關于120閥緊急活塞扭斷故障的分析報告［R］.成都:四川制動科技股份有限公司.2011.

［9］呂 英.120閥質量攻關小組故障閥檢測報告［R］.北京:北京南車時代機車車輛有限公司.2011.