淺談制動系統橡膠零件常見問題分析及改進驗證

韓海山， 孫廣合， 徐勇航

(北京縱橫機電技術開發公司， 北京 100094)

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淺談制動系統橡膠零件常見問題分析及改進驗證

韓海山， 孫廣合， 徐勇航

(北京縱橫機電技術開發公司， 北京 100094)

介紹了機車車輛制動系統橡膠零件的常見問題，并對出現問題進行了分析和改進驗證，確保在實際運用時橡膠零件的可靠性，降低產品整體故障率和提高機車車輛的運行安全性。

機車車輛； 制動系統； 橡膠零件； 分析； 驗證

制動系統是機車車輛的重要組成部件，它對保證車輛從運行到停止起著重要作用。在實際運用過程中，制動系統產品性能的好壞直接影響著車輛的制動性能，這就要求其必須具備良好的穩定性能和可靠性[1]。

橡膠零件作為在制動系統中具有密封、防護、減震、連接、絕緣等作用的關鍵零件，對于制動系統保持氣密性、防塵、防水、吸震或隔震，減少或隔離受到的震動或沖擊等發揮著重要作用。

橡膠零件保持穩定可靠的使用性能對于降低產品整體故障率和提高機車車輛運行安全性具有重要的需求和現實意義，同時也可以降低運用維護成本和不必要的人力、物力開支。

1 橡膠零件分類

制動系統橡膠零件，主要分為以下幾類：

(1) O形圈類

O形圈是一種截面為圓形的橡膠零件，因其截面為“O”形，因此被稱為O形圈。根據O形圈的使用工況(溫度、壓力、運動狀態等)不同，可采用不同橡膠材料進行制造，以滿足使用工況需求。

由于O形圈具有結構簡單特點，是目前使用最為廣泛的一類橡膠零件，同時安裝也比較簡便，根據O形圈壓縮方向以及溝槽型式分為徑向密封和軸向密封兩種形式。

(2) 膜板類

膜板是一種中間夾有織物(如棉帆布、尼龍等)可往復運動并保證氣密性的橡膠零件，在充入氣體壓力的作用下，推動膜板往復運動，帶動與之配合的機械零件運動。其外觀如圖1所示。

(3) 皮碗類

皮碗是一種可往復運動并保證氣密性的橡膠金屬骨架復合橡膠零件，通常應用在制動單元的制動缸或停放缸內部，在活塞和制動缸或停放缸之間起密封空氣作用，在充入氣體壓力的作用下，推動皮碗帶動活塞等機械結構動作，推動閘瓦抱緊車輪或制動盤制動。

圖1 膜板

(4)夾心閥類

夾心閥是一種可往復運動并保證氣密性的橡膠金屬骨架復合橡膠零件，通常應用在中繼閥、止回閥等產品內部，在夾心閥橡膠平面與閥體閥口之間起密封空氣的作用。其外觀如圖2所示。

圖2 夾心閥

(5)防塵罩類

防塵罩是一種部分或全部由橡膠材料構成的橡膠零件，通常應用在制動單元的制動缸和連接桿之間起防護作用，防止塵土、沙礫、油污等雜質進入螺桿等關鍵部位，避免螺桿磨損。其外觀如圖3所示。

圖3 防塵罩

2 橡膠零件常見問題分析及改進驗證

2.1 O形圈類

(1) 零件材料在接觸工作介質較長一段時間后出現截面脹大，導致零件在再安裝時發生切邊導致的基體損傷現象。此外，在實際運用工作溫度條件下，出現零件材料失去回彈性現象。這是由于零件材料耐介質能力不佳或在生產制造時，零件硫化不充分以及零件材料的耐寒性不佳等導致的。

此前零件在短期運用過程中被偶然發現存在截面脹大現象，經過實際的對比發現，可以排除零件橡膠材料本身變化因素的影響，最終確定為零件制造過程工藝條件波動所導致，經過工藝整改后，問題未再出現。其次，零件在進行組裝產品低溫試驗測試時出現的漏風現象，主要原因是零件材料的耐寒性不佳，經過實際橡膠材料優化，選擇更耐低溫材料配方，并通過脆性溫度、壓縮耐寒系數等[2]試驗驗證，再經組裝產品低溫試驗測試后，最終問題得以解決。

(2)零件材料在往復運動較長一段時間后，出現橡膠基體磨損掉落的現象，如圖4所示。這是由于零件材料耐磨性不佳、滑動面潤滑不良等導致的。

此前該零件在進行階段性疲勞試驗后進行例行試驗測試氣密性時，被發現存在漏風的現象。從圖4可以看出，零件磨損嚴重，較多橡膠顆粒掉落并附著在組裝件上。而零件在組裝時，已按照技術要求涂抹了潤滑脂，初始界面狀態良好，由此可以確認，問題的出現與橡膠材料自身的耐磨性有密切的關系。經過實際橡膠材料優化，對材料的耐磨性能進行改進提升，并通過阿克隆磨耗等[2]試驗驗證，再經組裝產品疲勞試驗測試后，最終問題得以解決。

圖4 橡膠基體磨損

2.2 膜板類

(1)夾布零件分型面夾布裁剪不均勻，個別位置線頭過長，如圖5所示。這是由于零件夾布層通常為纖維強度較高的尼龍或其他較厚的織物，導致操作難度較高，采用普通的剪裁工具修整，導致分型面夾布裁剪不均勻。

圖5 線頭過長

此前裝有該膜板的組裝閥在實際運用過程中出現偶發長排風現象，經對故障閥拆解后發現，內孔處殘余較長的線頭，如動作后被夾在密封配合表面之間時，將會導致密封不嚴，產生漏風后果，嚴重時將影響車輛的正常安全運行。后續通過設計專用的裁剪工裝進行修整等措施整改，保證零件修邊質量，最終問題得以解決。

(2)夾布零件夾布層與橡膠層粘合力不夠，在往復運動較長一段時間后，出現鼓包現象，如圖6所示。這是由于零件夾布層的表面處理方式、工藝參數落實等存在問題導致的。

圖6 鼓包

該膜板是在長壽命階段性疲勞試驗后進行例行試驗測試時被發現存在問題的，體現在動作靈敏度上，從圖6可以看出，零件橡膠層與夾布分離，內部充滿了一定壓力的氣體，體積變大后的零件，截面形狀也發生了較為明顯的變化，這將會影響零件的正常動作。零件橡膠層與夾布層部分脫離，根本上還是粘合力不夠導致的，因此改進和提升夾布層的表面處理方式，增進零件夾布層與橡膠層粘合力可以解決該問題。經過對零件制造過程工藝優化，并通過粘合強度[2]試驗驗證，再經組裝產品疲勞試驗驗證，最終問題得以解決，這將極大提升零件的正常運用壽命和可靠性。

(3)夾布零件夾布層在往復運動較長一段時間后在彎折頻率較高位置出現因夾布層線頭斷裂導致的局部破裂。這是由于夾布層自身的疲勞強度不佳導致的。由于受此前工業水平限制，在先前部分膜板零件中，只能傾向選擇如棉帆布等材質作為其夾布層，但與此同時，也積累下了較多的實際運用經驗，相比以前，目前工業企業可提供更加豐富多樣的夾布材料，選擇具有更佳疲勞強度的纖維織物，如滌綸、錦綸等，可以在很大程度上改進零件使用性能。在實際產品試驗測試研究中，可以發現先進夾布材料的逐步運用，可以明顯提升產品的使用性能和壽命，并明顯地降低產品維護成本。

2.3 皮碗類

(1) 零件唇口工作面表面粗糙度偏大，存在明顯可見的模具加工痕跡。這是由于零件模具表面粗糙度不佳導致的。改進零件模具內表面加工工藝，特別是減小零件關鍵配合工作面對應模具內表面部分的粗糙度，可參考HB 8233橡膠零件的尺寸極限偏差和表面粗糙度要求標準中對于模具的具體要求。

(2) 零件橡膠與金屬骨架粘合力不夠，在運用較長一段時間后，出現脫粘的現象，如圖7所示。這是由于零件金屬骨架的表面處理或硫化制造等環節存在問題等導致的。

圖7 橡膠與骨架脫粘

橡膠與骨架粘合力因涉及到較為復雜繁瑣的表面處理過程，存在著過程質量控制難度大、批量產品在偶發脫粘問題時批次產品將判定為不合格風險，這將大大影響產品的交付時間和造成產品本身極大浪費。因此，在產品實際制造生產過程中，強化監督工藝文件落實和執行情況，建立必要的互檢手段，下大力氣提高質量意識，保證骨架表面處理質量。此外，改進和提升骨架的表面處理方式，提升零件橡膠層與金屬骨架粘合力，避免零件金屬骨架與粘合劑(如圖8(1)所示)、粘合劑與橡膠層以及粘合劑之間出現脫粘現象發生，產品橡膠層與金屬骨架剝離破壞應達到厚層橡膠破壞(R)標準，如圖8(2)所示，并通過粘合強度[2]試驗驗證，如圖8(3)所示。

橡膠與骨架脫粘，將導致制動單元缸內壓力下降，造成制動單元制動力部分喪失或不完全緩解，嚴重影響制動單元功能發揮和車輛行車安全。對此通過開展專門質量整改工作，解決了產品存在的脫粘質量問題。對于產品長久的質量穩定，關鍵還是需要制造企業靜下心來，踏踏實實把制造過程中各個環節落實到位，做到件件心中都有把握，并加強階段性過程檢驗，及時發現問題及時整改，讓主動整改成為企業自身積極主動把握質量的新常態，也只有這樣，才能在激烈的競爭中脫穎而出，并不斷發展。

圖8 骨架與橡膠粘合性能驗證

2.4 夾心閥類

(1) 零件橡膠配合工作面存在平面度超差現象。這是由于零件骨架在制造加工后存在翹曲變形或在硫化制造時，骨架耐溫程度不夠導致變形或橡膠配合面橡膠基體不均勻收縮等導致的。

橡膠面的平面度在實際工作中，對其進行檢驗是比較困難的，源于橡膠基體具有彈性的特點，也沒有較為經濟適當的方法進行檢測，給實際生產使用帶來了諸多困惑。根據目前掌握的情況來看，橡膠平面度超差的主要原因以橡膠基體的不均勻收縮導致為主。從具體運用來看，應該具體問題具體分析，針對不同的配合方式，進行氣密性測試驗證，在保證氣密性的前提下作不同的技術要求，可以適當地降低制造難度和成本，提升產品競爭力。

(2)零件骨架滑動配合工作面存在明顯可見的劃傷、磕碰等缺陷。這是由于零件骨架在制造或使用周轉過程中缺乏適當防護手段導致的。

零件的滑動面是關鍵表面，在實際生產過程中，應采取恰當的防護措施，避免在周轉過程中骨架受到磕碰或劃傷，降低修復成本，提高骨架關鍵表面外觀質量，保證產品運用性能。

2.5 防塵罩類

(1)零件材料在運用較長時間后，表面出現明顯可見的龜裂、裂紋等缺陷，如圖9所示。這是由于零件材料自身耐候性不佳導致的。零件材料經過長時間的使用，產生不可逆結構變化，在嚴重情況下可能會導致零件防護功能的失效。

圖9 表面龜裂

在實際運用環境中，一般要求零件同時具有耐候、耐低溫和一定耐油性能，三者又很難同時兼得。在該問題出現時，意味著材料的選擇大概率出現了偏差，對于零件使用來說，耐候性能是需要首要保證的。早期，將天然橡膠作為零件主體材質，由于其具有良好耐低溫性能，得到了較為廣泛的運用，至今在部分車型中還在使用。但隨著社會的發展，機車車輛運用壽命的提高，對產品的使用壽命提出了更高的要求，一些耐候性能更佳的橡膠材料及彈性體逐漸進入人們的視野，提供了越來越多的選擇，如氯丁橡膠(CR)、硅橡膠(MVQ)以及聚酯彈性體(TPC)等。根據零件的實際運用工況，選擇耐候性良好的材料，兼顧零件的耐寒性，并通過耐候性、耐臭氧老化[2]試驗驗證，最終使得零件滿足產品長壽命周期的使用要求。

(2) 零件材料在運用工作溫度條件下，零件材料失去回彈性，變形困難。這是由于零件材料耐寒性不佳導致的。零件所使用的材料可分為結晶材料和非結晶材料，兩者在低溫條件下的外在表現略有不同，因此在零件主體材料選擇時，應結合零件應達到的低溫要求，選擇合適的主體材料，使用溫度應避開結晶材料的結晶溫度范圍，通過材料優化設計，兼顧零件的耐候性，改進和提升材料的耐寒性，并通過脆性溫度、壓縮耐寒系數等[2]進行試驗驗證。目前廣泛使用的氯丁橡膠等材質，在不斷滿足日益提高的低溫要求前面越發顯得困難，需要繼續對不斷涌現的新材料進行開發運用和驗證，為制動系統產品提供更多更好的選擇。

3 結束語

(1)橡膠零件是機車車輛制動系統中一類關鍵的零部件，零件質量對于保證機車車輛制動系統性能穩定性和可靠性起著重要作用。因此在零件整個設計、生產制造過程中，從模具設計、材料選擇以及設計、骨架表面處理、生產制造過程周轉等各個環節，根據實際生產情況，充分結合零件運用工況進行綜合考慮，通過必要的試驗測試方法進行驗證，確保橡膠零件實際運用的可靠性，降低產品整體故障率和提高機車車輛運行安全性。

(2)制造工藝是橡膠零件生產制造的核心關鍵所在，對于關鍵或特殊過程環節，在實際生產制造過程中，應引起企業自身足夠的重視，加強制造工藝過程監控檢驗，不斷地培育精益求精的工匠精神，將細節管控措施落實到位，特別是，在具備條件的前提下，提升自動化生產制造設備在零件制造工藝過程中使用的比重，減少因手工操作帶來的風險。

[1] 王月明. 動車組制動技術[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2012.

[2] 劉植榕，湯華遠，鄭亞麗.橡膠工業手冊[M](修訂版) 第八分冊 試驗方法. 北京:化學工業出版社，1992.

Brief Discussion on the Common Problems Analysis of Rubber Parts in Braking System and Verification for Improvement

HANHaishan,SUNGuanghe,XUYonghang

(Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co., Beijing 100094, China)

The common problem of rubber parts of locomotive braking system was introduced in this paper, and problem analysis was carried out, and also improvement verification was put forward to ensure the reliability of rubber parts in the practical applications. Eventually reducing the failure rate of products and improving the locomotive operation safety.

rolling stock; braking system; rubber parts; analysis; verification

??)男，工程師(

2016-03-28)

1008-7842 (2016) 05-0078-04

U260.35+1

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.17