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，可防止已經輸送到下游用風設備中的壓縮空氣逆向回流[1]。一旦單向閥出現振動異響，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，從單向閥的結構原理、振動模態等方面進行分析，提出了相應的優化方案，并進行了試驗驗證，為后期出現同類問題提供參考。

1 問題描述

軌道車輛上偶發了多起單向閥異響問題，故障現象均為氣流通過時單向閥產生高頻振動，并發出“嗡嗡”異響，發生異響時車輛總風壓力均在正常范圍內。

2 設計原理

2.1 系統原理

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

圖1 單向閥氣路原理

2.2 結構原理

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口進入，由A2口輸出。當A1口空氣壓力大于A2口空氣壓力時，氣流從A1口進入，空氣壓力克服彈簧作用力推開閥盤，通過A2口輸出；當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，關閉閥口，達到止回的作用。

圖2 單向閥結構

3 原因分析

3.1 故障調查

現車檢查，單向閥安裝狀態良好，無漏風現象，單向閥處有明顯“嗡嗡”異響傳出，觸摸單向閥閥體有振動現象，手動關閉支路上的截斷塞門，異響消除，恢復塞門，重新出現異響振動。

拆下單向閥檢查閥體外觀狀態良好，管路接口無異物。對故障單向閥進行分解檢查，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致。

圖3 單向閥拆解各部件正常

3.2 故障復現

模擬單向閥現車安裝狀態，在地面搭建試驗臺，設備連接如圖4所示，單向閥一端外接風源和140 L風缸(模擬總風管)，另一端外接50 L風缸(模擬下游風缸)，通過操作塞門3排氣模擬現車工況，具體試驗情況如下。

工況一：風源初充風過程中，風缸1壓力約800 kPa，風缸2壓力約400 kPa，兩個風缸壓差較大時，單向閥出現明顯異響。

工況二：風壓穩定后，兩個風缸壓力約 880 kPa，單向閥異響消除；打開塞門3進行排氣，單向閥再次出現異響，響聲較工況一小。

圖4 試驗設備連接示意

3.3 異響分析

單向閥受力分析圖如圖5所示。其中，PA1為單向閥進氣側(A1)壓縮空氣作用在閥盤上的力；PA2為單向閥排氣側(A2)壓縮空氣作用在閥盤上的力；F摩擦力為閥盤在運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

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

根據故障復現情況和理論分析可知，造成單向閥異響的原因為單向閥兩端壓差較大時，氣流通過速率高，氣流擾動導致單向閥閥盤產生頻繁振動發出異響。

3.4 振動模態分析

根據單向閥結構可知，與單向閥閥盤頻繁振動相關的主要組成部件為單向閥內部彈簧及閥盤本身。基于以上，對單向閥閥盤進行了異響工況的振動模態分析，具體如下：

(1)對閥盤進行受力分析，閥盤兩側受到穩態力、瞬態力、彈簧力、摩擦力，結合閥口流量，建立閥體受力的常微分方程，求得數值解，然后進行傅里葉變換，求得氣流擾動產生的激振頻率為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為閥盤組件的質量，為0.043 kg；k為彈簧的剛度，通過以下公式進行計算[3]：

(2)

式中：G為彈簧材料的切變模量，彈簧為不銹鋼材質，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，數值為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，由此導致共振產生異響。

4 優化措施

4.1 優化方案

通過以上分析，導致單向閥異響的原因為氣流擾動與單向閥閥盤共振產生。為避免共振，根據公式(1)可考慮從兩個方面對單向閥進行改善：改變彈簧剛度或改變閥盤組件的質量。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，將彈簧參數進行優化，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 方案驗證

(1)對降低彈簧剛度后的閥盤組件進行固有頻率計算，優化后的彈簧剛度為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，不會發生共振。

圖6 彈簧優化前后的對比

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

(3)對優化后單向閥進行氣密性試驗，出氣口封閉，進氣口通入1 000 kPa的壓力空氣，保壓1 min，未發生泄漏。

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

5 結束語

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