動(dòng)車組側(cè)門用增壓缸漏油分析及解決方案

李善飛， 宮大斐， 孫國(guó)棟， 薛學(xué)棟

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司， 山東青島 266111）

0 引言

增壓缸作為一種典型的氣液壓轉(zhuǎn)換裝置融合了液壓系統(tǒng)體積小、輸出大和氣壓系統(tǒng)環(huán)保、低成本的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

動(dòng)車組由于頻繁的會(huì)車和進(jìn)出隧道， 造成側(cè)門承受大沖擊的不穩(wěn)定外部載荷， 同時(shí)車門密封也會(huì)隨運(yùn)用時(shí)間的增加由于密封膠條的蠕變也會(huì)產(chǎn)生劣化， 需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)某叽缪a(bǔ)償。 采用增壓缸驅(qū)動(dòng)的側(cè)門壓緊密封系統(tǒng)可以有效解決上述問(wèn)題，抵抗沖擊載荷和實(shí)現(xiàn)尺寸補(bǔ)償。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中增壓缸止回閥部位出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，漏油部位見(jiàn)圖1 所示。 雖然不系統(tǒng)影響正常功能，但嚴(yán)重影響用戶的體驗(yàn)，需要研究分析進(jìn)制定解決方案。

圖1 增壓缸止回閥部位漏油圖示

1 側(cè)門壓緊結(jié)構(gòu)原理介紹

側(cè)門壓緊密封系統(tǒng)依靠動(dòng)車組提供的壓縮空氣通過(guò)增壓缸轉(zhuǎn)換成壓緊車門的高壓油，驅(qū)動(dòng)油缸來(lái)壓緊車門。包括1 組增壓缸組件、4 套鎖緊缸、1 組電磁閥組成。增壓缸組件作為核心器件又包括油箱、缸體組件、活塞、止回閥、壓力開關(guān)等器件。 具體系統(tǒng)組成見(jiàn)圖2 所示。

圖2 側(cè)門壓緊密封系統(tǒng)圖示

實(shí)現(xiàn)車門壓緊密封的核心控制部件為止回閥組件，包括止回閥和導(dǎo)向活塞。

車門松弛指令觸發(fā)驅(qū)動(dòng)增壓缸排氣釋放然后油壓降低，此時(shí)導(dǎo)向活塞向下回彈，驅(qū)動(dòng)止回閥打開，鎖緊缸內(nèi)的高壓油退回增壓缸內(nèi)，具體見(jiàn)圖3 所示。

圖3 增壓缸釋放時(shí)止回閥狀態(tài)圖示

車門壓緊指令觸發(fā)驅(qū)動(dòng)增壓缸供氣加壓然后油壓升高，此時(shí)導(dǎo)向活塞被向上頂起，止回閥密封球被向下頂開，增壓缸內(nèi)的高壓油進(jìn)入鎖緊缸驅(qū)動(dòng)車門壓緊，見(jiàn)圖4。

圖4 增壓缸加壓時(shí)止回閥狀態(tài)圖示

車門運(yùn)用中受到大沖擊載荷時(shí)， 鎖緊缸內(nèi)的油壓升高，止回閥密封球被向上頂緊，切斷鎖緊缸內(nèi)液壓油和增壓缸內(nèi)的高壓油，實(shí)現(xiàn)回路隔離。防止外部載荷對(duì)回路造成反向沖擊，具體見(jiàn)圖5。

圖5 車門承受外部沖擊時(shí)止回閥狀態(tài)圖示

車門的壓緊裝置采用4 個(gè)直動(dòng)式液壓缸，通過(guò)壓緊缸的輸出力和膠條的反力平衡實(shí)現(xiàn)車門密封， 具體見(jiàn)圖6 所示。 伴隨著運(yùn)用中膠條高度由于老化蠕變等原因的逐漸降低， 壓緊缸的行程也會(huì)跟隨變化，較機(jī)械壓緊裝置能夠自適應(yīng)的進(jìn)行尺寸補(bǔ)償。

圖6 車門壓緊密封狀態(tài)圖示

2 增壓導(dǎo)向活塞部位結(jié)構(gòu)方案

導(dǎo)向活塞伴隨著車門的壓緊密封及松弛動(dòng)作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)， 每壓緊一次活塞在高壓油的作用下向上運(yùn)動(dòng)一次，每釋放一次則在復(fù)位彈簧的作用下向下運(yùn)動(dòng)一次。 導(dǎo)向活塞和缸體靠?jī)杉?jí)密封圈（SKY-14 和1AP14）密封，橡膠密封圈與導(dǎo)向活塞長(zhǎng)期存在運(yùn)動(dòng)摩擦，失效后便會(huì)漏油，見(jiàn)圖7。

圖7 導(dǎo)向活塞部位結(jié)構(gòu)圖

導(dǎo)向活塞采用45 鋼機(jī)械加工而成， 表面粗糙度為Ra0.8，表面進(jìn)行發(fā)黑處理。 密封圈采用丁腈橡膠整體成型。 缸體為鋁合金整體鑄造后機(jī)加工而成， 表面粗糙度為Ra0.8。

3 原因分析

3.1 外界載荷沖擊因素分析

動(dòng)車組在靜態(tài)壓緊后，壓緊系統(tǒng)達(dá)到平衡，當(dāng)在運(yùn)動(dòng)中受到氣動(dòng)載荷時(shí)， 作用在門板上的氣動(dòng)力傳遞到4 個(gè)壓緊油缸的活塞桿上，當(dāng)氣動(dòng)力大于壓緊力時(shí)，活塞桿便會(huì)后退，液壓系統(tǒng)的壓強(qiáng)便增大，當(dāng)載荷過(guò)高導(dǎo)致液壓系統(tǒng)的壓強(qiáng)超過(guò)設(shè)計(jì)允許的極限值時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)滲漏。而目前的滲漏部位在導(dǎo)向活塞部位， 外部載荷由于止回閥的隔離作用不會(huì)對(duì)導(dǎo)向活塞部位造成沖擊。 因此外部載荷沖擊不是導(dǎo)致滲漏的直接原因。

3.2 液壓油因素分析

所用液壓油為水-乙二醇系液壓油， 和鋁基的增壓缸缸體，丁腈橡膠密封圈及45 鋼導(dǎo)向活塞都具有良好的相容性[1]，因此液壓油選型不是導(dǎo)致腐蝕進(jìn)而滲漏的直接原因。

3.3 結(jié)構(gòu)因素分析

由于液壓油在金屬表面的附著性稍弱，在活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)導(dǎo)向活塞離開密封區(qū)域的表面液壓油被刮掉，造成表現(xiàn)直接和空氣接觸， 若導(dǎo)向活塞的表面發(fā)黑防護(hù)層被破壞，則會(huì)引起表面腐蝕。 腐蝕后的導(dǎo)向活塞在與密封圈相互接觸運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)加劇密封圈的磨損，進(jìn)而造成密封失效。

3.4 表面處理因素分析

表面處理方式為發(fā)黑處理， 由于增壓缸的分解檢修周期為3 年，因此中性鹽霧試驗(yàn)的時(shí)間按照標(biāo)準(zhǔn)要求的[4]的NSS 試驗(yàn)方法，要求3h 以上（相當(dāng)于環(huán)境中3 年），同時(shí)結(jié)合車門耐久試驗(yàn)完成了6 萬(wàn)次的動(dòng)作試驗(yàn)。 但并未對(duì)兩種工況進(jìn)行綜合評(píng)估， 地面試驗(yàn)驗(yàn)證和列車運(yùn)用的實(shí)際工況存在偏離。

圖8 導(dǎo)向活塞密封不良導(dǎo)致漏油

3.5 故障件拆解

通過(guò)拆解發(fā)現(xiàn)，密封件密封失效（磨損、變形、老化），導(dǎo)向活塞表面粗超度嚴(yán)重超過(guò)正常的Ra0.8）限值，具有明顯的磨損后腐蝕痕跡。

3.6 分析結(jié)論

通過(guò)上述分析， 導(dǎo)向活塞部位漏油的主要原因?yàn)閷?duì)導(dǎo)向活塞的表面防護(hù)層在磨損和腐蝕疊加工況下的綜合評(píng)估不足導(dǎo)致表面腐蝕。 在與密封圈相互接觸運(yùn)動(dòng)時(shí)加劇密封圈的磨損，造成密封失效形成滲漏。

4 改進(jìn)方案及驗(yàn)證

4.1 改進(jìn)方案

基于不改變結(jié)構(gòu)的前提下， 通過(guò)改變表面處理方式進(jìn)行耐蝕性及耐磨性提升， 目前的主流較經(jīng)濟(jì)的表面處理方式為表面鍍鎳磷、表面鍍鉻、表面磷化、表面發(fā)黑四種方案。 目前導(dǎo)向活塞基體為45 鋼并經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，硬度偏低為HBS200（相當(dāng)于HV200），表面磷化和表面發(fā)黑不能提升表面硬度，導(dǎo)致耐磨性稍差。

關(guān)于鍍鎳磷處理已有研究，工藝方案已經(jīng)相當(dāng)成熟，可以有效提升硬度和耐磨性能[2-3]。

關(guān)于鍍鉻處理屬于成熟工藝，也可以有效提升硬度，但對(duì)于導(dǎo)向活塞端頭的螺紋加工表面較難處置。

采用鍍鎳磷和鍍鉻處理， 根據(jù)樣件實(shí)測(cè)值鍍鎳磷后硬度可達(dá)HV560 左右、 鍍鉻后硬度可達(dá)了HV987 左右。較原表面硬度提升2 到4 倍以上。

針對(duì)上述四種方案開展地面驗(yàn)證，選取較優(yōu)的技術(shù)方案。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)對(duì)疊加工況評(píng)估不足問(wèn)題，分步開展試驗(yàn)驗(yàn)證，首先根據(jù)目前的主流表面處理方式，制作表面鍍鎳磷、表面鍍鉻、表面磷化、表面發(fā)黑四種方案進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)對(duì)比；鹽霧試驗(yàn)3h 后無(wú)明顯銹蝕，具體狀態(tài)如圖9 所示。

圖9 3h 鹽霧試驗(yàn)后不同方案的對(duì)比

繼續(xù)進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，10h 鹽霧試驗(yàn)后鍍鎳磷表面無(wú)銹跡，其余方案均出現(xiàn)不同程度銹蝕。具體如圖10 所示。

圖10 10h 鹽霧試驗(yàn)后不同方案的對(duì)比

選擇3h 鹽霧試驗(yàn)后的缸后進(jìn)行耐久動(dòng)作試驗(yàn)，6 萬(wàn)次耐久后表面鍍鎳磷和表面鍍鉻的整體狀態(tài)較好， 表面無(wú)異常。表面磷化和表面發(fā)黑的整體狀態(tài)較差，均出現(xiàn)了不同程度的磨蝕，導(dǎo)向活塞狀態(tài)如圖11 所示。

圖11 鹽霧、耐久組合試驗(yàn)后不同方案的對(duì)比

根據(jù)上述的鹽霧試驗(yàn)和動(dòng)作試驗(yàn)對(duì)比情況來(lái)看表面鍍鎳磷和表面鍍鉻均能滿足運(yùn)用要求， 表面磷化和表面發(fā)黑方案不滿足運(yùn)用要求， 但表面鍍鎳磷對(duì)環(huán)境耐蝕性優(yōu)于鍍鉻。

4.3 改進(jìn)效果評(píng)價(jià)

表面鍍鎳磷方案自實(shí)施后基本解決了檢修周期內(nèi)導(dǎo)向活塞部位滲漏問(wèn)題， 地面驗(yàn)證和實(shí)際運(yùn)用的效果基本一致。

5 結(jié)論

本文針動(dòng)車組側(cè)門用增壓缸漏油問(wèn)題展開了技術(shù)分析找出了滲漏原因，并行了試驗(yàn)驗(yàn)證比選研究。

側(cè)門用增壓缸滲漏的主要原因?yàn)閷?duì)運(yùn)動(dòng)磨損部件的耐腐蝕綜合評(píng)估不足導(dǎo)致， 單個(gè)因素分別測(cè)試存在明顯缺陷。

針對(duì)增壓缸導(dǎo)向活塞滲漏問(wèn)題， 采用表面鍍鎳磷的方案可以滿足運(yùn)用檢修周期的要求。

針對(duì)運(yùn)用環(huán)境的多因素影響可以采用逐項(xiàng)分解順序驗(yàn)證的方案開展，但需要進(jìn)一步開展相應(yīng)的研究及驗(yàn)證工作。