動車組截斷塞門失效分析及失效驗證

徐立立，李慧，杜勝杰，李煥

（廣州廣電計量檢測股份有限公司，廣州 510656）

引言

動車組截斷塞門用來關閉制動管，截斷總風缸向制動管充風的通路，工作過程中長期處于導通狀態，當列車由于各種因素導致制動不緩解或者需要檢修時，需要操作截斷塞門以保證可拖曳或運維[1]。截斷塞門一旦出現故障，將對列車運行乃至人身安全產生重大影響。截斷塞門使用過程中出現了多例密封性失效，將導致不能充分關閉氣壓管路，有潛在危險因素。

本文，首先總結截斷塞門實際使用中工作環境，根據截斷塞門的工作環境確定導致其可能出現的失效模式；隨后對截斷塞門進行相應的環境應力試驗驗證，確定影響截斷塞門失效的敏感因素；最后提出相應的改進建議措施。

1 截斷塞門工作環境分析

動車組截斷塞門處于動車裙板內、車底，是直接與外部環境接觸的。通過調研得知，其工作過程經歷了溫度、振動、腐蝕以及疲勞等應力的考核，這些環境應力將導致截斷塞門出現失效。產品在高溫的條件下，會導致其組成結構中不同材料由于膨脹系數不一導致變形；同時高溫條件下會導致內部有機材料[2]，如密封橡膠圈發生老化、氣泡以及裂紋，最終導致截斷塞門漏氣。截斷塞門除了受高溫環境的影響，實際運行過程中還要受振動的影響。振動主要包括正弦掃頻和隨機振動，產品在實際使用過程中所遇到的都是隨機性質的振動。振動對截斷塞門的結構及工作性能均會產生影響，會導致結構上的彎曲、變形，更嚴重的時候會導致發生裂紋；同時振動會導致工作不正常、接觸件接觸不良等。截斷塞門在使用過程中，可能會遇到自然和誘發的腐蝕大氣環境，如鹽霧、二氧化硫等。自然大氣腐蝕主要是鹽霧。鹽霧的危害性主要體現在對金屬及各種金屬鍍層的強烈腐蝕，當因為腐蝕而發生化學反應后，不僅零部件表面會遭到損壞，還會使機械強度下降；同時鹽霧還會影響電氣效應，導致絕緣材料及金屬被損壞，影響導電性能[3]。截斷塞門工作的過程是切斷空氣制動的過程，此過程中將承受一定的空氣壓力，長時間處于這種狀態導致截斷塞門出現靜壓疲勞失效。

截斷塞門在使用過程中，出現了密封不嚴、漏氣的失效模式。因此，設計相應的試驗驗證其工作中所經歷的環境，驗證截斷塞門出現失效的敏感環境及敏感部位，為后期的改進提供相應的措施。

2 截斷塞門失效應力驗證及分析

2.1 腐蝕環境驗證及分析

根據截斷塞門的安裝位置，考慮截斷塞門將承受自然的大氣腐蝕，一般以鹽霧為主[4]。因此，選擇2件截斷塞門進行528 h的中性鹽霧試驗，試驗后樣品未見明顯腐蝕。試驗條件見表1，試驗前后樣品外觀見圖1。

表1 鹽霧試驗條件

圖1 試驗前后樣品外觀

以上鹽霧試驗，以24 h為一個觀察周期，共經歷了22個周期的觀察測試，樣品表面有白色鹽霧沉降，未發現明顯腐蝕與銹漬，導通性能良好，內部線路無腐蝕，內部無鹽霧痕跡，氣密性良好。可以推測，截斷塞門在自然環境中耐腐蝕性較好，南部城市的濕熱空氣、海濱城市的環境和雨水等自然環境不是截斷塞門的主要故障因素，也不是其薄弱環節，對于其整體壽命的影響也較小。

2.2 高溫環境驗證及分析

根據分析，高溫條件僅對塑料、橡膠等有機材料影響較大[5]。而截斷塞門的密封圈是橡膠材質的，并且密封橡膠圈是長時間保持被壓縮的狀態，依據GB/T 20028-2005，橡膠材料的壓縮性在高溫條件下隨著時間的延長是逐漸衰退的。因此，選擇橡膠密封圈30件，分成三組，每組10件分別進行240 h的熱老化試驗，其溫度點分別為80 ℃、95 ℃和110 ℃。每隔80 h進行其壓縮應力比的測試，測試結果如表2所示。

表2 不同溫度下壓縮永久變形率的指標參數

根據測試結果得知，橡膠密封圈80 ℃、95 ℃、110 ℃的160 h后的壓縮永久變形要比80 h嚴重，而達到了240 h后，其壓縮永久變形更是下降到89 %。因此，橡膠密封圈在承受壓縮的條件下，長時間的高溫會導致其壓縮永久變形的形變加大，其彈性降低，會導致截斷塞門出現泄漏的風險。

2.3 振動環境驗證及分析

截斷塞門在使用過程中，還要承受列車振動的影響。依據GB/T 21563-2018，對截斷塞門進行長壽命振動及振動驗證試驗，試驗后進行檢測，確定振動是否對截斷塞門產生影響。依據標準，選擇B級車體安裝產品進行模擬長壽命振動試驗，詳細試驗條件見表3。

表3 功能隨機振動及模擬長壽命振動

振動試驗后，檢測截斷塞門的外觀，氣密性測試，均未發現有異常。說明振動環境對截斷塞門的影響較小。

2.4 靜壓力驗證及分析

結合截斷塞門實際工作的特性，選擇3件新品，9件舊品進行靜壓試驗。試驗共計進行1 900次，試驗中每隔100次檢查樣品的氣密性。其中2件舊品分別在第1 700次與1 900次時氣密性失效，試驗條件如表4所示。試驗過程如圖2所示。

表4 靜壓壽命試驗條件

圖2 靜壓試驗過程

3 結果分析

根據截斷塞門工作環境特性，分別對截斷塞門及其組成部件進行了鹽霧、高溫、振動以及靜壓的驗證試驗。鹽霧試驗、振動試驗后，樣品無任何異常。高溫試驗后，密封圈的彈性迷明顯變差；靜壓試驗后，有2件樣品出現密封失效。對其內部電路進行X-RAY檢查未發現明顯異常，如圖3所示。對失效密封圈進行成分分析[6]，對比新件結果如圖4所示。由其成分顯示，未發生明顯變化，因此可以判斷其密封失效是由于密封圈老化導致。

圖3 截斷塞門內部結構

圖4 失效密封圈紅外光譜圖

4 結論及建議

4.1 結論

通過對截斷塞門工作環境分析、試驗驗證以及驗證結果的分析，發現截斷塞門在自然環境中耐腐蝕性較好，南部城市的濕熱空氣、海濱城市的環境和雨水等自然環境不是截斷塞門的主要故障因素，也不是其薄弱環節，對于其整體壽命的影響也較小。通過對密封圈的老化試驗，發現密封圈的壓縮永久變形率較大，對密封圈的壽命有較大影響。最后通過對新、舊樣品的靜壓試驗以及截斷塞門內部的結構以及密封圈化學特性分析，得出截斷塞門密封失效是由于密封圈老化導致。

4.2 建議

截斷塞門金屬外殼與電路密封部分耐腐蝕性較高、耐振動性較好，但其內部密封圈長期處于擠壓與高溫環境，其工作應力較高，壽命較低，綜合以上研究，建議如下：

1）建議嘗試新型配方或材料替代原有密封圈產品。

2）建議定期檢查線路氣密性，截斷塞門開閉穩定性。