轨道车辆单向阀振动异响分析及处理措施

秦嗣峰 张立国 梁德龙 王寿峰 汪 松

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266000)

0 引言

列车振动噪声是乘客舒适性的重要评价指标之一。单向阀作为轨道车辆空气制动管路中的重要零部件，在上游压缩空气输送被中断时，可防止已经输送到下游用风设备中的压缩空气逆向回流[1]。一旦单向阀出现振动异响，有可能影响乘客的乘车舒适性。本文针对单向阀振动异响问题，从单向阀的结构原理、振动模态等方面进行分析，提出了相应的优化方案，并进行了试验验证，为后期出现同类问题提供参考。

1 问题描述

轨道车辆上偶发了多起单向阀异响问题，故障现象均为气流通过时单向阀产生高频振动，并发出“嗡嗡”异响，发生异响时车辆总风压力均在正常范围内。

2 设计原理

2.1 系统原理

在轨道车辆的空气管路中，总风管与下游风缸之间会设置一个单向阀，用于防止下游风缸的压缩空气逆流回总风管，以保证下游用风装置不受总风管内空气压力低的影响。单向阀位置如图1所示。

图1 单向阀气路原理

2.2 结构原理

单向阀由阀体、阀盘、阀座、弹簧、密封圈等组成，如图2所示。气流方向参照图2的箭头方向，由A1口进入，由A2口输出。当A1口空气压力大于A2口空气压力时，气流从A1口进入，空气压力克服弹簧作用力推开阀盘，通过A2口输出；当A2口空气压力大于A1口空气压力时，A2口空气压力作用于阀盘，关闭阀口，达到止回的作用。

图2 单向阀结构

3 原因分析

3.1 故障调查

现车检查，单向阀安装状态良好，无漏风现象，单向阀处有明显“嗡嗡”异响传出，触摸单向阀阀体有振动现象，手动关闭支路上的截断塞门，异响消除，恢复塞门，重新出现异响振动。

拆下单向阀检查阀体外观状态良好，管路接口无异物。对故障单向阀进行分解检查，阀体、阀盘、弹簧、密封圈外观良好，未见异常，如图3所示。因此，单向阀异响问题并非单向阀本身缺陷导致。

图3 单向阀拆解各部件正常

3.2 故障复现

模拟单向阀现车安装状态，在地面搭建试验台，设备连接如图4所示，单向阀一端外接风源和140 L风缸(模拟总风管)，另一端外接50 L风缸(模拟下游风缸)，通过操作塞门3排气模拟现车工况，具体试验情况如下。

工况一：风源初充风过程中，风缸1压力约800 kPa，风缸2压力约400 kPa，两个风缸压差较大时，单向阀出现明显异响。

工况二：风压稳定后，两个风缸压力约 880 kPa，单向阀异响消除；打开塞门3进行排气，单向阀再次出现异响，响声较工况一小。

图4 试验设备连接示意

3.3 异响分析

单向阀受力分析图如图5所示。其中，PA1为单向阀进气侧(A1)压缩空气作用在阀盘上的力；PA2为单向阀排气侧(A2)压缩空气作用在阀盘上的力；F摩擦力为阀盘在运动过程中受到的摩擦力；F弹簧力为压缩弹簧作用在阀盘上的力。

图5 受力分析

随着下游用风装置的空气消耗，风缸压力值会下降至低于总风管压力，此时在力的作用下，单向阀阀盘由关闭状态转换为开启状态，主风管开始向下游风缸充气。由于充风起始时刻，上游管路与下游管路之间压差较大，管路系统中压力存在一定波动，单向阀阀盘左右两侧受力也是一个动态变化的过程，最终导致阀盘产生快速开启/关闭的共振运动状态，从而产生异响。当单向阀进气口(A1)和排气口(A2)压力趋近稳定时，阀盘将趋于稳定状态，异音逐渐消失。

根据故障复现情况和理论分析可知，造成单向阀异响的原因为单向阀两端压差较大时，气流通过速率高，气流扰动导致单向阀阀盘产生频繁振动发出异响。

3.4 振动模态分析

根据单向阀结构可知，与单向阀阀盘频繁振动相关的主要组成部件为单向阀内部弹簧及阀盘本身。基于以上，对单向阀阀盘进行了异响工况的振动模态分析，具体如下：

(1)对阀盘进行受力分析，阀盘两侧受到稳态力、瞬态力、弹簧力、摩擦力，结合阀口流量，建立阀体受力的常微分方程，求得数值解，然后进行傅里叶变换，求得气流扰动产生的激振频率为16.9 Hz。

(2)对阀盘组件(包括弹簧)的固有频率进行计算，固有频率计算公式如下[2]：

(1)

式中：m为阀盘组件的质量，为0.043 kg；k为弹簧的刚度，通过以下公式进行计算[3]：

(2)

式中：G为弹簧材料的切变模量，弹簧为不锈钢材质，切变模量为80 GPa；d为弹簧丝直径，为1 mm；D为弹簧直径，为17 mm；n为弹簧有效圈数，数值为6，计算得到弹簧刚度为339.2 N/m。

通过以上计算公式计算得到阀盘组件的固有频率为14.1 Hz，与气流的激振频率16.9 Hz 非常接近，由此导致共振产生异响。

4 优化措施

4.1 优化方案

通过以上分析，导致单向阀异响的原因为气流扰动与单向阀阀盘共振产生。为避免共振，根据公式(1)可考虑从两个方面对单向阀进行改善：改变弹簧刚度或改变阀盘组件的质量。本文在不改变单向阀外形及接口尺寸的前提下，从降低弹簧刚度的角度出发，将弹簧参数进行优化，弹簧丝直径为0.8 mm，弹簧直径为 18 mm，长度 23 mm，如图6所示。

4.2 方案验证

(1)对降低弹簧刚度后的阀盘组件进行固有频率计算，优化后的弹簧刚度为117.1 N/m， 阀盘组件固有频率为8.3 Hz，较气流激振频率 16.9 Hz小，不会发生共振。

图6 弹簧优化前后的对比

(2)选取优化后的弹簧安装于单向阀内， 分别模拟风缸1和风缸2不同压差时的排气试验，压差为100 kPa、200 kPa、400 kPa、600 kPa时，单向阀均未出现异响。

(3)对优化后单向阀进行气密性试验，出气口封闭，进气口通入1 000 kPa的压力空气，保压1 min，未发生泄漏。

(4)对优化后的单向阀进行止回功能试验，出气口通入50 kPa的压力空气，并保压1 min，未发生泄漏。

5 结束语

单向阀两端压差较大时，气流通过速率高，气流扰动产生的激振频率与单向阀阀盘组件的固有频率产生共振，从而导致单向阀发生异响。针对此种现象，从降低弹簧刚度的角度出发，对弹簧进行了优化，降低了阀盘组件固有频率，避免了与气流波动产生共振，从而达到消除异响的目的。该方案已在多个动车组项目上装车验证，效果良好。