动车组截断塞门失效分析及失效验证

徐立立，李慧，杜胜杰，李焕

（广州广电计量检测股份有限公司，广州 510656）

引言

动车组截断塞门用来关闭制动管，截断总风缸向制动管充风的通路，工作过程中长期处于导通状态，当列车由于各种因素导致制动不缓解或者需要检修时，需要操作截断塞门以保证可拖曳或运维[1]。截断塞门一旦出现故障，将对列车运行乃至人身安全产生重大影响。截断塞门使用过程中出现了多例密封性失效，将导致不能充分关闭气压管路，有潜在危险因素。

本文，首先总结截断塞门实际使用中工作环境，根据截断塞门的工作环境确定导致其可能出现的失效模式；随后对截断塞门进行相应的环境应力试验验证，确定影响截断塞门失效的敏感因素；最后提出相应的改进建议措施。

1 截断塞门工作环境分析

动车组截断塞门处于动车裙板内、车底，是直接与外部环境接触的。通过调研得知，其工作过程经历了温度、振动、腐蚀以及疲劳等应力的考核，这些环境应力将导致截断塞门出现失效。产品在高温的条件下，会导致其组成结构中不同材料由于膨胀系数不一导致变形；同时高温条件下会导致内部有机材料[2]，如密封橡胶圈发生老化、气泡以及裂纹，最终导致截断塞门漏气。截断塞门除了受高温环境的影响，实际运行过程中还要受振动的影响。振动主要包括正弦扫频和随机振动，产品在实际使用过程中所遇到的都是随机性质的振动。振动对截断塞门的结构及工作性能均会产生影响，会导致结构上的弯曲、变形，更严重的时候会导致发生裂纹；同时振动会导致工作不正常、接触件接触不良等。截断塞门在使用过程中，可能会遇到自然和诱发的腐蚀大气环境，如盐雾、二氧化硫等。自然大气腐蚀主要是盐雾。盐雾的危害性主要体现在对金属及各种金属镀层的强烈腐蚀，当因为腐蚀而发生化学反应后，不仅零部件表面会遭到损坏，还会使机械强度下降；同时盐雾还会影响电气效应，导致绝缘材料及金属被损坏，影响导电性能[3]。截断塞门工作的过程是切断空气制动的过程，此过程中将承受一定的空气压力，长时间处于这种状态导致截断塞门出现静压疲劳失效。

截断塞门在使用过程中，出现了密封不严、漏气的失效模式。因此，设计相应的试验验证其工作中所经历的环境，验证截断塞门出现失效的敏感环境及敏感部位，为后期的改进提供相应的措施。

2 截断塞门失效应力验证及分析

2.1 腐蚀环境验证及分析

根据截断塞门的安装位置，考虑截断塞门将承受自然的大气腐蚀，一般以盐雾为主[4]。因此，选择2件截断塞门进行528 h的中性盐雾试验，试验后样品未见明显腐蚀。试验条件见表1，试验前后样品外观见图1。

表1 盐雾试验条件

图1 试验前后样品外观

以上盐雾试验，以24 h为一个观察周期，共经历了22个周期的观察测试，样品表面有白色盐雾沉降，未发现明显腐蚀与锈渍，导通性能良好，内部线路无腐蚀，内部无盐雾痕迹，气密性良好。可以推测，截断塞门在自然环境中耐腐蚀性较好，南部城市的湿热空气、海滨城市的环境和雨水等自然环境不是截断塞门的主要故障因素，也不是其薄弱环节，对于其整体寿命的影响也较小。

2.2 高温环境验证及分析

根据分析，高温条件仅对塑料、橡胶等有机材料影响较大[5]。而截断塞门的密封圈是橡胶材质的，并且密封橡胶圈是长时间保持被压缩的状态，依据GB/T 20028-2005，橡胶材料的压缩性在高温条件下随着时间的延长是逐渐衰退的。因此，选择橡胶密封圈30件，分成三组，每组10件分别进行240 h的热老化试验，其温度点分别为80 ℃、95 ℃和110 ℃。每隔80 h进行其压缩应力比的测试，测试结果如表2所示。

表2 不同温度下压缩永久变形率的指标参数

根据测试结果得知，橡胶密封圈80 ℃、95 ℃、110 ℃的160 h后的压缩永久变形要比80 h严重，而达到了240 h后，其压缩永久变形更是下降到89 %。因此，橡胶密封圈在承受压缩的条件下，长时间的高温会导致其压缩永久变形的形变加大，其弹性降低，会导致截断塞门出现泄漏的风险。

2.3 振动环境验证及分析

截断塞门在使用过程中，还要承受列车振动的影响。依据GB/T 21563-2018，对截断塞门进行长寿命振动及振动验证试验，试验后进行检测，确定振动是否对截断塞门产生影响。依据标准，选择B级车体安装产品进行模拟长寿命振动试验，详细试验条件见表3。

表3 功能随机振动及模拟长寿命振动

振动试验后，检测截断塞门的外观，气密性测试，均未发现有异常。说明振动环境对截断塞门的影响较小。

2.4 静压力验证及分析

结合截断塞门实际工作的特性，选择3件新品，9件旧品进行静压试验。试验共计进行1 900次，试验中每隔100次检查样品的气密性。其中2件旧品分别在第1 700次与1 900次时气密性失效，试验条件如表4所示。试验过程如图2所示。

表4 静压寿命试验条件

图2 静压试验过程

3 结果分析

根据截断塞门工作环境特性，分别对截断塞门及其组成部件进行了盐雾、高温、振动以及静压的验证试验。盐雾试验、振动试验后，样品无任何异常。高温试验后，密封圈的弹性迷明显变差；静压试验后，有2件样品出现密封失效。对其内部电路进行X-RAY检查未发现明显异常，如图3所示。对失效密封圈进行成分分析[6]，对比新件结果如图4所示。由其成分显示，未发生明显变化，因此可以判断其密封失效是由于密封圈老化导致。

图3 截断塞门内部结构

图4 失效密封圈红外光谱图

4 结论及建议

4.1 结论

通过对截断塞门工作环境分析、试验验证以及验证结果的分析，发现截断塞门在自然环境中耐腐蚀性较好，南部城市的湿热空气、海滨城市的环境和雨水等自然环境不是截断塞门的主要故障因素，也不是其薄弱环节，对于其整体寿命的影响也较小。通过对密封圈的老化试验，发现密封圈的压缩永久变形率较大，对密封圈的寿命有较大影响。最后通过对新、旧样品的静压试验以及截断塞门内部的结构以及密封圈化学特性分析，得出截断塞门密封失效是由于密封圈老化导致。

4.2 建议

截断塞门金属外壳与电路密封部分耐腐蚀性较高、耐振动性较好，但其内部密封圈长期处于挤压与高温环境，其工作应力较高，寿命较低，综合以上研究，建议如下：

1）建议尝试新型配方或材料替代原有密封圈产品。

2）建议定期检查线路气密性，截断塞门开闭稳定性。