申燕飛，劉亞梅，安 鴻

(四川制動(dòng)科技股份有限公司 制動(dòng)技術(shù)研究所，四川眉山620010)

120型貨車空氣控制閥自1993年6月通過原鐵道部鑒定開始裝車以來，經(jīng)過近20年的不斷改進(jìn)，對鐵路貨車的技術(shù)進(jìn)步起到了積極作用。同時(shí)，經(jīng)過多年的生產(chǎn)和運(yùn)用實(shí)踐，也暴露出在設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)用中存在的一些問題。因此2011年7月，原鐵道部運(yùn)輸局裝備部組織各相關(guān)單位成立120閥慣性質(zhì)量問題攻關(guān)小組，對120閥的常見故障進(jìn)行深入分析研究，找出其關(guān)鍵特性控制要點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)120閥的性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠。

現(xiàn)就120緊急閥為例，從緊急閥的性能要求出發(fā)，對其設(shè)計(jì)、制造過程進(jìn)行深入分析，識(shí)別其關(guān)鍵特性控制項(xiàng)點(diǎn)，并總結(jié)出產(chǎn)品精益研發(fā)的思路和方法，以供今后設(shè)計(jì)相關(guān)產(chǎn)品時(shí)借鑒參考。

1 120緊急閥的結(jié)構(gòu)及性能

緊急閥是120控制閥中一個(gè)重要組成部件，其作用是在緊急制動(dòng)時(shí)加快列車管的排氣，使緊急制動(dòng)的作用可靠，提高緊急制動(dòng)靈敏度，從而提高緊急制動(dòng)波速。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

緊急活塞的上腔經(jīng)緊急閥蓋和緊急閥體內(nèi)的暗道與中間體內(nèi)緊急室相通。緊急活塞的下腔經(jīng)中間體內(nèi)的通路與列車制動(dòng)管相通。放風(fēng)閥桿的下腔經(jīng)放風(fēng)閥蓋和緊急閥體內(nèi)的暗道也與列車制動(dòng)管相通。

圖1 120緊急閥結(jié)構(gòu)原理圖

常用制動(dòng)時(shí)，隨著緊急活塞下腔的列車管壓力下降，緊急活塞上腔的緊急室壓力空氣經(jīng)緊急活塞桿上部限孔Ⅳ、中部限孔Ⅲ和緊急活塞桿下端面孔口向緊急活塞下腔逆流，故緊急活塞兩側(cè)不會(huì)形成足以壓縮安定彈簧的壓力差，加上緊急活塞桿的下端面與先導(dǎo)閥頂桿間有3 mm左右的間隙，故先導(dǎo)閥及放風(fēng)閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，緊急閥不發(fā)生作用。緊急制動(dòng)時(shí)，緊急活塞上腔的緊急室壓力空氣先經(jīng)緊急活塞桿上部限孔Ⅳ、中部限孔Ⅲ向列車管逆流，繼而緊急活塞兩側(cè)形成足以更多壓縮安定彈簧的壓力差時(shí)，緊急活塞下移，下移量為3 mm時(shí)，緊急活塞桿下端面與先導(dǎo)閥頂桿接觸并克服先導(dǎo)閥彈簧阻力，通過先導(dǎo)閥頂桿向下頂開先導(dǎo)閥，于是，列車管壓力空氣經(jīng)開啟的先導(dǎo)閥口、放風(fēng)閥桿的徑向孔a排入大氣。此時(shí)，緊急活塞放風(fēng)閥上方的列車管壓力空氣因縮孔Ⅵ的限制，不能更多地流向放風(fēng)閥桿下方，因此，放風(fēng)閥背壓急劇降低，當(dāng)緊急活塞繼續(xù)下移超過1 mm時(shí)，緊急活塞桿下端面頂開放風(fēng)閥，列車管壓力空氣迅速排入大氣，形成緊急制動(dòng)放風(fēng)作用。

2 120緊急閥的關(guān)鍵特性分析

從緊急閥的性能要求可知，120緊急閥主要有兩大關(guān)鍵特性，即安定性和緊急靈敏度。通過分析其結(jié)構(gòu)原理可知，影響緊急閥兩大關(guān)鍵特性的因素主要有緊急活塞桿下端面與先導(dǎo)閥頂桿間距離、緊急活塞桿上逆流孔尺寸以及安定彈簧的組裝尺寸等。因此，根據(jù)緊急閥的結(jié)構(gòu)原理，基于目前緊急閥的生產(chǎn)用圖，按照GB/T 5847－2004《尺寸鏈 計(jì)算方法》，對120緊急閥的相關(guān)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)尺寸鏈分析如下。

2.1 緊急活塞桿下端面與先導(dǎo)閥頂桿之間距離分析

試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)該距離小于3 mm時(shí)，緊急靈敏度多在40 kPa以下，距離為3 mm左右時(shí)，緊急靈敏度約為50 kPa，距離為4 mm左右時(shí)，緊急靈敏度約為80 kPa，距離為5 mm左右時(shí)，緊急靈敏度約為100 kPa。緊急閥在試驗(yàn)臺(tái)上標(biāo)準(zhǔn)要求“列車管減壓160 kPa以前應(yīng)發(fā)生緊急放風(fēng)作用”，且根據(jù)實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)緊急靈敏度小于40 kPa時(shí)，緊急閥容易在運(yùn)行過程中起意外緊急。因此，應(yīng)將緊急活塞桿下端與頂桿間的距離控制在3 mm～5 mm左右，從而將緊急閥的靈敏度控制在40～100 kPa左右，才能保證緊急閥的性能達(dá)到最佳。

表1 緊急活塞桿下端面與先導(dǎo)閥頂桿間距離與緊急閥性能關(guān)系

通過對目前圖紙進(jìn)行尺寸鏈分析，緊急活塞桿下端面與先導(dǎo)閥頂桿之間距離為3.8mm，即最大值為5.034 mm，最小值為2.397 mm。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知，該距離的名義尺寸取3.8 mm較為合理，但尺寸公差范圍較大，尤其下限值過小，若制造過程中相關(guān)尺寸控制不好，容易造成緊急活塞桿下端面與先導(dǎo)閥頂桿之間距離過小，使緊急閥在運(yùn)用中起意外緊急。因此，應(yīng)對相關(guān)尺寸的公差范圍進(jìn)行調(diào)整，使該距離控制在3～5 mm范圍內(nèi)。

2.2 緊急活塞桿逆流孔尺寸分析

緊急活塞桿軸向限孔Ⅲ的孔徑和長度，影響緊急室壓縮空氣向列車管逆流的速度。若孔徑過小或長度過長，則當(dāng)列車管常用制動(dòng)減壓時(shí)，緊急室壓縮空氣不能很快向列車管逆流，使緊急活塞兩側(cè)形成較大壓差，產(chǎn)生意外緊急制動(dòng)作用。

2.3 安定彈簧組裝尺寸分析

安定簧過軟或其在閥內(nèi)的組裝尺寸控制不好，當(dāng)緊急活塞兩側(cè)形成壓差，加之車輛振動(dòng)較大時(shí)，也會(huì)引起緊急活塞下移，產(chǎn)生意外緊急制動(dòng)作用。

大量試驗(yàn)表明:隨著安定彈簧組裝負(fù)荷不斷增大，緊急靈敏度的值在增大，但增大值有限，當(dāng)組裝高度增加1 mm時(shí)，其緊急靈敏度值約增加3 kPa。說明在目前安定彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)下，安定彈簧組裝尺寸對緊急閥性能影響較小，只需在制造過程中對安定簧的設(shè)計(jì)參數(shù)及其組裝尺寸加強(qiáng)控制即可。

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3 120緊急閥的設(shè)計(jì)改進(jìn)

通過上述對緊急閥的關(guān)鍵特性分析以及在實(shí)際生產(chǎn)過程中暴露出的問題表明，目前緊急閥的設(shè)計(jì)存在不足，需要進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，主要表現(xiàn)在以下幾方面，緊急閥圖樣改進(jìn)示例如圖2所示。

(1)部分零件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)選擇不當(dāng)，尺寸標(biāo)注不合理，導(dǎo)致尺寸公差累計(jì)較大。故應(yīng)合理選擇設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，減少尺寸鏈組成環(huán)，縮小尺寸累計(jì)公差。主要有緊急閥蓋、放風(fēng)閥導(dǎo)向桿、緊急放風(fēng)閥組成、放風(fēng)閥芯軸和放風(fēng)閥蓋等。

(2)部分尺寸公差設(shè)計(jì)不合理。應(yīng)合理給定尺寸公差，使最終關(guān)鍵尺寸受控。主要有緊急活塞桿逆流孔尺寸、緊急上下活塞膠圈槽尺寸以及放風(fēng)閥口尺寸等。

(3)部分關(guān)鍵特性尺寸未做識(shí)別，導(dǎo)致關(guān)鍵尺寸不受控，最終使閥的關(guān)鍵特性不受控。故應(yīng)增加關(guān)鍵特性尺寸的檢驗(yàn)要求，實(shí)現(xiàn)緊急閥性能可控。主要體現(xiàn)在產(chǎn)品特性重要度分級表中增加緊急閥的關(guān)鍵特性尺寸檢驗(yàn)要求，如緊急活塞桿與頂桿間距離、緊急活塞桿上逆流孔尺寸、活塞上膠圈槽尺寸、放風(fēng)閥導(dǎo)向桿和緊急放風(fēng)閥組成等與性能相關(guān)的尺寸等。

圖2 緊急閥圖樣改進(jìn)示例(緊急活塞桿)

改進(jìn)后的120緊急閥，其緊急活塞桿下端面與先導(dǎo)閥頂桿間距離為mm(即 3.247 mm ～ 5.134 mm)，縮減了緊急逆流孔長度尺寸公差范圍，提高了緊急閥的安定性，控制了緊急靈敏度，從設(shè)計(jì)上保證了緊急閥的關(guān)鍵特性要求。

4 120緊急閥關(guān)鍵特性的過程控制

通過分析改進(jìn)后的設(shè)計(jì)圖樣，還對緊急閥進(jìn)行了工藝控制要點(diǎn)識(shí)別，并對這些要點(diǎn)通過技術(shù)要求進(jìn)行過程控制，旨在最大可能降低人為因素影響，以工藝和裝備來保證產(chǎn)品在制造過程中的質(zhì)量及效率。同時(shí)采取有效的檢測手段，以保證關(guān)鍵特性尺寸符合設(shè)計(jì)要求，最大限度實(shí)現(xiàn)過程可控。最終，從零部件的關(guān)鍵尺寸、表面質(zhì)量及試驗(yàn)等方面對120緊急閥共識(shí)別出約50項(xiàng)工藝控制要點(diǎn)。對識(shí)別出的工藝控制要點(diǎn)過程控制舉例如下。

示例:緊急閥體組成中φ45與φ12孔的同軸度要求 φ0.04(如圖3)

圖3 緊急閥體與放風(fēng)閥座的同軸度要求

該同軸度要求是為了保證緊急活塞桿在放風(fēng)閥座中運(yùn)動(dòng)靈活，不偏磨。若緊急活塞桿與放風(fēng)閥座組裝后同軸度差，活塞運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向不良，造成緊急活塞桿偏磨，則緊急制動(dòng)時(shí)，緊急活塞桿運(yùn)動(dòng)阻力加大，容易導(dǎo)致緊急制動(dòng)靈敏度差。因此將緊急閥體與放風(fēng)閥座的同軸度要求識(shí)別為加工過程中的工藝控制要點(diǎn)。

由于該同軸度為壓套后的同軸度要求，涉及緊急閥體和放風(fēng)閥座兩種零件，可壓套后再加工φ12H8內(nèi)孔，也可分別加工后再壓套，壓套后不再加工。通過對本公司生產(chǎn)能力的分析，選擇用精密數(shù)控車床加工緊急閥體及放風(fēng)閥座相關(guān)尺寸后再壓套即可保證該同軸度要求，因此，工藝要求及方法如下。

(1)數(shù)控車床加工緊急閥體，一次裝夾加工φ45H10及φ42H8內(nèi)孔。

(2)數(shù)控車床加工放風(fēng)閥座，一次裝夾加工φ42v7外圓及φ12H8內(nèi)孔。

(3)用專用工裝將放風(fēng)閥座壓入緊急閥體。

檢測方法:

(1)由于該同軸度主要靠設(shè)備及工裝來保證，故每半年對設(shè)備及工裝進(jìn)行檢查校正。

(2)按照產(chǎn)品抽樣檢查辦法抽樣，用三坐標(biāo)檢測儀對該同軸度進(jìn)行檢測。

按照優(yōu)化后的緊急閥設(shè)計(jì)圖樣及改進(jìn)后的新工藝要求，進(jìn)行了50套小批量試制，從性能試驗(yàn)結(jié)果看，優(yōu)化后的緊急閥其緊急靈敏度基本維持在50～80 kPa之間，性能穩(wěn)定可靠，質(zhì)量可控。目前，優(yōu)化后的120閥設(shè)計(jì)圖樣已通過了中國鐵路總公司評審，并要求自2013年7月1日起新生產(chǎn)的120閥應(yīng)符合新圖樣規(guī)定。

5 精益研發(fā)思路總結(jié)

回顧整個(gè)120緊急閥的設(shè)計(jì)改進(jìn)過程，結(jié)合精益研發(fā)的理念，筆者認(rèn)為在今后進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)時(shí)，應(yīng)按照以下思路進(jìn)行。

(1)首先從產(chǎn)品的性能要求出發(fā)，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求，合理確定設(shè)計(jì)尺寸鏈，從設(shè)計(jì)源頭保證產(chǎn)品性能;

(2)其次要準(zhǔn)確識(shí)別產(chǎn)品的關(guān)鍵特性及關(guān)鍵過程控制要點(diǎn)，并以工藝和裝備來保證產(chǎn)品質(zhì)量，盡量降低人為因素影響，實(shí)現(xiàn)制造過程可控;

(3)第3要加強(qiáng)對關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)的檢驗(yàn)要求，對影響產(chǎn)品關(guān)鍵特性的尺寸可檢可控，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能穩(wěn)定、全生命周期質(zhì)量可控的目的。

［1］ 夏寅蓀，吳培元，等.120型空氣制動(dòng)機(jī)［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［2］ GB/T 5847－2004.尺寸鏈計(jì)算方法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.