張成國，趙亞棟，姚小沛，劉寶安，王建國

(1 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081;2 中國北車集團(tuán) 齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司，黑龍江齊齊哈爾161002)

緊急閥是為改善列車緊急制動性能而設(shè)置，作用是在緊急制動時，產(chǎn)生強(qiáng)烈的列車管緊急局部減壓，加快列車管的排氣速度，提高列車制動機(jī)緊急制動的靈敏度及可靠性，提高緊急制動波速，改善緊急制動性能［1］。緊急活塞桿是120型緊急閥的關(guān)鍵零件之一，為中孔結(jié)構(gòu)(圖1)，在列車管充氣時將列車管的壓縮空氣導(dǎo)入緊急室內(nèi)，在緊急制動時緊急室內(nèi)壓縮空氣在緊急活塞上部形成背壓，推動緊急活塞下移，頂桿頂開先導(dǎo)閥消除放風(fēng)閥背壓后打開放風(fēng)閥放風(fēng)，確保緊急制動作用。

某車輛段在檢修和組裝120閥時，連續(xù)發(fā)生7起12根緊急活塞桿斷裂故障，斷裂部位均在頭部和桿部連接處，具體情況見表1。在運(yùn)用過程中緊急活塞桿發(fā)生斷裂出現(xiàn)“時起緊急，時不起緊急”的現(xiàn)象，影響鐵路行車安全。針對車輛段發(fā)生的部分緊急活塞桿低于組裝力矩40±3 N·m［2］而于頭部和桿部連接處扭斷的問題，原鐵道部委托成立的120閥慣性質(zhì)量攻關(guān)組進(jìn)行分析，以查明原因，制定對應(yīng)措施。

1 緊急活塞桿扭斷強(qiáng)度校核

圖1給出了緊急活塞桿的剖面圖。車輛段發(fā)生斷裂的緊急活塞桿斷裂位置均位于頭部和桿部連接處，此處壁厚最薄，僅為2 mm。

本文對HPb59－1材質(zhì)緊急活塞桿的此薄弱處進(jìn)行扭矩強(qiáng)度校核，以確定圖樣的此處尺寸設(shè)計(jì)是否合理。緊急活塞桿縱向呈階梯桿狀，但組裝時扭矩作用在Φ16部分及與頭部連接處，因此在強(qiáng)度校核時仍按空芯

表1 車輛段緊急活塞桿的斷裂故障情況

軸計(jì)算，緊急活塞桿不被扭斷的最大扭矩為

式中D和d分別為活塞桿扭矩作用處截面的外徑和內(nèi)徑，其中D=16 mm，d=12 mm。脆性材料構(gòu)件斷裂時的極限應(yīng)力是強(qiáng)度極限σb，緊急活塞桿在組裝時均勻加載，因此活塞桿可認(rèn)為受靜載荷作用，［τ］與［σ］之間存在以下關(guān)系［3］:

其中，脆性材料許用應(yīng)力，nb為安全系數(shù)。一般機(jī)械制造中靜載情況下脆性材料nb可在 2 ～3.5 中取值［4］。

銅合金棒材的σb主要參考標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 4423－2007《銅及銅合金拉制棒》［5］和 GB13808 －1992《銅及銅合金擠制棒》［6］，但緊急活塞桿用哪種當(dāng)前未明確規(guī)定。直徑20～40 mm的HPb59－1拉制棒σb為390 MPa，對nb等取極值(［τ］/［σ］=0.8，nb=3.5)和(［τ］/［σ］=1.0，nb=2.0)計(jì)算，許用扭矩范圍為 49.0～107.15 N·m。若取銅擠制棒σb=365 MPa，按極限值(［τ］/［σ］=0.8，nb=3.5)和(［τ］/［σ］=1.0，nb=2.0)，許用扭矩范圍為45.84 ～80.23 N·m。即在極端情況下，許用扭矩極小值與組裝要求力矩相比裕度不大。

實(shí)際使用中，棒材的σb多略高于標(biāo)準(zhǔn)要求，如中國鐵道科學(xué)研究院(鐵科院)使用的銅合金拉制棒，本文測試的σb即為425 MPa，高于GB/T 4423要求的390 MPa。若以425 MPa的實(shí)際σb計(jì)算，則許用扭矩范圍為53.38～116.77 N·m，其極限情況下的裕度仍不很大;對于擠制棒因無棒材未進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 緊急活塞桿剖面圖

2 緊急活塞桿實(shí)物驗(yàn)證

為驗(yàn)證強(qiáng)度校核結(jié)果，進(jìn)行了實(shí)物驗(yàn)證。首先對試驗(yàn)用的緊急活塞桿進(jìn)行了化學(xué)成分分析和力學(xué)性能檢測，以確定其是否符合設(shè)計(jì)要求。

2.1 試驗(yàn)用緊急活塞桿的化學(xué)成分

緊急活塞桿化學(xué)成分分析在OBLF750直讀光譜儀上進(jìn)行，激發(fā)區(qū)在活塞桿頭部，分析結(jié)果見表2。緊急活塞桿化學(xué)成分未發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)含量超標(biāo)，符合GB/T 5231－2001《加工銅及銅合金化學(xué)成分和產(chǎn)品形狀》［7］中HPb59－1的技術(shù)條件要求。眉山制動科技有限公司對車輛段低扭矩?cái)嗔训木o急活塞桿也進(jìn)行了化學(xué)成分分析，主加元素Pb含量符合要求(表2)［8］。

表2 緊急活塞桿的化學(xué)成分

2.2 試驗(yàn)用緊急活塞桿棒料的力學(xué)性能

對試驗(yàn)用緊急活塞桿的原棒料按GB/T 228－2002制備拉伸試樣并進(jìn)行試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)在SANS微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行;硬度測試在TH606數(shù)顯布氏硬度計(jì)上進(jìn)行，測試結(jié)果見表3。抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均符合GB/T 4423－2007《銅及銅合金拉制棒》［5］中HPb59－1的技術(shù)條件要求;異常斷裂緊急活塞桿的硬度分布較寬。

表3 緊急活塞桿(棒料)的力學(xué)性能及硬度

2 .3 緊急活塞桿扭斷強(qiáng)度試驗(yàn)

組裝前對試驗(yàn)的緊急活塞桿進(jìn)行尺寸檢測，均符合設(shè)計(jì)要求。將緊急活塞桿按照組裝結(jié)構(gòu)組裝成緊急活塞部，專用工具夾緊活塞桿頭部銑扁處，用力矩扳手對M16×1.5壓緊螺母緊固，緊固過程中勻速加載。鐵科院緊急活塞桿的扭斷力矩為90～145 N·m(表4)［9］;攻關(guān)組對各工廠家的緊急活塞桿也進(jìn)行了扭斷試驗(yàn)，斷裂扭矩為58～121 N·m(表4)［9］。兩次實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證雖未發(fā)現(xiàn)存在低于組裝要求力矩扭斷的情況，但需注意的是120閥質(zhì)量攻關(guān)組對各工廠緊急活塞桿從各主機(jī)廠抽檢試驗(yàn)的結(jié)果離散度較大(表4)［9］，最低值僅為58 N·m，而最高值則達(dá)到121 N·m。斷裂力矩的高度離散性說明需加強(qiáng)緊急活塞桿的質(zhì)量穩(wěn)定性控制。

表4 緊急活塞桿斷裂扭矩

3 宏觀斷口和顯微組織分析

3.1 宏觀斷口

緊急活塞桿的斷口形貌見圖2，異常斷裂的活塞桿斷口較平齊，未發(fā)生明顯的塑性變形(圖2b)。試驗(yàn)用緊急活塞桿斷口扭轉(zhuǎn)變形的痕跡清晰，塑性變形明顯，斷口由多個金屬光澤的臺階面構(gòu)成，撕裂特征明顯，撕裂溝較深，顯示在扭斷過程中吸收了更多的變形能(圖2a)。緊急活塞桿安裝密封圈的孔嚴(yán)重變形，分解后密封圈有不同程度變形或損傷，部分活塞桿螺紋損傷(圖文中未給出)。

圖2 緊急活塞桿斷口

3.2 顯微組織

對緊急活塞桿進(jìn)行顯微組織分析(圖3)。異常斷裂與試驗(yàn)用緊急活塞桿的顯微組織均為α+β+Pb相，灰色基體為β相，白色棒狀和片針狀為α相，散布于基體上的黑點(diǎn)狀物為游離鉛。試驗(yàn)用緊急活塞桿的晶粒細(xì)小，α相均勻彌散(圖3a);而異常斷裂緊急活塞桿的晶粒組織顯著粗大(圖3b)，這種粗大的組織可能與原銅合金棒料的成型工藝或熱處理有關(guān)。

車輛段異常斷裂的緊急活塞桿其Pb元素含量符合要求，其他雜質(zhì)元素未進(jìn)行測量，宏觀斷口較平齊，斷裂前未發(fā)生明顯的塑性變形，這種斷裂形式可能與其粗大的晶粒組織有關(guān)，而顯微組織需從棒料及緊急活塞桿的制造、熱處理工藝上加以控制，尤其要注意加工下料時的料頭、料尾檢查。

圖3 緊急活塞桿的金相組織

4 結(jié)論及措施建議

本文對120閥緊急活塞桿進(jìn)行扭矩強(qiáng)度校核和實(shí)物驗(yàn)證，并對異常斷裂與試驗(yàn)用的緊急活塞桿進(jìn)行了宏觀斷口、顯微組織的對比。

(1)強(qiáng)度校核發(fā)現(xiàn)，極端不利情況下緊急活塞桿的許用扭矩僅略高于組裝要求力矩，特別是對于執(zhí)行GB 13808－1992《銅及銅合金擠制棒》的緊急活塞桿。為此建議對緊急活塞桿所用的銅合金棒材，明確優(yōu)先執(zhí)行GB/T 4423－2007《銅及銅合金拉制棒》以在極端情況下保留較大的裕度。

(2)對異常斷裂與試驗(yàn)用活塞桿宏觀斷口、顯微組織的分析，異常斷裂緊急活塞桿斷口平齊，無明顯塑性變形，晶粒組織粗大，這種粗大的晶粒組織會導(dǎo)致材料力學(xué)性能惡化。建議在緊急活塞桿制造過程中加強(qiáng)料頭、料尾及批次質(zhì)量穩(wěn)定性的控制。

［1］夏寅蓀，吳培元.120型空氣制動機(jī)［M］.北京:中國鐵道出版社，1995.

［2］四川制動科技股份有限公司.120型貨車空氣控制閥技術(shù)條件(MSP120FJT)［S］.2010.

［3］單輝祖.材料力學(xué)教程［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［4］徐 灝.安全系數(shù)與許用應(yīng)力［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

［5］GB/T 4423.銅及銅合金拉制棒［S］.2007.

［6］GB 13808.銅及銅合金擠制棒［S］.1992.

［7］GB/T 5231.加工銅及銅合金化學(xué)成分和產(chǎn)品形狀［S］.2001.

［8］安 鴻.關(guān)于120閥緊急活塞扭斷故障的分析報(bào)告［R］.成都:四川制動科技股份有限公司.2011.

［9］呂 英.120閥質(zhì)量攻關(guān)小組故障閥檢測報(bào)告［R］.北京:北京南車時代機(jī)車車輛有限公司.2011.