机车制动系统大流量减压阀漏风现象分析研究.pdf

第 5 期 总第 1 9 2期 2 0 1 5年 1 0月 机 械 工 程 与 自 动 化 M E CHANI CAL ENGI NEERI NG AUTOM AT1 0N No．5 0c t ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 5 0 5 0 1 1 3 0 3 机车制动系统大流量减压 阀漏风现象分析研 究 闫 剑 ，王俊 勇 西南交通大 学 机械 X - 程学院， 四川 成都 6 1 1 7 3 1 摘要 减压阀在气压 液压控 制系统 中发挥着重要作用 ，具有减压 和稳压功能 ，然 而机车制动 系统大 流量 减压 阀在实际使用过程 中出现溢 流孔 漏风 的现象 ，使得 输 出压 力 高于调定 压力 。以某 型号大 流量减 压 阀为 例，研究分析产生该 问题 的原因，并对关键构件重新设计解决 漏风问题。 关键词 大流量减压 阀；漏风 ；O型 圈 中图分 类号 TH1 3 7 ． 5 2 1 U2 6 0 ． 3 5 文献标识码 A 1 问题 的提 出 减压阀是气压 液压 控制系统的必备原件之一 ， 也是机车制动系统 中的重要元件。减压阀性能的好坏 不仅直接影响制动系统工作的稳定性 和可靠性 ， 甚至 影响到整个列车的运行安全 。 目前 ， 某型号大流量减压 阀在实际运用 中存在供 风后输 出压力高于调定压力的现象 ， 溢流 口一直漏风 ， 经过一段时间的调查 ， 发现 了可能导致这一现象 的两 点原因 ①供气 阀和总风之间的 O形 圈设计选用可能 存在问题 ， O形 圈的压缩变形量偏小 ， 在供 气阀动作 后 ， 总风压力从该 O形 圈泄漏到输 出口， 使得输 出口 压力高于调定压力 ， 且稳定不到调定 压力 ， 溢 流孔漏 风； ②供气 阀上 的弹簧预压力可能偏小 ， 使得供气阀不 能完全关闭， 总风一直给输出口供风 ， 输出口压力高于 调 定压 力 ， 且稳 定不 到 调定压 力 ， 溢流 孔漏 风 。本 文主 要根据某公司现有大流量减压 阀的相关结构数据， 针 对上述两点问题进行分析研究 ， 并提出相应解决方案。 2 大流 量 减压 阀工 作原 理 图 1为某大流量减压 阀结构示意图 ， 压缩空气从 进气 口进入 ， 经供气 阀后 ， 进入输 出腔室 ， 再从输 出口 输出。输 出口压力大小 由调压弹簧进行调节 ， 若顺时 针旋转调节螺杆 ， 调压弹簧被压缩 ， 输出腔室中的压缩 空气需要更高的压力才能使得活塞平衡 ， 从而使得输 出压力变高 ， 输出气压经反馈导 管作用在膜片上产生 向下的推力 ， 当该推力与调压弹簧作用力相平衡时 ， 减 压阀便有 稳定的压力输 出。如果输 出压 力超过调定 值 ， 膜片将离开平衡位置 而向下变形 ， 使 得溢流 阀打 开， 多余 的空气经溢流 口排人大气。当输出压力降至 调定值时 ， 溢流阀关闭， 膜片受力保持平衡状态。若逆 时针旋转调节螺杆 ， 调压弹簧放松 ， 作用在膜片上的气 压力大于弹簧力 ， 溢流阀打开 ， 膜片气室 中的压缩空气 便经溢流孔 、 排气孑 L 排出， 输 出压力降低至零 。反馈导 管的作用是提高减压阀的稳压精度 ， 此外， 还能改善减 压阀的动态性能 ， 当负载突然改变或变化不定时 ， 反馈 导管会起阻尼作用， 从而避免振荡现象发生。 l 1 输 出口 1 1 8 7 输入口 6 b 2 1 1 一 调 节 螺秆 ； 2 一调 压 弹簧 ； 3 一溢 流 闽 ； 4 一膜 片 ； 5 一阀 杆 ； 6 一阀口 2 ； 7 ～阀口 1 ； 8 一阀垫 ； 9 一压紧弹簧 ； 1 0 一O形圈 2 ； 1 1 一O形圈 1 ； 1 2 一阀芯 ； 1 3 一反馈导管 图 1 大流量减压 阀结构 示意 图 若输入压力瞬时升高， 输 出气压也将随之升高 ， 使 膜片气室内压力升高， 在膜片上产生的推力相应增大 ， 此推力破坏 了原来力 的平衡 ， 使膜片向下移动， 有少部 分气流经溢流孔 、 排气孑 L 排出。在膜片下移的同时 ， 因 压紧弹簧的作用 ， 阀芯也随之 向下移动 ， 减小阀 口 1开 度 ， 加大节流作用， 使输 出压力下降 ， 直至建立新的平 衡为止 ， 输出压力基本又 回到原来值 。 若输入压力瞬时下降， 输 出压力也将随之下降 ， 膜 片上移 ， 阀芯随之上移加大， 阀 口 1开度， 节流作用减 小 ， 使输 出压 力也 基本 回到原来 值 。 3 o形圈分析计算 在国家标准 GB ／ T 3 4 5 2 ． 3 2 0 0 5 液压气动用 O 形橡胶密封圈 沟槽尺寸 中， 规定 0形圈采用国际惯 例 ， 以“ 内径 截径” 的方法标记 见 图 2 。O形 圈截 收稿 日期 2 0 1 4 1 1 2 0 }修订 日期 2 0 1 5 0 6 2 0 作者简介 闫剑 1 9 8 8 一 ，男 ，山西原平人 ，在读硕士研究生 ，研究方向为车辆工程 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 1 4 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 5年 第 5期 面直径 的压缩率 E、 拉伸量 a及安装沟槽填充率 r ／ 是 密封设计的主要 内容， 对机构密封性能有重要意义。 经分 析 ， 图 1中可能 导致 溢 流 口漏 风 的 O 形 圈有 5 个 ， 现选 取具 有代 表 性 的 O 形 圈 1作 为分 析研 究 对 象 ， o形圈 1装配于供气 阀和封堵之间。 dl o 彤 圈 内径 ； d 2 一 O 形 圈 线径 图 2 0形 密封 圈的标记 方法 图 3为 0形密封圈沟槽相关参数。图 3中， d为 沟槽底径 ， D 为安装孔直径 ， G为槽底 宽度。依据 。 形 圈 型 号 可 知 d 2 4 二 搿 mm， d 1 X d 2 一 P 2 3 ． 3 9 mm 3 ． 5 3 ～- ／ 00 ． }mm， G 4 ． 4 0 mm， D一 3 0 ． 4 0 n 一』 mm。则沟 槽 深 度 H 一 3 ． 3 0 8 5 mm， 厶 n 一 H i 一 坚 一 3 ．2 3 2 5 mm 。 厶 1 根据压缩率公式 ， 得到最大压缩率 和最小压 缩率 为 E a2 m a x -- I ra in 1 00 1 1 ．2 ％ ． 0 - 2 ．， I r E m in 丝业 1 0 0 ％3 ． 4 ％ ． Ⅱ 2 压缩率过大会使摩擦力增大 ， 造成 O形 圈永久变 形 ， 压缩率过小则可能造成泄漏 ， 所以在选择压缩率时 需综合考虑各方面因素 ， 一般静密封压缩率会大于动 密封， 其取值范 围可参考表 1 。O形圈 1密封形式属 圆柱静密封 ， 故压缩率范 围应在 1 0 ％～1 5 ， 可见所 选 0形圈压缩率不符合该范围。 图 3 0形密封圈沟槽相关参数 表 l O形圈压缩率取值范 围 密封形式 密封介质 压缩 率 ％ 平面静密封 液体或空气 1 5 ～2 5 圆柱静密封 液体或空气 I O ～1 5 往复运动 液体或空气 1 2 ～1 7 旋转运动 液体 3 ～8 2 根据 填 充 率 公 式 ， 得 到 最 大填 充 率 和最 小 填 充 率 为 孚 2 m a x ‰ x 一 1 0 o ％ 一7 2 7 孚 n一 1 0 0 ％6 1 8 一 般为满足安装沟槽 有足够空间适应 0 形圈的 受热膨胀 ， 填充率 应控制在 7 0 ～8 5 之 间， 所 以在 此计算所得填充率不完全符合要求 。 3 根据拉伸量公式 ， 得到最 大拉 伸量 和最小拉 伸量为 a ⋯ dm a x 下 - [- d 一 2 m i n 1 ． 0 2 0 3 ． ‰ “一 L u。 O m i n 一 一 1 ． 01 8 2 ． T l ’ ● ‘ 口 1- t _口 2 ma x o形圈拉伸量取值太大 ， 会使 O形圈截面积减少 太多 而造 成泄 漏 ， 如果 取 值 太 小 ， 装 配 时 又 容 易脱 出 ， 故拉伸量的取值也应在规定 范围之 内， 其推荐取值见 表 2 。由表 2可知， o形圈 1的拉伸量不应大于 1 ． 0 1 ， 故在此计算所得拉伸量不符合要求 。 表 2 O形圈拉伸 量取值范围 密封形式 密封介质 拉伸嚣 静 密封 液体 1 ． 0 3 ～1 ． 0 4 静密封 空气 1 ． 0 1 往复运 动 液体 1 ． O 2 往复运动 空气 1 ． 0 1 旋转运明 液体 0 ． 9 5 ～1 综上， 0形圈 1的相关参数选择不合理 ， 导致溢流 口发生漏 风 现象 ， 在 此 ， 经 过 验 算 ， 其 他参 数 不 变 ， 取 d 1 d 2 2 3 ． 4 mm 3 ． 8 i mm， 经验算可满足使 用条件。同理 ， 对 其余 O形 圈进行如上计算检验 ， 发 现其余 O形圈及其配合的相关尺寸均符合标准要求 。 4 压紧弹簧分析计算 阀垫与阀 口的接触密封是靠 阀口压紧阀垫使阀垫 产生弹性变形， 从而填满接触面上的微小凹凸不平来 实现密封。如果压力太小 ， 阀垫没有压紧变形就会发 生泄漏 。经过分解检查 ， 发现 图 1中的阀垫与阀 口 1 接触处的压痕不明显 ， 即接触时的弹性变形量很小， 不 能保证二者可靠密封 ； 而 阀垫与 阀口 2接触处 的压痕 明显 ， 接触时弹性变形量较大 ， 能够保证密封性能 。通 过计算也表明 ， 原设计 的压紧弹簧安装时的压力较小 ， 不足以保证橡胶垫产生密封所需的弹性变形 。因此确 认漏泄是由阀垫与阀口 1的密封问题引起。 如图 1所示 ， 充气时 ， 在调压弹簧力的作用下 ， 阀 口 2 推 动 阀垫一 起 向上移 动 ， 阀垫 脱 离 阀 口 l ， 打 开输 入与输 出之间的通路 ， 减压阀输出压缩空气 ， 当输 出口 的空气压力达到设定值 ， 在压 紧弹簧力和 向下的空气 压力作用下， 克服向上的空气压力及调压弹簧力 ， 使阀 垫连同阀口 2 一起向下移动 ， 最终使 阀垫贴靠到阀 口 1 上 。正常情况下 ， 阀口 1 、 阀口 2与阀垫之间的作用 ， 使 阀垫产生能够密封的弹性变形 ， 切断输入和输出 口 之间的通路以及输 出口与大气之 间的通路， 输出压力 保持为设定值 。如果阀口 1与阀垫之间的弹性变形不 足 ， 则会使输入 口压缩空气缓慢漏人输 出口， 输出口空 气压力超过设定值 ， 打开输出口与大气之间的通路， 输 出口压缩空气缓慢排人大气 ， 且输入 口空气压力越高 ， 排气 量越 大 。 阀口 1与阀垫之 间的接触受多个作用力 的影响 ， 具体 为 1 向下作 用 力 。如 图 4所 示 ， 阀 口 1与 阀垫 之 间受到向下的作用力有 压 紧弹簧的作用力 F 弹 簧； 输 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5 年 第 5 期 闫剑 ， 等 机 车制动 系统 大流量减 压阀漏风现象分析研 究 1 1 5 入 口空气压强作用在 阀体环形表面 1的压力， 其值为 A 3 0 。 一2 4 P 人 p 人为输入 口空气压 强 ； 输 出 口空气压强 作用在 近似环 形表 面 2的压力 ， 其值 为 旦 A 2 4 一1 1 。 P 出 户 出为输出 I I 空气压强 。因此 受到向下的总作用力 F 下为 F下 F弹 簧 3 0 -- 2 4 P 人 2 4 。 一 1 1 P出 F弹 簧 2 5 4 ． 3 4P 人 3 5 7 ． 1 7 5 出 ． 1 p p 入 图 4 阀 I 1 1与阀垫之 间所 受向下作 用力示意图 2 向上作用力 。如图 5所示 ， 阀 I 1 1与 阀垫 之 间受到向上的作用力除 O形 圈等产生 的阻力外 ， 还会 因进 、 出气 口的空气压强作用而产生向上 的作用力 。 表 p出 图 5 阀 口 1与阀垫之 间所 受向上作 用力示意图 若橡胶垫产生足 以密封的弹性变形 ， 阀 口 1和阀 口 2分别与阀垫紧密挤压 ， 输入 口空气压强作用在 环 形表面3 的压力为孚 3 0 一2 6 。 P 人 ， 输出E l 空气 ‘ 压强作用在环形表 面 4的压力 为- 5 - - 2 4 。 一1 3 。 ‘ p 出。则总的向上的作用力 F 上为 F 上 一 F 阻 3 O 。 --2 6 。 P 人 孚 2 4 一1 3 。 出 F阻 1 7 5 ． 8 4P 入3 1 9 ． 4 9 5 出 ． 2 其 中 F 阻为 O形圈等产生 的阻力 ， N。 若橡胶垫没有产生密封所需 的足够弹性变形 ， 阀 口 1和阀 口 2的顶端分别 与阀垫轻微接触 ， 空气压强 作用在环形表面3 的压力为孚 3 0 2 2 5 入 ， 输 出口空气压强作用在环形表面 4 的压力为X 2 5 一 L 士 l 2 P m。则 总 的 向上 的作 用力 F上 为 F 上 F 阻 - T 3 0 一2 5 。 P 人 孚 2 5 。 一1 2 z 出一F阻 2 1 5 ． 8 7 5XP 人 3 7 7 ． 5 8 5 X 出 ． 3 实际上阀口 1与橡胶垫之间的接触面不完全为平 面 ， 因为 阀 口 1为 弧 面 ， 只 要 有一 点 变 形 ， 与输 入 口压 强 有 关 的面积 就 要 大 于 - “T X 3 0 一 2 5 。 ， 假 如 超 出部 ‘ t 分 面积为 S 。 该值 因受力不 同会有一定 变化 ， 则式 3 变为 F 一Fm 2 1 5 ． 8 7 5 S 1 P A3 7 7 ． 5 8 5 P ． 4 3 阀口 1与阀垫之间的压紧力 。在橡胶垫没有 产生密封所需 的足够弹性变形之前 ， 压紧力为 F紧一F下一 F上一F弹 簧一 F阻一 S l P 人 3 8 ． 4 7 户人一 2 0． 4 1 户出一 F弹簧一 3 3 ．5 9一 S1 P人 ． 5 其中 F 阻的测试值约为 5 2 N～5 8 N， 暂按 5 8 N计算 ， 减压阀输 入压力按 0 。 9 MP a计 算， 输 出压力按 0 ． 5 MP a 计算 。 若要使橡胶垫产生密封所需 的弹性变形 ， 压 紧弹 簧力 F紧应大于 3 3 ． 5 9 S 。 P 人 N， S 的值很小 ， 当 P 人的值较小时， s P 人的影 响基本 可以忽 略， 但 随 着 P 人的增大， 影响会稍有增加 ， 这与试验结果基本吻 合 ， 即在使用原设计弹簧时， 当输人 口空气压强增大 ， 漏泄程度会稍有增加。再考虑到阻力 等因素的变化 ， 设计压紧弹簧安装力 F 弹 簧暂定为 4 O ． 3 1 N 约 3 3 ． 5 9 N的 1 ． 2倍 ， 该值在设计计算弹簧参数时即为最小安 装力， 在不改变减压阀其他零部件尺寸 、 弹簧 中径 、 钢 丝直径 、 弹簧材质的条件下 ， 可以设计 出一个既满足强 度又满足刚度约束条件的压紧弹簧。 5 结论 本文对减压阀结构及工作原理进行 了分析， 发现 。形圈及压紧弹簧对大流量减压 阀的工作性能有着重 要影响。经过对 O形圈以及压紧弹簧相关参数的重新 设计 ， 使大流量减压阀的密封性和性能均满足要求 ， 弹 簧详细设计计算及后续试验测试过程在此不再赘述。 参考文献 E l i 唐文欣 ． 减压 阀试验 台的研制 E D3 ． 成都 西南 交通 大学 ， 201 2 I - 1 5 ． E z ] 冯利军 ， 臧彦斌． O形橡 胶密封圈 的选 择与设 计E J 3 ． 现代 车用 动力 ， 2 0 0 8 3 4 6 4 8 ． [ 3 ] 卢新 波， 张 中明． 0形 圈材 料选择与 密封结构 设计 E J ] ． 液 压气动 与密封 ， 2 0 1 2 2 2 6 2 9 ． E 4 3 邱宣怀． 机械设计[ M] ． 北京 高等教育出版社， 1 9 9 7 ． [ 5 3 中 国农 业 机 械 化 科 学 研 究 院 液 压 技 术 研 究所 ． GB ／ T 3 4 5 2 ． 3 2 O O 5液压气 动用 O形橡 胶 密封 圈沟槽 尺 寸和 设计计算准则E s ] ． 北京 中国标准出版社， 2 0 0 5 l _ 3 O ． Ana l y s i s 0 f Le a k a g e 0 f Tr a i ns ’Hi g h Fl o w Pr e s s u r e Re d u c i n g Va l v e YAN J i a n，W ANG J u n - y o n g S c h o o l o f Me c h a ni c a l En g i n e e r i n g，S o ut h we s t J i a o t on g Un i v e r s i t y，Ch e n g d u 6 1 1 7 3 1，Ch i n a Ab s t r a c t Th e p r e s s u r e r e d u c i n g v a l v e p l a y s a n i mp o r t a n t r o l e i n t h e p n e u ma t i c h y d r a u l i c c o n t r o l l i n g s y s t e m ．I t h a s t h e f u n c t i o n o f r e d u c i n g a n d s t e a d y i n g t h e p r e s s u r e ．Wh e n u s i n g t h e h i g h f l o w p r e s s u r e r e d u c i n g v a l v e ，t h e o v e r f l o w b r i n g s a b o u t t h e p r o b l e m o f a i r l e a k a g e ．I t ma k e s t h e o u t p u t p r e s s u r e h i g h e r t h a n t h e s e t t i n g p r e s s u r e ． Ta k i n g a t y p e o f u s e d h i g h f l o w p r e s s u r e r e d u c i n g v a l v e a s e x a mp l e ，t h i s p a p e r a n a l y z e d t h e r e a s o n o f a i r l e a k a g e ，a n d r e d e s i g n t h e k e y c o mp o n e n t s ． Ke y wo r d s h i g h f l o w p r e s s u r e r e d u c i n g v a l v e ；l e a k a g e ； 3 - r i n g 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m