陳夢，馬運(yùn)章，賈穎華

(中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

管夾閥是鐵路真空集便器的重要組件，它通過管夾閥膠管內(nèi)外工作壓差實(shí)現(xiàn)便器與中轉(zhuǎn)箱管路、中轉(zhuǎn)箱與污物箱管路的開合。國外品牌的真空集便器管夾閥質(zhì)量好、壽命長，使用壽命可達(dá)50萬次，而我國配件遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到該水平。在使用過程中膠管由于不斷擠壓、回復(fù)產(chǎn)生疲勞開裂是制約管夾閥壽命的首要原因。由于技術(shù)和市場被國外產(chǎn)品壟斷，進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格昂貴，國產(chǎn)化問題亟待解決。為此，本文通過結(jié)構(gòu)與材料兩方面進(jìn)行了研究與創(chuàng)新，從而改善管夾閥的耐疲勞特性。

1 研究內(nèi)容

1．1 管夾閥的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

真空集便器管夾閥主要由閥體和膠管兩部分組成，其中膠管為管夾閥的核心部件。管夾閥在工作時(shí)由閥體上的進(jìn)氣口向閥體內(nèi)加壓，膠管受壓后閉合，管路封閉;停止加壓后，膠管回復(fù)，管路打開。

在膠管結(jié)構(gòu)上，傳統(tǒng)膠管是無夾布的設(shè)計(jì)或是貫穿夾布的設(shè)計(jì)，耐疲勞性能不佳。改進(jìn)如圖1所示，采用橡膠中央夾布的方式，兩端分別纏繞兩層夾布，呈45°角交叉纏繞，這種異向的纏繞方式能夠更好地向各個(gè)方向分散應(yīng)力，防止膠管在變形過程中的扭曲;夾布的使用使得集便器管夾閥膠管在使用變形過程中能夠有更好的回彈性，動(dòng)作反應(yīng)速度更快。而夾布分為上下兩段、中間部位無夾布的設(shè)計(jì)，使集便器膠管的中段更加柔軟，在充氣狀態(tài)下變形更充分，管路閉合更加緊密。這種夾布方式從結(jié)構(gòu)上提升了膠管的耐疲勞特性。

圖1 管夾閥膠管截面圖

1．2 管夾閥的材料改進(jìn)

天然橡膠為自補(bǔ)強(qiáng)性橡膠，在受力狀態(tài)下容易形成微晶，有利于阻止裂紋的增長，對(duì)動(dòng)態(tài)疲勞性能非常有利，但天然橡膠的耐老化性能較差，在橡膠的疲勞屈撓過程中由于生熱橡膠會(huì)有熱氧老化過程，因此要使膠料有很好的屈撓性能不宜單獨(dú)使用天然橡膠，一般并用彈性好、生熱低、動(dòng)態(tài)疲勞性能好的順丁橡膠［1］，以得到耐疲勞性能最佳的配方。

選擇了不同配比的天然橡膠和順丁橡膠，通過對(duì)比其性能，選擇對(duì)于集便器管夾閥最為適宜的配方。主材配方質(zhì)量比如表1所示。

表1 主材配方表

其中各配方的耐疲勞性能即屈撓次數(shù)見圖2。由于順丁橡膠的動(dòng)態(tài)生熱低于天然橡膠，因此在天然橡膠中并入順丁橡膠可改善膠料的屈撓性能。順丁橡膠在天然橡膠中并用過少時(shí)，不足以體現(xiàn)其低生熱效果，而順丁橡膠若在天然橡膠中并用過多，則減弱了天然橡膠微晶的自補(bǔ)強(qiáng)性。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，并用比例在50∶50時(shí)，屈撓性能最佳。

圖2 各配方破壞時(shí)屈撓次數(shù)

對(duì)該配方即天然橡膠和順丁橡膠比例為1∶1的配方進(jìn)行各項(xiàng)性能的考核(見表2)，不論在拉伸、撕裂性能上，耐低溫性能上和老化后的性能都表現(xiàn)良好，對(duì)于工作環(huán)境中的堿性介質(zhì)也有很好的耐受性，而耐疲勞性能尤為突出，能夠達(dá)到屈撓試驗(yàn)120萬次的水平，非常適合作為集便器管夾閥膠管的配方，以其優(yōu)異的耐疲勞性能和綜合性能，提升集便器管夾閥膠管的耐疲勞使用壽命。

表2 天然橡膠和順丁橡膠比例為1∶1的配方性能

1．3 模擬實(shí)驗(yàn)

為了模擬集便器管夾閥在車上的工作狀態(tài)和工作環(huán)境，了解其使用壽命，設(shè)計(jì)了如圖3所示的集便器管夾閥疲勞試驗(yàn)設(shè)備，主要由空氣壓縮機(jī)、壓力控制裝置、臺(tái)架、計(jì)數(shù)器、液體觀察管幾部分組成。壓力表來控制氣壓大小，計(jì)數(shù)器監(jiān)測疲勞次數(shù)，也可以調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)器來改變加壓和停壓的頻率。

圖3 疲勞試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)工況調(diào)研，設(shè)定了如表3的疲勞設(shè)備工作參數(shù):

表3 疲勞設(shè)備工作參數(shù)

利用此疲勞試驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行了以下4種試驗(yàn):

(1) 閥體的氣密性實(shí)驗(yàn):閥體的主體部分和壓區(qū)環(huán)之間用O型圈密封，應(yīng)保證其氣密性良好。在閥體里加壓3kg，10min后觀察壓力表讀數(shù)是否下降，以確定O型圈密封效果。

(2) 膠管在壓力下的密閉性:膠管依靠氣壓差下的彎折來實(shí)現(xiàn)閥門的閉合，需模擬密閉性試驗(yàn)來保證閥門的正常工作。將組裝好的排泄閥閥體內(nèi)加3kg壓力，在膠管內(nèi)注0．5L水，10min后觀察透明的液體觀察管內(nèi)液面是否下降，來判斷膠管在壓力下密閉性是否良好。

(3) 聚甲醛閥體部件的耐疲勞特性:觀察疲勞試驗(yàn)過程中閥體有無裂縫、破損、漏氣等現(xiàn)象。

(4) 膠管的耐疲勞特性:觀察疲勞試驗(yàn)過程中膠管有無破損、漏氣等現(xiàn)象。此疲勞實(shí)驗(yàn)應(yīng)達(dá)到大于50萬次不被破壞。

通過以上疲勞試驗(yàn)，得到以下的結(jié)論:

閥體和O型圈的氣密性良好。膠管在壓力下的密閉性良好。閥體部件的耐疲勞性能合格。整個(gè)疲勞試驗(yàn)過程中，閥體沒有裂縫、破損、漏氣等現(xiàn)象。疲勞試驗(yàn)次數(shù)見表4所示，均達(dá)到50萬次以上，最高的疲勞次數(shù)可超過100萬次。管夾閥的耐疲勞特性較國外產(chǎn)品更為優(yōu)異。

表4 破裂疲勞試驗(yàn)次數(shù) 萬次

2 結(jié)論

本文對(duì)集便器管夾閥在耐疲勞特性上進(jìn)行研究與創(chuàng)新，結(jié)構(gòu)上通過雙層分段異向夾布的方式、材料上通過天然橡膠與順丁橡膠并用的方式，改善管夾閥的耐疲勞特性，通過模擬實(shí)驗(yàn)證明該產(chǎn)品使用壽命長、性能良好，能夠替代國外品牌產(chǎn)品。

［1］ 趙菲，陳翔．配方因素對(duì)高硬度橡膠動(dòng)態(tài)屈撓性能的影響［J］．世界橡膠工業(yè)，2012，39(6):10-13．