冯 志 刘军祥 袁 宁 朱 帅（南车长江车辆有限公司工艺研究所 湖北 武汉 430212）
摘 要：现有铁路货车空气制动管系的密封形式和结构能够较好地保证货车空气制动管系的气动密封，但是，存在安装缺陷以及低温运行状态下管系漏泄现象较为明显。为彻底解决铁路货车制动管系中的法兰漏泄问题，本文从密封圈的材料入手引入了一种新型材料——金属橡胶。通过分析研究，该方法具有可行性。最后，本文展望了金属橡胶在铁路货车上的应用前景。
关键词：金属橡胶 铁路货车 密封 漏泄
长期以来，以天然橡胶或合成橡胶为材料的密封圈，在铁路货车空气制动管系中较好地实现了气动密封的作用。但是，由于我国铁路货车运行区域跨度大、环境复杂以及制造维护粗犷等因素的影响，空气制动管系的漏泄问题仍然普遍存在，特别是在高温、低温以及强腐蚀性等运行环境下，橡胶密封圈失效加剧，漏泄现象显得尤为突出。
一、制动系统现状
随着铁路货运“提速、重载”发展方向的确立，货车制动系统的可靠性和安全性愈加重要。但由于铁路货车具有特殊性，空气制动系统的可靠性难以保证，使得车辆投入运行后制动管系漏泄、裂损等故障时有发生，严重影响了车辆的使用效率和运行安全。
目前，国内外制动管系泄露作为惯性质量问题一直无法根治，也是公司典型故障率居高不下的主要原因之一。通过统计，长江公司近期国铁车故障数量，制动管系泄漏占据了很大比例（见表1）。通过分析可知，密封圈失效问题最为严重。
表1. 长江公司近期国铁车故障数统计
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二、铁路货车典型密封结构及失效分析
我国铁路具有路域宽广、气候地理环境复杂、车辆运行频繁、现有装备数量巨大以及维护条件多样等行业特点。为了便于维护，国内铁路货车车辆制动管系目前主要采用了法兰螺栓连接方式，如图1所示。该结构的密封形式属于静态密封，依靠密封圈被压缩产生的反弹力达到密封效果。这种密封结构主要包含两方面的作用：1.防止制动管系压力从各管路结合处泄漏，以保证正常的工作压力；2.防止外界灰尘、泥沙和污水等进入管系内部。
虽然法兰在正确安装情况下具有良好的密封性能，但现用的E型橡胶密封圈受其自身特性的限制较为严重，如图2所示。该密封圈的密封面之间间隙过大，如果工作压力过大，将会使橡胶密封圈挤入距离增加，从而加剧橡胶圈的磨削和切割作用，同时自密封作用消失，而压力脉动的加剧导致橡胶圈被切割的频率增加。工作温度过高导致橡胶变软、弹性变差，不仅使密封圈与密封面之间的接触压力减小、密封性变差，而且又因其强度下降易于变形，容易发生损坏。
因此，在振动、高低温、高压和腐蚀介质等特殊使用过程中，现用的E型橡胶密封圈常常出现永久变形、扭曲、摩擦磨损、化学腐蚀以及老化等问题。基于以上问题，当底架附属件的制造和安装位置精度控制不到位、制动管系组装工艺未严格执行以及工作表面粗糙度不达标等因素影响时，最终会导致密封失效并出现漏泄。
三、金属橡胶的特点分析
1.弹性。金属橡胶材料内部结构是金属丝之间相互嵌合、勾联而形成的类似于高胶分子结构的空间网状大分子链接形态。这种孔隙材料受到外力作用时产生变形，去除外力后，原线匝产生的弹性变形得到恢复。金属橡胶材料同橡胶材料类似的空间网状结构形式使其弹性变形方式与阻尼耗能机理有很大的相似性特性。但是，金属橡胶由于制备原材料及制造工艺与橡胶材料差异很大，其弹性、阻尼变化规律与橡胶材料相比有明显的不同。金属橡胶材料的硬度、几何特性与稳定性保证了弹性、阻尼特性受环境温度的影响非常小的特点。
2.吸震性。由于金属橡胶属于非线性阻尼材料，不含有任何普通橡胶。该材料是一种弹性、毛细多孔结构，其内部是金属丝的相互嵌合、勾联而成，能够依靠内部金属丝之间的摩擦消耗能量，在受到来自外部的振动、冲击时，金属丝之间将会发生滑移，由此产生的金属丝间的摩擦力可以耗散振动或冲击能量。
3.密封性。密封件具有良好工作能力的一个重要条件就是能在密封面接触区产生必要的压力。金属橡胶材料与普通橡胶材料相比，其最大的特点在于它的弹性可以通过工艺手段在一定范围内加以严格控制，而且可以采用各种金属丝制造，在恶劣环境下(如高温、低温、腐蚀性介质等)不易老化，其物理机械性能稳定。因此可用金属橡胶弹性元件作为接触密封件中的弹性体以提供接触压力，再在外层用橡胶或其他密封材料包裹，即有很好的密封性能。由于金属橡胶材料的刚度及几何特性与温度的相关性，使得金属橡胶密封件在较宽的温域内具有良好的密封效果。
四、金属橡胶在铁路货车上的应用分析
金属橡胶具有良好的弹性，利用这种特有的弹性可以很好地弥补车辆制造组装过程中产生的误差，通过调节金属橡胶密封圈的厚度还可以进行有效的公差补偿。同时其弹性在法兰紧固螺栓上则表现为防松力，可对螺母防松起到一定的效果。车辆在牵引、制动以及行驶过程中会产生巨大的震动，该震动会传递到制动系统的每一个配件，严重时会造成管系的裂损。金属橡胶在这种情况下则会发挥出它极强的吸震性，有效减小甚至消除震动，有效保护制动系统。
制动漏泄的主要原因是橡胶密封圈密封性能不强，特别是在极限条件下其密封性能几乎消失，而金属橡胶在极限条件下的密封性能则不受影响。金属橡胶密封圈的尺寸可以参照现有的E型橡胶密封圈，那么，我们在不改变现有法兰接头形式的情况下便能实现密封圈的互换，方便车辆维护。
五、发展趋势及展望
铁路货车的发展，对车辆的制造及运行都会提出更高的要求，如何解决铁路货车惯性故障成为铁路部门员工和制造工厂技术人员亟待解决的问题。金属橡胶以其独特的优势作为现有橡胶密封圈的最佳替代品，能显著提高既有法兰的密封可靠性。虽然金属橡胶材料在国内发展时间较短，多方面的研究和应用还不成熟，其经济性也有待商榷，但是随着金属橡胶基础理论研究的不断深入及其产品开发的多样化，其在铁路货车上的应用前景将更加明朗。
参考文献
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论文作者:冯 志 刘军祥 袁 宁 朱 帅
论文发表刊物:《职业技术教育》2013年第11期供稿
论文发表时间:2014-3-5
标签：橡胶论文; 金属论文; 货车论文; 金属丝论文; 铁路论文; 弹性论文; 密封圈论文; 《职业技术教育》2013年第11期供稿论文;