真空集便器管夹阀耐疲劳特性的研究

陈梦，马运章，贾颖华

(中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京 100081)

管夹阀是铁路真空集便器的重要组件，它通过管夹阀胶管内外工作压差实现便器与中转箱管路、中转箱与污物箱管路的开合。国外品牌的真空集便器管夹阀质量好、寿命长，使用寿命可达50万次，而我国配件远远达不到该水平。在使用过程中胶管由于不断挤压、回复产生疲劳开裂是制约管夹阀寿命的首要原因。由于技术和市场被国外产品垄断，进口产品价格昂贵，国产化问题亟待解决。为此，本文通过结构与材料两方面进行了研究与创新，从而改善管夹阀的耐疲劳特性。

1 研究内容

1．1 管夹阀的结构改进

真空集便器管夹阀主要由阀体和胶管两部分组成，其中胶管为管夹阀的核心部件。管夹阀在工作时由阀体上的进气口向阀体内加压，胶管受压后闭合，管路封闭;停止加压后，胶管回复，管路打开。

在胶管结构上，传统胶管是无夹布的设计或是贯穿夹布的设计，耐疲劳性能不佳。改进如图1所示，采用橡胶中央夹布的方式，两端分别缠绕两层夹布，呈45°角交叉缠绕，这种异向的缠绕方式能够更好地向各个方向分散应力，防止胶管在变形过程中的扭曲;夹布的使用使得集便器管夹阀胶管在使用变形过程中能够有更好的回弹性，动作反应速度更快。而夹布分为上下两段、中间部位无夹布的设计，使集便器胶管的中段更加柔软，在充气状态下变形更充分，管路闭合更加紧密。这种夹布方式从结构上提升了胶管的耐疲劳特性。

图1 管夹阀胶管截面图

1．2 管夹阀的材料改进

天然橡胶为自补强性橡胶，在受力状态下容易形成微晶，有利于阻止裂纹的增长，对动态疲劳性能非常有利，但天然橡胶的耐老化性能较差，在橡胶的疲劳屈挠过程中由于生热橡胶会有热氧老化过程，因此要使胶料有很好的屈挠性能不宜单独使用天然橡胶，一般并用弹性好、生热低、动态疲劳性能好的顺丁橡胶［1］，以得到耐疲劳性能最佳的配方。

选择了不同配比的天然橡胶和顺丁橡胶，通过对比其性能，选择对于集便器管夹阀最为适宜的配方。主材配方质量比如表1所示。

表1 主材配方表

其中各配方的耐疲劳性能即屈挠次数见图2。由于顺丁橡胶的动态生热低于天然橡胶，因此在天然橡胶中并入顺丁橡胶可改善胶料的屈挠性能。顺丁橡胶在天然橡胶中并用过少时，不足以体现其低生热效果，而顺丁橡胶若在天然橡胶中并用过多，则减弱了天然橡胶微晶的自补强性。经试验证实，并用比例在50∶50时，屈挠性能最佳。

图2 各配方破坏时屈挠次数

对该配方即天然橡胶和顺丁橡胶比例为1∶1的配方进行各项性能的考核(见表2)，不论在拉伸、撕裂性能上，耐低温性能上和老化后的性能都表现良好，对于工作环境中的碱性介质也有很好的耐受性，而耐疲劳性能尤为突出，能够达到屈挠试验120万次的水平，非常适合作为集便器管夹阀胶管的配方，以其优异的耐疲劳性能和综合性能，提升集便器管夹阀胶管的耐疲劳使用寿命。

表2 天然橡胶和顺丁橡胶比例为1∶1的配方性能

1．3 模拟实验

为了模拟集便器管夹阀在车上的工作状态和工作环境，了解其使用寿命，设计了如图3所示的集便器管夹阀疲劳试验设备，主要由空气压缩机、压力控制装置、台架、计数器、液体观察管几部分组成。压力表来控制气压大小，计数器监测疲劳次数，也可以调节计数器来改变加压和停压的频率。

图3 疲劳试验设备

根据工况调研，设定了如表3的疲劳设备工作参数:

表3 疲劳设备工作参数

利用此疲劳试验设备，进行了以下4种试验:

(1) 阀体的气密性实验:阀体的主体部分和压区环之间用O型圈密封，应保证其气密性良好。在阀体里加压3kg，10min后观察压力表读数是否下降，以确定O型圈密封效果。

(2) 胶管在压力下的密闭性:胶管依靠气压差下的弯折来实现阀门的闭合，需模拟密闭性试验来保证阀门的正常工作。将组装好的排泄阀阀体内加3kg压力，在胶管内注0．5L水，10min后观察透明的液体观察管内液面是否下降，来判断胶管在压力下密闭性是否良好。

(3) 聚甲醛阀体部件的耐疲劳特性:观察疲劳试验过程中阀体有无裂缝、破损、漏气等现象。

(4) 胶管的耐疲劳特性:观察疲劳试验过程中胶管有无破损、漏气等现象。此疲劳实验应达到大于50万次不被破坏。

通过以上疲劳试验，得到以下的结论:

阀体和O型圈的气密性良好。胶管在压力下的密闭性良好。阀体部件的耐疲劳性能合格。整个疲劳试验过程中，阀体没有裂缝、破损、漏气等现象。疲劳试验次数见表4所示，均达到50万次以上，最高的疲劳次数可超过100万次。管夹阀的耐疲劳特性较国外产品更为优异。

表4 破裂疲劳试验次数 万次

2 结论

本文对集便器管夹阀在耐疲劳特性上进行研究与创新，结构上通过双层分段异向夹布的方式、材料上通过天然橡胶与顺丁橡胶并用的方式，改善管夹阀的耐疲劳特性，通过模拟实验证明该产品使用寿命长、性能良好，能够替代国外品牌产品。

［1］ 赵菲，陈翔．配方因素对高硬度橡胶动态屈挠性能的影响［J］．世界橡胶工业，2012，39(6):10-13．