臧传相，曹云丽，余毅权，虞晓峰

(南京中车浦镇海泰制动设备有限公司，江苏 南京 21000)

0 引 言

K型圈是于20世纪50年代最早在西德的克诺尔制动机上首次使用的一种密封结构[1]。目前在国内的城轨领域，踏面制动单元停放缸内部的主密封大多采用K型圈，它具有制造方便、检修容易、密封性能好等优点。笔者介绍了K型圈的结构原理，根据市场调研收集的故障信息[2-5]，对K型圈结构进行优化，以保证K型圈应用更加稳定可靠。

1 结构及原理

K踏面制动单元停放缸结构原理如图1所示，K型圈装到停放缸活塞的密封槽内，停放气腔充入高压气体，推动停放缸活塞运动压缩停放弹簧，实现停放制动的缓解，地铁车辆运营过程中，停放气腔内部处于长充气状态，在故障工况，停放气腔内部气压排除，停放弹簧推动活塞施加安全制动。

图1 踏面制动单元停放缸内部结构图1.停放缸体 2.K型圈 3.停放缸活塞 4.停放弹簧

现有K型圈密封结构原理如图2所示，K型圈处于密封沟槽内，右侧为密封停放气腔，气腔内为高压停放缓解压力。高压侧压力通过缝隙撑开支撑唇口进入压力腔室，压力腔室压力作用在内部将K型圈向外撑开，使主密封唇口及辅助密封唇口两处达到密封目的。

图2 现有K型圈结构原理

2 问题描述

在现有城轨地铁车辆运营过程中，踏面制动单元产品停放缸处于长充气状态。经过试验，停放缸在-25 ℃环境下密封功能正常，在-40 ℃环境下密封功能失效；另外在停放缸充气瞬间，常出现停放缸漏气现象，漏风持续一段时间后恢复正常，严重的将一直漏风，影响车辆停放制动缓解功能，提高车辆的耗风量进而影响车辆制动安全。目前随着北方城市地铁建设的推进，对踏面制动单元低温性能有了更高要求，同时产品可靠性决定了列车制动安全，不允许出现漏气风险。

3 优化设计

经分析，产品低温气密性失效，主要原因为材料低温特性差和K型圈的安装过盈量低两方面导致；另外，在停放缸充气瞬间，由于支撑唇口与零件内壁有一定的密封作用，充气过程高压侧压力起初没有顺利进入压力腔室，导致主密封唇口无足够的接触力从而导致K型圈失去密封效果，高压侧压力直接通过主密封唇口漏出；当压力腔室的压力建立成功后，主密封唇口恢复密封功能，密封才能实现正常。

为了保证产品低温的密封性能可靠，解决产品低温密封型问题及充气瞬间漏气问题，特开展优化设计，主要通过以下几方面进行优化。

(1) 材料优化 优化橡胶材料配方，根据行业内工程经验，石墨烯丁腈橡胶低温密封能力优于传统橡胶，在此，在K型圈材料制备过程中添加石墨烯部分替代传统炭黑作为补强剂来提升丁腈橡胶的耐寒性能及使用寿命。

(2) 过盈量优化 现有K型圈主唇口与停放缸内壁的过盈量为1 mm，为了提高密封性能，考虑增大主唇口过盈量，但过盈量增大，可能导致辅密封唇口褶皱现象。在此，通过有限元仿真模拟主唇口外径分别为180 mm、182 mm、184 mm三种尺寸的K型圈装配后的状态，分别对应主唇口与停放缸内壁的过盈量1 mm、2 mm、3 mm，建立仿真模型如图3。

经过分析，装配前后的K型圈剖面如图4所示；在过盈量2 mm情况下，K型圈的辅密封唇口平整，如图5所示；但在过盈量3 mm情况下，辅密封唇口出现褶皱，如图6所示。

图3 仿真模型 图4 装配前后的K型圈剖面

图5 主唇口2 mm过盈量装配后变形规整 图6 主唇口3 mm过盈量装配后唇口出现褶皱

经过上述优化分析，增大主唇口过盈量由1 mm到2 mm，保证K型圈密封开启压力最高，同时防止辅密封唇口出现褶皱影响产品密封性能。

(3) 导通沟槽设计 为了保证压力腔室的压力正常建立，防止密封功能失效，特对K型圈截面进行优化，主要在支撑唇口圆周开4条导通沟槽，结构尺寸如图7所示，支撑唇口起到支撑作用，但由于导通槽作用，支撑唇口与零件内壁无密封，工作过程中，工作气压可以顺利通过导通沟槽进入压力腔室，从而顺利建立密封作用。

图7 优化后K型圈结构图

4 试验验证

根据上述优化方案完成样件并安装于踏面制动单元停放缸，样件主要开展材料低温试验性能测试、产品高低温试验验证及产品动密封疲劳试验三方面验证，试验情况如下。

(1) 橡胶低温试验 采用温度回缩法(Tr试验)对橡胶材料进行测试，测试Tr10对应温度达到-50 ℃，说明材料本身满足低温环境要求。

(2) 高低温密封性能测试 根据《TCAMET 04004.8-2018 城市轨道交通车辆制动系统 第8部分：踏面制动单元技术规范》设计要求，产品需满足-40～50℃环境要求。采用步入式高低温试验箱，将组装产品置于其中，如图8所示。

图8 优化后K型圈结构图

将温度设置-40 ℃并保持，48 h后在低温环境下测试产品密封性及功能；然后将温度调整到50 ℃，48 h后在高温环境下测试产品密封性及功能。经过试验，产品停放缸功能无异常，不同温度下的密封测试结果及对比如表1所列。

表1 气密性测试结果

(3) 疲劳性能测试 根据《TCAMET 04004.8-2018 城市轨道交通车辆制动系统 第8部分：踏面制动单元技术规范》要求，对踏面制动单元产品开展10万次停放缸动作疲劳试验，试验完成后各项性能指标满足设计要求，拆解停放缸，缸体内部磨损状态如图9所示，K型圈未出现异常。另外，通过试验跟踪，在充气初始状态，未出现气密性异常现象，密封件可以迅速起到密封效果。

图9 疲劳试验后缸体及橡胶件状态图

5 结 论

针对K型圈现车故障现象进行分析，从橡胶材料、过盈量及结构形式三方面进行优化，优化后样件满足材料低温稳定性、产品高低温气密性及疲劳试验要求。试验结果表明:

(1) 通过改善材料成分及增大主唇口与缸壁的过盈量，解决了K型圈的低温密封问题，产品满足-40 ℃的低温环境要求。

(2) 通过产品的疲劳试验，验证了K型圈的使用寿命。

(3) 通过结构优化，增加导通沟槽设计避免了停放缸气压建立瞬间的漏气问题。

(4) K型圈满足产品的性能要求。

优化后的K型圈可以满足产品性能要求，该优化方案将提升产品运营的可靠性，具有较高的应用价值。