新材料空气制动阀防盗箱可行性分析报告

新材料空气制动阀防盗箱可行性分析报告

苏鹏

中车北京二七车辆有限公司 北京市 100072

一、项目背景

120型空气制动阀是铁路货车制动系统的重要组成部分，在以往的使用过程中，制动阀的配件部分经常出现失窃现象，所以需要特别防护。本项目所设计的防盗箱就是为了提高空气制动阀的安全性、避免制动阀及配件的丢失。

1.1国内同类产品的情况

目前货车上正在使用的120型空气制动阀防盗箱主要分为两类：

1、检修车及特殊车型所使用的防盗箱（SQ5、NX70A、铝80等）是采用2mm厚的钢板参考空气制动阀的形状焊接而成，并且不同车型的空气制动阀安装位置不同、空气制动阀类型也不同，因此防盗箱的规格不统一。

2、新造车（C70、C80B、X70等）防盗箱使用的是3mm厚度钢板冲压而成的防盗箱，材质为DC04钢材,重量约为14.7公斤。本项目研究方向主要是为替代此类120阀防盗箱。

1.2供应商情况

检修车及特殊车型使用的防盗箱主要由各车辆厂自制或者委托其他厂家进行加工生产的，不是专业化产品。

冲压型防盗箱是眉山车辆厂主导设计，二七厂、眉山厂、沈阳厂以及路外的一些厂家也在进行生产。

1.3装用数量及年需求量

按照我厂目前情况，钢制防盗箱平均年需求量约为3000个。每年全路新造车约为5万辆，可使用此类防盗箱的车型约占60%，因此全路防盗箱需求量每年约为3万个。

1.4既有产品存在的问题

生产过程中存在的问题：工艺流程较为复杂，需要多次冲压成型，节拍时间长，存在手工操作、触碰尖锐边角易工伤等因素。并且，钢材质重量较大，不方便安装。除此之外，钢制防盗箱不能满足实际敞车进入解冻库高温环境的要求，给行车安全造成隐患。

二、研制目标

2.1解决进入解冻库问题：材料上选择非金属复合材料替代金属材料进行设计制作。

2.2保证安全性：在材料选择的时候必须保证产品的防盗功能，对材料的强度、模量等数据进行详细分析、设计。考虑所有可能破坏产品的因素，提高产品的可靠性。

2.3提高经济性：选择具有满足强度要求的复合材料，通过合理的结构设计，最大程度上满足使用要求的同时提高产品的经济性。

三、技术方案

3.1工况分析

空气制动阀防盗箱安装位置在货车底部，因此受到紫外线照射以及阳光照射的时间短。箱体底部有可能会堆积尘土或者雨水。在运行过程中有可能遭到石块等物体的打击。车辆停靠时，有可能遭受到外力的打击破坏。

3.2初步技术方案

3.2.1满足进入解冻库需求的隔热防盗箱方案：

防盗箱采用密封结构，使用耐高温、导热率低、强度高的材料进行制作，既能解决防盗问题又能满足隔热要求。

补充方案：如果防盗箱密封结构不能满足隔热要求，再利用耐高温的隔热材料（目前调研的耐高温聚氨酯发泡材料可在170℃高温下连续工作1760小时）在120阀防盗箱内部进行填充处理，以解决隔热问题。

3.2.2普通防盗箱方案

使用高强度、轻量化材料进行生产，节省成本的同时满足防盗要求。

3.3材料的选择

为满足防盗箱的强度与隔热要求，长纤维复合材料项目部在外壳材料的选择上有两个方案：

3.3.1长纤维增强热塑性复合材料

其除了具有热塑性复合材料的特点之外，还由于混配了长玻纤，使其产生了更为优良的机械物理性能。并且具有密度低、柔韧性强、抗破坏能力强、尺寸稳定性好、低翘曲度等显著特点，而且设计自由度大，可应用范围十分广泛。

3.3.2热塑性聚酯弹性体材料

热塑性聚酯弹性体（TPEE）是含有聚酯硬段和聚醚软段的嵌段共聚物。其中聚醚软段和未结晶的聚酯形成无定形相聚酯硬段部分，结晶形成结晶微区，起物理交联点的作用。TPEE具有橡胶的弹性和工程塑料的强度；软段赋予它弹性，使它像橡胶；硬段赋予它加工性能，使它像塑料；与橡胶相比，它具有更好的加工性能和更长的使用寿命；与工程料相比，同样具有强度高的特点，而柔韧性和动态力学性能更好。

3.4 ANSYS强度分析

通过仿真模拟软件模拟产品受到外力作用时的最大变形以及最大应力，得到的数据与材料的性能指标进行对比，检测产品设计的可行性。

假设货车在正常行驶过程中遭受到石块的冲击，货车行驶速度按每小时120公里计算，即33.3m/s。根据冲量公式

，假设石块与防盗箱的接触面积为5mm*5mm，等效于在此面积上施加100MPa的压力载荷，添加约束和载荷之后求解可得到模型所受应力分布以及应变大小。

分析可知整体模型的最大形变为5.151mm，最大应力为62.17MPa，最大形变和应力都在受压位置附近。

结果分析：

通过以上分析可知，石块冲击防盗箱时，防盗箱所受的应力最大为62.17MPa。如果取安全系数为3，则此时：186.51MPa，该值小于材料的拉伸强度（224MPa）和材料的弯曲强度（327MPa），综上分析可知这种结构形式的防盗箱模型是合理的。

3.7 制造技术方案

3.7.1工艺的选择

根据热塑性材料的特点和要求，120阀防盗箱所选材料以及结构均适合采用注射成型工艺进行生产制造，有利于产品以及筋结构的成型。

3.7.2 设备以及模具的选择

为了尽可能发挥长纤维复合材料的优势，设备选择上使用长玻纤专用注塑机，最大程度的保证成品中绝大多数纤维长度保持在8mm以上，从而确保产品的理论强度。选择专业的模具制造厂家，保证模具

加工精度以及产品质量的稳定性，此设备同样适用于对TPEE材料的加工。

3.8维修技术方案

LFT复合材料修复技术主要为两种方式：热风焊接、黏结。

3.8.1热风焊接：当热风气流直接吹向接缝区时，导致接缝区与母材同材质的填充焊丝熔化。通过填充材料与被焊塑料熔化在一起而形成焊缝。

3.8.2黏结：一种是以环氧树脂或氨基甲酸乙酰为基体，与硬化剂混合调匀使用的黏结剂；另一种是以聚酯为基体，与硬化剂混合调匀使用的黏结剂。

3.8.3快速粘接方式：快干胶粘合

3.9回收技术方案

LFT材料与TPEE均为环保可回收材料，通过添加各种助剂后具有高度耐腐蚀特性，使用寿命8年以上，可达一个厂修期，降低全寿命周期成本。产品报废后可以回收再利用，回收后的材料可通过再次处理制造成新的粒料继续使用。

四、可行性分析及结论

新材料制造的防盗箱具有减轻重量、降低成本、回收再利用等诸多优势。并且隔热性能远高于3mm冲压成型的防盗箱，防盗效果与钢制防盗箱相差不大。具有防盗、隔热、高性价比、轻量化、绿色环保等诸多优势。

结论：

使用新材料进行空气制动阀防盗箱的制造技术方案可行，并具有良好的可靠性。

参考文献：

1. 邵俊杰.千万吨级综采工作面大流量泵站系统研究[J]. 中国煤炭. 2010(08)

2. 于卫东,田光荣,吴国栋,杜永明,张宇,刘茂朕,肖齐.货车列检生产布局优化方案研究[J]. 铁道机车车辆. 2018(06)

3. 王义军,赵贞.压缩到达列车等待列检时间的探讨[J]. 铁道运输与经济. 2007(09)