雙密封主動潤滑活塞組成及制動缸的研制

陳時虎，于建剛

（南車二七車輛有限公司，北京100072）

雙密封主動潤滑活塞組成及制動缸的研制

陳時虎，于建剛

（南車二七車輛有限公司，北京100072）

針對既有鐵路貨車旋壓密封式制動缸存在的漏泄問題，介紹了最新研制的采用兩級密封技術、主動潤滑技術以及輕量化材料技術的雙密封主動潤滑活塞組成及制動缸的結構、工作原理、試制及試驗驗證情況。

制動缸；活塞；主動潤滑；密封

鐵路貨車制動缸是一種單作用式氣缸，是鐵路貨車實施車輛制動的動力裝置——工作時它將約400 kPa的壓縮空氣的壓力轉換成制動缸活塞推力。制動缸活塞桿呈水平推出，通過制動杠桿、制動梁、閘瓦等零部件，對貨車輪對施行制動。制動缸作用的可靠性，直接影響貨車的正常和安全運行，是鐵路貨車的關鍵部件。

目前鐵路貨車制動缸大部分為旋壓密封式制動缸。在貨車運用過程中，既有旋壓密封式制動缸的主要故障表現為漏泄。分解存在漏泄故障的制動缸發現：潤滑脂基本都積存在缸體內壁的下部兩端，制動缸內壁上部缺油；有的密封圈翻邊，局部磨損；有的缸體內壁銹蝕。既有鐵路貨車用旋壓密封式制動缸結構如圖1所示。

圖1　旋壓密封式制動缸

既有制動缸活塞采用一個Y形密封圈（或活塞膜片）進行密封，通過在制動缸內壁涂抹潤滑脂和在活塞體上安裝一個浸油的氈圈潤滑套進行潤滑。這種制動缸工作時，活塞往復運動，把缸體內壁的潤滑脂分別擠到了制動缸的前后兩端；當氣溫較高時，缸體內壁的潤滑脂粘度降低，在自重作用下淌到缸體下部；當活塞運動時，密封圈上部與制動缸缸體內壁間缺少油脂，在潤滑不良的情況下磨損較快；另外，制動缸缸體材質為碳素鋼，缸壁缺油時容易銹蝕。既有制動缸活塞體材質為鑄鐵，質量較大（12 in缸鑄鐵活塞重約16.3 kg）；受自重影響，活塞體對密封圈下部形成較大壓力并使之變形；活塞沒有導向帶，存在鑄鐵活塞體和缸壁直接接觸的情況，有時拉傷缸體內壁；鑄鐵活塞體容易銹蝕，污染制動缸內部環境，造成潤滑脂污染；制動缸內壁磨損、潤滑脂污染后，都使得密封圈磨損較快。密封圈磨損后，導致制動缸工作時壓力空氣漏泄，影響車輛制動性能。

為使密封圈在高低溫環境下長期得到良好的潤滑，提高制動缸工作可靠性，采用鋁合金活塞和雙密封、主動潤滑技術，研制了新的鐵路貨車制動缸。

1　產品結構與工作原理

1.1雙密封主動潤滑制動缸結構

新研制的直徑305 mm、行程254 mm的雙密封主動潤滑制動缸的缸座組成、缸體組成、前蓋組成、前蓋濾塵套組成、濾塵器組成、彈簧座、緩解彈簧、前襯墊等零部件與既有305×254 A型旋壓密封式制動缸完全相同，不同之處在于：采用雙密封主動潤滑活塞組成，代替既有305×254 A型旋壓密封式制動缸的活塞體、Y形密封圈、潤滑套、氈托組成、活塞桿等。

已大量使用的既有旋壓密封式制動缸結構和新的雙密封主動潤滑制動缸結構對比如圖2。其中活塞體變更為可預存潤滑脂的活塞體，采用隔環與導向帶代替既有制動缸潤滑套與氈托，采用前、后兩級密封圈將潤滑脂封在工作面上。

1.2雙密封主動潤滑活塞組成結構

雙密封主動潤滑活塞組成由活塞體、活塞桿、前密封圈、隔環、導向帶、后密封圈、潤滑脂活塞+O形密封圈、油杯、壓板、螺釘以及潤滑脂等組成，具體結構如圖3（未含活塞桿）：

圖2　既有制動缸與雙密封主動潤滑制動缸結構比較

圖3　活塞組成

活塞體周向均布設置有4～6個貯油腔，可貯存潤滑脂；貯油腔各設置有單向閥油杯，用于往貯油腔內補充潤滑脂。

在活塞體外徑面，依次套設有后密封圈、隔環和前密封圈；隔環內徑面和兩側面均各自設置有用于流通和分布潤滑脂的半圓形導油槽；隔環的外部設有自潤滑導向帶，用于減小活塞組成的運動阻力，防止制動缸內壁拉傷。

前密封圈為主密封圈，采用既有Y形密封圈的成熟結構，其寬度較原Y形密封圈減小，主要是為了減小密封圈與缸壁的正壓力，降低密封圈運行阻力，減小密封圈磨耗；為了密封與制動缸體內壁間的潤滑脂，增加了油脂密封唇。

后密封圈主要是密封油脂，當前密封圈失效時也可密封壓力空氣，因而也采用了Y形密封圈自密封的結構。

活塞體的外徑面與每個貯油腔之間各設置有通油孔，使貯油腔內的潤滑脂經通油孔流向隔環導油槽，進而對后密封圈、導向帶和前密封圈起到潤滑作用。

活塞體左側與每個貯油腔之間設置有一潤滑脂活塞，潤滑脂活塞外側設置有用于拆卸的凸臺，潤滑脂活塞在制動缸壓力空氣的作用下，推動各貯油腔內的潤滑脂，對前密封圈與后密封圈之間損耗的潤滑脂進行補充。潤滑脂活塞安裝有O形密封圈，O形密封圈可以防止壓力空氣進入貯油腔，避免貯油腔內的潤滑脂溢出，同時防止壓力空氣從該部位泄漏。

活塞體端面（潤滑脂活塞外側）通過螺釘安裝有壓板，壓板可以對前密封圈、隔環、后密封圈、潤滑脂活塞進行限位。

活塞體材料為鋁合金材料，具有質量輕、強度高的特點。采用鋁合金材料，12時活塞體質量小于6.5 kg，較鑄鐵活塞體可降低約10 kg，可減小對于導向帶、缸壁的正壓力，降低活塞運行阻力，提高導向帶的耐用度；活塞體質量大幅度降低，也可方便生產現場的裝配、拆卸，減輕工人勞動強度；另外鋁合金不會像鑄鐵產生銹蝕而污染油脂。

隔環采用尼龍注塑成型。尼龍具有較好的自潤滑性能、耐高低溫、耐油脂性能；一旦導向帶損壞或缺失，隔環依舊能夠起到導向帶的作用，保證制動缸工作可靠性。

1.3工作原理

制動缸組裝時，在主動潤滑活塞組成的前密封圈、隔環、導向帶、后密封圈以及活塞體貯油腔、通油孔填充潤滑脂；制動缸工作時，壓力空氣作用于活塞組成端面、推動活塞組成的同時，推動潤滑脂活塞擠壓貯油腔內的潤滑脂；當前密封圈、導向帶、后密封圈與制動缸內壁之間的潤滑脂減少、制動缸內有壓力空氣時，潤滑脂活塞在壓力空氣作用下，推動活塞體貯油腔內的潤滑脂對減少的潤滑脂進行補充，使前密封圈、隔環、后密封圈之間的潤滑脂得到保持。制動缸制造時，貯油腔內的油脂可經過油杯，用油槍進行補充。在車輛段對制動缸進行段修時，如果開蓋檢查制動缸內部狀態良好，也只需通過油杯補充油脂即可。

綜上所述，雙密封主動潤滑活塞組成及制動缸由于采用了上述結構，將潤滑脂封閉在兩級密封圈之間，當制動缸工作、活塞前后移動時，潤滑脂均勻涂抹在活塞行程范圍的制動缸內壁上，起到潤滑作用，可較好地解決現有制動缸潤滑脂容易堆積到制動缸兩端的問題。同時，由于采用了雙密封結構，當一級密封圈失效時，另一級密封圈仍然可以保證制動缸的密封性能。由于采用導向帶技術，活塞體上安裝有自潤滑導向帶和尼龍隔環，可避免密封圈因承重、偏心引起的制動缸上部漏泄。由于采用主動潤滑技術，當活塞組成兩級密封圈之間的潤滑脂有損耗時，活塞體貯油腔內的潤滑脂在制動缸工作壓力空氣作用下可進行自動補償；可較好地解決現有制動缸潤滑脂在高溫情況下容易流淌到制動缸下部、導致制動缸上部缺油的問題；上述結構對于低溫情況下制動缸性能沒有影響。

2　樣機試制及試驗驗證

為驗證雙密封主動潤滑活塞組成與制動缸的技術性能，在試制的基礎上，多次優化了產品結構設計和密封圈材料；同時對活塞體毛坯的鍛造、熱處理、機加工的工藝性能進行了驗證。試制結果表明：產品零部件制造及裝配工藝性良好。對最終雙密封主動潤滑制動缸進行了如下試驗：

2.1感度試驗

對試制組裝完成的44套制動缸，充入壓力空氣，測試每套制動缸活塞動作瞬間缸體內氣體壓強。測試結果為：最低17.2 kPa，最高29.1 kPa，平均值為23.2 kPa。測試結果符合不高于30 kPa的標準要求。

2.2氣密性試驗

按照制動缸技術條件，對試制的制動缸通過直徑為3 mm的孔分別充入80 kPa和600 kPa的壓力空氣，觀察活塞動作情況；保壓2 min后，測試缸內壓力變化量；然后排空缸內壓力空氣，觀察活塞復位情況。

測試結果表明：80 kPa和600 kPa充氣試驗時活塞能平穩運動至全行程。80 kPa保壓2 min后，壓力下降不超過2 kPa；160 kPa保壓2 min后，壓力下降不超過3 kPa；均符合壓力下降不大于3 kPa/min的要求。制動缸排氣時，活塞能平穩回到原位，符合標準要求。

2.3模擬密封失效氣密性試驗

雙密封主動潤滑活塞組成可能發生泄漏的部位有四處：前密封圈、后密封圈、O形密封圈、油杯。為驗證密封部位失效后的可靠性，分別模擬前密封圈失效、后密封圈失效、O形密封圈失效、油杯單向密封失效進行了試驗，組裝情況如圖4所示。試驗內容為80 kPa和600 kPa的氣密性試驗。試驗結果表明：當前密封圈、后密封圈、O形密封圈、油杯單向密封任一部位產生漏泄時，制動缸均沒有發生漏泄，不影響制動缸工作性能，但影響主動潤滑性能。

圖4　各工況密封圈

為驗證雙密封主動潤滑活塞組成兩個密封部位失效后的可靠性，分別模擬前密封圈、O形密封圈同時失效、后密封圈、油杯單向密封同時失效進行了試驗，組裝情況如圖5所示。試驗內容為80 kPa和600 kPa的氣密性試驗，試驗結果表明：前密封圈、O形密封圈同時失效、后密封圈、油杯單向密封同時失效時，制動缸均沒有發生漏泄，不影響制動缸工作性能，但影響主動潤滑性能。

圖5　試驗密封圈

2.4模擬高溫環境試驗

為驗證前、后密封圈對高溫液化后的潤滑脂的密封性能，在貯油腔內加入10#航空液壓油，前、后密封圈之間未加潤滑脂，進行80 kPa和600 kPa的氣密性試驗，并全行程運行、保壓10次，分解后檢查活塞的密封狀態。加入液壓油情況見圖6、試驗后情況見圖7所示。

圖6　裝入10#航空液壓油的活塞

圖7　試驗后的活塞組成

試驗結果表明：即使潤滑脂在高溫環境下完全液化，潤滑脂依然能夠得到良好的密封而不流失，從而保證對制動缸密封圈良好的潤滑。

2.5低溫試驗

選取其中2件制動缸、委托鐵道部產品質量監督檢驗中心（低溫試驗站）進行了產品低溫型式試驗。在-50℃環境溫度下放置24 h，立即進行了80 kPa和600 kPa的充排氣、氣密性試驗。試驗結果表明，制動缸低溫下的氣密性良好，活塞往復運動平穩。試驗情況如圖8。

圖8　低溫試驗

2.6潤滑脂損耗量試驗

選取1個組裝完成的制動缸，向制動缸內充入420 kPa壓力空氣，頻率1～2次/min，其中活塞行程（155± 10）mm；進行了11 000次后，解體檢查，發現活塞體貯油腔內潤滑脂減少不到1/4，潤滑脂活塞未發生卡滯。圖9為試驗完畢解體后的活塞組成照片。

圖9　解體后的活塞組成

進行56 000次后，解體檢查，發現潤滑脂活塞已到底，前后密封圈之間充滿潤滑脂，密封圈潤滑狀態良好。

2.7鋁合金活塞體與制動缸推桿的沖擊性能試驗

模擬制動缸實際工況，在制動缸疲勞試驗臺上進行了20 000次鋁合金活塞體與制動缸推桿的沖擊性能循環試驗，以檢驗活塞體的抗沖擊性能。試驗結果表明，采用某牌號鋁合金材料的活塞體和推桿接觸部位僅有輕微劃痕，活塞體無材料剝離、裂紋，能夠滿足制動缸可靠性的需要。

3　結束語

通過以上試制和試驗驗證，由于采用兩級密封、主動潤滑技術，雙密封主動潤滑制動缸可解決現有制動缸潤滑脂夏季容易流墜到制動缸下部導致上部缸壁油脂缺失的問題；在活塞體上安裝自潤滑導向帶和尼龍隔環，可避免密封圈因承重、偏心引起的制動缸上部漏泄；活塞體采用鋁合金材料的輕量化技術，可減少密封圈和導向帶的磨損，避免鑄鐵活塞銹蝕對缸體內部環境的污染。采取上述技術措施，可提高制動缸工作的可靠性、有望延長制動缸檢修周期。

雙密封主動潤滑制動缸除活塞組成外，其余零部件與現有制動缸完全相同，因而雙密封主動潤滑活塞組成可與既有旋壓密封式制動缸鑄鐵活塞組成互換使用，既可用于新造制動缸，也可用于對既有貨車制動缸的技術改造。

Research for Active Lubricated Double Sealed Piston and Brake Cylinder

CHEN Shihu，YU Jiangang
（CSR ERQICo.，Ltd.，Beijing 100072，China）

For the problem existing in the spinning sealed brake cylinder，this thesis introduces the structure，working principle，trail production and test verification condition for brake cylinder and active lubricated double sealed piston which uses newly developed two grade sealing technology，active lubricating technology and lightweight materials technology.

brake cylinder；piston；active lubricated；seal

U272.35

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.15

1008-7842（2015）04-0067-04

0—）男，高級工程師（

2015-01-28）