鐵路車輛制動(dòng)缸活塞的密封與潤(rùn)滑分析研究

劉小兵

神華鐵路貨車運(yùn)輸有限責(zé)任公司陜西分公司 陜西 神木 719316

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)取得了巨大的進(jìn)步，各地的建設(shè)熱情日益高漲，需要的建設(shè)物資隨之也大為提高。鐵路車輛貨物運(yùn)輸作為物資運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)重要途徑，在整個(gè)運(yùn)輸領(lǐng)域中占有重要的地位，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，并越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

隨著鐵路車輛設(shè)備的不斷更新、新技術(shù)的大量應(yīng)用，鐵路車輛的運(yùn)力和速度都比以前有了較大提升，這無(wú)疑對(duì)車輛的制動(dòng)性能提出了更高要求。綜觀現(xiàn)狀，鐵路車輛制動(dòng)技術(shù)仍然存在不完善的地方，制動(dòng)故障頻繁發(fā)生，干擾了鐵路車輛運(yùn)輸?shù)恼Ｖ刃颉?/p>

制動(dòng)系統(tǒng)是鐵路車輛的一個(gè)重要組成部分，關(guān)系到列車運(yùn)行的速度和牽引的重量等關(guān)鍵指標(biāo)，更是直接影響著車輛運(yùn)行的性能和安全。而制動(dòng)缸又是鐵路車輛制動(dòng)系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的組成部分，對(duì)于保證車輛安全停留和運(yùn)行等方面起著十分關(guān)鍵的作用。

鐵路車輛制動(dòng)缸屬于單作用式氣缸，是鐵路車輛實(shí)施車輛制動(dòng)的重要?jiǎng)恿ρb置，在運(yùn)行階段能將壓縮空氣基本壓力轉(zhuǎn)化為制動(dòng)缸活塞的重要推力。制動(dòng)缸應(yīng)用價(jià)值較高，對(duì)車輛穩(wěn)定運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生較大影響，是保證鐵路車輛安全運(yùn)行的重要部件。

當(dāng)前鐵路車輛制動(dòng)缸大多采用的是旋壓密封式制動(dòng)缸，在車輛長(zhǎng)時(shí)間行運(yùn)行過(guò)程中，該類型制動(dòng)缸常發(fā)生漏泄故障。拆開(kāi)漏泄故障的制動(dòng)缸，發(fā)現(xiàn)制動(dòng)缸內(nèi)壁底端積存了大量的潤(rùn)滑脂，而制動(dòng)缸內(nèi)上部缺潤(rùn)，部分密封圈磨損嚴(yán)重，缸壁腐蝕嚴(yán)重。

一、旋壓密封式制動(dòng)缸產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

旋壓密封式制動(dòng)缸活塞主要是選用活塞膜片或是Y型密封圈進(jìn)行有效密封，通過(guò)在制動(dòng)缸內(nèi)壁涂抹適量潤(rùn)滑脂或是在活塞體中安裝潤(rùn)滑套進(jìn)行潤(rùn)滑。此類制動(dòng)缸在運(yùn)行時(shí)，活塞會(huì)產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而將缸壁上的潤(rùn)滑脂分別擠到制動(dòng)缸的前后端。隨著溫度的不斷上升，缸體內(nèi)部潤(rùn)滑脂粘度會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，在重力作用影響下會(huì)逐步落到缸體底部位置。

活塞在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，密封圈和制動(dòng)缸內(nèi)部油脂量不足，在潤(rùn)滑不均勻的情況下磨損加重。當(dāng)前大多數(shù)制動(dòng)缸缸體材質(zhì)為碳素鋼，如果缸體內(nèi)壁油量不足，很容易產(chǎn)生銹蝕。活塞的材質(zhì)一般為鑄鐵，其質(zhì)量較大，受重力影響，會(huì)對(duì)密封圈下部形成較大壓力，從而使其會(huì)發(fā)生變形。此外，在活塞中未設(shè)置導(dǎo)向帶，鑄鐵活塞與缸壁直接接觸較為明顯，有時(shí)會(huì)拉傷缸體內(nèi)壁。鑄鐵活塞容易銹蝕，這會(huì)對(duì)缸體內(nèi)部環(huán)境造成不同程度的污染，從而導(dǎo)致潤(rùn)滑脂污染。缸體潤(rùn)滑脂受到污染之后，密封圈磨損問(wèn)題會(huì)進(jìn)一步加重，當(dāng)密封圈磨損程度加重，制動(dòng)缸在運(yùn)行中會(huì)發(fā)生壓力空氣泄漏問(wèn)題，對(duì)車輛基本制動(dòng)性會(huì)產(chǎn)生較大影響[1]。

為了保障密封圈在高低溫狀態(tài)下都能獲取有效潤(rùn)滑，提升制動(dòng)缸運(yùn)行穩(wěn)定性，可以合理應(yīng)用鋁合金活塞與密封、潤(rùn)滑技術(shù)，對(duì)原有的鐵路車輛制動(dòng)缸進(jìn)行創(chuàng)新。比如新研制的雙密封主動(dòng)潤(rùn)滑制動(dòng)缸，其基本構(gòu)成與旋壓密封式制動(dòng)缸相同，只是將原有的密封制動(dòng)缸活塞更新為雙密封主動(dòng)潤(rùn)滑活塞，在活塞體中選取能預(yù)存潤(rùn)滑脂的活塞體，應(yīng)用多級(jí)別密封圈在工作面上封存潤(rùn)滑脂[2]。

二、雙密封主動(dòng)潤(rùn)滑制動(dòng)缸活塞組成結(jié)構(gòu)及工作原理

1.雙密封主動(dòng)潤(rùn)滑活塞組成結(jié)構(gòu)

雙密封主動(dòng)潤(rùn)滑活塞主要由活塞桿、活塞體、前密封圈、隔環(huán)、導(dǎo)向帶、后密封圈、潤(rùn)滑脂活塞、O型密封圈、壓板、潤(rùn)滑脂、螺釘?shù)炔糠謽?gòu)成。其中活塞體周向均勻設(shè)置了多個(gè)貯油腔，能儲(chǔ)存潤(rùn)滑脂。在活塞體外徑面，按照規(guī)范順序套設(shè)密封圈、隔環(huán)以及前密封圈。在隔環(huán)側(cè)面等位置設(shè)置導(dǎo)油槽，隔環(huán)的外部設(shè)有潤(rùn)滑導(dǎo)向帶，用于減小活塞組成的運(yùn)動(dòng)阻力。前密封圈為主要密封圈，采用既有Y型密封圈的結(jié)構(gòu)，其寬度較原Y型密封圈有所減小，旨在減少密封圈與缸壁的正壓力，減小密封圈磨耗。后密封圈的主要作用是為了有效密封油脂，當(dāng)前密封圈失效時(shí)也可以密封壓力空氣。在活塞體各個(gè)徑面與貯油腔中要布設(shè)輸油孔，使得潤(rùn)滑脂能通過(guò)孔洞流向?qū)в筒郏瑥亩沟脻?rùn)滑作用更加突出[3]。活塞體左側(cè)與不同貯油腔之間設(shè)有潤(rùn)滑脂活塞，活塞外側(cè)設(shè)有用于拆卸的凸臺(tái)，潤(rùn)滑脂活塞在制動(dòng)缸壓力作用下，能推動(dòng)各貯油腔內(nèi)的潤(rùn)滑脂對(duì)前后密封圈之間損耗的潤(rùn)滑脂進(jìn)行補(bǔ)充。潤(rùn)滑脂活塞裝有O型密封圈，此密封圈能阻隔空氣進(jìn)入貯油腔。在活塞體端面安裝相應(yīng)的壓板，壓板可以對(duì)密封圈、隔環(huán)、潤(rùn)滑脂活塞起到限位控制作用。活塞體大多選用質(zhì)量輕、強(qiáng)度高鋁合金材料，通過(guò)降低活塞體質(zhì)量，從而減小對(duì)于導(dǎo)向帶、缸壁的正壓力，降低活塞運(yùn)行阻力，提高導(dǎo)向帶的耐用度。此外，鋁合金材料不易生銹，這在一定程度上也避免缸內(nèi)環(huán)境的污染[4]。

2.工作原理

在制動(dòng)缸組裝過(guò)程中，在潤(rùn)滑活塞前密封圈、導(dǎo)向帶、隔環(huán)、后密封圈以及貯油腔填充潤(rùn)滑脂。在制動(dòng)缸運(yùn)行過(guò)程中，產(chǎn)生的壓力空氣作用于活塞構(gòu)成端面，從而推動(dòng)潤(rùn)滑脂活塞擠壓貯油腔內(nèi)的潤(rùn)滑脂。如果密封圈、導(dǎo)向帶、后密封圈等位置潤(rùn)滑脂大量減少，制動(dòng)缸中還存有部分壓力空氣，潤(rùn)滑脂活塞受到壓力空氣的推動(dòng)影響，活塞中的潤(rùn)滑油脂也會(huì)進(jìn)行有效補(bǔ)充。

鐵路車輛段對(duì)制動(dòng)缸進(jìn)行維修時(shí)，當(dāng)掌握制動(dòng)缸穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)后，技術(shù)人員只需補(bǔ)充潤(rùn)滑脂即可。在兩級(jí)密封圈之間的潤(rùn)滑脂具有十分重要的作用，可較好地解決制動(dòng)缸潤(rùn)滑脂容易堆積到制動(dòng)缸兩端的問(wèn)題。

三、樣機(jī)試驗(yàn)及試驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)雙密封主動(dòng)潤(rùn)滑塞組成與制動(dòng)缸技術(shù)性能進(jìn)行合理驗(yàn)證，要在試驗(yàn)制作基礎(chǔ)上對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及各類材料應(yīng)用進(jìn)行合理優(yōu)化，對(duì)活塞體材料應(yīng)用性能進(jìn)行全面驗(yàn)證。從各項(xiàng)結(jié)果來(lái)看，產(chǎn)品零部件生產(chǎn)制造以及裝配工藝水平較高。

1.模擬密封失效氣密性試驗(yàn)

雙密封主動(dòng)潤(rùn)滑活塞組成可能發(fā)生漏泄的部位分別為前密封圈、O型密封圈、后密封圈以及油杯。未驗(yàn)證密封部位失效后的可靠性，分別對(duì)前密封圈失效、O型密封圈失效、后密封圈失效、油杯單向密封失效進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)密封圈與油杯任一位置發(fā)生漏泄時(shí)，制動(dòng)缸都不會(huì)產(chǎn)生漏泄，也不會(huì)影響制動(dòng)缸的基本性能，但是影響其主動(dòng)潤(rùn)滑性能[5]。

為了驗(yàn)證雙密封主動(dòng)潤(rùn)滑活塞兩個(gè)密封部位失效后的可靠性，又分別模擬了前密封圈、O型密封圈同時(shí)失效試驗(yàn)，后密封圈失效、油杯單向密封同時(shí)失效試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，前密封圈、O型密封圈同時(shí)失效，后密封圈失效、油杯單向密封同時(shí)失效時(shí)，制動(dòng)缸都沒(méi)有發(fā)生漏泄，制動(dòng)缸工作性能也沒(méi)有受到影響，但是影響了主動(dòng)潤(rùn)滑性能[6]。

2.模擬高溫環(huán)境試驗(yàn)

為了對(duì)前后密封圈受到高溫液化之后的潤(rùn)滑劑密封性能進(jìn)行判定，開(kāi)展了模擬高溫環(huán)境試驗(yàn)，分解后檢查活塞基本密封情況。從試驗(yàn)中能看出，在高溫運(yùn)行狀態(tài)下，潤(rùn)滑脂會(huì)被完全液化，但是潤(rùn)滑脂依然能得到良好的密封而不流失，保證對(duì)制動(dòng)缸密封圈具有良好的潤(rùn)滑效果。

3.模擬沖擊性能循環(huán)試驗(yàn)

此外，還要對(duì)制動(dòng)缸基本運(yùn)行工況進(jìn)行模擬，在制動(dòng)缸試驗(yàn)臺(tái)上開(kāi)展多次的沖擊性能循環(huán)試驗(yàn)，以檢驗(yàn)活塞體的抗沖擊性能。試驗(yàn)結(jié)果證明出，各類品牌的活塞體質(zhì)量較好，在試驗(yàn)過(guò)程中并未出現(xiàn)活塞體材料結(jié)構(gòu)裂紋或剝離的情況，能滿足制動(dòng)缸可靠性的要求。

四、結(jié)語(yǔ)

在鐵路運(yùn)輸向著運(yùn)力提升、運(yùn)速提高方向發(fā)展的今天，鐵路車輛的制動(dòng)性對(duì)于運(yùn)輸?shù)陌踩灾陵P(guān)重要。隨著科技的發(fā)展，近年來(lái)，我國(guó)鐵路車輛制動(dòng)技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但仍然存在一些問(wèn)題，制動(dòng)故障時(shí)有發(fā)生。制動(dòng)缸作為鐵路車輛制動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，其研究也受到了業(yè)內(nèi)人士的普遍關(guān)注。鑒于此，本文對(duì)既有鐵路車輛旋壓密封式制動(dòng)缸存在的漏泄問(wèn)題進(jìn)行了分析，介紹了最新研制的雙密封主動(dòng)潤(rùn)滑活塞組成及制動(dòng)缸的結(jié)構(gòu)、工作原理、試制及試驗(yàn)驗(yàn)證情況。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雙密封主動(dòng)潤(rùn)滑劑制動(dòng)缸可有效解決既有制動(dòng)缸缸壁油脂缺失問(wèn)題，避免制動(dòng)缸潤(rùn)滑脂堆積到制動(dòng)缸的兩端。相較于之前的鑄鐵活塞，雙密封主動(dòng)潤(rùn)滑制動(dòng)缸活塞采用鋁合金材料，可有效減少密封圈和導(dǎo)向帶的磨損，避免鑄鐵活塞銹蝕對(duì)缸體內(nèi)部造成的環(huán)境污染。此外，雙密封主動(dòng)潤(rùn)滑制動(dòng)缸除活塞外，其余零部件與既有制動(dòng)缸完全相同，由此不難看出，雙密封主動(dòng)潤(rùn)滑活塞既可以用于制造新的制動(dòng)缸，也可以用于對(duì)既有車輛制動(dòng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，適用范圍更廣。※