鐵路客車單元制動(dòng)缸呼吸器防水改進(jìn)研究

黃士偉，劉誠(chéng)波，宋傳云，林 超，張志強(qiáng)，王 震

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司 制動(dòng)事業(yè)部，山東 青島266031； 2.中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司 青島機(jī)車車輛監(jiān)造項(xiàng)目部，山東 青島 266111)

1 問(wèn)題提出

從第一臺(tái)空氣制動(dòng)機(jī)誕生至今已有150年的歷史，隨著科技的高度發(fā)展，又相繼出現(xiàn)了電阻制動(dòng)、渦流制動(dòng)、再生制動(dòng)等多種新型制動(dòng)方式[1]，但是即便如此，絕大部分軌道車輛，尤其是干線鐵路客車依然都配置了空氣制動(dòng)系統(tǒng)，且這種現(xiàn)象將長(zhǎng)久存在。單元制動(dòng)缸作為空氣制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能的直接機(jī)構(gòu)，將空氣壓力轉(zhuǎn)化為機(jī)械制動(dòng)力，直接影響軌道車輛的制動(dòng)性能。在單元制動(dòng)缸做功(活塞桿伸縮)過(guò)程中，缸內(nèi)非動(dòng)力空腔由于容積變化需與外界進(jìn)行氣體交換，因此單元制動(dòng)缸一般需設(shè)置呼吸器。

由于單元制動(dòng)缸安裝于鐵路客車轉(zhuǎn)向架，直接暴露在外部大氣環(huán)境中，在雨雪天氣或者車輛入庫(kù)清洗時(shí)將直接與水汽接觸。如果呼吸器設(shè)置不當(dāng)，容易導(dǎo)致水汽進(jìn)入單元制動(dòng)缸內(nèi)部(圖1)，進(jìn)入單元制動(dòng)缸內(nèi)部的水汽在低溫環(huán)境下會(huì)結(jié)冰，而單元制動(dòng)缸的密封作用是通過(guò)橡膠皮碗或者橡膠膜板實(shí)現(xiàn)的，這些附著的冰可能墊起橡膠皮碗或者割傷橡膠膜板，導(dǎo)致單元制動(dòng)缸漏風(fēng)，從而使制動(dòng)作用減弱或者失去制動(dòng)作用，影響行車安全。近些年在鄭州鐵路局、西安鐵路局、上海鐵路局發(fā)生了數(shù)起因單元制動(dòng)缸呼吸器進(jìn)水結(jié)冰導(dǎo)致的行車故障，干擾了正常的鐵路運(yùn)輸秩序[2]。

圖1 單元制動(dòng)缸內(nèi)部積水

2 原呼吸器結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題

鐵路客車單元制動(dòng)缸原呼吸器為直通式結(jié)構(gòu)，由外體、彈性擋圈和過(guò)濾網(wǎng)組成(圖2)，安裝在單元制動(dòng)缸的側(cè)面(單元制動(dòng)缸在轉(zhuǎn)向架上安裝后呼吸器位于水平方向)。由于原呼吸器直通大氣，制動(dòng)缸內(nèi)腔與外界直通，中間只設(shè)一道濾塵網(wǎng)，防水能力較弱；而且過(guò)濾網(wǎng)外無(wú)任何防護(hù)，容易被飛石等異物損壞，如圖3所示。過(guò)濾網(wǎng)一旦損壞，會(huì)進(jìn)一步減弱單元制動(dòng)缸呼吸器的防水能力。

圖2 原呼吸器安裝位置及結(jié)構(gòu)

圖3 原呼吸器過(guò)濾網(wǎng)損壞

除了呼吸器外，部分單元制動(dòng)缸還設(shè)置排水口，排水口一般設(shè)置在單元制動(dòng)缸非動(dòng)力空腔的最低點(diǎn)，用以排出單元制動(dòng)缸內(nèi)部的水汽，但只能在環(huán)境溫度0 ℃以上才起作用。單元制動(dòng)缸除了呼吸器、排水口之外的其他位置均為密封結(jié)構(gòu)，進(jìn)水的可能性極小。當(dāng)環(huán)境溫度低于0 ℃時(shí)，大氣中的雪花、水汽等隨單元制動(dòng)缸復(fù)位吸氣作用進(jìn)入非動(dòng)力空腔并附著在缸壁上，無(wú)法從排水口排出。

為防止從呼吸器進(jìn)入的水汽排出，將單元制動(dòng)缸的排水口堵塞，按照GB 4208—2008《外殼防護(hù)登記(IP代碼)》對(duì)配置原呼吸器結(jié)構(gòu)的單元制動(dòng)缸進(jìn)行IP防護(hù)試驗(yàn)驗(yàn)證(圖4)。拆解后發(fā)現(xiàn)單元制動(dòng)缸后蓋內(nèi)有積水(圖5)，表明原呼吸器結(jié)構(gòu)的單元制動(dòng)缸無(wú)法達(dá)到IP×4M級(jí)的防水要求。

圖4 單元制動(dòng)缸IP×4M防護(hù)試驗(yàn)

圖5 原呼吸器結(jié)構(gòu)缸體內(nèi)部積水狀況

3 解決措施

單元制動(dòng)缸原呼吸器安裝在側(cè)面，且直通大氣，過(guò)濾網(wǎng)易損壞，對(duì)直射水滴阻擋能力不足。為改善其防水性能，可以采取如下措施。

3.1 增加擋板

在原呼吸器外增加擋板，使直射水滴不直接噴射到呼吸口，對(duì)呼吸器起到遮擋作用，可有效提高原呼吸器的防水性能。如圖6所示，擋板沿虛線預(yù)折彎處理后，將呼吸器穿過(guò)安裝孔，使用扳手將呼吸器扭緊在單元缸前體上，并通過(guò)彈簧墊圈將防護(hù)板壓緊。之后可使用小錘和螺絲刀等工具將防護(hù)板折彎，最終將呼吸器完全罩住。增加擋板的改進(jìn)方案已在部分路局(如哈爾濱鐵路局)廣泛應(yīng)用并取得了良好的效果。

圖6 擋板防護(hù)示意圖

3.2 調(diào)整呼吸器安裝位置

調(diào)整呼吸器的安裝位置，將水平安裝的呼吸器調(diào)整至單元制動(dòng)缸的最低點(diǎn)，可以有效降低外界水汽進(jìn)入單元制動(dòng)缸內(nèi)部，同時(shí)還可將進(jìn)入單元制動(dòng)缸內(nèi)部的水汽及時(shí)排出，從而提高單元制動(dòng)缸的防水能力。目前國(guó)內(nèi)鐵路常用單元制動(dòng)缸(制動(dòng)夾鉗單元)的呼吸器絕大部分均設(shè)置于其最低點(diǎn)(圖7)。

(a) 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組用 (b) 和諧型機(jī)車用

3.3 采用非直通式呼吸器結(jié)構(gòu)

將單元制動(dòng)缸呼吸器的通氣方式由直通式更改為非直通式，有助于提高抵擋直射水滴的能力，同時(shí)將過(guò)濾網(wǎng)置于呼吸器內(nèi)部有助于防止外界對(duì)其造成損傷。圖8為一種非直通式呼吸器結(jié)構(gòu)，包括呼吸堵、扁口橡膠保護(hù)套和扎帶。該種結(jié)構(gòu)呼吸器改變了氣流的直通方式。此外，由于橡膠保護(hù)套的特殊的開口形式(如鴨嘴形狀)，氣流可雙向流通，水滴可從內(nèi)部流出，無(wú)法從外部進(jìn)入。該種呼吸器已在CJ-1型動(dòng)車組上裝車應(yīng)用。

圖8 非直通式呼吸器結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 采用自排水功能呼吸器結(jié)構(gòu)

將進(jìn)入呼吸器的水汽及時(shí)排出，使呼吸器具有水汽阻斷作用，同樣可以有效提高單元制動(dòng)缸的防水性能。圖9所示的呼吸器結(jié)構(gòu)包括防護(hù)帽、壓塊、濾網(wǎng)和芯柱，壓塊周圍設(shè)置排水口，可以使得進(jìn)入的水滴及時(shí)排出。此外，該呼吸器同時(shí)將濾網(wǎng)置于呼吸器內(nèi)部，可防止意外損傷。配置該種型式呼吸器的單元制動(dòng)缸已在出口阿根廷內(nèi)燃動(dòng)車組上批量裝車，已累計(jì)應(yīng)用4年，效果良好。

圖9 帶自排水功能的呼吸器結(jié)構(gòu)示意圖

4 一種適用于鐵路客車單元制動(dòng)缸的呼吸器結(jié)構(gòu)

由于制動(dòng)夾鉗杠桿的限制，既有鐵路客車單元制動(dòng)缸無(wú)法直接在底部安裝呼吸器，只能設(shè)置在水平位置。鑒于水平安裝方式的限制，設(shè)計(jì)了一種非直通迷宮式呼吸器，該呼吸器由空心螺釘、橡膠保護(hù)套及濾芯組件組成(圖10)，改變了氣流的直通方式，同時(shí)將過(guò)濾功能置于呼吸器內(nèi)部。

圖10 非直通迷宮式呼吸器結(jié)構(gòu)

針對(duì)安裝圖10所示的非直通迷宮式呼吸器結(jié)構(gòu)的鐵道客車單元制動(dòng)缸按照GB 4208—2008進(jìn)行IP×4M級(jí)噴淋水試驗(yàn)，拆解后單元制動(dòng)缸后蓋內(nèi)無(wú)明顯積水，僅有少量水珠(圖11)。輕微進(jìn)水是由于單元缸的呼吸作用需要內(nèi)外氣體交流。對(duì)比原呼吸器，新呼吸器能夠有效減少進(jìn)水概率及進(jìn)水量。

圖11 新呼吸器結(jié)構(gòu)淋雨試驗(yàn)后缸體內(nèi)部積水狀況

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上，增加外殼防護(hù)、合理設(shè)計(jì)呼吸器安裝位置、采用非直通式呼吸結(jié)構(gòu)、增加呼吸器排水功能、將過(guò)濾網(wǎng)置于呼吸器內(nèi)部均可有效防止水汽進(jìn)入單元制動(dòng)缸內(nèi)部，提高綜合防水性能。根據(jù)既有鐵路客車單元制動(dòng)缸的安裝特點(diǎn)設(shè)計(jì)的一種非直通迷宮式呼吸器，防水能力達(dá)到IP×4M級(jí)，可有效防止水汽進(jìn)入單元制動(dòng)缸內(nèi)部，提高綜合防水性能。