基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的防水設(shè)計(jì)

歐陽(yáng)省,宋傳云

(中車青島四方車輛研究所有限公司,山東 青島 266031)

1 基礎(chǔ)制動(dòng)運(yùn)用的水環(huán)境

軌道車輛基礎(chǔ)制動(dòng)裝置安裝在車下,雖然有車體或底架的遮擋和保護(hù),可以在一定程度上避開雨雪冰雹的直接作用,但在高速行車過程中,這些水分會(huì)在氣流作用下進(jìn)入車底。嚴(yán)重時(shí)伴隨著側(cè)風(fēng)、雨雪,加上車輛底架和路基對(duì)氣流猛烈的搓動(dòng)作用,可形成強(qiáng)度驟變、渦旋、冰水混和的車底惡劣水環(huán)境。

在寒暖交替的季節(jié)或地區(qū),在時(shí)暖時(shí)寒、冰水轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)行車氣候條件下,狀況惡劣時(shí)車下幾乎所有制動(dòng)管系和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置都會(huì)被冰雪覆蓋包裹,見圖1～圖3。

圖1 冬季跨越中原地區(qū)的25T 型鐵路客車車底水環(huán)境狀況

圖2 提速客車在寒暖交替、冰水轉(zhuǎn)換過程中逐步形成的積冰

圖3 25G 型鐵路客車單元制動(dòng)缸被冰雪包裹的情況

我國(guó)幅員遼闊,鐵路線路地理覆蓋范圍大,南北跨越了北緯18°～53°的地理緯度,加上青藏鐵路的特殊氣候條件,列車運(yùn)行中會(huì)遇到劇烈的氣候環(huán)境變化,基礎(chǔ)制動(dòng)裝置在我國(guó)運(yùn)用的水環(huán)境的惡劣程度非同一般,給列車的安全運(yùn)用和行車秩序帶來很大困擾,運(yùn)用部門多次提出防水設(shè)計(jì)方面的分析與改進(jìn)建議,見參考文獻(xiàn)[1-2]。為此,基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的防水設(shè)計(jì)應(yīng)引起高度重視。

2 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的進(jìn)水方式和途徑

2.1 被動(dòng)進(jìn)水

出于功能的需要,基礎(chǔ)制動(dòng)裝置內(nèi)部與外界大氣之間存在著氣體交流的通道和間隙。高速行車時(shí),外界水珠、雪花等水分,夾雜在無規(guī)律、無定向、陣發(fā)性的渦旋強(qiáng)氣流中,向各個(gè)方向噴射。噴射中的水分會(huì)透過這些通道或間隙向基礎(chǔ)制動(dòng)裝置內(nèi)部噴濺、滲透,造成其被動(dòng)地接受外界水分。

2.2 主動(dòng)進(jìn)水

列車在運(yùn)行過程中需要不斷調(diào)整行車速度,基礎(chǔ)制動(dòng)裝置也會(huì)伴隨著制動(dòng)、緩解,發(fā)生內(nèi)外氣體交換的呼吸作用。通過這種呼吸作用,基礎(chǔ)制動(dòng)裝置會(huì)主動(dòng)地通過氣體交流的通道和間隙,把外界環(huán)境中的水滴、雪花等吸入內(nèi)部。正是由于呼吸作用的存在,使得始終處于有限空間內(nèi)的呼吸器的設(shè)計(jì)無法完全避免水分進(jìn)入。

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的動(dòng)作靈敏度,一般規(guī)定為:充入40 kPa的壓力空氣時(shí),制動(dòng)活塞應(yīng)克服緩解彈簧阻力和摩擦阻力,產(chǎn)生出閘動(dòng)作。這意味著緩解彈簧的力值最大允許設(shè)計(jì)為40 kPa的壓力空氣產(chǎn)生的推力與摩擦阻力之差。緩解時(shí),緩解彈簧在克服摩擦阻力之后會(huì)使基礎(chǔ)制動(dòng)內(nèi)部(非壓力空氣腔室)產(chǎn)生負(fù)壓,對(duì)于部分基礎(chǔ)制動(dòng)裝置,這個(gè)負(fù)壓可達(dá)30 kPa以上。負(fù)壓的大小能夠吸起3 m 高的水柱,足見基礎(chǔ)制動(dòng)裝置主動(dòng)進(jìn)水的力度之大。

3 進(jìn)水的危害

3.1 進(jìn)水結(jié)冰導(dǎo)致基礎(chǔ)制動(dòng)漏風(fēng)

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的制動(dòng)動(dòng)力來源是壓力空氣,其密封性能對(duì)列車的運(yùn)行安全至關(guān)重要。我國(guó)軌道車輛基礎(chǔ)制動(dòng)裝置種類繁多,TB/T 3145—2018《機(jī)車單元制動(dòng)器》[3]、TB/T 3431—2015《機(jī)車車輛制動(dòng)夾鉗單元》[4]等鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),以及T/CAMET 04004.7《城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)——第7部分:制動(dòng)夾鉗單元技術(shù)規(guī)范》[5]、T/CAMET 04004.8《城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)——第8 部分:踏面制動(dòng)單元技術(shù)規(guī)范》[6]等城市軌道交通基礎(chǔ)制動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)范,都對(duì)壓力空氣的密封性能有嚴(yán)格規(guī)定,密封失效將使行車中的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置脫離這些標(biāo)準(zhǔn)的約束,導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

在寒暖交替的行車環(huán)境中,基礎(chǔ)制動(dòng)裝置內(nèi)部形成積水后,遇到0℃以下的低溫環(huán)境就會(huì)結(jié)冰,對(duì)于皮碗式密封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置,其密封邊緣會(huì)被積冰墊起,從而破壞皮碗與缸壁之間的密封結(jié)構(gòu),引起基礎(chǔ)制動(dòng)裝置漏風(fēng),危及行車安全。

由于行車中惡劣天氣狀況在一定時(shí)期內(nèi)具有反復(fù)性和持續(xù)性,因防水性能不足而引發(fā)的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置積水結(jié)冰漏風(fēng)故障,往往會(huì)出現(xiàn)多發(fā)或連發(fā)的情況,導(dǎo)致多發(fā)性的行車故障或事故,嚴(yán)重打亂行車秩序,給鐵路運(yùn)輸帶來較大干擾和安全隱患。

3.2 進(jìn)水后導(dǎo)致金屬件加速銹蝕

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置進(jìn)水后,會(huì)導(dǎo)致金屬件的電化學(xué)腐蝕,加速其銹蝕破壞,進(jìn)而也會(huì)影響間隙調(diào)整等基本功能的正常作用。這對(duì)于檢修期較長(zhǎng)的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置,危害尤其突出。

3.3 進(jìn)水結(jié)冰后加速關(guān)鍵橡膠件的疲勞破壞

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置進(jìn)水并在下部聚集后,遇冷結(jié)成冰塊,在工作中反復(fù)變形的橡膠件與冰塊接觸的部位會(huì)受到冰塊的擠壓或限位阻擋,會(huì)加速其疲勞破壞,出現(xiàn)不定時(shí)裂損。

4 防水設(shè)計(jì)的幾個(gè)誤區(qū)

(1) 誤區(qū)一:防水性能不是基礎(chǔ)制動(dòng)的基本功能,其重要性處于次要地位。

由于防水性能不屬于基礎(chǔ)制動(dòng)的基本作用功能,因此,在初始設(shè)計(jì)階段往往不被設(shè)計(jì)者重視。但在實(shí)際運(yùn)用過程中,防水性能卻直接影響到基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的正常作用功能,實(shí)際上,基礎(chǔ)制動(dòng)裝置進(jìn)水后會(huì)導(dǎo)致其基本功能失效,引起行車故障或事故。而且這類故障往往有小批量群發(fā)的特點(diǎn),給鐵路運(yùn)營(yíng)秩序造成的干擾和破壞往往比基礎(chǔ)制動(dòng)裝置基本功能的偶發(fā)性失效帶來的危害更大。

從國(guó)際上多種基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的防水部件看,結(jié)構(gòu)上多少都留有改進(jìn)痕跡,其最初防水局部結(jié)構(gòu)大多比較簡(jiǎn)單,防水設(shè)計(jì)沒有放在重要地位,當(dāng)受到進(jìn)水困擾、給鐵路運(yùn)輸帶來危害時(shí),又不得不進(jìn)行改進(jìn)。

我國(guó)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的防水結(jié)構(gòu)也經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到比較復(fù)雜的改進(jìn)過程,這同樣是體現(xiàn)了防水設(shè)計(jì)從輕視到不得不重視的認(rèn)識(shí)過程。

當(dāng)一種基礎(chǔ)制動(dòng)裝置研制完成,尤其是量產(chǎn)之后,發(fā)現(xiàn)其防水性能不足時(shí)采取補(bǔ)救改造措施,往往要付出很大的代價(jià),甚至即使付出沉重的代價(jià)也無法完全糾正,其不利影響往往比基本功能不良造成的危害更大。

為此,在基礎(chǔ)制動(dòng)的設(shè)計(jì)階段,其防水性能應(yīng)引起足夠的重視,防水設(shè)計(jì)應(yīng)放在與基本功能設(shè)計(jì)處于同樣重要的地位,統(tǒng)籌考慮。

(2) 誤區(qū)二:基礎(chǔ)制動(dòng)裝置安裝在車下,受車體遮擋,雨雪等水環(huán)境不至于太惡劣。

只有列車靜止或慢速行車時(shí),車體底架才會(huì)對(duì)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置有遮擋和保護(hù)作用,列車高速運(yùn)行時(shí),這種遮擋作用會(huì)完全消失甚至?xí)觿∷h(huán)境的惡劣程度。

圖1至圖3所示的情況雖然是特殊天氣狀況,但如果防水設(shè)計(jì)不到位,即便不經(jīng)常發(fā)生的特殊天氣狀況,也足以對(duì)基礎(chǔ)制動(dòng)造成侵害,引發(fā)影響鐵路運(yùn)輸秩序的故障或事故。

如果設(shè)計(jì)者走入這一認(rèn)識(shí)誤區(qū),就會(huì)應(yīng)付性地把防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得過于簡(jiǎn)單,埋下隱患。

(3) 誤區(qū)三:通過對(duì)呼吸器的合理設(shè)計(jì),可以避免基礎(chǔ)制動(dòng)裝置內(nèi)部進(jìn)水。

受空間限制,基礎(chǔ)制動(dòng)裝置呼吸器不能設(shè)計(jì)得過于復(fù)雜。噴淋水試驗(yàn)表明:只要基礎(chǔ)制動(dòng)裝置存在著呼吸作用,國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口基礎(chǔ)制動(dòng)各種類型的呼吸器都會(huì)進(jìn)水。

基礎(chǔ)制動(dòng)在惡劣的水環(huán)境中,可以被水膜完全包圍,呼吸器在這種情況下能否做到完全防水,需要滿足這樣的試驗(yàn)工況:把基礎(chǔ)制動(dòng)裝置完全浸沒在水中,然后進(jìn)行制動(dòng)、緩解,在基礎(chǔ)制動(dòng)充分呼吸、進(jìn)行內(nèi)外氣體交流的情況下杜絕進(jìn)水。

設(shè)計(jì)上單純地追求不進(jìn)水的呼吸器是不可取的,再?gòu)?fù)雜的呼吸器也只能被動(dòng)防止進(jìn)水,無法主動(dòng)防止進(jìn)水。

(4) 誤區(qū)四:通過加大靜態(tài)噴淋水試驗(yàn)強(qiáng)度,可以檢驗(yàn)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置防水性能優(yōu)劣。

Q/CR 523—2016《鐵道客車單元制動(dòng)缸技術(shù)條件》[7]要求,鐵路客車單元制動(dòng)缸需按照GB 4208—2017《外殼防護(hù)等級(jí)(IP 代碼)》[8]之IPX4S級(jí)進(jìn)行噴淋水試驗(yàn)。但是通過了試驗(yàn)檢驗(yàn)的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置,在實(shí)際運(yùn)用中仍有進(jìn)水故障發(fā)生。部分基礎(chǔ)制動(dòng)裝置在研制階段提高了靜態(tài)噴淋水級(jí)別,加大了噴淋水強(qiáng)度,從GB 4208—2008的IPX4S級(jí),提高到IPX5S級(jí),甚至是IPX6S級(jí)的猛烈噴水,也對(duì)于檢驗(yàn)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)防水性能無濟(jì)于事。

只有動(dòng)態(tài)防水試驗(yàn)檢驗(yàn)才是有效的,為此,2018年將原有的鐵道車輛單元制動(dòng)缸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3106—2005《鐵道車輛單元制動(dòng)缸》[9]升級(jí)為TB/T 3541.5—2018《機(jī)車車輛盤形制動(dòng) 第5部分 單元制動(dòng)缸》[10],增加了按照GB 4208—2017 IPX4M 級(jí)進(jìn)行噴淋水試驗(yàn)的條款。即使如此,防水設(shè)計(jì)及試驗(yàn)中也應(yīng)適當(dāng)考慮延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間,以應(yīng)對(duì)實(shí)際運(yùn)用中惡劣水環(huán)境持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)和斷續(xù)進(jìn)水累加的狀況。

5 幾種常見的基礎(chǔ)制動(dòng)呼吸器

5.1 既有呼吸器的常見結(jié)構(gòu)

圖4列舉了國(guó)內(nèi)外幾種常見的呼吸器結(jié)構(gòu)形式。

圖4 幾種常見的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置呼吸器結(jié)構(gòu)示意圖

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置呼吸器一般由主體、濾芯和護(hù)罩等構(gòu)件組成,不同呼吸器的主要組成構(gòu)件,名稱可能有所不同,但含義所指與作用卻大同小異。呼吸器主體設(shè)置呼吸主通道,它既起到在基礎(chǔ)制動(dòng)上固定安裝的作用,同時(shí)也是濾芯、擋圈和外部防護(hù)罩等構(gòu)件的載體。

5.2 防水性能優(yōu)缺點(diǎn)

國(guó)內(nèi)外基礎(chǔ)制動(dòng)裝置呼吸器種類繁多、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而散亂,這印證了最初的設(shè)計(jì)者較普遍地存在側(cè)重基本功能設(shè)計(jì)而忽視防水性能設(shè)計(jì)的誤區(qū),許多呼吸器結(jié)構(gòu)上留有設(shè)計(jì)改進(jìn)的痕跡,也反映了實(shí)際運(yùn)用中遭遇的水環(huán)境困擾。

尿素市場(chǎng)依舊高報(bào)低走，下游成交跟進(jìn)氛圍較差，商家謹(jǐn)慎采銷。局部裝置依舊處于輪流檢修或轉(zhuǎn)產(chǎn)液氨，現(xiàn)貨供應(yīng)量微降。農(nóng)業(yè)剛需清淡，下游工業(yè)隨行就市。預(yù)計(jì)近期市場(chǎng)震蕩微調(diào)為主，重點(diǎn)關(guān)注新單采購(gòu)流向及裝置變化。

就呼吸器在基礎(chǔ)制動(dòng)裝置上的安裝位置而言,圖4(b)、圖4(c)、圖4(e)、圖4(g)、圖4(h)適合側(cè)面安裝;圖4(d)、圖4(f)適合底部安裝;圖4(a)既可以側(cè)面安裝,也可以底部安裝。

就結(jié)構(gòu)而言,圖4(a)為直通式結(jié)構(gòu),其外貌及組成見圖5,該型呼吸器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,由外體、彈性擋圈和過濾網(wǎng)組成,其呼吸通道把基礎(chǔ)制動(dòng)內(nèi)腔與外界環(huán)境直線貫通,直射或斜射水流很容易進(jìn)入基礎(chǔ)制動(dòng)內(nèi)腔,防水能力弱,不具備防止被動(dòng)進(jìn)水的能力,實(shí)際運(yùn)用中較容易發(fā)生進(jìn)水故障,目前已經(jīng)屬于淘汰類型。

圖5 直通式呼吸器

圖4(b)、圖4(c)、圖4(d)、圖4(f)為半迷宮式結(jié)構(gòu),可以防止被動(dòng)進(jìn)水,但在基礎(chǔ)制動(dòng)裝置呼吸過程中的主動(dòng)進(jìn)水卻不能完全防止。圖4(b)和圖4(e)為圖4(a)直通式呼吸器的改進(jìn)型結(jié)構(gòu),其外貌及組成見圖6和圖7。

圖6 半迷宮式呼吸器

圖7 迷宮式呼吸器

圖4(g)、圖4(h)為垂管式呼吸器,其呼吸通道尾部有一段較長(zhǎng)的非金屬垂下管,其作用是盡可能多地阻止呼吸過程中帶入的水分。但該種結(jié)構(gòu)很難做到完全防水,即使垂管長(zhǎng)度達(dá)到3 m 以上。

圖4(b)、圖4(d)、圖4(e)帶有濾芯,可以起到進(jìn)一步阻擋和過濾雪花及灰塵的作用。

6 防塵套的自排水設(shè)計(jì)

部分基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的制動(dòng)活塞伸縮部位,功能上需要有靈活轉(zhuǎn)動(dòng)的要求,為此在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)處留有一定的間隙,這個(gè)間隙便成為基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的進(jìn)水點(diǎn)之一。通過該間隙的進(jìn)水在達(dá)到一定水位去往基礎(chǔ)制動(dòng)核心部位之前,會(huì)暫存在防塵套的折槽處。這時(shí)候的積水,不會(huì)對(duì)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置造成任何危害。

因此對(duì)該類基礎(chǔ)制動(dòng)裝置防塵套設(shè)計(jì)時(shí),增加其自身排水功能,較有實(shí)際意義。

圖8是帶排水孔的防塵套局部放大示意圖。這是一種帶自排水功能防塵套結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)嘗試。

防塵套具有多個(gè)折槽,在靠近基礎(chǔ)制動(dòng)基體一側(cè)的第二個(gè)折槽底部設(shè)有一個(gè)主排水孔,在其余每個(gè)折槽的下部各設(shè)一個(gè)輔助排水孔。

為保證防塵效果,主輔排水孔的直徑均較小。主排水孔通透截面積是輔助排水孔的2.5倍左右,主排水孔下部設(shè)置了一段起到方向標(biāo)識(shí)和一定防堵防塵作用的防護(hù)管。

每個(gè)排水孔負(fù)責(zé)排除各自折槽內(nèi)的積水,前部折槽積水在不能各自全部排除的情況下向后部聚集時(shí),由主排水孔排出。

試驗(yàn)結(jié)果顯示,帶自排水功能的防塵套在靜態(tài)下對(duì)內(nèi)部進(jìn)水具有自動(dòng)排除能力,排水速度可達(dá)到375 ml/min;在動(dòng)態(tài)制動(dòng)情況下,內(nèi)部積水會(huì)加速向外部噴射,能夠更迅速地排出進(jìn)水。

7 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的防水設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1) 在基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的最初設(shè)計(jì)階段,其防水性即應(yīng)引起足夠的重視,防水設(shè)計(jì)應(yīng)放在與基本功能設(shè)計(jì)處于同樣重要的地位,其布置空間與安裝位置應(yīng)統(tǒng)籌考慮;

(2) 呼吸器的設(shè)計(jì)應(yīng)避免直通式結(jié)構(gòu),既不能設(shè)計(jì)得過于簡(jiǎn)單,也不必追求過于復(fù)雜,只要存在著呼吸作用,即使再?gòu)?fù)雜的結(jié)構(gòu)也無法做到完全防止進(jìn)水;

(3) 防水設(shè)計(jì)最有效的途徑,是防水和排水并重:既要盡可能地減少進(jìn)水,又要能夠及時(shí)排水,只要不形成積水,則不會(huì)對(duì)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的基本功能構(gòu)成危害;

(4) 呼吸器設(shè)置在基礎(chǔ)制動(dòng)裝置底部,是一種較為有效的防水設(shè)置;

(5) 呼吸器設(shè)置在底部時(shí),濾芯不宜過密,以防灰塵和油污堵塞;

(6) 出于空間布置或其他需要,呼吸器設(shè)置在側(cè)面時(shí),對(duì)于皮碗式密封形式的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置,必須設(shè)置排水口;

(7) 排水口的暢通十分重要,設(shè)計(jì)排水口時(shí)應(yīng)充分考慮運(yùn)用和檢修維護(hù)過程中不易堵塞的結(jié)構(gòu)形式;

(8) 出于結(jié)構(gòu)或功能需要,制動(dòng)活塞前部存在配合間隙時(shí),基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的防塵套宜設(shè)計(jì)成帶自排水功能的結(jié)構(gòu);

(9) 在基礎(chǔ)制動(dòng)防水性能檢驗(yàn)控制方面,按照GB 4208—2008進(jìn)行噴淋水試驗(yàn)時(shí),應(yīng)采用動(dòng)態(tài)噴淋水試驗(yàn)且適當(dāng)延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間。