鐵路貨車(chē)空氣制動(dòng)系統(tǒng)防塵技術(shù)研究

楊 璨，韓金剛，安 鴻，肖維遠(yuǎn)，劉 蘋(píng)

(1.中車(chē)眉山車(chē)輛有限公司，四川 眉山 620010;2.眉山中車(chē)制動(dòng)科技股份有限公司，四川 眉山 620010)

空氣制動(dòng)系統(tǒng)作為鐵路貨車(chē)的重要組成部分，是列車(chē)安全運(yùn)行的重要保障。因制動(dòng)系統(tǒng)故障影響行車(chē)安全時(shí)有發(fā)生，主要表現(xiàn)為緩解不良和管系漏泄。近年來(lái)，經(jīng)過(guò)一系列的攻關(guān)工作，制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性得到大幅度提升，但仍存在因防塵不良致使制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部清潔度差而導(dǎo)致的故障，影響行車(chē)安全。

為改善列車(chē)運(yùn)行品質(zhì)，保障列車(chē)行車(chē)安全及行車(chē)秩序，本文開(kāi)展鐵路貨車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)防塵技術(shù)研究，以期盡可能地減少因防塵不良造成的行車(chē)安全故障。

1 空氣制動(dòng)系統(tǒng)及存在問(wèn)題

我國(guó)鐵路貨車(chē)空氣制動(dòng)系統(tǒng)典型配置由120/120-1型貨車(chē)空氣控制閥、空重車(chē)自動(dòng)調(diào)整裝置(包括測(cè)重機(jī)構(gòu)和限壓閥)、副風(fēng)缸、加速緩解風(fēng)缸、降壓風(fēng)缸、制動(dòng)缸、組合式集塵器、制動(dòng)軟管連接器、閘瓦間隙自動(dòng)調(diào)整裝置、脫軌自動(dòng)制動(dòng)裝置及制動(dòng)管系等組成。

貨車(chē)空氣制動(dòng)系統(tǒng)是根據(jù)列車(chē)管中空氣壓力的變化操縱車(chē)輛的制動(dòng)和緩解。若制動(dòng)系統(tǒng)存有污染物，污染物可能會(huì)隨著壓力空氣流動(dòng)進(jìn)入制動(dòng)系統(tǒng)任一部件，進(jìn)而影響制動(dòng)系統(tǒng)性能。在實(shí)際運(yùn)用中，主要包括以下幾種情況：

(1) 空氣控制閥內(nèi)部清潔度差是運(yùn)用中最突出的問(wèn)題之一。殘留或進(jìn)入閥內(nèi)部的各種污染物會(huì)損傷滑閥副研磨面、橡膠膜板和橡膠密封圈，堵塞閥內(nèi)氣路小孔，對(duì)閥的作用可靠性危害極大。

閥內(nèi)部的污染物(圖1)主要是運(yùn)用過(guò)程中因氣源質(zhì)量差或防護(hù)不佳而進(jìn)入閥內(nèi)的灰塵、油污、雜質(zhì)。采用磷化處理的貨車(chē)空氣控制閥球墨鑄鐵件防銹性能較差，在運(yùn)用過(guò)程中閥體內(nèi)腔及表面易產(chǎn)生銹蝕(圖2)，銹斑掉進(jìn)閥體關(guān)鍵零部件中，影響貨車(chē)空氣控制閥整機(jī)性能。

圖1 閥內(nèi)污染物

圖2 閥體銹蝕

(2) 中間體、集塵器及各管路間有污染物，污染物隨著壓力空氣流動(dòng)至空氣制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)鍵零部件中，影響整機(jī)性能(圖3)。

圖3 中間體、集塵器及管系污染物

(3) 制動(dòng)缸運(yùn)用一段時(shí)間后，缸體內(nèi)出現(xiàn)銹蝕(圖4)，制動(dòng)缸潤(rùn)滑脂變?yōu)楹谏?，呼吸孔毛氈變?yōu)楹谏@些銹跡、灰塵及油污隨著壓力空氣進(jìn)入控制閥內(nèi)影響閥的性能，還可傷害制動(dòng)缸密封橡膠件，導(dǎo)致漏泄故障發(fā)生。

圖4 制動(dòng)缸污染物

通過(guò)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)因防塵不良致使空氣制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部清潔度差主要來(lái)自?xún)煞矫妫阂皇峭獠课廴疚锴秩?；二是?nèi)部銹蝕產(chǎn)生污染物。

2 空氣制動(dòng)系統(tǒng)污染物來(lái)源識(shí)別

空氣制動(dòng)系統(tǒng)任一部件內(nèi)部出現(xiàn)清潔度差，其污染物可能會(huì)隨著壓力空氣的流動(dòng)進(jìn)入控制閥關(guān)鍵零部件，使之作用不良而導(dǎo)致行車(chē)故障。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用調(diào)研，識(shí)別出2個(gè)防塵不良點(diǎn)和8個(gè)污染物來(lái)源。

2.1 防塵不良

2.1.1 集塵器防塵不良

為保證空氣制動(dòng)系統(tǒng)的清潔度，既有系統(tǒng)通過(guò)集塵器和中間體濾塵結(jié)構(gòu)對(duì)壓縮空氣進(jìn)行過(guò)濾。集塵器安裝在制動(dòng)主管與控制閥之間的制動(dòng)支管上，用以清除制動(dòng)主管壓力空氣帶來(lái)的灰塵、雜質(zhì)等污染物，以保證控制閥的正常作用。既有集塵器采用離心力除塵和重力除塵原理，但實(shí)際運(yùn)用表明該結(jié)構(gòu)原理僅對(duì)較大顆粒雜質(zhì)有效，而對(duì)除塵效果有限，較小顆粒雜質(zhì)仍會(huì)透過(guò)集塵器進(jìn)入空氣控制閥，影響制動(dòng)性能。

2.1.2 中間體防塵不良

中間體作為安裝座，使列車(chē)管、加速緩解風(fēng)缸、副風(fēng)缸、制動(dòng)缸分別與主閥、緊急閥內(nèi)各對(duì)應(yīng)氣路相連通。除了列車(chē)管通路使用的是銅基粉末冶金濾塵杯結(jié)構(gòu)外，既有中間體與主閥、緊急閥各氣路僅采用濾塵網(wǎng)進(jìn)行過(guò)濾。濾塵網(wǎng)濾塵效果有限，各風(fēng)缸和緊急閥中的一些空氣雜質(zhì)及銹跡容易穿過(guò)濾塵網(wǎng)進(jìn)入到控制閥工作面，拉傷滑閥面，產(chǎn)生漏泄，導(dǎo)致制動(dòng)閥動(dòng)作不良，引起制動(dòng)故障。

2.2 污染物來(lái)源

2.2.1 空氣制動(dòng)系統(tǒng)外部污染物來(lái)源

(1) 軟管連接器缺少防護(hù)措施，摘車(chē)后污染物從軟管連接器處進(jìn)入。

(2) 現(xiàn)有空氣控制閥主閥排氣部和主閥下蓋采用螺紋連接方式，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)排氣后倒吸或排風(fēng)部丟失問(wèn)題，使得外部污染物通過(guò)緩解氣路進(jìn)入到主閥內(nèi)部，拉傷滑閥面，產(chǎn)生漏泄，導(dǎo)致控制閥動(dòng)作不良，引起制動(dòng)故障。

(3) 當(dāng)制動(dòng)缸緩解時(shí)，外界沙塵經(jīng)過(guò)活塞桿和前蓋潤(rùn)滑套之間的間隙被吸入到制動(dòng)缸內(nèi)，與制動(dòng)缸潤(rùn)滑脂混合，不僅導(dǎo)致制動(dòng)缸潤(rùn)滑脂氧化變質(zhì)，更會(huì)加速制動(dòng)缸內(nèi)壁和密封圈的磨損，最終造成制動(dòng)缸漏泄。在調(diào)研過(guò)程中發(fā)現(xiàn)制動(dòng)缸缸體由于雨水進(jìn)入并長(zhǎng)時(shí)間存積，導(dǎo)致缸體內(nèi)壁、活塞、活塞桿及緩解簧產(chǎn)生銹蝕，銹斑隨著活塞桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)磨損膜板和橡膠件，造成漏泄。

(4) 在運(yùn)用過(guò)程中，既有測(cè)重機(jī)構(gòu)的傳感閥觸桿上的排氣孔偶有堵塞現(xiàn)象，防塵罩脫落或防塵能力不夠，空氣中的污染物易堵塞傳感閥排氣孔，從而引起緩解不良。

2.2.2 空氣制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部污染物來(lái)源

(1) 現(xiàn)有制動(dòng)閥鑄鐵件內(nèi)腔采用磷化防銹處理，運(yùn)用過(guò)程中鑄鐵件內(nèi)腔產(chǎn)生銹蝕。在檢修時(shí)，鑄鐵件內(nèi)部銹蝕產(chǎn)生的鐵銹易進(jìn)入到閥體內(nèi)腔死角，不易清理，在壓力空氣的作用下極有可能進(jìn)入滑閥副作用面或堵塞限孔、氣路，影響控制閥的性能。

(2) 制動(dòng)缸內(nèi)部銹蝕的原因有2個(gè)：經(jīng)長(zhǎng)期存放或長(zhǎng)期運(yùn)用后，潮濕空氣進(jìn)入缸體，缸體內(nèi)壁的油膜被破壞不能持續(xù)保護(hù)缸體內(nèi)壁；制動(dòng)缸缸體自身不能防水，雨水進(jìn)入缸體，導(dǎo)致缸體內(nèi)部銹蝕。

(3) 現(xiàn)有新造車(chē)的管系均采用不銹鋼材質(zhì)，但仍有大量普碳鋼在使用。壓縮空氣中含有的大量塵埃、水蒸氣，運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生揮發(fā)性油污等雜質(zhì)附著在制動(dòng)管系內(nèi)壁，導(dǎo)致內(nèi)壁銹蝕，產(chǎn)生氧化皮等雜質(zhì)。

(4) 部分普碳鋼材質(zhì)風(fēng)缸出廠(chǎng)時(shí)內(nèi)部就殘存有雜質(zhì)，且壓縮空氣中的塵埃和水蒸氣導(dǎo)致內(nèi)壁銹蝕，產(chǎn)生氧化皮等雜質(zhì)。

3 解決方案

根據(jù)識(shí)別的空氣制動(dòng)系統(tǒng)2個(gè)防塵不良點(diǎn)和8個(gè)污染物來(lái)源，提出優(yōu)化改進(jìn)措施，通過(guò)技術(shù)改進(jìn)提高制動(dòng)系統(tǒng)防塵能力。

3.1 集塵器防塵結(jié)構(gòu)優(yōu)化

既有集塵器采用離心力和重力除塵原理，但其濾塵精度不高，仍有很多灰塵、小顆粒雜質(zhì)等透過(guò)濾塵器進(jìn)入制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部，影響制動(dòng)系統(tǒng)性能。為進(jìn)一步提高空氣制動(dòng)系統(tǒng)風(fēng)源質(zhì)量，對(duì)集塵器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)一步提高過(guò)濾精度。

3.1.1 采用高過(guò)濾精度的粉末冶金濾塵器

因直徑大于60μm的漂浮物顆粒在空氣中約占70%以上，在保證濾塵器通量足夠的前提下，濾塵器選用40～60目銅基粉末冶金制造，過(guò)濾精度可達(dá)50μm以上，最大限度地保證了進(jìn)入控制閥內(nèi)壓縮空氣的質(zhì)量。

3.1.2 采用大過(guò)濾通量的W形濾塵器結(jié)構(gòu)

受安裝條件和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限制，集塵器內(nèi)部容積有限，為在有限的容積空間內(nèi)盡可能增大濾塵器的有效過(guò)濾面積，將濾塵器設(shè)計(jì)為W形結(jié)構(gòu)，以保證足夠的過(guò)濾通量，如圖5所示。

圖5 W形粉末冶金濾塵器結(jié)構(gòu)

3.1.3 采用大容塵量的集塵盒

車(chē)輛長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)用后，集塵盒會(huì)積滿(mǎn)雜質(zhì)，既有集塵器受結(jié)構(gòu)限制，集塵盒容積不夠大。新型集塵器底部集塵盒體積增大為既有的2.4倍，能夠收集更多雜質(zhì)。

3.2 中間體防塵結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖6為優(yōu)化后的中間體防塵結(jié)構(gòu)。中間體防塵結(jié)構(gòu)優(yōu)化有2種方案：方案1將濾塵網(wǎng)改為銅基粉末冶金濾塵杯結(jié)構(gòu)；方案2將濾塵網(wǎng)改為更為先進(jìn)的不銹鋼纖維繞結(jié)集塵濾芯結(jié)構(gòu)。

圖6 優(yōu)化后的中間體防塵結(jié)構(gòu)

3.2.1 優(yōu)化方案1

因中間體處列車(chē)管通路安裝的是銅基粉末冶金濾塵杯(圖7)，且通過(guò)常年運(yùn)用，可驗(yàn)證其過(guò)濾精度高，過(guò)濾效果好。將濾塵網(wǎng)改為銅基粉末冶金濾塵杯結(jié)構(gòu)，可有效提高過(guò)濾精度。

圖7 銅基粉末冶金濾塵杯

3.2.2 優(yōu)化方案2

采用不銹鋼濾層與不銹鋼纖維結(jié)合仿生人手搖滾篩分技術(shù)，可精確控制不銹鋼纖維分布，有效控制孔徑的均勻性，最大限度提高開(kāi)孔率，增大透氣量，提高過(guò)濾精度。圖8為不銹鋼纖維燒結(jié)集塵濾芯。

圖8 不銹鋼纖維燒結(jié)集塵濾芯

對(duì)上述2種方案樣品的容塵量、透氣量等項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比，認(rèn)為方案2更為可靠。

3.3 軟管連接器防塵結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為防止外部污染物進(jìn)入軟管連接器，研究了一種新型自密封防塵式軟管連接器，在既有軟管連接器的基礎(chǔ)上新增自動(dòng)防塵機(jī)構(gòu)，優(yōu)化改進(jìn)密封墊圈和連接器體結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖9。

圖9 自密封防塵式軟管連接器結(jié)構(gòu)

自密封防塵式軟管連接器工作原理：初始狀態(tài)下，自動(dòng)防塵機(jī)構(gòu)在壓緊彈簧的作用下，壓緊在連接器體口部，與密封墊圈密貼，起到較好的防塵作用；連掛時(shí)，定位彈簧和旋轉(zhuǎn)封門(mén)繞圓銷(xiāo)旋轉(zhuǎn)，與凸輪配合使整個(gè)防塵機(jī)構(gòu)沿圓銷(xiāo)直線(xiàn)下移，旋轉(zhuǎn)封門(mén)遠(yuǎn)離密封墊圈；當(dāng)旋轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)到一定角度時(shí)，旋轉(zhuǎn)封門(mén)被鎖止；摘車(chē)后，防塵機(jī)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)彈簧的作用下恢復(fù)到初始狀態(tài)，起到防塵作用。

3.4 空氣控制閥排氣口防塵結(jié)構(gòu)改進(jìn)

研究設(shè)計(jì)了螺旋迷宮式排氣結(jié)構(gòu)，2種排風(fēng)部結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖10所示。因螺旋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，外部污染物無(wú)法沿螺旋式排風(fēng)芯進(jìn)入閥體，避免了倒吸現(xiàn)象，有效提高了防塵能力，提高了閥內(nèi)清潔度；將螺旋式排風(fēng)芯和防塵柵堵壓裝到主閥下蓋排氣口處，可避免脫落丟失(圖11)。

(a) 既有排風(fēng)部示意圖 (b) 螺旋迷宮式排風(fēng)部示意圖

(a) 主閥下蓋外部 (b) 主閥下蓋內(nèi)部

3.5 制動(dòng)缸防塵、防水結(jié)構(gòu)改進(jìn)

既有制動(dòng)缸(圖12)A處有縫隙，沙塵容易從此處被吸入制動(dòng)缸內(nèi)部。通過(guò)淋雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雨水淋到制動(dòng)缸時(shí)，雨水會(huì)順著A、B、C 3處進(jìn)入缸體，當(dāng)制動(dòng)缸緩解時(shí)，活塞右側(cè)形成負(fù)壓，雨水順著A、B、C 3處被“吸”進(jìn)缸體。

圖12 既有制動(dòng)缸灰塵、雨水進(jìn)入缸體位置分布

為解決此問(wèn)題，對(duì)既有制動(dòng)缸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。如圖13所示，在A、B和C 3處分別增加防水圈、O形密封圈及新型防塵蓋。新型防塵蓋焊接在前蓋上，將氣體通路與雨水流淌線(xiàn)路隔離，雨水沿防塵蓋裙擺下落，起到防水作用。A、B兩處增加的防水圈和O形密封圈避免了灰塵和雨水進(jìn)入制動(dòng)缸。運(yùn)用證明，此優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)大大減少了制動(dòng)缸漏泄故障的發(fā)生。

圖13 制動(dòng)缸結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

3.6 測(cè)重機(jī)構(gòu)防塵結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖14為優(yōu)化后的測(cè)重機(jī)構(gòu)防塵結(jié)構(gòu)。

圖14 優(yōu)化后的測(cè)重機(jī)構(gòu)防塵結(jié)構(gòu)

(1) 在觸桿上設(shè)計(jì)一個(gè)O形密封圈槽，槽內(nèi)安裝O形橡膠密封圈，在防塵罩對(duì)應(yīng)的位置設(shè)計(jì)一個(gè)凹槽。觸桿與防塵罩之間改為間隙配合，通過(guò)O形橡膠密封圈的彈性保持防塵罩和觸桿之間的連接，起到防脫作用。

(2) 在防塵罩內(nèi)部增加螺旋迷宮式結(jié)構(gòu)。因螺旋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，防塵罩下方的污染物無(wú)法沿螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)入傳感閥排氣口，避免了倒吸現(xiàn)象，有效提高了其防塵能力。

3.7 控制閥內(nèi)部防銹研究

既有鑄鐵件內(nèi)部均為磷化處理，防銹能力有效?？赏ㄟ^(guò)QPQ技術(shù)或氣相法防腐技術(shù)2種方案來(lái)提高控制閥內(nèi)部防銹能力。

(1) QPQ技術(shù)在工模具、汽車(chē)等領(lǐng)域得到成熟運(yùn)用，它是在兩種鹽浴中處理工件，實(shí)現(xiàn)了滲氮工序和氧化工序的復(fù)合、氮化物和氧化物的復(fù)合、耐磨性和抗蝕性的復(fù)合、熱處理技術(shù)和防腐技術(shù)的復(fù)合。

(2) 氣相法防腐技術(shù)是將活性鋅加熱到400 ℃左右，在催化劑、機(jī)械力等作用下，使其變成帶活性的氣相鋅，氣相鋅在催化劑的作用下，可以部分滲入鐵基體，在工件表面形成一層致密的Fe-Zn合金層。Fe-Zn合金層具有極強(qiáng)的防腐特性，能提高球墨鑄鐵件的防腐能力。

對(duì)磷化處理、QPQ表面處理、氣相法防腐處理后的球鐵件按GB/T 10125—2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)對(duì)比，現(xiàn)有磷化處理的鑄鐵件經(jīng)過(guò)6 h中性鹽霧試驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)紅銹(圖15)，QPQ處理后的鑄鐵件72 h內(nèi)未出現(xiàn)紅銹(圖16)，氣相法防腐處理后的球鐵件300 h內(nèi)未出現(xiàn)紅銹(圖17)。

(a) 試驗(yàn)前 (b) 試驗(yàn)后

(a) 試驗(yàn)前 (b) 試驗(yàn)后

(a) 試驗(yàn)前 (b) 試驗(yàn)后

3.8 制動(dòng)缸結(jié)構(gòu)優(yōu)化

采用主動(dòng)潤(rùn)滑制動(dòng)缸，增加棘輪棘爪機(jī)構(gòu)，使活塞在制動(dòng)缸內(nèi)單向轉(zhuǎn)動(dòng)，將自然流墜到制動(dòng)缸下部的潤(rùn)滑脂通過(guò)活塞本身的轉(zhuǎn)動(dòng)帶到制動(dòng)缸上部，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)缸潤(rùn)滑脂在制動(dòng)缸內(nèi)的循環(huán)。從根本上解決了制動(dòng)缸上部缺油脂導(dǎo)致的制動(dòng)缸銹蝕問(wèn)題。

3.9 制動(dòng)管系及風(fēng)缸材質(zhì)改進(jìn)

現(xiàn)有新造車(chē)的制動(dòng)管系和風(fēng)缸均采用不銹鋼材質(zhì)，此項(xiàng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用在內(nèi)部防銹上起到了很好的作用，大大提高了制動(dòng)管系和風(fēng)缸的內(nèi)部清潔度。

4 結(jié)論

為避免污染物對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)性能造成影響，最大限度地保證行車(chē)安全，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，從系統(tǒng)層面識(shí)別出2個(gè)防塵不良點(diǎn)和8個(gè)污染物來(lái)源，并有針對(duì)性地開(kāi)展了鐵路貨車(chē)空氣制動(dòng)系統(tǒng)防塵技術(shù)研究，其中部分技術(shù)已推廣應(yīng)用且運(yùn)用效果良好，部分已開(kāi)展樣機(jī)試制及試驗(yàn)驗(yàn)證。這些技術(shù)的提出，可有效提高制動(dòng)系統(tǒng)的清潔度，減少因污染物的侵入導(dǎo)致制動(dòng)故障的發(fā)生。

本文為提高制動(dòng)系統(tǒng)清潔度提供了技術(shù)支撐，若需系統(tǒng)提高制動(dòng)系統(tǒng)清潔度，提出制動(dòng)系統(tǒng)清潔度標(biāo)準(zhǔn)，下一步還將從新造、檢修、運(yùn)維等多方面開(kāi)展相關(guān)研究工作。