雙密封主動(dòng)潤滑活塞組成及制動(dòng)缸的研制

陳時(shí)虎，于建剛

（南車二七車輛有限公司，北京100072）

雙密封主動(dòng)潤滑活塞組成及制動(dòng)缸的研制

陳時(shí)虎，于建剛

（南車二七車輛有限公司，北京100072）

針對(duì)既有鐵路貨車旋壓密封式制動(dòng)缸存在的漏泄問題，介紹了最新研制的采用兩級(jí)密封技術(shù)、主動(dòng)潤滑技術(shù)以及輕量化材料技術(shù)的雙密封主動(dòng)潤滑活塞組成及制動(dòng)缸的結(jié)構(gòu)、工作原理、試制及試驗(yàn)驗(yàn)證情況。

制動(dòng)缸；活塞；主動(dòng)潤滑；密封

鐵路貨車制動(dòng)缸是一種單作用式氣缸，是鐵路貨車實(shí)施車輛制動(dòng)的動(dòng)力裝置——工作時(shí)它將約400 kPa的壓縮空氣的壓力轉(zhuǎn)換成制動(dòng)缸活塞推力。制動(dòng)缸活塞桿呈水平推出，通過制動(dòng)杠桿、制動(dòng)梁、閘瓦等零部件，對(duì)貨車輪對(duì)施行制動(dòng)。制動(dòng)缸作用的可靠性，直接影響貨車的正常和安全運(yùn)行，是鐵路貨車的關(guān)鍵部件。

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

圖1　旋壓密封式制動(dòng)缸

既有制動(dòng)缸活塞采用一個(gè)Y形密封圈（或活塞膜片）進(jìn)行密封，通過在制動(dòng)缸內(nèi)壁涂抹潤滑脂和在活塞體上安裝一個(gè)浸油的氈圈潤滑套進(jìn)行潤滑。這種制動(dòng)缸工作時(shí)，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，把缸體內(nèi)壁的潤滑脂分別擠到了制動(dòng)缸的前后兩端；當(dāng)氣溫較高時(shí)，缸體內(nèi)壁的潤滑脂粘度降低，在自重作用下淌到缸體下部；當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，密封圈上部與制動(dòng)缸缸體內(nèi)壁間缺少油脂，在潤滑不良的情況下磨損較快；另外，制動(dòng)缸缸體材質(zhì)為碳素鋼，缸壁缺油時(shí)容易銹蝕。既有制動(dòng)缸活塞體材質(zhì)為鑄鐵，質(zhì)量較大（12 in缸鑄鐵活塞重約16.3 kg）；受自重影響，活塞體對(duì)密封圈下部形成較大壓力并使之變形；活塞沒有導(dǎo)向帶，存在鑄鐵活塞體和缸壁直接接觸的情況，有時(shí)拉傷缸體內(nèi)壁；鑄鐵活塞體容易銹蝕，污染制動(dòng)缸內(nèi)部環(huán)境，造成潤滑脂污染；制動(dòng)缸內(nèi)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(dǎo)致制動(dòng)缸工作時(shí)壓力空氣漏泄，影響車輛制動(dòng)性能。

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

1　產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1雙密封主動(dòng)潤滑制動(dòng)缸結(jié)構(gòu)

新研制的直徑305 mm、行程254 mm的雙密封主動(dòng)潤滑制動(dòng)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(dòng)缸完全相同，不同之處在于：采用雙密封主動(dòng)潤滑活塞組成，代替既有305×254 A型旋壓密封式制動(dòng)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(dòng)缸結(jié)構(gòu)和新的雙密封主動(dòng)潤滑制動(dòng)缸結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖2。其中活塞體變更為可預(yù)存潤滑脂的活塞體，采用隔環(huán)與導(dǎo)向帶代替既有制動(dòng)缸潤滑套與氈托，采用前、后兩級(jí)密封圈將潤滑脂封在工作面上。

1.2雙密封主動(dòng)潤滑活塞組成結(jié)構(gòu)

雙密封主動(dòng)潤滑活塞組成由活塞體、活塞桿、前密封圈、隔環(huán)、導(dǎo)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(jié)構(gòu)如圖3（未含活塞桿）：

圖2　既有制動(dòng)缸與雙密封主動(dòng)潤滑制動(dòng)缸結(jié)構(gòu)比較

圖3　活塞組成

活塞體周向均布設(shè)置有4～6個(gè)貯油腔，可貯存潤滑脂；貯油腔各設(shè)置有單向閥油杯，用于往貯油腔內(nèi)補(bǔ)充潤滑脂。

在活塞體外徑面，依次套設(shè)有后密封圈、隔環(huán)和前密封圈；隔環(huán)內(nèi)徑面和兩側(cè)面均各自設(shè)置有用于流通和分布潤滑脂的半圓形導(dǎo)油槽；隔環(huán)的外部設(shè)有自潤滑導(dǎo)向帶，用于減小活塞組成的運(yùn)動(dòng)阻力，防止制動(dòng)缸內(nèi)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(jié)構(gòu)，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(yùn)行阻力，減小密封圈磨耗；為了密封與制動(dòng)缸體內(nèi)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(dāng)前密封圈失效時(shí)也可密封壓力空氣，因而也采用了Y形密封圈自密封的結(jié)構(gòu)。

活塞體的外徑面與每個(gè)貯油腔之間各設(shè)置有通油孔，使貯油腔內(nèi)的潤滑脂經(jīng)通油孔流向隔環(huán)導(dǎo)油槽，進(jìn)而對(duì)后密封圈、導(dǎo)向帶和前密封圈起到潤滑作用。

活塞體左側(cè)與每個(gè)貯油腔之間設(shè)置有一潤滑脂活塞，潤滑脂活塞外側(cè)設(shè)置有用于拆卸的凸臺(tái)，潤滑脂活塞在制動(dòng)缸壓力空氣的作用下，推動(dòng)各貯油腔內(nèi)的潤滑脂，對(duì)前密封圈與后密封圈之間損耗的潤滑脂進(jìn)行補(bǔ)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(jìn)入貯油腔，避免貯油腔內(nèi)的潤滑脂溢出，同時(shí)防止壓力空氣從該部位泄漏。

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

活塞體材料為鋁合金材料，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的特點(diǎn)。采用鋁合金材料，12時(shí)活塞體質(zhì)量小于6.5 kg，較鑄鐵活塞體可降低約10 kg，可減小對(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；活塞體質(zhì)量大幅度降低，也可方便生產(chǎn)現(xiàn)場的裝配、拆卸，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度；另外鋁合金不會(huì)像鑄鐵產(chǎn)生銹蝕而污染油脂。

隔環(huán)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(dǎo)向帶損壞或缺失，隔環(huán)依舊能夠起到導(dǎo)向帶的作用，保證制動(dòng)缸工作可靠性。

1.3工作原理

制動(dòng)缸組裝時(shí)，在主動(dòng)潤滑活塞組成的前密封圈、隔環(huán)、導(dǎo)向帶、后密封圈以及活塞體貯油腔、通油孔填充潤滑脂；制動(dòng)缸工作時(shí)，壓力空氣作用于活塞組成端面、推動(dòng)活塞組成的同時(shí)，推動(dòng)潤滑脂活塞擠壓貯油腔內(nèi)的潤滑脂；當(dāng)前密封圈、導(dǎo)向帶、后密封圈與制動(dòng)缸內(nèi)壁之間的潤滑脂減少、制動(dòng)缸內(nèi)有壓力空氣時(shí)，潤滑脂活塞在壓力空氣作用下，推動(dòng)活塞體貯油腔內(nèi)的潤滑脂對(duì)減少的潤滑脂進(jìn)行補(bǔ)充，使前密封圈、隔環(huán)、后密封圈之間的潤滑脂得到保持。制動(dòng)缸制造時(shí)，貯油腔內(nèi)的油脂可經(jīng)過油杯，用油槍進(jìn)行補(bǔ)充。在車輛段對(duì)制動(dòng)缸進(jìn)行段修時(shí)，如果開蓋檢查制動(dòng)缸內(nèi)部狀態(tài)良好，也只需通過油杯補(bǔ)充油脂即可。

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

2　樣機(jī)試制及試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證雙密封主動(dòng)潤滑活塞組成與制動(dòng)缸的技術(shù)性能，在試制的基礎(chǔ)上，多次優(yōu)化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和密封圈材料；同時(shí)對(duì)活塞體毛坯的鍛造、熱處理、機(jī)加工的工藝性能進(jìn)行了驗(yàn)證。試制結(jié)果表明：產(chǎn)品零部件制造及裝配工藝性良好。對(duì)最終雙密封主動(dòng)潤滑制動(dòng)缸進(jìn)行了如下試驗(yàn)：

2.1感度試驗(yàn)

對(duì)試制組裝完成的44套制動(dòng)缸，充入壓力空氣，測試每套制動(dòng)缸活塞動(dòng)作瞬間缸體內(nèi)氣體壓強(qiáng)。測試結(jié)果為：最低17.2 kPa，最高29.1 kPa，平均值為23.2 kPa。測試結(jié)果符合不高于30 kPa的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2氣密性試驗(yàn)

按照制動(dòng)缸技術(shù)條件，對(duì)試制的制動(dòng)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(dòng)作情況；保壓2 min后，測試缸內(nèi)壓力變化量；然后排空缸內(nèi)壓力空氣，觀察活塞復(fù)位情況。

測試結(jié)果表明：80 kPa和600 kPa充氣試驗(yàn)時(shí)活塞能平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)缸排氣時(shí)，活塞能平穩(wěn)回到原位，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3模擬密封失效氣密性試驗(yàn)

雙密封主動(dòng)潤滑活塞組成可能發(fā)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(yàn)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(jìn)行了試驗(yàn)，組裝情況如圖4所示。試驗(yàn)內(nèi)容為80 kPa和600 kPa的氣密性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)前密封圈、后密封圈、O形密封圈、油杯單向密封任一部位產(chǎn)生漏泄時(shí)，制動(dòng)缸均沒有發(fā)生漏泄，不影響制動(dòng)缸工作性能，但影響主動(dòng)潤滑性能。

圖4　各工況密封圈

為驗(yàn)證雙密封主動(dòng)潤滑活塞組成兩個(gè)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(shí)失效、后密封圈、油杯單向密封同時(shí)失效進(jìn)行了試驗(yàn)，組裝情況如圖5所示。試驗(yàn)內(nèi)容為80 kPa和600 kPa的氣密性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：前密封圈、O形密封圈同時(shí)失效、后密封圈、油杯單向密封同時(shí)失效時(shí)，制動(dòng)缸均沒有發(fā)生漏泄，不影響制動(dòng)缸工作性能，但影響主動(dòng)潤滑性能。

圖5　試驗(yàn)密封圈

2.4模擬高溫環(huán)境試驗(yàn)

為驗(yàn)證前、后密封圈對(duì)高溫液化后的潤滑脂的密封性能，在貯油腔內(nèi)加入10#航空液壓油，前、后密封圈之間未加潤滑脂，進(jìn)行80 kPa和600 kPa的氣密性試驗(yàn)，并全行程運(yùn)行、保壓10次，分解后檢查活塞的密封狀態(tài)。加入液壓油情況見圖6、試驗(yàn)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(yàn)后的活塞組成

試驗(yàn)結(jié)果表明：即使?jié)櫥诟邷丨h(huán)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(duì)制動(dòng)缸密封圈良好的潤滑。

2.5低溫試驗(yàn)

選取其中2件制動(dòng)缸、委托鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（低溫試驗(yàn)站）進(jìn)行了產(chǎn)品低溫型式試驗(yàn)。在-50℃環(huán)境溫度下放置24 h，立即進(jìn)行了80 kPa和600 kPa的充排氣、氣密性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，制動(dòng)缸低溫下的氣密性良好，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。試驗(yàn)情況如圖8。

圖8　低溫試驗(yàn)

2.6潤滑脂損耗量試驗(yàn)

選取1個(gè)組裝完成的制動(dòng)缸，向制動(dòng)缸內(nèi)充入420 kPa壓力空氣，頻率1～2次/min，其中活塞行程（155± 10）mm；進(jìn)行了11 000次后，解體檢查，發(fā)現(xiàn)活塞體貯油腔內(nèi)潤滑脂減少不到1/4，潤滑脂活塞未發(fā)生卡滯。圖9為試驗(yàn)完畢解體后的活塞組成照片。

圖9　解體后的活塞組成

進(jìn)行56 000次后，解體檢查，發(fā)現(xiàn)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(tài)良好。

2.7鋁合金活塞體與制動(dòng)缸推桿的沖擊性能試驗(yàn)

模擬制動(dòng)缸實(shí)際工況，在制動(dòng)缸疲勞試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了20 000次鋁合金活塞體與制動(dòng)缸推桿的沖擊性能循環(huán)試驗(yàn)，以檢驗(yàn)活塞體的抗沖擊性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用某牌號(hào)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(dòng)缸可靠性的需要。

3　結(jié)束語

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

雙密封主動(dòng)潤滑制動(dòng)缸除活塞組成外，其余零部件與現(xiàn)有制動(dòng)缸完全相同，因而雙密封主動(dòng)潤滑活塞組成可與既有旋壓密封式制動(dòng)缸鑄鐵活塞組成互換使用，既可用于新造制動(dòng)缸，也可用于對(duì)既有貨車制動(dòng)缸的技術(shù)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(jí)工程師（

2015-01-28）