鐵路客車單元制動缸呼吸器防水改進研究

黃士偉，劉誠波，宋傳云，林 超，張志強，王 震

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司 制動事業部，山東 青島266031； 2.中國鐵路濟南局集團有限公司 青島機車車輛監造項目部，山東 青島 266111)

1 問題提出

從第一臺空氣制動機誕生至今已有150年的歷史，隨著科技的高度發展，又相繼出現了電阻制動、渦流制動、再生制動等多種新型制動方式[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系統，且這種現象將長久存在。單元制動缸作為空氣制動系統動能轉換為熱能的直接機構，將空氣壓力轉化為機械制動力，直接影響軌道車輛的制動性能。在單元制動缸做功(活塞桿伸縮)過程中，缸內非動力空腔由于容積變化需與外界進行氣體交換，因此單元制動缸一般需設置呼吸器。

由于單元制動缸安裝于鐵路客車轉向架，直接暴露在外部大氣環境中，在雨雪天氣或者車輛入庫清洗時將直接與水汽接觸。如果呼吸器設置不當，容易導致水汽進入單元制動缸內部(圖1)，進入單元制動缸內部的水汽在低溫環境下會結冰，而單元制動缸的密封作用是通過橡膠皮碗或者橡膠膜板實現的，這些附著的冰可能墊起橡膠皮碗或者割傷橡膠膜板，導致單元制動缸漏風，從而使制動作用減弱或者失去制動作用，影響行車安全。近些年在鄭州鐵路局、西安鐵路局、上海鐵路局發生了數起因單元制動缸呼吸器進水結冰導致的行車故障，干擾了正常的鐵路運輸秩序[2]。

圖1 單元制動缸內部積水

2 原呼吸器結構存在的問題

鐵路客車單元制動缸原呼吸器為直通式結構，由外體、彈性擋圈和過濾網組成(圖2)，安裝在單元制動缸的側面(單元制動缸在轉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，制動缸內腔與外界直通，中間只設一道濾塵網，防水能力較弱；而且過濾網外無任何防護，容易被飛石等異物損壞，如圖3所示。過濾網一旦損壞，會進一步減弱單元制動缸呼吸器的防水能力。

圖2 原呼吸器安裝位置及結構

圖3 原呼吸器過濾網損壞

除了呼吸器外，部分單元制動缸還設置排水口，排水口一般設置在單元制動缸非動力空腔的最低點，用以排出單元制動缸內部的水汽，但只能在環境溫度0 ℃以上才起作用。單元制動缸除了呼吸器、排水口之外的其他位置均為密封結構，進水的可能性極小。當環境溫度低于0 ℃時，大氣中的雪花、水汽等隨單元制動缸復位吸氣作用進入非動力空腔并附著在缸壁上，無法從排水口排出。

為防止從呼吸器進入的水汽排出，將單元制動缸的排水口堵塞，按照GB 4208—2008《外殼防護登記(IP代碼)》對配置原呼吸器結構的單元制動缸進行IP防護試驗驗證(圖4)。拆解后發現單元制動缸后蓋內有積水(圖5)，表明原呼吸器結構的單元制動缸無法達到IP×4M級的防水要求。

圖4 單元制動缸IP×4M防護試驗

圖5 原呼吸器結構缸體內部積水狀況

3 解決措施

單元制動缸原呼吸器安裝在側面，且直通大氣，過濾網易損壞，對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，擋板沿虛線預折彎處理后，將呼吸器穿過安裝孔，使用扳手將呼吸器扭緊在單元缸前體上，并通過彈簧墊圈將防護板壓緊。之后可使用小錘和螺絲刀等工具將防護板折彎，最終將呼吸器完全罩住。增加擋板的改進方案已在部分路局(如哈爾濱鐵路局)廣泛應用并取得了良好的效果。

圖6 擋板防護示意圖

3.2 調整呼吸器安裝位置

調整呼吸器的安裝位置，將水平安裝的呼吸器調整至單元制動缸的最低點，可以有效降低外界水汽進入單元制動缸內部，同時還可將進入單元制動缸內部的水汽及時排出，從而提高單元制動缸的防水能力。目前國內鐵路常用單元制動缸(制動夾鉗單元)的呼吸器絕大部分均設置于其最低點(圖7)。

(a) 中國標準動車組用 (b) 和諧型機車用

3.3 采用非直通式呼吸器結構

將單元制動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，同時將過濾網置于呼吸器內部有助于防止外界對其造成損傷。圖8為一種非直通式呼吸器結構，包括呼吸堵、扁口橡膠保護套和扎帶。該種結構呼吸器改變了氣流的直通方式。此外，由于橡膠保護套的特殊的開口形式(如鴨嘴形狀)，氣流可雙向流通，水滴可從內部流出，無法從外部進入。該種呼吸器已在CJ-1型動車組上裝車應用。

圖8 非直通式呼吸器結構示意圖

3.4 采用自排水功能呼吸器結構

將進入呼吸器的水汽及時排出，使呼吸器具有水汽阻斷作用，同樣可以有效提高單元制動缸的防水性能。圖9所示的呼吸器結構包括防護帽、壓塊、濾網和芯柱，壓塊周圍設置排水口，可以使得進入的水滴及時排出。此外，該呼吸器同時將濾網置于呼吸器內部，可防止意外損傷。配置該種型式呼吸器的單元制動缸已在出口阿根廷內燃動車組上批量裝車，已累計應用4年，效果良好。

圖9 帶自排水功能的呼吸器結構示意圖

4 一種適用于鐵路客車單元制動缸的呼吸器結構

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

圖10 非直通迷宮式呼吸器結構

針對安裝圖10所示的非直通迷宮式呼吸器結構的鐵道客車單元制動缸按照GB 4208—2008進行IP×4M級噴淋水試驗，拆解后單元制動缸后蓋內無明顯積水，僅有少量水珠(圖11)。輕微進水是由于單元缸的呼吸作用需要內外氣體交流。對比原呼吸器，新呼吸器能夠有效減少進水概率及進水量。

圖11 新呼吸器結構淋雨試驗后缸體內部積水狀況

5 結束語

綜上，增加外殼防護、合理設計呼吸器安裝位置、采用非直通式呼吸結構、增加呼吸器排水功能、將過濾網置于呼吸器內部均可有效防止水汽進入單元制動缸內部，提高綜合防水性能。根據既有鐵路客車單元制動缸的安裝特點設計的一種非直通迷宮式呼吸器，防水能力達到IP×4M級，可有效防止水汽進入單元制動缸內部，提高綜合防水性能。