基础制动装置的防水设计

欧阳省,宋传云

(中车青岛四方车辆研究所有限公司,山东 青岛 266031)

1 基础制动运用的水环境

轨道车辆基础制动装置安装在车下,虽然有车体或底架的遮挡和保护,可以在一定程度上避开雨雪冰雹的直接作用,但在高速行车过程中,这些水分会在气流作用下进入车底。严重时伴随着侧风、雨雪,加上车辆底架和路基对气流猛烈的搓动作用,可形成强度骤变、涡旋、冰水混和的车底恶劣水环境。

在寒暖交替的季节或地区,在时暖时寒、冰水转换的动态行车气候条件下,状况恶劣时车下几乎所有制动管系和基础制动装置都会被冰雪覆盖包裹,见图1～图3。

图1 冬季跨越中原地区的25T 型铁路客车车底水环境状况

图2 提速客车在寒暖交替、冰水转换过程中逐步形成的积冰

图3 25G 型铁路客车单元制动缸被冰雪包裹的情况

我国幅员辽阔,铁路线路地理覆盖范围大,南北跨越了北纬18°～53°的地理纬度,加上青藏铁路的特殊气候条件,列车运行中会遇到剧烈的气候环境变化,基础制动装置在我国运用的水环境的恶劣程度非同一般,给列车的安全运用和行车秩序带来很大困扰,运用部门多次提出防水设计方面的分析与改进建议,见参考文献[1-2]。为此,基础制动装置的防水设计应引起高度重视。

2 基础制动装置的进水方式和途径

2.1 被动进水

出于功能的需要,基础制动装置内部与外界大气之间存在着气体交流的通道和间隙。高速行车时,外界水珠、雪花等水分,夹杂在无规律、无定向、阵发性的涡旋强气流中,向各个方向喷射。喷射中的水分会透过这些通道或间隙向基础制动装置内部喷溅、渗透,造成其被动地接受外界水分。

2.2 主动进水

列车在运行过程中需要不断调整行车速度,基础制动装置也会伴随着制动、缓解,发生内外气体交换的呼吸作用。通过这种呼吸作用,基础制动装置会主动地通过气体交流的通道和间隙,把外界环境中的水滴、雪花等吸入内部。正是由于呼吸作用的存在,使得始终处于有限空间内的呼吸器的设计无法完全避免水分进入。

基础制动装置的动作灵敏度,一般规定为:充入40 kPa的压力空气时,制动活塞应克服缓解弹簧阻力和摩擦阻力,产生出闸动作。这意味着缓解弹簧的力值最大允许设计为40 kPa的压力空气产生的推力与摩擦阻力之差。缓解时,缓解弹簧在克服摩擦阻力之后会使基础制动内部(非压力空气腔室)产生负压,对于部分基础制动装置,这个负压可达30 kPa以上。负压的大小能够吸起3 m 高的水柱,足见基础制动装置主动进水的力度之大。

3 进水的危害

3.1 进水结冰导致基础制动漏风

基础制动装置的制动动力来源是压力空气,其密封性能对列车的运行安全至关重要。我国轨道车辆基础制动装置种类繁多,TB/T 3145—2018《机车单元制动器》[3]、TB/T 3431—2015《机车车辆制动夹钳单元》[4]等铁路行业标准,以及T/CAMET 04004.7《城市轨道交通车辆制动系统——第7部分:制动夹钳单元技术规范》[5]、T/CAMET 04004.8《城市轨道交通车辆制动系统——第8 部分:踏面制动单元技术规范》[6]等城市轨道交通基础制动装置技术规范,都对压力空气的密封性能有严格规定,密封失效将使行车中的基础制动装置脱离这些标准的约束,导致严重后果。

在寒暖交替的行车环境中,基础制动装置内部形成积水后,遇到0℃以下的低温环境就会结冰,对于皮碗式密封结构的基础制动装置,其密封边缘会被积冰垫起,从而破坏皮碗与缸壁之间的密封结构,引起基础制动装置漏风,危及行车安全。

由于行车中恶劣天气状况在一定时期内具有反复性和持续性,因防水性能不足而引发的基础制动装置积水结冰漏风故障,往往会出现多发或连发的情况,导致多发性的行车故障或事故,严重打乱行车秩序,给铁路运输带来较大干扰和安全隐患。

3.2 进水后导致金属件加速锈蚀

基础制动装置进水后,会导致金属件的电化学腐蚀,加速其锈蚀破坏,进而也会影响间隙调整等基本功能的正常作用。这对于检修期较长的基础制动装置,危害尤其突出。

3.3 进水结冰后加速关键橡胶件的疲劳破坏

基础制动装置进水并在下部聚集后,遇冷结成冰块,在工作中反复变形的橡胶件与冰块接触的部位会受到冰块的挤压或限位阻挡,会加速其疲劳破坏,出现不定时裂损。

4 防水设计的几个误区

(1) 误区一:防水性能不是基础制动的基本功能,其重要性处于次要地位。

由于防水性能不属于基础制动的基本作用功能,因此,在初始设计阶段往往不被设计者重视。但在实际运用过程中,防水性能却直接影响到基础制动装置的正常作用功能,实际上,基础制动装置进水后会导致其基本功能失效,引起行车故障或事故。而且这类故障往往有小批量群发的特点,给铁路运营秩序造成的干扰和破坏往往比基础制动装置基本功能的偶发性失效带来的危害更大。

从国际上多种基础制动装置的防水部件看,结构上多少都留有改进痕迹,其最初防水局部结构大多比较简单,防水设计没有放在重要地位,当受到进水困扰、给铁路运输带来危害时,又不得不进行改进。

我国基础制动装置的防水结构也经历了从简单到比较复杂的改进过程,这同样是体现了防水设计从轻视到不得不重视的认识过程。

当一种基础制动装置研制完成,尤其是量产之后,发现其防水性能不足时采取补救改造措施,往往要付出很大的代价,甚至即使付出沉重的代价也无法完全纠正,其不利影响往往比基本功能不良造成的危害更大。

为此,在基础制动的设计阶段,其防水性能应引起足够的重视,防水设计应放在与基本功能设计处于同样重要的地位,统筹考虑。

(2) 误区二:基础制动装置安装在车下,受车体遮挡,雨雪等水环境不至于太恶劣。

只有列车静止或慢速行车时,车体底架才会对基础制动装置有遮挡和保护作用,列车高速运行时,这种遮挡作用会完全消失甚至会加剧水环境的恶劣程度。

图1至图3所示的情况虽然是特殊天气状况,但如果防水设计不到位,即便不经常发生的特殊天气状况,也足以对基础制动造成侵害,引发影响铁路运输秩序的故障或事故。

如果设计者走入这一认识误区,就会应付性地把防水结构设计得过于简单,埋下隐患。

(3) 误区三:通过对呼吸器的合理设计,可以避免基础制动装置内部进水。

受空间限制,基础制动装置呼吸器不能设计得过于复杂。喷淋水试验表明:只要基础制动装置存在着呼吸作用,国产和进口基础制动各种类型的呼吸器都会进水。

基础制动在恶劣的水环境中,可以被水膜完全包围,呼吸器在这种情况下能否做到完全防水,需要满足这样的试验工况:把基础制动装置完全浸没在水中,然后进行制动、缓解,在基础制动充分呼吸、进行内外气体交流的情况下杜绝进水。

设计上单纯地追求不进水的呼吸器是不可取的,再复杂的呼吸器也只能被动防止进水,无法主动防止进水。

(4) 误区四:通过加大静态喷淋水试验强度,可以检验基础制动装置防水性能优劣。

Q/CR 523—2016《铁道客车单元制动缸技术条件》[7]要求,铁路客车单元制动缸需按照GB 4208—2017《外壳防护等级(IP 代码)》[8]之IPX4S级进行喷淋水试验。但是通过了试验检验的基础制动装置,在实际运用中仍有进水故障发生。部分基础制动装置在研制阶段提高了静态喷淋水级别,加大了喷淋水强度,从GB 4208—2008的IPX4S级,提高到IPX5S级,甚至是IPX6S级的猛烈喷水,也对于检验基础制动装置的动态防水性能无济于事。

只有动态防水试验检验才是有效的,为此,2018年将原有的铁道车辆单元制动缸行业标准TB/T 3106—2005《铁道车辆单元制动缸》[9]升级为TB/T 3541.5—2018《机车车辆盘形制动 第5部分 单元制动缸》[10],增加了按照GB 4208—2017 IPX4M 级进行喷淋水试验的条款。即使如此,防水设计及试验中也应适当考虑延长试验时间,以应对实际运用中恶劣水环境持续时间较长和断续进水累加的状况。

5 几种常见的基础制动呼吸器

5.1 既有呼吸器的常见结构

图4列举了国内外几种常见的呼吸器结构形式。

图4 几种常见的基础制动装置呼吸器结构示意图

基础制动装置呼吸器一般由主体、滤芯和护罩等构件组成,不同呼吸器的主要组成构件,名称可能有所不同,但含义所指与作用却大同小异。呼吸器主体设置呼吸主通道,它既起到在基础制动上固定安装的作用,同时也是滤芯、挡圈和外部防护罩等构件的载体。

5.2 防水性能优缺点

国内外基础制动装置呼吸器种类繁多、结构简单而散乱,这印证了最初的设计者较普遍地存在侧重基本功能设计而忽视防水性能设计的误区,许多呼吸器结构上留有设计改进的痕迹,也反映了实际运用中遭遇的水环境困扰。

尿素市场依旧高报低走，下游成交跟进氛围较差，商家谨慎采销。局部装置依旧处于轮流检修或转产液氨，现货供应量微降。农业刚需清淡，下游工业随行就市。预计近期市场震荡微调为主，重点关注新单采购流向及装置变化。

就呼吸器在基础制动装置上的安装位置而言,图4(b)、图4(c)、图4(e)、图4(g)、图4(h)适合侧面安装;图4(d)、图4(f)适合底部安装;图4(a)既可以侧面安装,也可以底部安装。

就结构而言,图4(a)为直通式结构,其外貌及组成见图5,该型呼吸器结构简单,由外体、弹性挡圈和过滤网组成,其呼吸通道把基础制动内腔与外界环境直线贯通,直射或斜射水流很容易进入基础制动内腔,防水能力弱,不具备防止被动进水的能力,实际运用中较容易发生进水故障,目前已经属于淘汰类型。

图5 直通式呼吸器

图4(b)、图4(c)、图4(d)、图4(f)为半迷宫式结构,可以防止被动进水,但在基础制动装置呼吸过程中的主动进水却不能完全防止。图4(b)和图4(e)为图4(a)直通式呼吸器的改进型结构,其外貌及组成见图6和图7。

图6 半迷宫式呼吸器

图7 迷宫式呼吸器

图4(g)、图4(h)为垂管式呼吸器,其呼吸通道尾部有一段较长的非金属垂下管,其作用是尽可能多地阻止呼吸过程中带入的水分。但该种结构很难做到完全防水,即使垂管长度达到3 m 以上。

图4(b)、图4(d)、图4(e)带有滤芯,可以起到进一步阻挡和过滤雪花及灰尘的作用。

6 防尘套的自排水设计

部分基础制动装置的制动活塞伸缩部位,功能上需要有灵活转动的要求,为此在相对转动处留有一定的间隙,这个间隙便成为基础制动装置的进水点之一。通过该间隙的进水在达到一定水位去往基础制动核心部位之前,会暂存在防尘套的折槽处。这时候的积水,不会对基础制动装置造成任何危害。

因此对该类基础制动装置防尘套设计时,增加其自身排水功能,较有实际意义。

图8是带排水孔的防尘套局部放大示意图。这是一种带自排水功能防尘套结构的设计尝试。

防尘套具有多个折槽,在靠近基础制动基体一侧的第二个折槽底部设有一个主排水孔,在其余每个折槽的下部各设一个辅助排水孔。

为保证防尘效果,主辅排水孔的直径均较小。主排水孔通透截面积是辅助排水孔的2.5倍左右,主排水孔下部设置了一段起到方向标识和一定防堵防尘作用的防护管。

每个排水孔负责排除各自折槽内的积水,前部折槽积水在不能各自全部排除的情况下向后部聚集时,由主排水孔排出。

试验结果显示,带自排水功能的防尘套在静态下对内部进水具有自动排除能力,排水速度可达到375 ml/min;在动态制动情况下,内部积水会加速向外部喷射,能够更迅速地排出进水。

7 基础制动装置的防水设计要点

(1) 在基础制动装置的最初设计阶段,其防水性即应引起足够的重视,防水设计应放在与基本功能设计处于同样重要的地位,其布置空间与安装位置应统筹考虑;

(2) 呼吸器的设计应避免直通式结构,既不能设计得过于简单,也不必追求过于复杂,只要存在着呼吸作用,即使再复杂的结构也无法做到完全防止进水;

(3) 防水设计最有效的途径,是防水和排水并重:既要尽可能地减少进水,又要能够及时排水,只要不形成积水,则不会对基础制动装置的基本功能构成危害;

(4) 呼吸器设置在基础制动装置底部,是一种较为有效的防水设置;

(5) 呼吸器设置在底部时,滤芯不宜过密,以防灰尘和油污堵塞;

(6) 出于空间布置或其他需要,呼吸器设置在侧面时,对于皮碗式密封形式的基础制动装置,必须设置排水口;

(7) 排水口的畅通十分重要,设计排水口时应充分考虑运用和检修维护过程中不易堵塞的结构形式;

(8) 出于结构或功能需要,制动活塞前部存在配合间隙时,基础制动装置的防尘套宜设计成带自排水功能的结构;

(9) 在基础制动防水性能检验控制方面,按照GB 4208—2008进行喷淋水试验时,应采用动态喷淋水试验且适当延长试验时间。