歐陽省,宋傳云

(中車青島四方車輛研究所有限公司,山東 青島 266031)

1 基礎制動運用的水環(huán)境

軌道車輛基礎制動裝置安裝在車下,雖然有車體或底架的遮擋和保護,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,這些水分會在氣流作用下進入車底。嚴重時伴隨著側風、雨雪,加上車輛底架和路基對氣流猛烈的搓動作用,可形成強度驟變、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),在時暖時寒、冰水轉換的動態(tài)行車氣候條件下,狀況惡劣時車下幾乎所有制動管系和基礎制動裝置都會被冰雪覆蓋包裹,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、冰水轉換過程中逐步形成的積冰

圖3 25G 型鐵路客車單元制動缸被冰雪包裹的情況

我國幅員遼闊,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,列車運行中會遇到劇烈的氣候環(huán)境變化,基礎制動裝置在我國運用的水環(huán)境的惡劣程度非同一般,給列車的安全運用和行車秩序帶來很大困擾,運用部門多次提出防水設計方面的分析與改進建議,見參考文獻[1-2]。為此,基礎制動裝置的防水設計應引起高度重視。

2 基礎制動裝置的進水方式和途徑

2.1 被動進水

出于功能的需要,基礎制動裝置內(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,外界水珠、雪花等水分,夾雜在無規(guī)律、無定向、陣發(fā)性的渦旋強氣流中,向各個方向噴射。噴射中的水分會透過這些通道或間隙向基礎制動裝置內(nèi)部噴濺、滲透,造成其被動地接受外界水分。

2.2 主動進水

列車在運行過程中需要不斷調整行車速度,基礎制動裝置也會伴隨著制動、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,基礎制動裝置會主動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)的呼吸器的設計無法完全避免水分進入。

基礎制動裝置的動作靈敏度,一般規(guī)定為:充入40 kPa的壓力空氣時,制動活塞應克服緩解彈簧阻力和摩擦阻力,產(chǎn)生出閘動作。這意味著緩解彈簧的力值最大允許設計為40 kPa的壓力空氣產(chǎn)生的推力與摩擦阻力之差。緩解時,緩解彈簧在克服摩擦阻力之后會使基礎制動內(nèi)部(非壓力空氣腔室)產(chǎn)生負壓,對于部分基礎制動裝置,這個負壓可達30 kPa以上。負壓的大小能夠吸起3 m 高的水柱,足見基礎制動裝置主動進水的力度之大。

3 進水的危害

3.1 進水結冰導致基礎制動漏風

基礎制動裝置的制動動力來源是壓力空氣,其密封性能對列車的運行安全至關重要。我國軌道車輛基礎制動裝置種類繁多,TB/T 3145—2018《機車單元制動器》[3]、TB/T 3431—2015《機車車輛制動夾鉗單元》[4]等鐵路行業(yè)標準,以及T/CAMET 04004.7《城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)——第7部分:制動夾鉗單元技術規(guī)范》[5]、T/CAMET 04004.8《城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)——第8 部分:踏面制動單元技術規(guī)范》[6]等城市軌道交通基礎制動裝置技術規(guī)范,都對壓力空氣的密封性能有嚴格規(guī)定,密封失效將使行車中的基礎制動裝置脫離這些標準的約束,導致嚴重后果。

在寒暖交替的行車環(huán)境中,基礎制動裝置內(nèi)部形成積水后,遇到0℃以下的低溫環(huán)境就會結冰,對于皮碗式密封結構的基礎制動裝置,其密封邊緣會被積冰墊起,從而破壞皮碗與缸壁之間的密封結構,引起基礎制動裝置漏風,危及行車安全。

由于行車中惡劣天氣狀況在一定時期內(nèi)具有反復性和持續(xù)性,因防水性能不足而引發(fā)的基礎制動裝置積水結冰漏風故障,往往會出現(xiàn)多發(fā)或連發(fā)的情況,導致多發(fā)性的行車故障或事故,嚴重打亂行車秩序,給鐵路運輸帶來較大干擾和安全隱患。

3.2 進水后導致金屬件加速銹蝕

基礎制動裝置進水后,會導致金屬件的電化學腐蝕,加速其銹蝕破壞,進而也會影響間隙調整等基本功能的正常作用。這對于檢修期較長的基礎制動裝置,危害尤其突出。

3.3 進水結冰后加速關鍵橡膠件的疲勞破壞

基礎制動裝置進水并在下部聚集后,遇冷結成冰塊,在工作中反復變形的橡膠件與冰塊接觸的部位會受到冰塊的擠壓或限位阻擋,會加速其疲勞破壞,出現(xiàn)不定時裂損。

4 防水設計的幾個誤區(qū)

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

由于防水性能不屬于基礎制動的基本作用功能,因此,在初始設計階段往往不被設計者重視。但在實際運用過程中,防水性能卻直接影響到基礎制動裝置的正常作用功能,實際上,基礎制動裝置進水后會導致其基本功能失效,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,給鐵路運營秩序造成的干擾和破壞往往比基礎制動裝置基本功能的偶發(fā)性失效帶來的危害更大。

從國際上多種基礎制動裝置的防水部件看,結構上多少都留有改進痕跡,其最初防水局部結構大多比較簡單,防水設計沒有放在重要地位,當受到進水困擾、給鐵路運輸帶來危害時,又不得不進行改進。

我國基礎制動裝置的防水結構也經(jīng)歷了從簡單到比較復雜的改進過程,這同樣是體現(xiàn)了防水設計從輕視到不得不重視的認識過程。

當一種基礎制動裝置研制完成,尤其是量產(chǎn)之后,發(fā)現(xiàn)其防水性能不足時采取補救改造措施,往往要付出很大的代價,甚至即使付出沉重的代價也無法完全糾正,其不利影響往往比基本功能不良造成的危害更大。

為此,在基礎制動的設計階段,其防水性能應引起足夠的重視,防水設計應放在與基本功能設計處于同樣重要的地位,統(tǒng)籌考慮。

(2) 誤區(qū)二:基礎制動裝置安裝在車下,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,車體底架才會對基礎制動裝置有遮擋和保護作用,列車高速運行時,這種遮擋作用會完全消失甚至會加劇水環(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,但如果防水設計不到位,即便不經(jīng)常發(fā)生的特殊天氣狀況,也足以對基礎制動造成侵害,引發(fā)影響鐵路運輸秩序的故障或事故。

如果設計者走入這一認識誤區(qū),就會應付性地把防水結構設計得過于簡單,埋下隱患。

(3) 誤區(qū)三:通過對呼吸器的合理設計,可以避免基礎制動裝置內(nèi)部進水。

受空間限制,基礎制動裝置呼吸器不能設計得過于復雜。噴淋水試驗表明:只要基礎制動裝置存在著呼吸作用,國產(chǎn)和進口基礎制動各種類型的呼吸器都會進水。

基礎制動在惡劣的水環(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工況:把基礎制動裝置完全浸沒在水中,然后進行制動、緩解,在基礎制動充分呼吸、進行內(nèi)外氣體交流的情況下杜絕進水。

設計上單純地追求不進水的呼吸器是不可取的,再復雜的呼吸器也只能被動防止進水,無法主動防止進水。

(4) 誤區(qū)四:通過加大靜態(tài)噴淋水試驗強度,可以檢驗基礎制動裝置防水性能優(yōu)劣。

Q/CR 523—2016《鐵道客車單元制動缸技術條件》[7]要求,鐵路客車單元制動缸需按照GB 4208—2017《外殼防護等級(IP 代碼)》[8]之IPX4S級進行噴淋水試驗。但是通過了試驗檢驗的基礎制動裝置,在實際運用中仍有進水故障發(fā)生。部分基礎制動裝置在研制階段提高了靜態(tài)噴淋水級別,加大了噴淋水強度,從GB 4208—2008的IPX4S級,提高到IPX5S級,甚至是IPX6S級的猛烈噴水,也對于檢驗基礎制動裝置的動態(tài)防水性能無濟于事。

只有動態(tài)防水試驗檢驗才是有效的,為此,2018年將原有的鐵道車輛單元制動缸行業(yè)標準TB/T 3106—2005《鐵道車輛單元制動缸》[9]升級為TB/T 3541.5—2018《機車車輛盤形制動 第5部分 單元制動缸》[10],增加了按照GB 4208—2017 IPX4M 級進行噴淋水試驗的條款。即使如此,防水設計及試驗中也應適當考慮延長試驗時間,以應對實際運用中惡劣水環(huán)境持續(xù)時間較長和斷續(xù)進水累加的狀況。

5 幾種常見的基礎制動呼吸器

5.1 既有呼吸器的常見結構

圖4列舉了國內(nèi)外幾種常見的呼吸器結構形式。

圖4 幾種常見的基礎制動裝置呼吸器結構示意圖

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

5.2 防水性能優(yōu)缺點

國內(nèi)外基礎制動裝置呼吸器種類繁多、結構簡單而散亂,這印證了最初的設計者較普遍地存在側重基本功能設計而忽視防水性能設計的誤區(qū),許多呼吸器結構上留有設計改進的痕跡,也反映了實際運用中遭遇的水環(huán)境困擾。

尿素市場依舊高報低走，下游成交跟進氛圍較差，商家謹慎采銷。局部裝置依舊處于輪流檢修或轉產(chǎn)液氨，現(xiàn)貨供應量微降。農(nóng)業(yè)剛需清淡，下游工業(yè)隨行就市。預計近期市場震蕩微調為主，重點關注新單采購流向及裝置變化。

就呼吸器在基礎制動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)適合側面安裝;圖4(d)、圖4(f)適合底部安裝;圖4(a)既可以側面安裝,也可以底部安裝。

就結構而言,圖4(a)為直通式結構,其外貌及組成見圖5,該型呼吸器結構簡單,由外體、彈性擋圈和過濾網(wǎng)組成,其呼吸通道把基礎制動內(nèi)腔與外界環(huán)境直線貫通,直射或斜射水流很容易進入基礎制動內(nèi)腔,防水能力弱,不具備防止被動進水的能力,實際運用中較容易發(fā)生進水故障,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)為半迷宮式結構,可以防止被動進水,但在基礎制動裝置呼吸過程中的主動進水卻不能完全防止。圖4(b)和圖4(e)為圖4(a)直通式呼吸器的改進型結構,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。但該種結構很難做到完全防水,即使垂管長度達到3 m 以上。

圖4(b)、圖4(d)、圖4(e)帶有濾芯,可以起到進一步阻擋和過濾雪花及灰塵的作用。

6 防塵套的自排水設計

部分基礎制動裝置的制動活塞伸縮部位,功能上需要有靈活轉動的要求,為此在相對轉動處留有一定的間隙,這個間隙便成為基礎制動裝置的進水點之一。通過該間隙的進水在達到一定水位去往基礎制動核心部位之前,會暫存在防塵套的折槽處。這時候的積水,不會對基礎制動裝置造成任何危害。

因此對該類基礎制動裝置防塵套設計時,增加其自身排水功能,較有實際意義。

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構的設計嘗試。

防塵套具有多個折槽,在靠近基礎制動基體一側的第二個折槽底部設有一個主排水孔,在其余每個折槽的下部各設一個輔助排水孔。

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,主排水孔下部設置了一段起到方向標識和一定防堵防塵作用的防護管。

每個排水孔負責排除各自折槽內(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,由主排水孔排出。

試驗結果顯示,帶自排水功能的防塵套在靜態(tài)下對內(nèi)部進水具有自動排除能力,排水速度可達到375 ml/min;在動態(tài)制動情況下,內(nèi)部積水會加速向外部噴射,能夠更迅速地排出進水。

7 基礎制動裝置的防水設計要點

(1) 在基礎制動裝置的最初設計階段,其防水性即應引起足夠的重視,防水設計應放在與基本功能設計處于同樣重要的地位,其布置空間與安裝位置應統(tǒng)籌考慮;

(2) 呼吸器的設計應避免直通式結構,既不能設計得過于簡單,也不必追求過于復雜,只要存在著呼吸作用,即使再復雜的結構也無法做到完全防止進水;

(3) 防水設計最有效的途徑,是防水和排水并重:既要盡可能地減少進水,又要能夠及時排水,只要不形成積水,則不會對基礎制動裝置的基本功能構成危害;

(4) 呼吸器設置在基礎制動裝置底部,是一種較為有效的防水設置;

(5) 呼吸器設置在底部時,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,呼吸器設置在側面時,對于皮碗式密封形式的基礎制動裝置,必須設置排水口;

(7) 排水口的暢通十分重要,設計排水口時應充分考慮運用和檢修維護過程中不易堵塞的結構形式;

(8) 出于結構或功能需要,制動活塞前部存在配合間隙時,基礎制動裝置的防塵套宜設計成帶自排水功能的結構;

(9) 在基礎制動防水性能檢驗控制方面,按照GB 4208—2008進行噴淋水試驗時,應采用動態(tài)噴淋水試驗且適當延長試驗時間。