铁道货车制动缸主动润滑技术

刘　毅, 全　琼, 韦雪丽, 李　果, 肖　晨, 申检宏, 杜　霞

(眉山中车制动科技股份有限公司， 四川眉山 620010)

铁道货车制动缸是将作用于其活塞上的空气压力经基础制动装置传递到闸瓦上，使之产生制动作用的部件，是将空气压力转化为机械推力的装置。制动缸先后经历了铸铁制动缸、旋压密封制动缸及主动润滑制动缸阶段，特别是2013年发展起来的制动缸主动润滑技术，成为目前我国货车制动缸的主流技术，是制动缸的发展趋势。

1　主动润滑技术产生的背景

旋压技术从1996年开始应用到铁道货车制动缸，发展成为旋压密封式制动缸，较铸铁制动缸有重量轻，质量好，工艺简单等优点，逐步替代铸铁制动缸，是制动缸制造技术的重大进步。

随着旋压密封式制动缸大量使用，故障逐渐显露出来。2006年8月某日晋北运用车间技检65017次编组48辆 K18AK车时在进行制动机试验过程中，司机反映列车漏泄量过大，不保压，晋北列检在现场对车辆进行检查确认，发现机后3位，6位，8位，9位，11位，12位，15位，18位，28位，29位，33位，37位，39位，42位，44位，45位，47位共计17辆车制动缸不同程度的存在漏风现象，分解后发现制动缸内壁上部严重缺油，Y形密封圈(俗称：皮碗)变形严重。

2006年某日主要货车厂同时接到大同湖东车辆段信息，称C80车皮碗大量破损，影响大秦线车辆运行安全。

2007年3月底铁路4.18大提速前，装在PB车上的14″旋压制动缸在厦门列检所出问题：缸体上部(靠车体底架)缺油，Y形密封圈翻碗，以及缓解不到位的情况，处理时间长达8月之久。

2011年6月某日CFJ245次货物列车(编组102辆)运行至呼和浩特局管内京包线苏集站3道停车换乘再开车时，9辆列车发生制动缸漏泄故障致使列车主管漏泄量超标，每分钟漏泄40 kPa，经列检处理后开车，构成货车责任一般D类事故，分解制动缸，发现其上部严重缺油。

为全面了解制动缸故障及其原因，眉山中车制动科技股份有限公司(简称：眉山公司)组织人员对货车制动缸进行了专项调研，调研小组先后调研了成都东，贵阳南、重庆西、昆明比、郑州北、江岸、南宁南及乌西车辆段等8个车辆段。共检查61 313辆货车，主要统计了常见车型制动缸故障，统计数据见表1，表2。

表1为制动缸故障在各车型上的分布，从表1可以看出，棚车、敞车的故障率较低，包括汽车运输车；其次是平车，故障率3%；第三是罐车，故障率为4.37%，由于罐车数量大，故障率是非常高的。故障率最高的是矿石车、水泥车，高达10%以上。

表2为制动缸故障的分类，从表2可以看出，制动缸故障主要表现为制动缸漏泄和制动缸进水，两项占故障的96.95%，其中上部缺油是漏泄故障的主要原因，其次是皮碗破损，故障图片如图1。

表1　各车型制动缸故障分类统计表

表2　制动缸故障分类统计表

图1　制动缸故障

制动缸主要故障的原因分析如下：

1.1　制动缸上部缺油

制动缸上部缺油是导致制动缸漏泄故障的主要原因。漏泄的制动缸经现场分解，基本上都发现制动缸润滑脂变稀发黑，因重力和车辆振动自然流坠到制动缸下部，上部几乎没有润滑脂，上部密封圈与制动缸内壁之间几乎没有润滑层而出现缸体与密封圈干磨，造成摩擦力增大，导致密封圈涨大、翻边或破损，引起制动缸漏泄。

制动缸如果直接长期受阳光暴晒，高温会导致制动缸脂89D稀化[1]，油脂流坠更严重，制动缸上部缺油更快，提前出现密封圈涨大、翻边或破损，造成制动缸漏泄。罐车，漏斗车，集装箱平车等车型的制动缸均直接暴露在阳光下，这是这些车型制动缸故障率高的直接原因。

1.2　制动缸进水

旋压制动缸结构本身并不具备防水功能，如果安装在车辆底部，雨天雨水无法到达制动缸，雨水进不了制动缸，可能仅有少许水汽在制动缸缓解时吸入缸体。

如果雨水能够直接、间接淋到制动缸，比如罐车，漏斗车，集装箱平车等，雨水会顺着图2所示的A,B,C三处进入缸体，特别是制动缸使用一段时间后，前盖滤尘套与活塞杆的间隙会增大，雨水很容易沿A处进入缸体。制动缸缓解时，活塞右侧形成负压，雨水沿着A,B,C三处被吸进缸体。

图2　旋压密封制动缸进水途径

2　制动缸主动润滑技术

为解决制动缸的漏泄及进水故障，中国铁路总公司组织相关单位进行技术攻关，提出了制动缸主动润滑技术方案。其核心内容是防水及活塞的转动，通过增加防水圈，带挡水伞的新型防尘盖，解决制动缸进水问题；通过活塞的转动，将自然流坠到制动缸下部的油脂通过活塞本身的转动带到制动缸上部，从根本上解决制动缸上部缺油导致的制动缸漏泄问题。

2.1　防水结构

由图2可知，制动缸进水的主要途径是活塞杆与前盖之间及防尘盖呼吸孔处。通过增加防水圈，防止雨水从活塞杆和前盖润滑套之间的间隙进入制动缸，防水圈采用的是耐磨，耐高、低温的聚氨酯橡胶；改进防尘盖结构(图3)，雨水顺新型防尘盖的喇叭形裙摆下落，不再停留在图2中的C处，防止雨水从防尘盖吸入缸体。通过试验及装车运用考验表明，该结构能够防止雨水进入缸体，解决了缸体进水问题。

1-防水圈座； 2-防水圈； 3-“O”形密封圈； 4-滤尘器； 5-新型防尘盖(带挡水伞)。

图3制动缸防水结构图

2.2　活塞转动机构

制动缸活塞的转动是主动润滑技术的核心，主要技术方案如下。

2.2.1非自锁螺纹旋转机构

螺纹非自锁就是当螺纹升角γ大于螺旋副的当量摩擦角ρv时，其在铁道车辆技术中主要用闸瓦间隙自动调整，比如ST1-600，ST2-250型闸调器，各型单元制动缸，踏面制动器等。

采用非自锁螺纹实现活塞旋转的主动润滑制动缸结构如图4所示。主要由缸座组成，活塞组成，缸体组成，缓解弹簧，前盖组成，推力轴承，弹簧座等构成。与普通旋压制动缸相比，主要特点是活塞采用冲压件而非铸铁件。

1-缸座组成； 2-活塞组成； 3-缸体组成；4-缓解弹簧； 5-前盖组成； 6-推力轴承； 7-弹簧座； 8-防尘盖。

图4非自锁螺纹式主动润滑制动缸示意图

非自锁螺纹旋转机构核心是活塞组成(图5)，其活塞杆1与活塞杆座5通过过盈配合连接，并铆入注胶弹性销2，注胶弹性销能防止雨水及灰尘通过该处进入缸体。冲压活塞4与活塞杆座5通过焊接连接，焊缝不得漏泄。螺母6与活塞杆座5间隙配合，通过键3防止相互转动，并通过孔用钢丝挡圈12防止螺母6窜出。螺杆8与螺母6啮合(均为非自锁螺纹)，螺杆的右端面为大盘头螺钉9，安装时螺纹表面凃螺纹固持胶。大盘头螺钉的作用是防止螺杆脱离螺母。螺杆左端面为离合盘10，通过焊接与螺杆相连。在离合盘10与螺母6之间从左到右依次为锥形簧7及推力轴承11。

制动缸缸体组成(图6)中，缸体底部焊接离合环2,其内锥面与图5中的离合盘10构成锥面离合器m，制动缸缓解且离合盘与离合环接触后螺杆被抑制不能转动。

其工作原理为：制动缸缓解时，当活塞组成中的离合盘10接触到缸体组成(图6)中离合环2时，锥面离合器m在缓解弹簧的作用下啮合，离合盘与螺杆在离合环的抑制下均不能转动。非自锁螺母6在缓解弹簧4(图4)作用下顺时针转动(从右往左看)，螺母6通过键3带动活塞组成转动，活塞组成带动缓解簧4转动，在缓解簧与弹簧座之间有轴承6，弹簧座不转动。此时，锥形簧7被压缩，蓄能，如图7所示，螺母右端面与大盘头螺钉盘头左端面拉开一定距离S，该距离S称为工作距离，如果非自锁螺纹的导程为P,活塞转动一周的制动缓解次数n为：n=P/S。制动时，活塞组成带动离合盘10脱开缸体组成的离合环2，锥面离合器m脱开，离合盘10在锥形簧7的作用下顺时针转动(从右往左看)，直到图7所示的工作距离S消失而停止转动，这样活塞完成一次转动，如此循环往复，将沉积在缸体底部的油脂带到制动缸上部。

1-活塞杆； 2-注胶弹性销； 3-键； 4-冲压活塞； 5-活塞杆座； 6-螺母；7-锥形簧； 8-螺杆； 9-大盘头螺钉； 10-离合盘；11-推力轴承； 12-孔用挡圈；13-锁圈； 14-导向带；15-Y形密封圈。图5　非自锁螺纹式主动润滑 制动缸活塞示意图(缓解状态)

1-缸体； 2-离合环。图6　缸体组成示意图

图7　工作距离S(制动状态)

2.2.2斜齿导向锥面式旋转机构

采用斜齿导向锥面式旋转机构的主动润滑制动缸结构如图8所示，主要由缸体组成、前盖组成、活塞组成、缸座组成、缓解弹簧、推力滚针轴承等构成(防水结构未画出)。活塞采用铸铁活塞，与现有活塞结构相比有较大变化。

1-推力轴承； 2-缸座组成； 3-锥面离合座； 4-活塞组成； 5-缸体组成； 6-缓解弹簧； 7-前盖组成。图8　斜齿导向锥面式主动 润滑制动缸示意图

斜齿导向锥面式旋转机构由活塞组成4与缸体底部锥面离合座3构成。活塞组成(图9)主要由活塞1、旋转套组成2组成，其中旋转套组成2包括导向座2a、旋转套2b，复位弹簧2c及锥面座2d，锥面座2d与焊接在缸体底部的锥面离合座构成离合器n(图8)。旋转套组成组装时，先将旋转套的导向柱(两边的凸起，图10)装在导向座的斜齿内，再将旋转套与锥面座通过段焊方式焊在一起。旋转套组成通过导向座上的外螺纹与活塞连接在一起，并涂螺纹固持胶。

其工作原理为：制动缸缓解时，活塞组成回退，当锥面座2d与锥面离合座接触,离合器n在缓解弹簧的作用下啮合，旋转套2b被抑制不动；在缓解弹簧作用下，旋转套导向柱施加作用力给导向座斜齿，迫使导向座与活塞一起逆时针旋转回退(从面向活塞杆伸出方向看)，直至锥面座2d接触到活塞。制动时，活塞组成直线前进，在复位弹簧2c的作用下，旋转套在离合器锥面上顺时针转动，直至旋转套导向柱底部接触导向座停止，然后锥面座2d离开锥面离合座，离合器n脱开，活塞组成直线向前；如此循环往复。

1-活塞； 2-旋转套组成； 2a-导向套； 2b-旋转套； 2c-复位弹簧； 2d-锥面座。图9　斜齿导向锥面式主动 润滑制动缸活塞组成

图10　导向套与旋转套

2.2.3棘轮棘爪式旋转机构

棘轮棘爪式主动润滑制动缸如图11所示，是在整体旋压密封式制动缸结构上增设活塞旋转机构和防水结构，主要由缸座组成，活塞组成，缸体组成，缓解弹簧，前盖组成，推力轴承，弹簧座等组成。制动缸缓解时，活塞沿固定方向转动一定角度，带动油脂在缸内循环，起到润滑的作用[2]。

1-缸座组成； 2-活塞组成； 3-缸体组成；4-缓解弹簧； 5-前盖组成；6-推力轴承； 7-弹簧座； 8-防尘盖。图11　棘轮棘爪式主动润滑制动缸结构图

该型主动润滑制动缸的棘轮棘爪旋转机构主要由齿圈、弹簧片、轴承等组成，如图12所示，齿圈通过段焊缝焊接在缸体组成上，3个弹簧片均布在活塞底部，通过螺栓紧固并有防松措施。

其工作原理为：制动缸缓解时，安装在活塞组成上的弹簧片自由端接触到齿圈，在缓解弹簧的作用下，弹簧片逐渐展平，由于其自由端被齿圈限制，另一端则驱动活塞转动，直到弹簧片展平。制动时，活塞组成在空气压力作用下离开缸体底部，弹簧片恢复到图12所示的形状，完成一次转动，如此循环往复，制动、缓解50～100次，活塞能够转动一周[3]。

1-齿圈； 2-缸体； 3-弹簧片； 4-锁圈； 5-Y形密封圈； 6-导向带。图12　棘轮棘爪式主动润滑 制动缸缸体、活塞结构图

上述3种方案均能实现活塞转动功能，将沉积在缸体底部的油脂带到缸体上部，解决制动缸上部缺油引起的制动缸漏泄问题。

方案1非自锁螺纹式主动润滑制动缸采用冲压活塞，能够大幅减轻活塞组成的质量，减轻作业劳动强度。缺点是结构复杂且零部件加工要求高，特别是锥面离合器m(图4)的内、外锥面的同轴度对转动可靠性影响较大，同时活塞与既有制动缸活塞结构差别大，不利于制动缸的主动润滑改造(需更换活塞组成)。

方案2斜齿导向锥面式主动润滑制动缸，也即LBC-2型主动润滑制动缸，采用的是铸铁活塞，转动可靠。缺点是较既有活塞质量有所增加，并且结构也有较大改变，也不利于制动缸的主动润滑改造(需更换活塞组成)，没有大量运用。

方案3棘轮棘爪式主动润滑制动缸是目前铁道货车新造车辆普遍装用的制动缸，也即LBC-1型主动润滑制动缸(以下简称LBC-1型主动润滑缸)。是在现有制动缸活塞基础上，通过加工活塞底部，安装弹簧片来实现的，结构简单，转动机构动作可靠，并有利于既有制动缸的主动润滑改造，所以该方案得到推广运用。

除上述主动润滑方案外，还有一种双密封式主动润滑制动缸(也即LBC-3型主动润滑制动缸)，与上述原理均不同，活塞不转动。活塞组成由前密封圈、隔环、导向带、后密封圈等构成封闭腔室，活塞体周向均布设置有4～6个贮油腔，并在活塞体贮油腔、通油孔填充润滑脂；制动缸工作时，压力空气作用于活塞组成端面、推动活塞组成的同时，推动润滑脂活塞挤压贮油腔内的润滑脂；当前密封圈、导向带、后密封圈与制动缸内壁之间的润滑脂减少、制动缸内有压力空气时，润滑脂活塞在压力空气作用下，推动活塞体贮油腔内的润滑脂对减少的润滑脂进行补充，使前密封圈、隔环、后密封圈之间的润滑脂得到保持[4]。其核心是对流失的油脂由贮油腔进行补充，但结构复杂等原因，也没有大量运用。

3　主动润滑制动缸的技术要求

主动润滑制动缸是在旋压密封式制动缸的基础上增加了活塞转动功能和防水功能，除应符合旋压密封式制动缸的标准TB/T 2838的要求外，比如：感度，气密性，环境(高低温)，疲劳，输出力等，还应符合主动润滑式密封制动缸技术条件TJ/CL 465的特定要求：活塞转动及防水。

3.1　活塞转动

TJ/CL 465要求：制动缸活塞往复运动回程时，活塞应转动一次。活塞旋转一周，活塞往复运动应在50～100次范围内。

活塞转动试验属于例行试验，具体操作是制动缸做气密性试验前，在活塞杆与前盖上划一条的水平线，试验后，观察活塞杆与前盖上的水平线是否错开一定距离，以此判断活塞是否转动。

3.2　淋水试验

TJ/CL 465要求：活塞往复循环运动时，向制动缸前盖及活塞杆表面淋水，缸体内无积水。

淋水试验属于型式试验，试验地点的温度应高于5℃，制动缸应水平位置安装，试验时防尘盖应朝下。

淋水试验装置示意图见图13，喷头出水方向应与制动缸轴线垂直，喷头出水口距制动缸淋水位置500～600 mm。喷头1的水流应喷射在防尘盖与制动缸前盖焊接部位。水管管径为DN15，喷头的喷水孔径2.0 mm，淋水强度不低于3 mm/min，淋水强度计算面积按356×254旋压制动缸前盖的水平投影面积(约为33 000 mm2)计算。

试验方法：喷头1、喷头2向制动缸淋水的同时，向制动缸内充入420 kPa压缩空气，然后排空缸内压缩空气，每2 min循环1次，总循环次数100次。分解制动缸，缸体内无积水。

图13　淋水试验装置示意图

4　主动润滑技术的应用

LBC-1型主动润滑缸从2013年底开始试装车400辆运用考验。2014年4月到11月眉山公司组织技术及售后服务人员在株洲车辆段、南宁车辆段和重庆西车辆段进行了运用调研，总共对12辆(包括6辆X70和6辆P70)装用LBC-1型305×254主动润滑缸进行了活塞转动情况检查，并在重庆西车辆段对2套LBC-1型305×254主动润滑缸进行了分解检查。

2016年1月眉山公司再次在永安车辆段进行了调研，总共对3辆(包括1辆X70和2辆P70)装用LBC-1型305×254主动润滑缸进行了活塞转动情况检查，并对1套LBC-1型305×254主动润滑缸进行了分解检查。

在现场，首先用记号笔在制动缸前盖和活塞杆划一条横线，再制动缓解3次，看前盖和活塞杆上的划线是否错开一定距离。经检查，以上15套制动缸活塞均能转动一定角度(图14)，证明主动润滑缸活塞转动棘轮机构动作可靠。

对LBC-1型主动润滑缸进行了分解检查，缸体内壁上部均有油脂且油膜清晰可见，活塞和皮碗的圆周上油脂分布均匀(图15)，未发现缸体内有进水现象。

现场调研结果表明：

(1)主动润滑缸活塞转动棘轮棘爪机构动作可靠，运用过程中活塞上Y形密封圈四周油脂分布均匀，防止制动缸上部缺油，解决了制动缸漏泄的惯性故障。

(2)制动缸通过增加密封件，改进防尘盖结构，能有效防止雨水进入缸体，避免缸体内部件的锈蚀，提高制动缸内部清洁度，解决制动缸进水故障。

图14　LBC-1型主动润滑缸转动一定角度

图15　LBC-1型主动润滑缸分解情况

5　结束语

铁道货车制动缸主动润滑技术在国际处于领先水平，解决了制动缸漏泄及进水的问题，目前主动润滑制动缸装车已超过5万辆，运行状况良好。既有货车制动缸的主动润滑改造方案完成并通过技术评审，并且试改造工作2017年9月已结束。通过试改造表明，既有的旋压密封式制动缸都能够通过改造，具有主动润滑功能及防水功能，解决制动缸漏泄及进水问题。