铁路客车单元制动缸呼吸器防水改进研究

黄士伟，刘诚波，宋传云，林 超，张志强，王 震

(1.中车青岛四方车辆研究所有限公司 制动事业部，山东 青岛266031； 2.中国铁路济南局集团有限公司 青岛机车车辆监造项目部，山东 青岛 266111)

1 问题提出

从第一台空气制动机诞生至今已有150年的历史，随着科技的高度发展，又相继出现了电阻制动、涡流制动、再生制动等多种新型制动方式[1]，但是即便如此，绝大部分轨道车辆，尤其是干线铁路客车依然都配置了空气制动系统，且这种现象将长久存在。单元制动缸作为空气制动系统动能转换为热能的直接机构，将空气压力转化为机械制动力，直接影响轨道车辆的制动性能。在单元制动缸做功(活塞杆伸缩)过程中，缸内非动力空腔由于容积变化需与外界进行气体交换，因此单元制动缸一般需设置呼吸器。

由于单元制动缸安装于铁路客车转向架，直接暴露在外部大气环境中，在雨雪天气或者车辆入库清洗时将直接与水汽接触。如果呼吸器设置不当，容易导致水汽进入单元制动缸内部(图1)，进入单元制动缸内部的水汽在低温环境下会结冰，而单元制动缸的密封作用是通过橡胶皮碗或者橡胶膜板实现的，这些附着的冰可能垫起橡胶皮碗或者割伤橡胶膜板，导致单元制动缸漏风，从而使制动作用减弱或者失去制动作用，影响行车安全。近些年在郑州铁路局、西安铁路局、上海铁路局发生了数起因单元制动缸呼吸器进水结冰导致的行车故障，干扰了正常的铁路运输秩序[2]。

图1 单元制动缸内部积水

2 原呼吸器结构存在的问题

铁路客车单元制动缸原呼吸器为直通式结构，由外体、弹性挡圈和过滤网组成(图2)，安装在单元制动缸的侧面(单元制动缸在转向架上安装后呼吸器位于水平方向)。由于原呼吸器直通大气，制动缸内腔与外界直通，中间只设一道滤尘网，防水能力较弱；而且过滤网外无任何防护，容易被飞石等异物损坏，如图3所示。过滤网一旦损坏，会进一步减弱单元制动缸呼吸器的防水能力。

图2 原呼吸器安装位置及结构

图3 原呼吸器过滤网损坏

除了呼吸器外，部分单元制动缸还设置排水口，排水口一般设置在单元制动缸非动力空腔的最低点，用以排出单元制动缸内部的水汽，但只能在环境温度0 ℃以上才起作用。单元制动缸除了呼吸器、排水口之外的其他位置均为密封结构，进水的可能性极小。当环境温度低于0 ℃时，大气中的雪花、水汽等随单元制动缸复位吸气作用进入非动力空腔并附着在缸壁上，无法从排水口排出。

为防止从呼吸器进入的水汽排出，将单元制动缸的排水口堵塞，按照GB 4208—2008《外壳防护登记(IP代码)》对配置原呼吸器结构的单元制动缸进行IP防护试验验证(图4)。拆解后发现单元制动缸后盖内有积水(图5)，表明原呼吸器结构的单元制动缸无法达到IP×4M级的防水要求。

图4 单元制动缸IP×4M防护试验

图5 原呼吸器结构缸体内部积水状况

3 解决措施

单元制动缸原呼吸器安装在侧面，且直通大气，过滤网易损坏，对直射水滴阻挡能力不足。为改善其防水性能，可以采取如下措施。

3.1 增加挡板

在原呼吸器外增加挡板，使直射水滴不直接喷射到呼吸口，对呼吸器起到遮挡作用，可有效提高原呼吸器的防水性能。如图6所示，挡板沿虚线预折弯处理后，将呼吸器穿过安装孔，使用扳手将呼吸器扭紧在单元缸前体上，并通过弹簧垫圈将防护板压紧。之后可使用小锤和螺丝刀等工具将防护板折弯，最终将呼吸器完全罩住。增加挡板的改进方案已在部分路局(如哈尔滨铁路局)广泛应用并取得了良好的效果。

图6 挡板防护示意图

3.2 调整呼吸器安装位置

调整呼吸器的安装位置，将水平安装的呼吸器调整至单元制动缸的最低点，可以有效降低外界水汽进入单元制动缸内部，同时还可将进入单元制动缸内部的水汽及时排出，从而提高单元制动缸的防水能力。目前国内铁路常用单元制动缸(制动夹钳单元)的呼吸器绝大部分均设置于其最低点(图7)。

(a) 中国标准动车组用 (b) 和谐型机车用

3.3 采用非直通式呼吸器结构

将单元制动缸呼吸器的通气方式由直通式更改为非直通式，有助于提高抵挡直射水滴的能力，同时将过滤网置于呼吸器内部有助于防止外界对其造成损伤。图8为一种非直通式呼吸器结构，包括呼吸堵、扁口橡胶保护套和扎带。该种结构呼吸器改变了气流的直通方式。此外，由于橡胶保护套的特殊的开口形式(如鸭嘴形状)，气流可双向流通，水滴可从内部流出，无法从外部进入。该种呼吸器已在CJ-1型动车组上装车应用。

图8 非直通式呼吸器结构示意图

3.4 采用自排水功能呼吸器结构

将进入呼吸器的水汽及时排出，使呼吸器具有水汽阻断作用，同样可以有效提高单元制动缸的防水性能。图9所示的呼吸器结构包括防护帽、压块、滤网和芯柱，压块周围设置排水口，可以使得进入的水滴及时排出。此外，该呼吸器同时将滤网置于呼吸器内部，可防止意外损伤。配置该种型式呼吸器的单元制动缸已在出口阿根廷内燃动车组上批量装车，已累计应用4年，效果良好。

图9 带自排水功能的呼吸器结构示意图

4 一种适用于铁路客车单元制动缸的呼吸器结构

由于制动夹钳杠杆的限制，既有铁路客车单元制动缸无法直接在底部安装呼吸器，只能设置在水平位置。鉴于水平安装方式的限制，设计了一种非直通迷宫式呼吸器，该呼吸器由空心螺钉、橡胶保护套及滤芯组件组成(图10)，改变了气流的直通方式，同时将过滤功能置于呼吸器内部。

图10 非直通迷宫式呼吸器结构

针对安装图10所示的非直通迷宫式呼吸器结构的铁道客车单元制动缸按照GB 4208—2008进行IP×4M级喷淋水试验，拆解后单元制动缸后盖内无明显积水，仅有少量水珠(图11)。轻微进水是由于单元缸的呼吸作用需要内外气体交流。对比原呼吸器，新呼吸器能够有效减少进水概率及进水量。

图11 新呼吸器结构淋雨试验后缸体内部积水状况

5 结束语

综上，增加外壳防护、合理设计呼吸器安装位置、采用非直通式呼吸结构、增加呼吸器排水功能、将过滤网置于呼吸器内部均可有效防止水汽进入单元制动缸内部，提高综合防水性能。根据既有铁路客车单元制动缸的安装特点设计的一种非直通迷宫式呼吸器，防水能力达到IP×4M级，可有效防止水汽进入单元制动缸内部，提高综合防水性能。