鐵道貨車制動缸主動潤滑技術

劉　毅, 全　瓊, 韋雪麗, 李　果, 肖　晨, 申檢宏, 杜　霞

(眉山中車制動科技股份有限公司， 四川眉山 620010)

鐵道貨車制動缸是將作用于其活塞上的空氣壓力經基礎制動裝置傳遞到閘瓦上，使之產生制動作用的部件，是將空氣壓力轉化為機械推力的裝置。制動缸先后經歷了鑄鐵制動缸、旋壓密封制動缸及主動潤滑制動缸階段，特別是2013年發展起來的制動缸主動潤滑技術，成為目前我國貨車制動缸的主流技術，是制動缸的發展趨勢。

1　主動潤滑技術產生的背景

旋壓技術從1996年開始應用到鐵道貨車制動缸，發展成為旋壓密封式制動缸，較鑄鐵制動缸有重量輕，質量好，工藝簡單等優點，逐步替代鑄鐵制動缸，是制動缸制造技術的重大進步。

隨著旋壓密封式制動缸大量使用，故障逐漸顯露出來。2006年8月某日晉北運用車間技檢65017次編組48輛 K18AK車時在進行制動機試驗過程中，司機反映列車漏泄量過大，不保壓，晉北列檢在現場對車輛進行檢查確認，發現機后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位共計17輛車制動缸不同程度的存在漏風現象，分解后發現制動缸內壁上部嚴重缺油，Y形密封圈(俗稱：皮碗)變形嚴重。

2006年某日主要貨車廠同時接到大同湖東車輛段信息，稱C80車皮碗大量破損，影響大秦線車輛運行安全。

2007年3月底鐵路4.18大提速前，裝在PB車上的14″旋壓制動缸在廈門列檢所出問題：缸體上部(靠車體底架)缺油，Y形密封圈翻碗，以及緩解不到位的情況，處理時間長達8月之久。

2011年6月某日CFJ245次貨物列車(編組102輛)運行至呼和浩特局管內京包線蘇集站3道停車換乘再開車時，9輛列車發生制動缸漏泄故障致使列車主管漏泄量超標，每分鐘漏泄40 kPa，經列檢處理后開車，構成貨車責任一般D類事故，分解制動缸，發現其上部嚴重缺油。

為全面了解制動缸故障及其原因，眉山中車制動科技股份有限公司(簡稱：眉山公司)組織人員對貨車制動缸進行了專項調研，調研小組先后調研了成都東，貴陽南、重慶西、昆明比、鄭州北、江岸、南寧南及烏西車輛段等8個車輛段。共檢查61 313輛貨車，主要統計了常見車型制動缸故障，統計數據見表1，表2。

表1為制動缸故障在各車型上的分布，從表1可以看出，棚車、敞車的故障率較低，包括汽車運輸車；其次是平車，故障率3%；第三是罐車，故障率為4.37%，由于罐車數量大，故障率是非常高的。故障率最高的是礦石車、水泥車，高達10%以上。

表2為制動缸故障的分類，從表2可以看出，制動缸故障主要表現為制動缸漏泄和制動缸進水，兩項占故障的96.95%，其中上部缺油是漏泄故障的主要原因，其次是皮碗破損，故障圖片如圖1。

表1　各車型制動缸故障分類統計表

表2　制動缸故障分類統計表

圖1　制動缸故障

制動缸主要故障的原因分析如下：

1.1　制動缸上部缺油

制動缸上部缺油是導致制動缸漏泄故障的主要原因。漏泄的制動缸經現場分解，基本上都發現制動缸潤滑脂變稀發黑，因重力和車輛振動自然流墜到制動缸下部，上部幾乎沒有潤滑脂，上部密封圈與制動缸內壁之間幾乎沒有潤滑層而出現缸體與密封圈干磨，造成摩擦力增大，導致密封圈漲大、翻邊或破損，引起制動缸漏泄。

制動缸如果直接長期受陽光暴曬，高溫會導致制動缸脂89D稀化[1]，油脂流墜更嚴重，制動缸上部缺油更快，提前出現密封圈漲大、翻邊或破損，造成制動缸漏泄。罐車，漏斗車，集裝箱平車等車型的制動缸均直接暴露在陽光下，這是這些車型制動缸故障率高的直接原因。

1.2　制動缸進水

旋壓制動缸結構本身并不具備防水功能，如果安裝在車輛底部，雨天雨水無法到達制動缸，雨水進不了制動缸，可能僅有少許水汽在制動缸緩解時吸入缸體。

如果雨水能夠直接、間接淋到制動缸，比如罐車，漏斗車，集裝箱平車等，雨水會順著圖2所示的A,B,C三處進入缸體，特別是制動缸使用一段時間后，前蓋濾塵套與活塞桿的間隙會增大，雨水很容易沿A處進入缸體。制動缸緩解時，活塞右側形成負壓，雨水沿著A,B,C三處被吸進缸體。

圖2　旋壓密封制動缸進水途徑

2　制動缸主動潤滑技術

為解決制動缸的漏泄及進水故障，中國鐵路總公司組織相關單位進行技術攻關，提出了制動缸主動潤滑技術方案。其核心內容是防水及活塞的轉動，通過增加防水圈，帶擋水傘的新型防塵蓋，解決制動缸進水問題；通過活塞的轉動，將自然流墜到制動缸下部的油脂通過活塞本身的轉動帶到制動缸上部，從根本上解決制動缸上部缺油導致的制動缸漏泄問題。

2.1　防水結構

由圖2可知，制動缸進水的主要途徑是活塞桿與前蓋之間及防塵蓋呼吸孔處。通過增加防水圈，防止雨水從活塞桿和前蓋潤滑套之間的間隙進入制動缸，防水圈采用的是耐磨，耐高、低溫的聚氨酯橡膠；改進防塵蓋結構(圖3)，雨水順新型防塵蓋的喇叭形裙擺下落，不再停留在圖2中的C處，防止雨水從防塵蓋吸入缸體。通過試驗及裝車運用考驗表明，該結構能夠防止雨水進入缸體，解決了缸體進水問題。

1-防水圈座； 2-防水圈； 3-“O”形密封圈； 4-濾塵器； 5-新型防塵蓋(帶擋水傘)。

圖3制動缸防水結構圖

2.2　活塞轉動機構

制動缸活塞的轉動是主動潤滑技術的核心，主要技術方案如下。

2.2.1非自鎖螺紋旋轉機構

螺紋非自鎖就是當螺紋升角γ大于螺旋副的當量摩擦角ρv時，其在鐵道車輛技術中主要用閘瓦間隙自動調整，比如ST1-600，ST2-250型閘調器，各型單元制動缸，踏面制動器等。

采用非自鎖螺紋實現活塞旋轉的主動潤滑制動缸結構如圖4所示。主要由缸座組成，活塞組成，缸體組成，緩解彈簧，前蓋組成，推力軸承，彈簧座等構成。與普通旋壓制動缸相比，主要特點是活塞采用沖壓件而非鑄鐵件。

1-缸座組成； 2-活塞組成； 3-缸體組成；4-緩解彈簧； 5-前蓋組成； 6-推力軸承； 7-彈簧座； 8-防塵蓋。

圖4非自鎖螺紋式主動潤滑制動缸示意圖

非自鎖螺紋旋轉機構核心是活塞組成(圖5)，其活塞桿1與活塞桿座5通過過盈配合連接，并鉚入注膠彈性銷2，注膠彈性銷能防止雨水及灰塵通過該處進入缸體。沖壓活塞4與活塞桿座5通過焊接連接，焊縫不得漏泄。螺母6與活塞桿座5間隙配合，通過鍵3防止相互轉動，并通過孔用鋼絲擋圈12防止螺母6竄出。螺桿8與螺母6嚙合(均為非自鎖螺紋)，螺桿的右端面為大盤頭螺釘9，安裝時螺紋表面凃螺紋固持膠。大盤頭螺釘的作用是防止螺桿脫離螺母。螺桿左端面為離合盤10，通過焊接與螺桿相連。在離合盤10與螺母6之間從左到右依次為錐形簧7及推力軸承11。

制動缸缸體組成(圖6)中，缸體底部焊接離合環2,其內錐面與圖5中的離合盤10構成錐面離合器m，制動缸緩解且離合盤與離合環接觸后螺桿被抑制不能轉動。

其工作原理為：制動缸緩解時，當活塞組成中的離合盤10接觸到缸體組成(圖6)中離合環2時，錐面離合器m在緩解彈簧的作用下嚙合，離合盤與螺桿在離合環的抑制下均不能轉動。非自鎖螺母6在緩解彈簧4(圖4)作用下順時針轉動(從右往左看)，螺母6通過鍵3帶動活塞組成轉動，活塞組成帶動緩解簧4轉動，在緩解簧與彈簧座之間有軸承6，彈簧座不轉動。此時，錐形簧7被壓縮，蓄能，如圖7所示，螺母右端面與大盤頭螺釘盤頭左端面拉開一定距離S，該距離S稱為工作距離，如果非自鎖螺紋的導程為P,活塞轉動一周的制動緩解次數n為：n=P/S。制動時，活塞組成帶動離合盤10脫開缸體組成的離合環2，錐面離合器m脫開，離合盤10在錐形簧7的作用下順時針轉動(從右往左看)，直到圖7所示的工作距離S消失而停止轉動，這樣活塞完成一次轉動，如此循環往復，將沉積在缸體底部的油脂帶到制動缸上部。

1-活塞桿； 2-注膠彈性銷； 3-鍵； 4-沖壓活塞； 5-活塞桿座； 6-螺母；7-錐形簧； 8-螺桿； 9-大盤頭螺釘； 10-離合盤；11-推力軸承； 12-孔用擋圈；13-鎖圈； 14-導向帶；15-Y形密封圈。圖5　非自鎖螺紋式主動潤滑 制動缸活塞示意圖(緩解狀態)

1-缸體； 2-離合環。圖6　缸體組成示意圖

圖7　工作距離S(制動狀態)

2.2.2斜齒導向錐面式旋轉機構

采用斜齒導向錐面式旋轉機構的主動潤滑制動缸結構如圖8所示，主要由缸體組成、前蓋組成、活塞組成、缸座組成、緩解彈簧、推力滾針軸承等構成(防水結構未畫出)?；钊捎描T鐵活塞，與現有活塞結構相比有較大變化。

1-推力軸承； 2-缸座組成； 3-錐面離合座； 4-活塞組成； 5-缸體組成； 6-緩解彈簧； 7-前蓋組成。圖8　斜齒導向錐面式主動 潤滑制動缸示意圖

斜齒導向錐面式旋轉機構由活塞組成4與缸體底部錐面離合座3構成?；钊M成(圖9)主要由活塞1、旋轉套組成2組成，其中旋轉套組成2包括導向座2a、旋轉套2b，復位彈簧2c及錐面座2d，錐面座2d與焊接在缸體底部的錐面離合座構成離合器n(圖8)。旋轉套組成組裝時，先將旋轉套的導向柱(兩邊的凸起，圖10)裝在導向座的斜齒內，再將旋轉套與錐面座通過段焊方式焊在一起。旋轉套組成通過導向座上的外螺紋與活塞連接在一起，并涂螺紋固持膠。

其工作原理為：制動缸緩解時，活塞組成回退，當錐面座2d與錐面離合座接觸,離合器n在緩解彈簧的作用下嚙合，旋轉套2b被抑制不動；在緩解彈簧作用下，旋轉套導向柱施加作用力給導向座斜齒，迫使導向座與活塞一起逆時針旋轉回退(從面向活塞桿伸出方向看)，直至錐面座2d接觸到活塞。制動時，活塞組成直線前進，在復位彈簧2c的作用下，旋轉套在離合器錐面上順時針轉動，直至旋轉套導向柱底部接觸導向座停止，然后錐面座2d離開錐面離合座，離合器n脫開，活塞組成直線向前；如此循環往復。

1-活塞； 2-旋轉套組成； 2a-導向套； 2b-旋轉套； 2c-復位彈簧； 2d-錐面座。圖9　斜齒導向錐面式主動 潤滑制動缸活塞組成

圖10　導向套與旋轉套

2.2.3棘輪棘爪式旋轉機構

棘輪棘爪式主動潤滑制動缸如圖11所示，是在整體旋壓密封式制動缸結構上增設活塞旋轉機構和防水結構，主要由缸座組成，活塞組成，缸體組成，緩解彈簧，前蓋組成，推力軸承，彈簧座等組成。制動缸緩解時，活塞沿固定方向轉動一定角度，帶動油脂在缸內循環，起到潤滑的作用[2]。

1-缸座組成； 2-活塞組成； 3-缸體組成；4-緩解彈簧； 5-前蓋組成；6-推力軸承； 7-彈簧座； 8-防塵蓋。圖11　棘輪棘爪式主動潤滑制動缸結構圖

該型主動潤滑制動缸的棘輪棘爪旋轉機構主要由齒圈、彈簧片、軸承等組成，如圖12所示，齒圈通過段焊縫焊接在缸體組成上，3個彈簧片均布在活塞底部，通過螺栓緊固并有防松措施。

其工作原理為：制動缸緩解時，安裝在活塞組成上的彈簧片自由端接觸到齒圈，在緩解彈簧的作用下，彈簧片逐漸展平，由于其自由端被齒圈限制，另一端則驅動活塞轉動，直到彈簧片展平。制動時，活塞組成在空氣壓力作用下離開缸體底部，彈簧片恢復到圖12所示的形狀，完成一次轉動，如此循環往復，制動、緩解50～100次，活塞能夠轉動一周[3]。

1-齒圈； 2-缸體； 3-彈簧片； 4-鎖圈； 5-Y形密封圈； 6-導向帶。圖12　棘輪棘爪式主動潤滑 制動缸缸體、活塞結構圖

上述3種方案均能實現活塞轉動功能，將沉積在缸體底部的油脂帶到缸體上部，解決制動缸上部缺油引起的制動缸漏泄問題。

方案1非自鎖螺紋式主動潤滑制動缸采用沖壓活塞，能夠大幅減輕活塞組成的質量，減輕作業勞動強度。缺點是結構復雜且零部件加工要求高，特別是錐面離合器m(圖4)的內、外錐面的同軸度對轉動可靠性影響較大，同時活塞與既有制動缸活塞結構差別大，不利于制動缸的主動潤滑改造(需更換活塞組成)。

方案2斜齒導向錐面式主動潤滑制動缸，也即LBC-2型主動潤滑制動缸，采用的是鑄鐵活塞，轉動可靠。缺點是較既有活塞質量有所增加，并且結構也有較大改變，也不利于制動缸的主動潤滑改造(需更換活塞組成)，沒有大量運用。

方案3棘輪棘爪式主動潤滑制動缸是目前鐵道貨車新造車輛普遍裝用的制動缸，也即LBC-1型主動潤滑制動缸(以下簡稱LBC-1型主動潤滑缸)。是在現有制動缸活塞基礎上，通過加工活塞底部，安裝彈簧片來實現的，結構簡單，轉動機構動作可靠，并有利于既有制動缸的主動潤滑改造，所以該方案得到推廣運用。

除上述主動潤滑方案外，還有一種雙密封式主動潤滑制動缸(也即LBC-3型主動潤滑制動缸)，與上述原理均不同，活塞不轉動?；钊M成由前密封圈、隔環、導向帶、后密封圈等構成封閉腔室，活塞體周向均布設置有4～6個貯油腔，并在活塞體貯油腔、通油孔填充潤滑脂；制動缸工作時，壓力空氣作用于活塞組成端面、推動活塞組成的同時，推動潤滑脂活塞擠壓貯油腔內的潤滑脂；當前密封圈、導向帶、后密封圈與制動缸內壁之間的潤滑脂減少、制動缸內有壓力空氣時，潤滑脂活塞在壓力空氣作用下，推動活塞體貯油腔內的潤滑脂對減少的潤滑脂進行補充，使前密封圈、隔環、后密封圈之間的潤滑脂得到保持[4]。其核心是對流失的油脂由貯油腔進行補充，但結構復雜等原因，也沒有大量運用。

3　主動潤滑制動缸的技術要求

主動潤滑制動缸是在旋壓密封式制動缸的基礎上增加了活塞轉動功能和防水功能，除應符合旋壓密封式制動缸的標準TB/T 2838的要求外，比如：感度，氣密性，環境(高低溫)，疲勞，輸出力等，還應符合主動潤滑式密封制動缸技術條件TJ/CL 465的特定要求：活塞轉動及防水。

3.1　活塞轉動

TJ/CL 465要求：制動缸活塞往復運動回程時，活塞應轉動一次?；钊D一周，活塞往復運動應在50～100次范圍內。

活塞轉動試驗屬于例行試驗，具體操作是制動缸做氣密性試驗前，在活塞桿與前蓋上劃一條的水平線，試驗后，觀察活塞桿與前蓋上的水平線是否錯開一定距離，以此判斷活塞是否轉動。

3.2　淋水試驗

TJ/CL 465要求：活塞往復循環運動時，向制動缸前蓋及活塞桿表面淋水，缸體內無積水。

淋水試驗屬于型式試驗，試驗地點的溫度應高于5℃，制動缸應水平位置安裝，試驗時防塵蓋應朝下。

淋水試驗裝置示意圖見圖13，噴頭出水方向應與制動缸軸線垂直，噴頭出水口距制動缸淋水位置500～600 mm。噴頭1的水流應噴射在防塵蓋與制動缸前蓋焊接部位。水管管徑為DN15，噴頭的噴水孔徑2.0 mm，淋水強度不低于3 mm/min，淋水強度計算面積按356×254旋壓制動缸前蓋的水平投影面積(約為33 000 mm2)計算。

試驗方法：噴頭1、噴頭2向制動缸淋水的同時，向制動缸內充入420 kPa壓縮空氣，然后排空缸內壓縮空氣，每2 min循環1次，總循環次數100次。分解制動缸，缸體內無積水。

圖13　淋水試驗裝置示意圖

4　主動潤滑技術的應用

LBC-1型主動潤滑缸從2013年底開始試裝車400輛運用考驗。2014年4月到11月眉山公司組織技術及售后服務人員在株洲車輛段、南寧車輛段和重慶西車輛段進行了運用調研，總共對12輛(包括6輛X70和6輛P70)裝用LBC-1型305×254主動潤滑缸進行了活塞轉動情況檢查，并在重慶西車輛段對2套LBC-1型305×254主動潤滑缸進行了分解檢查。

2016年1月眉山公司再次在永安車輛段進行了調研，總共對3輛(包括1輛X70和2輛P70)裝用LBC-1型305×254主動潤滑缸進行了活塞轉動情況檢查，并對1套LBC-1型305×254主動潤滑缸進行了分解檢查。

在現場，首先用記號筆在制動缸前蓋和活塞桿劃一條橫線，再制動緩解3次，看前蓋和活塞桿上的劃線是否錯開一定距離。經檢查，以上15套制動缸活塞均能轉動一定角度(圖14)，證明主動潤滑缸活塞轉動棘輪機構動作可靠。

對LBC-1型主動潤滑缸進行了分解檢查，缸體內壁上部均有油脂且油膜清晰可見，活塞和皮碗的圓周上油脂分布均勻(圖15)，未發現缸體內有進水現象。

現場調研結果表明：

(1)主動潤滑缸活塞轉動棘輪棘爪機構動作可靠，運用過程中活塞上Y形密封圈四周油脂分布均勻，防止制動缸上部缺油，解決了制動缸漏泄的慣性故障。

(2)制動缸通過增加密封件，改進防塵蓋結構，能有效防止雨水進入缸體，避免缸體內部件的銹蝕，提高制動缸內部清潔度，解決制動缸進水故障。

圖14　LBC-1型主動潤滑缸轉動一定角度

圖15　LBC-1型主動潤滑缸分解情況

5　結束語

鐵道貨車制動缸主動潤滑技術在國際處于領先水平，解決了制動缸漏泄及進水的問題，目前主動潤滑制動缸裝車已超過5萬輛，運行狀況良好。既有貨車制動缸的主動潤滑改造方案完成并通過技術評審，并且試改造工作2017年9月已結束。通過試改造表明，既有的旋壓密封式制動缸都能夠通過改造，具有主動潤滑功能及防水功能，解決制動缸漏泄及進水問題。