轨道交通车辆制动系统用软管总成的优化设计

轨道交通车辆制动系统用软管总成的优化设计

刘寅

南京利德东方橡塑科技有限公司 江苏南京211505

摘要：长编动车组列车长度一般超过400米，短编动车组列车长度也达到200米以上，因为空气粘度小，在制动系统管路中压力损失小，适合集中供气及远距离传输，此时采用气压制动的优势就很明显了。所以空气制动仍然是动车组列车、地铁车辆使用最多的一种制动方式。制动系统用软管总成用于动车组列车、地铁车辆制动系统的柔性连接，减少冲击振动对设备带来的影响。制动系统用软管总成是动车组列车的关键零部件，该部件的质量直接影响行车安全。过往已经出现过因软管总成失效导致列车清客救援的事故，对轨道交通车辆制动系统用软管总成的优化设计是非常有必要的。

关键词：动车组列车 制动系统 软管总成 （关键词还可以再收集一点）

制动系统用软管总成主要功能是连接气动原件和输送空气，要求其具有足够的承压强度、良好的气密性、拆装方便、较高的抗拔脱性能。软管总成由橡胶软管、管接头、螺母、钢套组成，有时会根据使用环境在橡胶软管外面增加一层保护套。

图1 软管总成的结构示意图

1 目前国内外制动系统用软管总成现状

目前国内主要的动车组列车车型有CRH5型动车组、CRH380系列动车组、CRH3A型动车组、CRH2型动车组、时速350公里标准化系列动车组、时速250公里标准化系列动车组、时速160公里动力集中动车组，每种车型的制动系统都采用了软管总成来传输空气。一些动车组车型引进国外的技术，零部件也直接使用原有的进口的部件。某型动车组采用的软管总成采用进口橡胶软管，其一端为外螺纹固定接头，另一端由管接头、螺母、活接头组成，该软管总成的橡胶软管壁厚达到7mm⁓8.5mm、管接头质量大，导致软管总成质量大，不利于动车组轻量化；橡胶软管耐低温性能差，在零下25℃时已经失去柔性，不利于在高寒条件下使用。时速160公里动力集中动车组使用的制动管和总风管在铁路客车、货车、机车上应用多年，制动管和总风管采用连接器体实现快速连接和拆解，便于将车辆分解开，该制动管和总风管质量非常大，其中制动管在以往的运用中出现过爆管等故障，影响行车安全。CRH5型动车组、CRH380系列动车组制动系统使用的软管总成已经采用国产部件，各厂家软管总成的设计及生产工艺不同，性能也有差异，在运用过程中出现过多次故障。

2 制动系统用软管总成基本要求

根据TB/T3474.2-2018对橡胶软管总成的要求如表1所示：

表1 制动系统用软管总成基本要求

3 软管总成的设计

按照DIN 20066《射流技术软管管道尺寸及要求》标准要求、设计的制动系统用软管的结构：中间为橡胶软管，两端为接头组合件（含衬芯、螺帽、钢套、卡箍和O形圈），卡箍为工艺定位用；通过铆合方式连接成一个整体。

图2  制动系统用软管总成铆合结构图

制动系统用软管铆合工艺就是橡胶软管与接头组合件通过设备压接在一起。铆合工艺设计包括:接头衬芯结构的设计、钢套结构的设计以及铆合尺寸的设计三方面。铆合好的动车组制动系统用软管的主要考核标准为：

a）铆合后的制动系统用软管总成在做爆破试验时，不得有接头脱落现象。

b）铆合后的制动系统用软管总成在做脉冲试验时，不得有接头铆合处渗油现象以及接头脱落现象。

c）铆合后的制动系统用软管总成在做拔脱力时，达到要求的拔脱力时接头不应脱落。

考虑以上要求，通过对以往铆合结构的比较和分析，选择的铆合结构为八爪平爪铆合结构，这样的铆合能够保证钢套变形后仍然保持圆柱形。

4  管接头的设计

4.1 N型、N45型、N90型接头设计要求

a)接头采用优质碳素结构钢或304不锈钢材料；

b)接头应无裂纹、气孔，去除毛刺，所有机加工表面粗糙度值小于等于Ra6.3；

c)所有尖角应去除0.15mm或者R0.2mm的圆弧过度；

d)弯管折弯处壁厚控制在2mm～2.5mm。

4.2 N型直接头的结构和尺寸

 图3N型直接头的结构和尺寸

4.3 N45型弯接头的结构和尺寸

 图4N45型弯接头的结构和尺寸

4.4 N90型弯接头的结构和尺寸

  图5N90型弯接头的结构和尺寸

5 螺母的设计

5.1 螺母设计要求

a） 螺母采用优质碳素结构钢或304不锈钢材料；

b）螺母应无裂纹、气孔，去除毛刺，所有机加工表面的表面粗糙度值小于等于Ra6.3；

c） 所有尖角应去除0.15mm或者R0.2mm的圆弧过度；

d） 六角形倒角15度或30度，倒角至等于对边宽度的直径处。

5.2 螺母的结构和尺寸

图6  螺母的结构和尺寸

6  钢套的设计

a） 钢套应20钢或304不锈钢材料。

b）应无裂纹、气孔，去除毛刺，所有机加工表面的表面粗糙度值小于等于Ra6.3；

c） 所有尖角应去除0.15mm或者R0.2mm的圆弧过度。

图7  钢套的结构和尺寸

7 橡胶软管的设计

橡胶软管设计为三层结构，包括内层橡胶、编织层、外层橡胶。

图8  橡胶软管结构示意图

内层橡胶选用能够耐油、水及乙二醇的橡胶材料；在使用过程中制动系统用软管总成的内部充满了压缩空气，要求其具有良好的气密性，结合橡胶软管的性能要求，选用丁腈橡胶（NBR）作为橡胶软管的内层橡胶。

外层橡胶的主要作用是保护橡胶软管的整体结构，尤其是保护编织层不受外界的损伤，外层胶必须具有优越的耐高温老化性能、耐臭氧性能、耐低温及低压缩永久变形等性能，选择一种特种氯丁橡胶作为橡胶软管的外层橡胶。

编织层在橡胶软管中为橡胶提供支撑，提高爆破强度，使橡胶软管在压力传递过程中，具有相应的承压作用，同时编织线须能承受工作介质及外部环境的温度，满足橡胶软管的使用要求。选择一种特种化学纤维作为橡胶软管的编织线，因为该化学纤维能满足以上几点要求，特别是该化学纤维具有耐高温、强度高、模量高、动态性能好及较易粘合的特点。

8 性能验证

表2 试验结果

9 设计优点

原有管接头由于折弯变形大，导致接头折弯处螺母安装不上，不得不在弯曲前将螺母安装到接头上再进行折弯，这增加了折弯加工难度，同时折弯变形大导致通过量不足。管接头在优化设计时考虑轻量化和方便加工，接头弯曲处的壁厚控制在2mm～2.5mm，壁厚比原有设计减少2mm。壁厚的减少使折弯变形减小，保证了折弯后的通过量，增加了产品合格率，减少了接头重量，螺母可以在接头加工完成后再安装。

原有钢套在设计时内壁不加倒刺槽，对于DN8这种小管径的软管总成，其拔脱力仅仅在1800N左右，达不到标准要求的2000N。在优化设计时增加倒刺槽，其拔脱力增加到了3963N，高于标准要求的2000N。

新设计的橡胶软管的耐低温性能非常出色，在零下55℃仍然保持柔性，适合在高寒条件下使用。

优化设计后的制动系统用软管总成其拔脱力远高于标准要求，耐低温性能、爆破强度远高于工作压力，通过对接头的优化设计，降低了重量。

10 批量装车运用

该制动系统用软管总成在时速350公里标准化系列动车组、时速250公里标准化系列动车组上批量装车运用，已经使用多年，其安全性和可靠性等到充分的验证。

总结：轨道交通车辆制动系统用软管总成设计时已经考虑到可靠性、安全型、轻量化设计要求，在运用过程中不断进行优化和改进，目前其安全性和可靠性已经达到国际先进水平，且批量应用于国内多型动车组列车和地铁列车。

参考文献还需要找一点