和諧型機(jī)車彈性膠泥緩沖器應(yīng)用研究

淡紅升

(中國鐵路總公司　機(jī)輛部, 北京 100844)

彈性膠泥緩沖器是鐵路緩沖器技術(shù)發(fā)展到一定水平的產(chǎn)物，其采用的彈性膠泥材料是一種固液兩態(tài)的材料，具有優(yōu)良的可壓縮性和穩(wěn)定的理化特性。由于其具有流體的特性，所以在低速沖擊下表現(xiàn)為較低的阻抗力，而在高速沖擊下又能吸收較多的沖擊動能。其優(yōu)異的動靜態(tài)特性是目前各種吸能形式里最優(yōu)的。彈性膠泥緩沖器對改善列車縱向力和縱向沖動具有明顯的作用。能極大地減輕機(jī)車車體和車載零部件的損傷、延長其疲勞壽命。

和諧機(jī)車用彈性膠泥緩沖器有用于貨運的100-1型緩沖器和用于客運的103-1型緩沖器。100-1型緩沖器從2005年開始在大秦線2萬噸列車上試裝車，一直擔(dān)當(dāng)大秦線HXD1型機(jī)車的2萬t運輸任務(wù)，由于其良好的性能表現(xiàn)，后來應(yīng)用于鐵路干線的主型和諧機(jī)車。103-1型緩沖器從2013年開始在HXD1D及HXD3D型機(jī)車上投入運用，其良好的性能有效的保障了機(jī)車的安全運營。100-1型緩沖器和103-1型緩沖器的外觀見圖1。

圖1　緩沖器外形照片

1　不同吸能模式緩沖器的特點

與金屬摩擦式緩沖器(MT-2、MT-3及HM-1)相比，由于金屬摩擦式緩沖器靠金屬面之間的互相摩擦吸收能量，而金屬摩擦面的摩擦系數(shù)具有不穩(wěn)定性，摩擦系數(shù)的大小具有不確定性，摩擦面具有黏滯-滑動的隨機(jī)性，所以表現(xiàn)出來的性能具有很大的不穩(wěn)定性。

與彈性體式緩沖器相比，彈性體緩沖器能量吸收率低，同等位移和阻抗力下容量小，吸收的能量少。不同吸能模式緩沖器的特性曲線比較見圖2。從圖2可以看出，膠泥類緩沖器的動態(tài)曲線最為飽滿。

圖2　不同種類緩沖器的特性曲線比較

圖3和圖4列舉了100-1型、103-1型膠泥緩沖器和MT-2型摩擦式緩沖器在動態(tài)試驗過程中的實測曲線，可以看出膠泥緩沖器吸能曲線非常飽滿，而MT-2型緩沖器動態(tài)曲線波動較大。

圖3　兩種膠泥緩沖器動態(tài)曲線

圖4　MT-2型緩沖器動態(tài)曲線

100-1型緩沖器已經(jīng)裝用于HXD1、HXD1B、HXD1C、HXD2C、HXD3、HXD3B、HXD3C、SS4等型重載和客貨運機(jī)車，其廣泛的應(yīng)用基于其優(yōu)異的性能，在大秦線重載運輸?shù)臈l件下，通過理論計算、動力學(xué)試驗和實際運用發(fā)現(xiàn)100-1型緩沖器與MT-2金屬摩擦式緩沖器相比能夠有效地降低車鉤力和減輕列車縱向沖動。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)同樣在121輛編組的2萬t組合列車條件下，100-1型緩沖器在緊急制動工況下的最大縱向力和最大沖動均有明顯改善；在常用全制動工況下的最大沖動有所改善。

(2)在同樣線路、列車編組和相同操縱方式的條件下進(jìn)行比較：在長大坡道循環(huán)制動時，100-1型彈性膠泥緩沖器改善最大車鉤力的效果為16%～40%，并有利于改善最大沖動，從而有利于減輕車輛和鉤緩裝置的疲勞破壞。

(3)100-1型彈性膠泥緩沖器有利于改善重載組合列車中部機(jī)車的縱向沖動：裝有100-1型彈性膠泥緩沖器的中部機(jī)車的縱向力和加速度較小；在循環(huán)制動時，100-1型彈性膠泥緩沖器的行程較大。這種柔性較好的特點有利于改善中部機(jī)車的縱向沖動。

(4)100-1型緩沖器對改善列車縱向力和縱向沖動作用具有明顯的作用。能極大地減輕機(jī)車車體和車載零部件的損傷、延長其疲勞壽命。

2008年進(jìn)行的HXD1型機(jī)車車鉤穩(wěn)定性環(huán)形線試驗表明：采用100-1型緩沖器進(jìn)行試驗的鉤緩裝置工作狀態(tài)穩(wěn)定，對機(jī)車運行安全性參數(shù)未產(chǎn)生不利影響，而采用摩擦式緩沖器則導(dǎo)致車鉤偏角加大，導(dǎo)致運行安全性參數(shù)惡化。因此，機(jī)車上采用MT-2類型的摩擦式緩沖器是對機(jī)車來講是不安全的，所以和諧型機(jī)車已經(jīng)不再采用MT-2類型的摩擦式緩沖器。

2　膠泥緩沖器泄漏原因分析

雖然彈性膠泥緩沖器的性能優(yōu)良，但在部分路況較惡劣的區(qū)域容易發(fā)生泄漏故障，主要集中在HXD1D、HXD3D和貨運新八軸等型機(jī)車，其密封可靠性還需進(jìn)一步提高。緩沖器的失效原因為彈性膠泥芯子泄漏，發(fā)生泄漏的部位是彈性膠泥芯子的動密封位置，即活塞桿往復(fù)作用部位，膠泥緩沖器密封結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。

圖5　膠泥緩沖器密封 結(jié)構(gòu)示意圖

從耐久試驗及運用現(xiàn)場返回來的密封件看，密封件的主要故障模式是動態(tài)密封件裂損。密封件裂損的現(xiàn)象說明機(jī)車在運用過程的特定條件下，密封強(qiáng)度不能完全適應(yīng)線路復(fù)雜的運用條件的需要。需要從結(jié)構(gòu)上或從材料上入手，來提高密封強(qiáng)度。

緩沖器發(fā)生泄漏后，在膠泥完全泄漏的極端情況下，導(dǎo)致緩沖器沒有壓力，在運用現(xiàn)場的表現(xiàn)是緩沖器在車體的前后從板座內(nèi)出現(xiàn)了間隙，由于緩沖器箱體、鉤尾框及前從板的存在，緩沖器不會從車鉤安裝套口內(nèi)脫落，也不會造成列車的分離。

3　100-1型緩沖器的密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

從實際運用來看，絕大多數(shù)HXD1型機(jī)車用100-1彈性膠泥緩沖器的失效形式為膠泥芯子活塞桿附近的動態(tài)密封圈位置的膠泥泄漏所致，因此在這個薄弱環(huán)節(jié)增加了一組備份密封，密封圈的數(shù)量也有所增加。

改進(jìn)后膠泥芯子動密封處的結(jié)構(gòu)較原結(jié)構(gòu)有較大的區(qū)別，新結(jié)構(gòu)中為了增加密封件的個數(shù)，加長了上端蓋的軸向長度，上端蓋加長后在動密封處的組合動密封由原先的一處改為兩處。密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)的結(jié)構(gòu)示意圖見圖6。

改進(jìn)動密封后膠泥芯子的緩沖性能與原彈性膠泥芯子的緩沖性能一致，裝用這兩種不同密封結(jié)構(gòu)芯子的100-1彈性膠泥緩沖器整機(jī)的外形尺寸及與車體接口均完全相同，不影響100-1彈性膠泥緩沖器整機(jī)的裝車。

圖6　100-1型緩沖器的密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案示意圖

在包西、太原北等采用新八軸機(jī)車的機(jī)務(wù)段，由于線路工況相對惡劣，牽引噸位較大，原結(jié)構(gòu)的部分緩沖器出現(xiàn)了泄漏故障，采用密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案后，在包西機(jī)務(wù)段和太原北機(jī)務(wù)段裝用新密封結(jié)構(gòu)的緩沖器已經(jīng)經(jīng)過了一個C4修程，目前已經(jīng)運用了60萬km，尚未發(fā)生泄漏故障，說明在新八軸等機(jī)車上裝車運用取得了比較好的效果。100-1型緩沖器密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后運用情況對比見表1。

表1　100-1型緩沖器密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后運用情況對比

4　103-1型緩沖器的密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

103-1型緩沖器從2013年開始裝車，在早期有部分機(jī)車的車鉤懸臂較長，緩沖器泄漏故障較多，改進(jìn)車鉤懸臂以后，緩沖器泄漏故障率有較大程度下降，但仍有部分緩沖器存在泄漏故障。針對103-1緩沖器膠泥芯子泄漏問題，根據(jù)試驗室耐久驗證試驗結(jié)果，設(shè)計了膠泥芯子的密封結(jié)構(gòu)由1級改為2級的方案。

改進(jìn)后新結(jié)構(gòu)中增加密封件的個數(shù)，在動密封處的動密封由原先的一處改為兩處，由單一密封改成組合密封。密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)的結(jié)構(gòu)示意圖見圖7。

圖7　103-1型緩沖器的密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案示意圖

密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案從2016年開始陸續(xù)在蘭州、沈陽等機(jī)務(wù)段投入運用，取得了較好的使用效果。以蘭州為例，密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)前在機(jī)車運用30萬km左右時即發(fā)生較多緩沖器的泄漏故障，而密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的緩沖器，已經(jīng)運用70萬km多，尚未發(fā)生泄漏故障。103-1型緩沖器密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后運用情況對比見表2。

表2　103-1型緩沖器密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后運用情況對比

5　緩沖器的密封材料優(yōu)化方案

為了進(jìn)一步提高緩沖器103-1型緩沖器的密封壽命，在已經(jīng)運用證明有效的密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計了密封材料優(yōu)化方案。密封材料優(yōu)化方案不改變緩沖器的安裝套口和動、靜態(tài)性能，只對膠泥芯子的密封材料進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，緩沖器芯子的金屬件都保持不變，共選取了7種不同的密封材料，每種密封材料方案3個樣件。

為了真實反映103-1緩沖器的運用工況，于2016年3月進(jìn)行了線路測試，測試區(qū)間從延安—西安和西安—徐州往返，按照測試的線路載荷譜對原型結(jié)構(gòu)、密封改進(jìn)結(jié)構(gòu)和密封材料優(yōu)化方案的彈性膠泥芯子進(jìn)行室內(nèi)耐久壽命測試。效果最好的密封材料優(yōu)化方案的循環(huán)次數(shù)已經(jīng)超過了C5修程要求，相當(dāng)于在線運用超過110萬km。

6　結(jié)論與建議

(1) 彈性膠泥緩沖器較金屬摩擦式和彈性體式緩沖器優(yōu)點比較明顯，建議機(jī)車緩沖器選型時盡量采用性能優(yōu)良的彈性膠泥緩沖器。尤其是調(diào)車機(jī)車，對緩沖器動態(tài)特性要求較高，更應(yīng)選用彈性膠泥緩沖器。

(2) 采用金屬摩擦式緩沖器容易導(dǎo)致車鉤偏角加大，導(dǎo)致運行安全性參數(shù)惡化，建議機(jī)車緩沖器選型不采用MT-2類型的金屬摩擦式緩沖器。

(3) 鑒于密封改進(jìn)方案的運用效果比較好，建議在新造及C4、C5等修程時推廣密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)的100-1型和103-1型彈性膠泥緩沖器，以提高其耐久性和可靠性。

(4) 完成密封材料優(yōu)化方案的緩沖器疲勞試驗后，試制緩沖器樣機(jī)，擇機(jī)對密封材料優(yōu)化的100-1型和103-1型彈性膠泥緩沖器進(jìn)行裝車運用考驗。