關于鐵路貨車制動軟管波紋連接器結構優(yōu)化的思考

馮 興，李學全

(中國鐵路成都局集團有限公司 成都北車輛段，四川 成都 610051)

制動軟管是鐵路貨車空氣制動系統的重要部件，起到連接貨車制動主管、傳遞風壓的作用。在列車解編作業(yè)時，因摘管外力、軟管內殘留氣壓等原因會造成軟管橡膠墊圈脫出丟失。若因作業(yè)人員簡化過程造成漏檢等因素，易造成單個橡膠墊圈(以下簡稱“單墊圈”)和橡膠墊圈反向裝配(以下簡稱“墊圈反裝”)連接的故障不能及時被發(fā)現并進行處置，列車運行中，“單墊圈”和“墊圈反裝”連接的制動軟管在通過曲線、道岔時會因晃動、角度變化等造成列車主管漏風，引發(fā)列車緊急制動等，危及運行安全并影響運輸秩序。

統計某貨車編組場制動軟管橡膠墊圈丟失故障情況，僅一個月時間列檢作業(yè)中就發(fā)現40余件，2020年4月份全路就發(fā)生多起因“單墊圈”造成的列車漏風故障，給現場作業(yè)帶來極大的安全風險隱患，稍有不慎就會造成漏檢，責任單位被定責、追責的同時，嚴重影響鐵路運輸秩序和運輸安全。

1 鐵路貨車制動軟管簡介

我國鐵路貨車使用的制動軟管為壓套式制動軟管，通過組裝機直接將軟管、壓套、波紋連接器和接頭裝配在一起，將壓套用鉚合機扣壓緊固成軟管總成，具有抗拔脫強度高、質量好、連接和摘解方便等特點。

1.1 制動軟管連接器總成

制動軟管連接器總成由波紋接頭、套箍、橡膠軟管、波紋連接器體及墊圈組成。TB/T 60—2001《制動軟管連接器總成》規(guī)定組裝時需要鉚合連接。圖1為其結構圖。

1.波紋接頭；2.套箍；3.橡膠軟管；4.波紋連接器體；5.墊圈。

1.2 波紋連接器組成

波紋連接器(圖2)是兩輛貨車制動軟管連接的接頭，其接口處裝配有橡膠墊圈(圖3)，用于密封兩連接軟管波紋連接器接頭，通過預壓緊連接安裝后，確保列車制動主管密封狀態(tài)良好。

圖2 波紋連接器體 圖3 橡膠墊圈

2 原因分析

在編組貨物列車中，兩車輛間的軟管波紋連接器時常因橡膠墊圈丟失、反裝等原因造成軟管連接處漏風，分析其原因是：在貨物車列車解編作業(yè)時，作業(yè)人員使用掛鉤等簡易工具摘開相連接的制動軟管，因摘管角度、主管內殘留風壓等因素，造成軟管橡膠墊圈變形脫出波紋連接器，回彈時脫落丟失。列車重新編組后，作業(yè)人員連接制動軟管時未發(fā)現“單墊圈”故障，或發(fā)現“單墊圈”故障時違規(guī)反裝(反向裝配)橡膠墊圈進行臨時處置，均會給列車制動系統留下漏風隱患，如圖4所示。

(a) 橡膠墊圈丟失 (b) 橡膠墊圈反裝

3 軟管連接器結構優(yōu)化方案

為便于鐵路相關作業(yè)人員在對列車進行制動機試驗時能及時發(fā)現軟管波紋連接器“單墊圈”或“墊圈反裝”故障，擬對波紋連接器進行適當的結構改進。結合現場作業(yè)實際及列車制動機試驗標準，在制動軟管波紋連接器凸臺面增加一個橫向的漏風切口，當相連接的兩個波紋連接器的其中一個未配裝橡膠墊圈時，作業(yè)人員就能在列車制動機試驗時通過試驗不合格即漏泄量超標來查找漏風位置，或通過漏風產生的噪聲來發(fā)現“單墊圈”故障，從根本上解決“單墊圈”引發(fā)的制動軟管連接處漏風問題。

3.1 切口位置分析

按照常理來說，在波紋連接器凸臺面處任意位置加設一切口均是合理的，但考慮到切口操作以及作業(yè)人員發(fā)現漏風等因素的便利性，結合現場作業(yè)實際情況，將切口位置設在波紋連接器末端中部較為合理。

3.2 切口尺寸計算

綜合考慮列車編組及車型、換長等因素，按列車最大計長為88、車輛平均換長1.35測算，取編組65輛，每輛車主管(含輔助管、折角塞門)平均長度15 m，制動軟管平均長度1 m，每輛車支管(主管法蘭至制動閥距離)平均長度2 m。根據貨車車輛制動閥及制動系統設計原理，在常用制動位施行感度保壓試驗，檢測整列車制動主管、軟管、支管等管系的漏泄情況。

計算列車制動機試驗時整列車主管和支管容積為：

(1)

式中：r1——主管、制動軟管內徑，取值16 mm；

r2——支管內徑，取值12.5 mm。

求得V1=95.3 L。

假設在大氣壓強下，常溫為15 ℃和絕對干燥的工況下(假設為理想狀態(tài))，由波義耳定律可知：

p1V1=p2V2

(2)

根據《鐵路貨車運用維修規(guī)程》感度保壓試驗“列車主管壓力達到規(guī)定壓力，置常用制動位，減壓50 kPa(編組60輛及以上時減壓70 kPa)，全列車需發(fā)生制動作用；同時保壓，第1 min內無線風壓監(jiān)測儀顯示的列車主管壓力下降不大于20 kPa”之規(guī)定，考慮貨物列車定壓因素，取主管定壓為500 kPa(由波義耳定律可知，600 kPa定壓的情況下切口尺寸要求更小)。在列車管減壓制動狀態(tài)(減壓70 kPa)下檢驗管系漏泄情況，求得減壓后的主管壓強為：

p1=500-70=430 kPa

(3)

按照設置漏風切口使“單墊圈”情況下漏泄量超過20 kPa以達到試驗結果“不合格”的要求，求得切口處的壓強為：

p2=430-20=410 kPa

(4)

根據公式(2)～(5)求得加設切口后的空氣體積為:

(5)

根據公式(2)、公式(6)求得切口處體積變化為：

ΔV=V2-V1=99.9-95.3=4.6 L=

4.6×103cm3

(6)

由流量計算公式求得切口處的流量為：

(7)

查詢氣體介質空氣壓力范圍與平均流速的關系如表1。

表1 壓力范圍與平均流速的關系

制動軟管壓強在410～430 kPa，平均流速取10～20 m/s，本文取流速中間值v=15 m/s。

由流速與流量的關系式：

Q=A×v

(8)

求得切口截面積為：

(9)

3.3 切口形狀分析

考慮到切口加工工藝和應力等因素，現取圓弧形和矩形兩種不同截面的切口進行分析。

3.3.1 圓弧切口截面

圖5 圓弧切口截面示意圖

3.3.2 矩形切口截面

根據前述，算得切口的橫截面積為5.1 mm2，取寬度2.5 mm、深度2 mm的切口，如圖6所示。

圖6 矩形切口截面示意圖

3.3.3 切口應力分析

切口處的壓強為q1=500 kPa，根據壓力計算公式算得切口處的壓力f為：

f=q1×A=500×103×5.1×10-6=2.55 N

(10)

為對比上述兩種不同截面在實際應用中的優(yōu)劣態(tài)勢，現分別對兩種截面圓弧切口(圖7)以及矩形切口(圖8)處所產生的應力進行分析。

(a) 圓弧切口 (b) 切口局部

圖8 矩形切口應力分析圖

從圖7、圖8可以看出，圓弧切口的最大應力為5 Pa，矩形切口的最大應力為7.2 Pa，矩形切口應力大于圓弧切口應力，說明矩形切口存在應力集中。

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綜上，考慮到結構應力大小、加工工藝等因素，在波紋連接處加設圓弧形切口較為符合實際情況。

4 可行性驗證

4.1 “單墊圈”連接后漏風的可行性驗證

增加漏風切口后，當相連接的兩個波紋連接器其中一個制動軟管是“單墊圈”或“墊圈反裝”時，無論橡膠墊圈正裝或反裝，未裝備橡膠墊圈的波紋連接器均會因加設的漏風切口處密封不嚴造成漏風，在列車制動機試驗時，作業(yè)人員能通過主管風壓的急速下降、感度保壓試驗時漏泄量超標(超過20 kPa)導致試驗不合格、或漏風產生的噪聲來及時發(fā)現故障，如圖9所示。

圖9 單個橡膠墊圈連接器裝配體

4.2 正常裝配橡膠墊圈后不漏風的可行性驗證

增加漏風切口后，當相連接的兩個波紋連接器均配裝有橡膠墊圈時，橡膠墊圈的凹槽結構裝配在波紋連接器上，側面凹槽與連接器密貼，且橡膠墊圈的圓弧結構使兩軟管連接面在橡膠墊圈上，能很好地密封連接器上的漏風切口，不會造成風壓漏泄，如圖10所示。

圖10 正常橡膠墊圈連接器裝配體

4.2.1 單車試驗驗證

為進一步論證其可靠性，將一半徑為1.8 mm的半圓弧切口的制動軟管分別安裝在10輛車上，用單車試驗器對正常裝配橡膠墊圈的軟管漏泄情況進行試驗，漏泄量均為0。同時使用檢漏劑進行檢測，未發(fā)現波紋連接器及漏風切口存在漏泄。

4.2.2 風水壓試驗驗證

對加設漏風切口的軟管1和軟管2在列車軟管風水壓試驗臺上進行風壓漏泄試驗和水壓爆破試驗，在規(guī)定的試驗風壓及保壓時間下，其漏泄量為0，試驗結果均符合要求，如圖11所示。

圖11 風水壓試驗驗證

為進一步驗證切口的合理性，將帶漏風切口的制動軟管安裝在列車中，并通過列車制動機試驗檢測其漏泄情況。分別安裝在不同車輛上進行10次試驗，其漏泄量均為0。同時使用檢漏劑進行檢測，未發(fā)現波紋連接器及漏風切口存在漏泄。

綜上，通過在制動軟管波紋連接器上增加漏風切口來防范“單墊圈”的結構優(yōu)化方案是可行的。

4.3 強度分析

為了解在波紋連接器加設切口對其強度的影響，按貨車實際運用最大定壓600 kPa計算強度，現對加設圓弧切口的強度進行有限元仿真分析，圖12為計算結果。

TB/T 60—2001規(guī)定波紋接頭和波紋連接器體的材質為QT400-18(球墨鑄鐵，抗拉強度400 MPa)或者KTH350-10(黑心可鍛鑄鐵，抗拉強度350 MPa)，且應符合GB/T 9440—2010《可鍛鑄鐵件》的規(guī)定。

從圖12可以看出，加設切口后的最大拉伸強度為7.33 kPa，遠小于材料的抗拉強度400 MPa或者350 MPa，所以在波紋連接器加設圓弧切口后的強度符合材料要求，結構改進合理。

圖12 圓弧切口強度分析云圖

5 結論

本文結合軟管連接處漏風典型事故案例，對發(fā)生軟管橡膠墊圈丟失原因進行了分析，提出在制動軟管連接器凸臺面加設一漏風切口來防范故障漏檢的合理化建議，并對從正反兩方面分析加設切口后正常裝配的安全性及防范“單墊圈”和“墊圈反裝”的可行性進行了分析。通過漏泄量大小、應力計算、加工工藝、軟件仿真分析計算，計算出在連接器凸臺上加設半徑為1.8 mm的半圓弧切口的改進方案合理。經試驗驗證該方案合理、有效。