陳夢(mèng)，李紫千，趙云行，胡仕凱，馬運(yùn)章，杜衛(wèi)超

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

纖維素增稠體系改善高寒動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架防冰液滯留性能的研究

陳夢(mèng)，李紫千，趙云行，胡仕凱，馬運(yùn)章，杜衛(wèi)超

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

本文使用纖維素增稠體系來改善高寒動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架防冰液的滯留性能，通過實(shí)驗(yàn)室黏度試驗(yàn)、吹脫試驗(yàn)、剪切力試驗(yàn)和上車實(shí)際試用試驗(yàn)，證明經(jīng)纖維素增稠體系大大增加了防冰液在轉(zhuǎn)向架底部的滯留時(shí)間，使防冰液更符合我國(guó)高寒地區(qū)動(dòng)車組交路長(zhǎng)、車速快的實(shí)際情況。并研究了增稠后的防冰液對(duì)制動(dòng)性能的影響，保證車輛的行駛安全。

防冰液；增稠；滯留性能

1 概述

高速動(dòng)車組自運(yùn)行以來，每年冬季，鐵路運(yùn)營(yíng)部門都會(huì)遇到動(dòng)車組結(jié)冰問題，尤其是北方地區(qū)，每當(dāng)下雪以后，動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架部位結(jié)冰嚴(yán)重，限制列車運(yùn)行時(shí)的自由度，影響制動(dòng)夾鉗的動(dòng)作，直接影響到列車的運(yùn)行安全，動(dòng)車段不得不花費(fèi)大量的人力、物力及財(cái)力進(jìn)行除冰融雪。

瑞典等國(guó)家通過使用轉(zhuǎn)向架除防冰液對(duì)寒冷地區(qū)運(yùn)行的列車進(jìn)行除冰、防冰，取得了一定的效果。轉(zhuǎn)向架用除防冰液以乙二醇或丙二醇為主要原料，通過乙二醇或丙二醇較低冰點(diǎn)的特性，噴涂至轉(zhuǎn)向架部位，達(dá)到防止或減少轉(zhuǎn)向架結(jié)冰的效果。但國(guó)外除冰液普遍黏度較低，滯留性差，滯留時(shí)間短，這是由列車運(yùn)行的實(shí)際情況所決定的，歐洲國(guó)家鐵路線路一般交路較短，站與站之間間隔較近，便于除防冰液的頻繁噴涂。而高寒地區(qū)也主要以普通客車為主，車速較慢，對(duì)除防冰液的滯留性與滯留時(shí)間要求不高。

我國(guó)列車在高寒地區(qū)的實(shí)際運(yùn)行情況與歐洲國(guó)家有很大區(qū)別，380B型高寒動(dòng)車組由于空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)特殊，轉(zhuǎn)向架底部尤其容易積雪，運(yùn)行速度達(dá)300 km/h，冬季不降速，且交路較長(zhǎng)，列車往返回庫(kù)距離均在1 000 km以上，這就需要除防冰液具有極好的滯留性能，以保證運(yùn)行全程除防冰液不失效。歐洲國(guó)家使用的除防冰液由于滯留性不佳已不能滿足我國(guó)高寒動(dòng)車組的使用要求，本文對(duì)除防冰液通過增稠體系改善其滯留性能，使其滿足高寒動(dòng)車組的運(yùn)行防冰需求。

增稠劑可分為兩大類：油性增稠劑和水性增稠劑。防冰液是水基溶液，需使用水性增稠劑[1]。本文選用了一種水性有機(jī)纖維素類增稠劑來增稠防冰液，并分析增稠后防冰液性能的改變。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 材料與設(shè)備

2.1.1 試驗(yàn)材料

纖維素，廣州博峰化工；丙二醇，燕山石化；鋁板，200 mm×200 mm×0.5 mm。

2.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，昌吉地質(zhì)NDJ-1B；空壓機(jī)，蘇州同一機(jī)電；電子天平，METTLER TOLEDO MS4002S；拉力試驗(yàn)機(jī)，ALIYIQI NK-200；高低溫箱，YOMA MHU-02；噴槍，WEIBIHAO F75；高速1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)

2.2.1.1 殘留性能模擬實(shí)驗(yàn)

為模擬增稠后的防冰液在列車運(yùn)行時(shí)是否能殘留在轉(zhuǎn)向架表面，考察除冰液在風(fēng)力作用下的滯留性能，我們?cè)O(shè)計(jì)了殘留率模擬實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)方法是使用空壓機(jī)對(duì)涂覆增稠后的防冰液的板材吹風(fēng)，所用空壓機(jī)出風(fēng)速度約100 km/h，空壓機(jī)出風(fēng)口貼近鋁板，連續(xù)對(duì)涂有防冰液的板材以約15°的夾角吹風(fēng)30 s，分別稱量板材自重m0，吹風(fēng)前涂覆防冰液的板材重m1，吹風(fēng)后涂覆防冰液的的板材重m2，進(jìn)而通過公式(1)算出殘留率A。

A=(m1-m2)/(m1-m0)×100%

(1)

2.2.1.2 除冰剪切力試驗(yàn)

為了衡量增稠后的防冰液對(duì)材料表面結(jié)冰的附著力降低程度，制作了如圖1所示工裝。該工裝由杯形容器和上蓋兩部分組成，容器容量為10 ml，截面積為900 mm2，杯形容器上沿與上蓋分別焊有橫向可牽拉的半圓形拉環(huán)。實(shí)驗(yàn)時(shí)將工裝容器放入-20 ℃低溫箱保溫30 min，用配制好的增稠防冰液涂覆工裝蓋，涂覆厚度約1 mm，垂直靜置20 min后，向工裝容器內(nèi)倒入10 ml的冰水混合物，扣好上蓋，保證上蓋與容器的半圓形拉環(huán)在同一直線的相反方向，在-20 ℃低溫箱冷凍2 h，從低溫箱中取出工裝，在5 min之內(nèi)用拉力機(jī)牽引兩個(gè)拉環(huán)，進(jìn)行冰與工裝蓋剪切力的測(cè)試。

圖1 剪切除冰力工裝

2.2.1.3 黏度

加入纖維素?cái)嚢杈鶆蚝笫褂眯D(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量增稠后的防冰液旋轉(zhuǎn)黏度。

2.2.2 上車試用實(shí)驗(yàn)

選取一列哈爾濱鐵路局運(yùn)行于長(zhǎng)吉線的380B型高寒動(dòng)車組列車，其中1、3、6、8四節(jié)為動(dòng)車，2、4、5、7四節(jié)為拖車，1、2節(jié)列車和7、8節(jié)列車由于空氣動(dòng)力學(xué)原因結(jié)冰較少，而動(dòng)車又較拖車結(jié)冰更為嚴(yán)重，我們選擇第3節(jié)或第6節(jié)兩節(jié)動(dòng)車進(jìn)行噴涂防冰液的試驗(yàn)。在轉(zhuǎn)向架底部及側(cè)面所有部位使用噴槍噴涂防冰液，根據(jù)試驗(yàn)室試驗(yàn)的防冰效果、操作效果，分別噴涂未增稠防冰液、0.5%纖維素增稠防冰液、0.7%纖維素增稠防冰液。在列車運(yùn)行1 400 km后，通過沿途TEDS(車下部件自動(dòng)成像和識(shí)別系統(tǒng))觀察防冰液在車底轉(zhuǎn)向架的殘留效果。

2.2.3 增稠劑對(duì)制動(dòng)安全的影響

為確定增稠后的防冰液對(duì)高速動(dòng)車組制動(dòng)安全的影響，在高速1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)條件基本符合高速動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行情況的制動(dòng)試驗(yàn)。分別選取160 km/h，200 km/h，250 km/h，300 km/h四個(gè)速度，對(duì)噴涂水、添加0.5%纖維素增稠后的防冰液和添加0.7%纖維素增稠后的防冰液進(jìn)行高速1∶1緊急制動(dòng)試驗(yàn)。

1∶1制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)參數(shù)如下：

最高運(yùn)行速度：330 km/h；

制動(dòng)質(zhì)量：4.5 t；

輪徑：920 mm；

制動(dòng)盤類型：軸裝制動(dòng)盤；

制動(dòng)盤材料：鑄鋼；

閘片雙側(cè)最大壓力：30 kN；

制動(dòng)盤摩擦半徑：251 mm；

閘片安裝方式：非燕尾；

閘片材料：粉末冶金。

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)

3.1.1 殘留性能模擬實(shí)驗(yàn)

分別測(cè)試添加0、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.7%、1%纖維素的防冰液的殘留率，試驗(yàn)結(jié)果見圖2，纖維素添加0.2%以下時(shí)，防冰液殘留率為0，全部被風(fēng)吹掉。當(dāng)纖維素添加量至0.3%時(shí)，殘留率迅速提升至75%，滯留性能大大增加。纖維素添加量在0.3%至1%之間時(shí)，殘留率的增長(zhǎng)基本呈線性，增長(zhǎng)較慢，最大殘留率可達(dá)90%，說明添加纖維素對(duì)滯留性能的影響很大，添加量越大，滯留性能越好。

圖2 纖維素添加量對(duì)防冰液殘留率的影響

3.1.2 剪切除冰力實(shí)驗(yàn)

利用工裝分別測(cè)試?yán)w維素添加量為0、0.3%、0.5%、0.7%、1%的防冰液的剪切除冰力，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，未添加纖維素的防冰液剪切力為94N，隨著纖維素添加量的增加剪切力迅速下降。剪切除冰力體現(xiàn)了防冰液的防冰效果，此種防冰液中的丙二醇是防止結(jié)冰的唯一有效物質(zhì)，在丙二醇含量相同的情況下，添加不同含量纖維素的防冰液在防冰效果上的差異是由于纖維素的添加降低了丙二醇被稀釋的速度，由于丙二醇與水互溶，未添加纖維素的防冰液在閉合工裝時(shí)迅速溶解于工裝容器中的水里，而添加纖維素的防冰液，丙二醇與水互溶速度變慢，纖維素添加量越大，丙二醇被水稀釋的速度越慢，在工裝中的水結(jié)冰時(shí)工裝蓋上涂抹的增稠后的防冰液中的丙二醇還未被全部稀釋，這使剪切除冰力大幅度降低。在纖維素添加量為0.5%時(shí)，剪切力降至16N。隨著纖維素含量繼續(xù)增加，剪切力下降緩慢，基本穩(wěn)定。

圖3 纖維素添加量對(duì)防冰液剪切除冰力的影響

3.1.3 黏度

分別加入0份、0.3份、0.5份、0.7份、1份的纖維素后的防冰液旋轉(zhuǎn)黏度如圖4所示。未添加纖維素的防冰液旋轉(zhuǎn)黏度僅為7 mPa·s，旋轉(zhuǎn)黏度隨纖維素添加量的上升顯著增長(zhǎng)，添加1%纖維素的防冰液旋轉(zhuǎn)黏度達(dá)到1 010 mPa·s，較未添加纖維素防冰液黏度增長(zhǎng)144倍。纖維素添加量在0.7%以內(nèi)時(shí)，旋轉(zhuǎn)黏度基本隨纖維素添加量呈線性增長(zhǎng)，此時(shí)防冰液呈愈發(fā)粘稠的液體狀，而纖維素添加量大于0.7%后黏度增長(zhǎng)速度加快，纖維素添加量在1%時(shí)，防冰液呈流動(dòng)性較差的粘稠的果凍狀。黏度越大，防冰液與車體的結(jié)合就越緊密，達(dá)到增加滯留時(shí)間、防止吹脫的效果；但黏度過大也給防冰液的操作性帶來問題，大于0.8%的防冰液已經(jīng)無法在常溫下進(jìn)行霧化噴涂。所以我們選擇0.5%和0.7%兩個(gè)纖維素添加量來進(jìn)行上車試用試驗(yàn)。

圖4 纖維素添加量對(duì)防冰液黏度的影響

3.2 實(shí)際上車試用實(shí)驗(yàn)

在列車運(yùn)行1 400 km后，通過沿途TEDS觀察防冰液在車底轉(zhuǎn)向架的殘留效果。圖5A為噴涂未增稠防冰液，圖5B為噴涂0.5%纖維素增稠防冰液，圖5C為噴涂0.7%纖維素增稠防冰液。由此三圖可見，未增稠的防冰液在列車運(yùn)行1 400 km后再轉(zhuǎn)向架底部完全沒有殘留，已全部被吹脫，不能達(dá)到防冰效果，噴涂0.5%纖維素增稠及噴涂0.7%纖維素增稠防冰液均可見明顯殘留，0.7%纖維素增稠防冰液殘留較0.5%纖維素增稠防冰液目測(cè)更多，在1 400 km后仍然可以清晰的觀察到防冰液呈水珠狀密布于轉(zhuǎn)向架表面，說明隨著防冰液中纖維素添加量的增加，殘留性能也隨之上升。

圖5 車底轉(zhuǎn)向架的防冰液殘留效果

3.3 增稠劑對(duì)制動(dòng)性能的影響試驗(yàn)

分別選取160 km/h，200 km/h，250 km/h，300 km/h四個(gè)速度，對(duì)噴涂水、添加0.5%纖維素增稠后的防冰液和添加0.7%纖維素增稠后的防冰液進(jìn)行高速1∶1緊急制動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表1，數(shù)據(jù)表明，噴涂增稠防冰液后列車制動(dòng)距離大于噴水后的制動(dòng)距離，增稠防冰液對(duì)制動(dòng)性能有一定的影響，但對(duì)比TB/T 3402—2015《動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)》[2]，噴涂增稠防冰液后的制動(dòng)距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于技術(shù)條件規(guī)定的制動(dòng)距離，可以保證列車的制動(dòng)安全。

表1 增稠劑對(duì)制動(dòng)性能的影響試驗(yàn)結(jié)果

制動(dòng)初速(km/h)《TB/T3402—2015》規(guī)定制動(dòng)距離(m)噴水后制動(dòng)距離(m)0 5%纖維素增稠防冰液制動(dòng)距離(m)0 7%纖維素增稠防冰液制動(dòng)距離(m)300≤4200282630462887250≤3200197220712080200≤2000127913301319160≤1400869912897

試驗(yàn)過程中及試驗(yàn)后閘片狀態(tài)良好，未出現(xiàn)變形、摩擦材料熔化、金屬鑲嵌、掉塊、持續(xù)嘯叫及其它缺陷，對(duì)制動(dòng)盤和閘片運(yùn)用狀態(tài)無不良影響。

4 結(jié)論

通過纖維素添加量不同的防冰液進(jìn)行殘留性試驗(yàn)、剪切除冰力試驗(yàn)、黏度試驗(yàn)，證明了隨著纖維素添加量的增加，防冰液的滯留性能上升，并逐漸趨于穩(wěn)定；隨著纖維素添加量的增加，防冰液噴涂的操作性逐漸下降，基于以上兩種趨勢(shì)，我們選擇0.5%及0.7%纖維素添加量來進(jìn)行實(shí)際上車試驗(yàn)。在保證防冰液不影響制動(dòng)安全的前提下，進(jìn)行實(shí)際上車試驗(yàn)，通過沿途TEDS觀察，隨著防冰液中纖維素添加量的增加，在轉(zhuǎn)向架上的殘留量也隨之上升，滯留時(shí)間更長(zhǎng)。

添加纖維素增稠大大改善了防冰液滯留性能，使之可以在更長(zhǎng)交路、更長(zhǎng)時(shí)間發(fā)揮作用，更加符合我國(guó)冬季動(dòng)車組運(yùn)行的情況。

[1] 趙芯，張亞博，蘇正良，等，非牛頓型飛機(jī)除冰/防冰液增稠體系及增稠機(jī)理研究[J].精細(xì)與專用化學(xué)品,2015,23(2): 9-12.

[2] TB/T 3402—2015，動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)[S].

Study on Holdover Time of Cold Weather EMU Bogie Anti-icing Fluid Improved by Cellulose Thickening System

CHEN Meng, LI Ziqian, ZHAO Yunxing,HU Shikai, MA Yunzhang, DU Weichao

(MetalandChemicalInstitute,ChinaAcadamyofRailwaySciences,Beijing100081,China)

A cellulose thickening system is used to improve the holdover time of cold weather EMU bogie anti-icing fluid. Through viscosity tests, blow-off tests, shear force tests and the tests on real EMU bogies, the cellulose thickening system has been proved to increase the holdover time of anti-icing fluid significantly. It makes the anti-icing fluid more suitable for our national conditions-long routing and high speed. The influences for braking performance has been discussed ensure the safety of EMU.

anti-icing fluid; thickening; holdover time

2016-04-06；

2016-05-23

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金課題《高寒地區(qū)動(dòng)車組除防冰成套技術(shù)研究》(編號(hào)：1351JH0604)。

陳夢(mèng)(1986—)，女，遼寧沈陽人，碩士，助理研究員，主要從事高分子材料的研究。

2095-1671(2016)03-0150-04

U298

B