馮 興，李學(xué)全

(中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司 成都北車輛段，四川 成都 610051)

制動(dòng)軟管是鐵路貨車空氣制動(dòng)系統(tǒng)的重要部件，起到連接貨車制動(dòng)主管、傳遞風(fēng)壓的作用。在列車解編作業(yè)時(shí)，因摘管外力、軟管內(nèi)殘留氣壓等原因會(huì)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(gè)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(shí)被發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行處置，列車運(yùn)行中，“單墊圈”和“墊圈反裝”連接的制動(dòng)軟管在通過曲線、道岔時(shí)會(huì)因晃動(dòng)、角度變化等造成列車主管漏風(fēng)，引發(fā)列車緊急制動(dòng)等，危及運(yùn)行安全并影響運(yùn)輸秩序。

統(tǒng)計(jì)某貨車編組場制動(dòng)軟管橡膠墊圈丟失故障情況，僅一個(gè)月時(shí)間列檢作業(yè)中就發(fā)現(xiàn)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(fēng)故障，給現(xiàn)場作業(yè)帶來極大的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，稍有不慎就會(huì)造成漏檢，責(zé)任單位被定責(zé)、追責(zé)的同時(shí)，嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)輸秩序和運(yùn)輸安全。

1 鐵路貨車制動(dòng)軟管簡介

我國鐵路貨車使用的制動(dòng)軟管為壓套式制動(dòng)軟管，通過組裝機(jī)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(jī)扣壓緊固成軟管總成，具有抗拔脫強(qiáng)度高、質(zhì)量好、連接和摘解方便等特點(diǎn)。

1.1 制動(dòng)軟管連接器總成

制動(dòng)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(dòng)軟管連接器總成》規(guī)定組裝時(shí)需要鉚合連接。圖1為其結(jié)構(gòu)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(dòng)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(yù)壓緊連接安裝后，確保列車制動(dòng)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(shí)常因橡膠墊圈丟失、反裝等原因造成軟管連接處漏風(fēng)，分析其原因是：在貨物車列車解編作業(yè)時(shí)，作業(yè)人員使用掛鉤等簡易工具摘開相連接的制動(dòng)軟管，因摘管角度、主管內(nèi)殘留風(fēng)壓等因素，造成軟管橡膠墊圈變形脫出波紋連接器，回彈時(shí)脫落丟失。列車重新編組后，作業(yè)人員連接制動(dòng)軟管時(shí)未發(fā)現(xiàn)“單墊圈”故障，或發(fā)現(xiàn)“單墊圈”故障時(shí)違規(guī)反裝(反向裝配)橡膠墊圈進(jìn)行臨時(shí)處置，均會(huì)給列車制動(dòng)系統(tǒng)留下漏風(fēng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

為便于鐵路相關(guān)作業(yè)人員在對(duì)列車進(jìn)行制動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)軟管波紋連接器“單墊圈”或“墊圈反裝”故障，擬對(duì)波紋連接器進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)改進(jìn)。結(jié)合現(xiàn)場作業(yè)實(shí)際及列車制動(dòng)機(jī)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在制動(dòng)軟管波紋連接器凸臺(tái)面增加一個(gè)橫向的漏風(fēng)切口，當(dāng)相連接的兩個(gè)波紋連接器的其中一個(gè)未配裝橡膠墊圈時(shí)，作業(yè)人員就能在列車制動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)通過試驗(yàn)不合格即漏泄量超標(biāo)來查找漏風(fēng)位置，或通過漏風(fēng)產(chǎn)生的噪聲來發(fā)現(xiàn)“單墊圈”故障，從根本上解決“單墊圈”引發(fā)的制動(dòng)軟管連接處漏風(fēng)問題。

3.1 切口位置分析

按照常理來說，在波紋連接器凸臺(tái)面處任意位置加設(shè)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(xiàn)漏風(fēng)等因素的便利性，結(jié)合現(xiàn)場作業(yè)實(shí)際情況，將切口位置設(shè)在波紋連接器末端中部較為合理。

3.2 切口尺寸計(jì)算

綜合考慮列車編組及車型、換長等因素，按列車最大計(jì)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(dòng)軟管平均長度1 m，每輛車支管(主管法蘭至制動(dòng)閥距離)平均長度2 m。根據(jù)貨車車輛制動(dòng)閥及制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，在常用制動(dòng)位施行感度保壓試驗(yàn)，檢測整列車制動(dòng)主管、軟管、支管等管系的漏泄情況。

計(jì)算列車制動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)整列車主管和支管容積為：

(1)

式中：r1——主管、制動(dòng)軟管內(nèi)徑，取值16 mm；

r2——支管內(nèi)徑，取值12.5 mm。

求得V1=95.3 L。

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

p1V1=p2V2

(2)

根據(jù)《鐵路貨車運(yùn)用維修規(guī)程》感度保壓試驗(yàn)“列車主管壓力達(dá)到規(guī)定壓力，置常用制動(dòng)位，減壓50 kPa(編組60輛及以上時(shí)減壓70 kPa)，全列車需發(fā)生制動(dòng)作用；同時(shí)保壓，第1 min內(nèi)無線風(fēng)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(dòng)狀態(tài)(減壓70 kPa)下檢驗(yàn)管系漏泄情況，求得減壓后的主管壓強(qiáng)為：

p1=500-70=430 kPa

(3)

按照設(shè)置漏風(fēng)切口使“單墊圈”情況下漏泄量超過20 kPa以達(dá)到試驗(yàn)結(jié)果“不合格”的要求，求得切口處的壓強(qiáng)為：

p2=430-20=410 kPa

(4)

根據(jù)公式(2)～(5)求得加設(shè)切口后的空氣體積為:

(5)

根據(jù)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(jì)算公式求得切口處的流量為：

(7)

查詢氣體介質(zhì)空氣壓力范圍與平均流速的關(guān)系如表1。

表1 壓力范圍與平均流速的關(guān)系

制動(dòng)軟管壓強(qiáng)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(guān)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(yīng)力等因素，現(xiàn)取圓弧形和矩形兩種不同截面的切口進(jìn)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(jù)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(yīng)力分析

切口處的壓強(qiáng)為q1=500 kPa，根據(jù)壓力計(jì)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(duì)比上述兩種不同截面在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)劣態(tài)勢，現(xiàn)分別對(duì)兩種截面圓弧切口(圖7)以及矩形切口(圖8)處所產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行分析。

(a) 圓弧切口 (b) 切口局部

圖8 矩形切口應(yīng)力分析圖

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

解決對(duì)策：中后期蘋果膨壯果肥始終貫徹“控氮、穩(wěn)磷、增鉀，加大中、微量元素”的思路。特別是6月膨壯果肥，以15～20年生長富2號(hào)樹為例，每畝應(yīng)施入45%～48%（17-5-23或18-5-25）高氮低磷高鉀大三元復(fù)合肥150～250 kg+富力邦硅鈣鉀鎂肥200～250 kg+昊威精制腐殖酸有機(jī)肥70～80 kg+純鉀肥 100～200 kg， 株施肥成本15～20元。

綜上，考慮到結(jié)構(gòu)應(yīng)力大小、加工工藝等因素，在波紋連接處加設(shè)圓弧形切口較為符合實(shí)際情況。

4 可行性驗(yàn)證

4.1 “單墊圈”連接后漏風(fēng)的可行性驗(yàn)證

增加漏風(fēng)切口后，當(dāng)相連接的兩個(gè)波紋連接器其中一個(gè)制動(dòng)軟管是“單墊圈”或“墊圈反裝”時(shí)，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(huì)因加設(shè)的漏風(fēng)切口處密封不嚴(yán)造成漏風(fēng)，在列車制動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)，作業(yè)人員能通過主管風(fēng)壓的急速下降、感度保壓試驗(yàn)時(shí)漏泄量超標(biāo)(超過20 kPa)導(dǎo)致試驗(yàn)不合格、或漏風(fēng)產(chǎn)生的噪聲來及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，如圖9所示。

圖9 單個(gè)橡膠墊圈連接器裝配體

4.2 正常裝配橡膠墊圈后不漏風(fēng)的可行性驗(yàn)證

增加漏風(fēng)切口后，當(dāng)相連接的兩個(gè)波紋連接器均配裝有橡膠墊圈時(shí)，橡膠墊圈的凹槽結(jié)構(gòu)裝配在波紋連接器上，側(cè)面凹槽與連接器密貼，且橡膠墊圈的圓弧結(jié)構(gòu)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(fēng)切口，不會(huì)造成風(fēng)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(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)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(dòng)軟管分別安裝在10輛車上，用單車試驗(yàn)器對(duì)正常裝配橡膠墊圈的軟管漏泄情況進(jìn)行試驗(yàn)，漏泄量均為0。同時(shí)使用檢漏劑進(jìn)行檢測，未發(fā)現(xiàn)波紋連接器及漏風(fēng)切口存在漏泄。

4.2.2 風(fēng)水壓試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)加設(shè)漏風(fēng)切口的軟管1和軟管2在列車軟管風(fēng)水壓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行風(fēng)壓漏泄試驗(yàn)和水壓爆破試驗(yàn)，在規(guī)定的試驗(yàn)風(fēng)壓及保壓時(shí)間下，其漏泄量為0，試驗(yàn)結(jié)果均符合要求，如圖11所示。

圖11 風(fēng)水壓試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證切口的合理性，將帶漏風(fēng)切口的制動(dòng)軟管安裝在列車中，并通過列車制動(dòng)機(jī)試驗(yàn)檢測其漏泄情況。分別安裝在不同車輛上進(jìn)行10次試驗(yàn)，其漏泄量均為0。同時(shí)使用檢漏劑進(jìn)行檢測，未發(fā)現(xiàn)波紋連接器及漏風(fēng)切口存在漏泄。

綜上，通過在制動(dòng)軟管波紋連接器上增加漏風(fēng)切口來防范“單墊圈”的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案是可行的。

4.3 強(qiáng)度分析

為了解在波紋連接器加設(shè)切口對(duì)其強(qiáng)度的影響，按貨車實(shí)際運(yùn)用最大定壓600 kPa計(jì)算強(qiáng)度，現(xiàn)對(duì)加設(shè)圓弧切口的強(qiáng)度進(jìn)行有限元仿真分析，圖12為計(jì)算結(jié)果。

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

從圖12可以看出，加設(shè)切口后的最大拉伸強(qiáng)度為7.33 kPa，遠(yuǎn)小于材料的抗拉強(qiáng)度400 MPa或者350 MPa，所以在波紋連接器加設(shè)圓弧切口后的強(qiáng)度符合材料要求，結(jié)構(gòu)改進(jìn)合理。

圖12 圓弧切口強(qiáng)度分析云圖

5 結(jié)論

本文結(jié)合軟管連接處漏風(fēng)典型事故案例，對(duì)發(fā)生軟管橡膠墊圈丟失原因進(jìn)行了分析，提出在制動(dòng)軟管連接器凸臺(tái)面加設(shè)一漏風(fēng)切口來防范故障漏檢的合理化建議，并對(duì)從正反兩方面分析加設(shè)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(jìn)行了分析。通過漏泄量大小、應(yīng)力計(jì)算、加工工藝、軟件仿真分析計(jì)算，計(jì)算出在連接器凸臺(tái)上加設(shè)半徑為1.8 mm的半圓弧切口的改進(jìn)方案合理。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該方案合理、有效。