SS4改型電力機(jī)車單缸抱閘導(dǎo)致輪箍弛緩的原因分析及對(duì)策

李建設(shè),李曉東

(1 北京鐵路局 石家莊電力機(jī)務(wù)段,河北石家莊050000;2 北京鐵路局 石家莊辦事處,河北石家莊050000)

近幾年石家莊電力機(jī)務(wù)段在石太線擔(dān)當(dāng)貨運(yùn)任務(wù)的SS4改型電力機(jī)車,連續(xù)發(fā)生幾起單缸不緩解造成輪箍弛緩,對(duì)行車安全構(gòu)成了極大威脅。為此,對(duì)SS4改型機(jī)車的單缸制動(dòng)器進(jìn)行了集中整治。但經(jīng)過(guò)這些整治后,該問(wèn)題仍未得到徹底根治,之后,又發(fā)生了一起單缸不緩解造成的動(dòng)輪弛緩。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn),發(fā)生問(wèn)題的機(jī)車,大多都是經(jīng)過(guò)了1次中修之后,走行公里接近2次中修,而且多發(fā)生在大交路機(jī)車上。

為了解決這一棘手難題,我們從閘瓦間隙自動(dòng)調(diào)整裝置的工作原理入手,對(duì)SS4改型機(jī)車中修時(shí)軸箱拉桿的檢修工藝和過(guò)程進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研,特別是對(duì)石太線長(zhǎng)大下坡道的操縱進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)及分析,發(fā)現(xiàn)單缸制動(dòng)不緩解導(dǎo)致輪箍弛緩的原因,除因空氣制動(dòng)管路堵塞、單元制動(dòng)器油潤(rùn)狀態(tài)不良、閘瓦偏磨等個(gè)例外,還有一個(gè)重要原因是軸箱拉桿的狀態(tài)不良,以及閘瓦間隙自動(dòng)調(diào)整器的“不合理”調(diào)整造成的。

1 閘瓦間隙自動(dòng)調(diào)整裝置的作用原理

SS型機(jī)車的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用獨(dú)立式單元制動(dòng)器,它由制動(dòng)缸、杠桿傳動(dòng)系統(tǒng)、閘瓦間隙自動(dòng)調(diào)整器和閘瓦等組成。SS4機(jī)車除1、6軸為單側(cè)閘瓦制動(dòng)外,2～5軸均為雙側(cè)閘瓦制動(dòng)。而SS4改型機(jī)車均為單側(cè)閘瓦制動(dòng),其閘瓦布置方式從操縱端(無(wú)論A節(jié)或B節(jié))數(shù)起,單數(shù)軸為后側(cè)閘瓦制動(dòng),雙數(shù)軸為前側(cè)閘瓦制動(dòng)。SS4型機(jī)車閘瓦與輪箍踏面的設(shè)計(jì)間隙為6～9 mm,當(dāng)閘瓦間隙過(guò)大時(shí),調(diào)整裝置將自動(dòng)調(diào)小閘瓦間隙。

就SS4改型機(jī)車而言,其制動(dòng)系統(tǒng)有一特殊之處:當(dāng)制動(dòng)機(jī)單閥置于緩解位,自閥施行最小減壓量時(shí),制動(dòng)缸壓力會(huì)瞬間升至30 kPa后再自動(dòng)降為0。在這個(gè)過(guò)程中,所有閘瓦都會(huì)出現(xiàn)先抱輪而后再自行緩解的現(xiàn)象。如果此時(shí)閘瓦間隙超過(guò)6.2 mm,基礎(chǔ)制動(dòng)裝置便會(huì)自動(dòng)完成一次調(diào)小閘瓦間隙的過(guò)程。

SS4改型機(jī)車在運(yùn)行中,閘瓦間隙不是一成不變的,軸箱拉桿的狀態(tài)、機(jī)車工況的變化、線路曲線的變化等因素,都會(huì)使閘瓦間隙發(fā)生變化。如果此時(shí)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置動(dòng)作,閘瓦間隙自動(dòng)調(diào)整裝置就會(huì)調(diào)整閘瓦間隙,使間隙變小甚至導(dǎo)致閘瓦抱輪。

2 導(dǎo)致閘瓦間隙發(fā)生變化的綜合因素分析

2.1 軸箱拉桿的狀態(tài)對(duì)閘瓦間隙的影響

SS4改型電力機(jī)車的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置是通過(guò)螺栓緊固在轉(zhuǎn)向架上,也就是說(shuō)單缸制動(dòng)器與轉(zhuǎn)向架之間是剛性連接。而輪對(duì)則是通過(guò)軸箱、軸箱拉桿與轉(zhuǎn)向架形成定位,軸箱依靠軸箱拉桿橡膠關(guān)節(jié)的徑向、軸向及扭曲彈性變形使輪對(duì)與構(gòu)架的聯(lián)系成為彈性連接,也就是說(shuō),輪對(duì)與基礎(chǔ)制動(dòng)裝置之間的定位是彈性定位。

SS4改型機(jī)車的軸箱拉桿采用雙扭線彈性定位拉桿裝置,由拉桿體、長(zhǎng)拉桿、短拉桿、橡膠圈、端蓋、橡膠端墊等組成。組合后的軸箱拉桿形成一個(gè)整體彈性元件,它承受傳遞各種負(fù)荷(牽引力、制動(dòng)力、沖擊力和橫向力)并緩沖各種激擾力,改善了機(jī)車運(yùn)行性能。以前SS4及現(xiàn)在的SS1機(jī)車的軸箱拉桿的長(zhǎng)、短拉桿內(nèi)裝有橡膠圈,長(zhǎng)拉桿內(nèi)兩個(gè),短拉桿內(nèi)一個(gè),后來(lái)我段“0”字頭SS4改型機(jī)車取消了橡膠圈,均采用的是把橡膠直接固化到長(zhǎng)短拉桿上的整體式拉桿。

從機(jī)車檢修情況看,原來(lái)SS4機(jī)車中修時(shí),工藝要求必須更換橡膠端墊、橡膠圈,而目前中修工藝對(duì)是否更換整體長(zhǎng)短拉桿沒(méi)有明確要求。因此,SS4改型機(jī)車在實(shí)際中修時(shí)長(zhǎng)短拉桿也沒(méi)有進(jìn)行更換,只更換兩端的橡膠端墊。橡膠元件本身存在一定的老化周期,但是橡膠堆體是完全密閉在拉桿體內(nèi)的,橡膠端墊僅在端蓋處暴露出極小的一部分,而且缺乏必要的檢測(cè)手段,僅靠日常靜態(tài)下的目測(cè)檢查,很難判斷其性能的優(yōu)劣。如果中修時(shí)不更換,隨著機(jī)車運(yùn)用周期的延長(zhǎng),橡膠的老化程度將會(huì)日趨嚴(yán)重。因?yàn)檩唽?duì)與基礎(chǔ)制動(dòng)裝置之間就靠軸箱拉桿實(shí)現(xiàn)彈性定位,由于橡膠老化,就會(huì)導(dǎo)致機(jī)車在牽引或電阻制動(dòng)工況下,輪箍踏面與閘瓦之間的間隙發(fā)生不正常的變化,甚至導(dǎo)致機(jī)車運(yùn)行中閘瓦抱輪造成輪箍弛緩。

2.2 機(jī)車牽引工況對(duì)閘瓦間隙的影響

機(jī)車牽引力是由輪對(duì)踏面與軌面的相互作用而產(chǎn)生的。在機(jī)車牽引運(yùn)行過(guò)程中,由于牽引力的作用,勢(shì)必造成輪對(duì)相對(duì)于轉(zhuǎn)向架的前移傾向。前移的結(jié)果,將造成運(yùn)行方向的奇數(shù)軸位的閘瓦間隙變大(閘瓦在動(dòng)輪后面),大于機(jī)車靜態(tài)下的閘瓦間隙;偶數(shù)軸位的閘瓦間隙變小(閘瓦在動(dòng)輪前面),小于機(jī)車靜態(tài)下的閘瓦間隙。特別是在上坡道方向,機(jī)車單軸牽引功率越大、牽引力越大,則位移量越多。

遇特殊情況,在機(jī)車牽引狀態(tài)下實(shí)行緊急制動(dòng)時(shí),如果在牽引力解除之前閘瓦就已經(jīng)抱輪,那么對(duì)于閘瓦間隙大于6 mm的軸位,閘瓦間隙調(diào)整器就會(huì)進(jìn)行一次間隙調(diào)整,在機(jī)車緩解之后就容易出現(xiàn)奇數(shù)軸位的閘瓦間隙調(diào)整過(guò)小甚至完全消失的問(wèn)題。

2.3 機(jī)車電制動(dòng)工況對(duì)閘瓦間隙的影響

與沒(méi)有動(dòng)力制動(dòng)功能的機(jī)車相比,SS4改型機(jī)車加裝電制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)大的電制動(dòng)力,給行車安全提供了可靠的保證,但同時(shí)也帶來(lái)了一些弊端。機(jī)車電制動(dòng)力是由輪對(duì)踏面與軌面互相作用產(chǎn)生的。機(jī)車在電制動(dòng)工況下運(yùn)行時(shí),與牽引工況下相反,電制動(dòng)力會(huì)造成輪對(duì)相對(duì)于轉(zhuǎn)向架的后移,后移的結(jié)果,使得運(yùn)行方向的偶數(shù)軸位的閘瓦間隙變大、奇數(shù)軸位的閘瓦間隙變小。單軸電制動(dòng)功率越大、電制動(dòng)力越大,則位移量越大。

就石太線具體情況而言,空電配合控制長(zhǎng)大下坡道的列車速度是常用的操縱方法。使用電阻制動(dòng)時(shí),電制動(dòng)力迫使輪對(duì)后移,此時(shí)實(shí)施常用制動(dòng),雖然單閥在緩解位,但由于會(huì)出現(xiàn)瞬間的閘瓦抱輪后再緩解的過(guò)程,將導(dǎo)致偶數(shù)軸位的閘瓦間隙自動(dòng)調(diào)小。在連續(xù)長(zhǎng)大下坡道電制動(dòng)工況下,如果電制動(dòng)力繼續(xù)增加,再頻繁實(shí)施空氣制動(dòng),閘瓦間隙就會(huì)再次自動(dòng)調(diào)整,勢(shì)必導(dǎo)致偶數(shù)軸位的閘瓦間隙調(diào)整過(guò)小。特別是當(dāng)列車運(yùn)行在長(zhǎng)大起伏坡道上,運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí),情況會(huì)更為嚴(yán)重。當(dāng)列車運(yùn)行工況由電制動(dòng)轉(zhuǎn)為惰力運(yùn)行時(shí),隨著軸箱相對(duì)于轉(zhuǎn)向架位置的自動(dòng)復(fù)原,閘瓦間隙可能會(huì)完全消失,閘瓦與輪箍摩擦?xí)r間越長(zhǎng),隨著溫度升高輪箍弛緩的可能性就越大。當(dāng)列車運(yùn)行工況由電制動(dòng)轉(zhuǎn)為牽引運(yùn)行后,閘瓦間隙完全消失甚至出現(xiàn)負(fù)值的可能性會(huì)進(jìn)一步變大,牽引力越大,運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng),則輪箍弛緩的可能性越大。這也是我段長(zhǎng)交路機(jī)車容易發(fā)生輪箍弛緩的重要原因。

在平道(如京廣線)運(yùn)行的SS4改型機(jī)車,在調(diào)速時(shí)單憑電制動(dòng)就能基本滿足需要,很少使用空電配合調(diào)整列車速度,所以也極少發(fā)生單缸抱輪發(fā)生輪箍弛緩的問(wèn)題。

2.4 線路曲線對(duì)閘瓦間隙的影響

石太線地處山區(qū),坡道大、曲線多,線路情況比較復(fù)雜,小半徑曲線多達(dá)80余處。眾所周知,曲線的外軌具有一定的超高,當(dāng)列車以超過(guò)v=Rh/11.8(R是曲線半徑,h是線路超高值)的速度通過(guò)曲線時(shí),將產(chǎn)生未平衡離心力。運(yùn)行速度越高,則未平衡離心力越大。此時(shí),在該力的作用下,車體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)將一起向外軌側(cè)偏移。由于外軌側(cè)的輪緣受到外軌的限制,因此輪對(duì)的偏移量較小,而轉(zhuǎn)向架和車體偏移量則很大。因?yàn)榛A(chǔ)制動(dòng)裝置是固定在轉(zhuǎn)向架上的,所以閘瓦與輪箍踏面的相對(duì)位置將發(fā)生變化,致使內(nèi)軌側(cè)的閘瓦偏向輪緣,而外軌側(cè)的閘瓦偏向踏面外緣。同理,當(dāng)列車以低于v=Rh/11.8的速度通過(guò)曲線時(shí),在外軌超高的作用下,車體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)將向內(nèi)軌側(cè)偏移。運(yùn)行速度越低則偏移量越大。此時(shí),外軌側(cè)的閘瓦將偏向輪緣,內(nèi)軌側(cè)的閘瓦將偏向踏面外緣。

機(jī)車輪對(duì)踏面有1∶20和1∶10錐度的兩段斜面,其中1∶20錐度斜面的寬度為60 mm,1∶10錐度斜面的寬度為27 mm,由此計(jì)算可知:輪箍踏面外緣與內(nèi)緣處的直徑差為11.4 mm(半徑差為5.7 mm)。假設(shè)閘瓦摩擦面沒(méi)有錐度,那么如果把閘瓦間隙在輪箍踏面外緣處調(diào)整為6 mm時(shí),在機(jī)車緩解狀態(tài)下通過(guò)曲線時(shí),偏向輪緣的那塊閘瓦,與輪箍踏面的最小間隙僅剩下0.3 mm(6—5.7=0.3)。當(dāng)然,閘瓦摩擦面本身具有一定的弧度,但如果閘瓦原始間隙(比如機(jī)車出庫(kù)時(shí))就很小,那么機(jī)車通過(guò)曲線運(yùn)行時(shí),偏向輪緣的那些閘瓦就會(huì)始終抱輪或緊貼輪緣。事實(shí)上,由于機(jī)車輪對(duì)的橫動(dòng)量過(guò)大,閘瓦內(nèi)側(cè)經(jīng)常與輪緣相摩擦。

再看偏向踏面外緣的那些閘瓦,由于踏面存在錐度,會(huì)使閘瓦間隙變大。如果此時(shí)正處于電阻制動(dòng)工況,運(yùn)行方向偶數(shù)軸位的那些閘瓦間隙會(huì)更大,如果此時(shí)使用空氣制動(dòng),那么閘瓦間隙調(diào)整器會(huì)把閘瓦間隙自動(dòng)調(diào)小。同理,如果此時(shí)正處于牽引工況,運(yùn)行方向奇數(shù)軸位的那些偏向踏面外緣的閘瓦間隙會(huì)更大,如果此時(shí)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置動(dòng)作,同樣造成閘瓦間隙自動(dòng)調(diào)小。

2.5 輪對(duì)單、雙側(cè)閘瓦制動(dòng)對(duì)閘瓦間隙的影響

對(duì)于采用雙側(cè)閘瓦制動(dòng)的機(jī)車(如SS1機(jī)車的2～5軸)在制動(dòng)時(shí),由于輪對(duì)前后側(cè)的閘瓦壓力大小相等、方向相反,對(duì)輪對(duì)的作用力互相抵消,所以閘瓦間隙不會(huì)因制動(dòng)、緩解發(fā)生變化。但采用單側(cè)閘瓦制動(dòng)的SS4改型機(jī)車在制動(dòng)時(shí),制動(dòng)側(cè)的閘瓦壓力同樣會(huì)使輪對(duì)(軸箱)發(fā)生位移,造成運(yùn)行方向奇數(shù)軸位輪對(duì)前移、偶數(shù)軸位輪對(duì)后移。1996年我段也曾連續(xù)發(fā)生過(guò)SS1機(jī)車1、6軸(均為單側(cè)閘瓦制動(dòng))單缸抱輪造成輪箍弛緩的問(wèn)題,說(shuō)明單側(cè)閘瓦制動(dòng)確實(shí)存在這方面的隱患。

綜合上述分析得知,機(jī)車閘瓦間隙的調(diào)整,是在空氣制動(dòng)時(shí)閘瓦的制動(dòng)、緩解過(guò)程中自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。在輪對(duì)軸箱位移量正常的前提下,閘瓦間隙的設(shè)計(jì)值以及閘瓦間隙的自動(dòng)調(diào)整量應(yīng)當(dāng)能滿足行車安全的需要。但是,軸箱拉桿內(nèi)的橡膠元件(橡膠堆和橡膠端墊)如果發(fā)生老化,剛度和強(qiáng)度變小,甚至軸箱內(nèi)的軸承損壞之后,在牽引力、電制動(dòng)力、空氣制動(dòng)力和橫向力的聯(lián)合作用下,閘瓦間隙的變化范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大,從而導(dǎo)致閘瓦間隙的自動(dòng)錯(cuò)誤調(diào)整,而且是只能調(diào)小不能調(diào)大。在這種情況下,當(dāng)機(jī)車運(yùn)行工況發(fā)生變化(如空電配合制動(dòng)后改為惰力運(yùn)行或牽引運(yùn)行)或曲線轉(zhuǎn)彎方向發(fā)生變化(如S型曲線路段)時(shí),軸箱會(huì)恢復(fù)原位甚至向相反方向移動(dòng)之后,由于閘瓦間隙消失,極易導(dǎo)致單缸抱輪,釀成輪箍弛緩事故。

實(shí)地考察SS4改型0481號(hào)機(jī)車輪箍弛緩后,對(duì)所有機(jī)車的閘瓦間隙進(jìn)行普查,結(jié)果發(fā)現(xiàn)大多數(shù)機(jī)車的靜態(tài)閘瓦間隙均小于6 mm,甚至個(gè)別閘瓦只有3 mm。2008年5月15日又做了試驗(yàn),長(zhǎng)交路機(jī)車SS4改型0418號(hào)機(jī)車在榆次西折返段庫(kù)內(nèi),將A節(jié)車的8個(gè)單缸制動(dòng)器閘瓦都調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)6 mm,并在棘輪棘齒上做出標(biāo)記,牽引15108次重車回到石家莊后,再進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)左2、左4兩塊閘瓦的間隙調(diào)整器分別調(diào)整了7個(gè)齒,相當(dāng)于間隙縮小了1 mm多。這也證明,機(jī)車運(yùn)行中閘瓦間隙是動(dòng)態(tài)變化的(縮小的趨勢(shì)),如果不及時(shí)進(jìn)行調(diào)整,積累的結(jié)果就會(huì)造成動(dòng)輪弛緩。

3 防止單缸抱輪造成輪箍弛緩的措施及建議

(1)加強(qiáng)機(jī)車基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的日常保養(yǎng)。保持各摩擦部分油潤(rùn)狀態(tài)良好,防止部件卡滯;有關(guān)部件的間隙必須符合工藝范圍要求;基礎(chǔ)制動(dòng)裝置各銷套間隙符合要求,防止閘瓦偏磨。

(2)庫(kù)內(nèi)整備作業(yè)以及乘務(wù)員在機(jī)車出庫(kù)前、列車開(kāi)車前、站內(nèi)停車后要及時(shí)檢查閘瓦間隙,必須保證閘瓦間隙不小于6 mm,不符合規(guī)定的進(jìn)行人工調(diào)整。

(3)機(jī)車中修時(shí)必須更換軸箱拉桿內(nèi)的橡膠元件,防止橡膠老化。

(4)依靠科技攻關(guān),研發(fā)安裝輪箍或閘瓦溫度檢測(cè)報(bào)警裝置。利用紅外線溫度探測(cè)儀,檢測(cè)每個(gè)動(dòng)輪或每塊閘瓦的溫度,當(dāng)溫度超過(guò)整定值時(shí)報(bào)警提示。研發(fā)安裝軸箱位移記錄裝置,用以解決軸箱拉桿內(nèi)橡膠元件性能老化難以發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。

(5)改造機(jī)車有關(guān)電路,解決機(jī)車不合理的“上閘”問(wèn)題。試驗(yàn)證明對(duì)于SS4改型機(jī)車,當(dāng)設(shè)法使兩節(jié)車的排風(fēng)1電空閥都得電吸合后,單閥位于緩解位,自閥實(shí)行最小減壓量時(shí),制動(dòng)缸壓力不再瞬間上升,所有閘瓦都處于靜置狀態(tài)。同樣,在機(jī)車電制動(dòng)狀態(tài)下,只要設(shè)法使兩節(jié)車的排風(fēng)1電空閥都得電吸合,在實(shí)行最小減壓量的常用制動(dòng)時(shí),無(wú)論閘瓦間隙多大,閘瓦間隙調(diào)整器都不會(huì)調(diào)小閘瓦間隙,從而就能在相當(dāng)程度上避免因閘瓦間隙的錯(cuò)誤調(diào)整導(dǎo)致單缸抱輪釀成的輪箍弛緩事故。基于這個(gè)思路,進(jìn)行有關(guān)電路的改造。

(6)積極推廣使用一體化輪對(duì),或裝有輪箍卡環(huán)的輪對(duì),避免因輪箍弛緩引發(fā)行車事故。