和諧型機車彈性膠泥緩沖器應用研究

淡紅升

(中國鐵路總公司　機輛部, 北京 100844)

彈性膠泥緩沖器是鐵路緩沖器技術發展到一定水平的產物，其采用的彈性膠泥材料是一種固液兩態的材料，具有優良的可壓縮性和穩定的理化特性。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。其優異的動靜態特性是目前各種吸能形式里最優的。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。能極大地減輕機車車體和車載零部件的損傷、延長其疲勞壽命。

和諧機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，一直擔當大秦線HXD1型機車的2萬t運輸任務，由于其良好的性能表現，后來應用于鐵路干線的主型和諧機車。103-1型緩沖器從2013年開始在HXD1D及HXD3D型機車上投入運用，其良好的性能有效的保障了機車的安全運營。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具有不穩定性，摩擦系數的大小具有不確定性，摩擦面具有黏滯-滑動的隨機性，所以表現出來的性能具有很大的不穩定性。

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型緩沖器動態曲線波動較大。

圖3　兩種膠泥緩沖器動態曲線

圖4　MT-2型緩沖器動態曲線

100-1型緩沖器已經裝用于HXD1、HXD1B、HXD1C、HXD2C、HXD3、HXD3B、HXD3C、SS4等型重載和客貨運機車，其廣泛的應用基于其優異的性能，在大秦線重載運輸的條件下，通過理論計算、動力學試驗和實際運用發現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行比較：在長大坡道循環制動時，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車的縱向沖動：裝有100-1型彈性膠泥緩沖器的中部機車的縱向力和加速度較小；在循環制動時，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。能極大地減輕機車車體和車載零部件的損傷、延長其疲勞壽命。

2008年進行的HXD1型機車車鉤穩定性環形線試驗表明：采用100-1型緩沖器進行試驗的鉤緩裝置工作狀態穩定，對機車運行安全性參數未產生不利影響，而采用摩擦式緩沖器則導致車鉤偏角加大，導致運行安全性參數惡化。因此，機車上采用MT-2類型的摩擦式緩沖器是對機車來講是不安全的，所以和諧型機車已經不再采用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良，但在部分路況較惡劣的區域容易發生泄漏故障，主要集中在HXD1D、HXD3D和貨運新八軸等型機車，其密封可靠性還需進一步提高。緩沖器的失效原因為彈性膠泥芯子泄漏，發生泄漏的部位是彈性膠泥芯子的動密封位置，即活塞桿往復作用部位，膠泥緩沖器密封結構示意圖見圖5。

圖5　膠泥緩沖器密封 結構示意圖

從耐久試驗及運用現場返回來的密封件看，密封件的主要故障模式是動態密封件裂損。密封件裂損的現象說明機車在運用過程的特定條件下，密封強度不能完全適應線路復雜的運用條件的需要。需要從結構上或從材料上入手，來提高密封強度。

緩沖器發生泄漏后，在膠泥完全泄漏的極端情況下，導致緩沖器沒有壓力，在運用現場的表現是緩沖器在車體的前后從板座內出現了間隙，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脫落，也不會造成列車的分離。

3　100-1型緩沖器的密封結構改進方案

從實際運用來看，絕大多數HXD1型機車用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密封圈位置的膠泥泄漏所致，因此在這個薄弱環節增加了一組備份密封，密封圈的數量也有所增加。

改進后膠泥芯子動密封處的結構較原結構有較大的區別，新結構中為了增加密封件的個數，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。密封結構改進的結構示意圖見圖6。

改進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構芯子的100-1彈性膠泥緩沖器整機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的裝車。

圖6　100-1型緩沖器的密封結構改進方案示意圖

在包西、太原北等采用新八軸機車的機務段，由于線路工況相對惡劣，牽引噸位較大，原結構的部分緩沖器出現了泄漏故障，采用密封結構改進方案后，在包西機務段和太原北機務段裝用新密封結構的緩沖器已經經過了一個C4修程，目前已經運用了60萬km，尚未發生泄漏故障，說明在新八軸等機車上裝車運用取得了比較好的效果。100-1型緩沖器密封結構改進前后運用情況對比見表1。

表1　100-1型緩沖器密封結構改進前后運用情況對比

4　103-1型緩沖器的密封結構改進方案

103-1型緩沖器從2013年開始裝車，在早期有部分機車的車鉤懸臂較長，緩沖器泄漏故障較多，改進車鉤懸臂以后，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，根據試驗室耐久驗證試驗結果，設計了膠泥芯子的密封結構由1級改為2級的方案。

改進后新結構中增加密封件的個數，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。密封結構改進的結構示意圖見圖7。

圖7　103-1型緩沖器的密封結構改進方案示意圖

密封結構改進方案從2016年開始陸續在蘭州、沈陽等機務段投入運用，取得了較好的使用效果。以蘭州為例，密封結構改進前在機車運用30萬km左右時即發生較多緩沖器的泄漏故障，而密封結構改進后的緩沖器，已經運用70萬km多，尚未發生泄漏故障。103-1型緩沖器密封結構改進前后運用情況對比見表2。

表2　103-1型緩沖器密封結構改進前后運用情況對比

5　緩沖器的密封材料優化方案

為了進一步提高緩沖器103-1型緩沖器的密封壽命，在已經運用證明有效的密封結構改進結構基礎上，設計了密封材料優化方案。密封材料優化方案不改變緩沖器的安裝套口和動、靜態性能，只對膠泥芯子的密封材料進行設計優化，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月進行了線路測試，測試區間從延安—西安和西安—徐州往返，按照測試的線路載荷譜對原型結構、密封改進結構和密封材料優化方案的彈性膠泥芯子進行室內耐久壽命測試。效果最好的密封材料優化方案的循環次數已經超過了C5修程要求，相當于在線運用超過110萬km。

6　結論與建議

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

(2) 采用金屬摩擦式緩沖器容易導致車鉤偏角加大，導致運行安全性參數惡化，建議機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構改進的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) 完成密封材料優化方案的緩沖器疲勞試驗后，試制緩沖器樣機，擇機對密封材料優化的100-1型和103-1型彈性膠泥緩沖器進行裝車運用考驗。