不理想軟管分離的根本原因及解決辦法

馮海鳳，馬吉仁，陳 慧

（三橡股份有限公司，遼寧沈陽 110144）

1 背景簡介

鐵路車輛上的端頭軟管的主要功能是連接2 個相鄰車廂上的制動系統，以使來自火車頭的制動信號能夠通達整列火車。端頭軟管利用1 個氣閘連接器的裝置來保持2 個相鄰車廂的連接：氣閘連接器和它里面的墊圈可以使2 個端頭軟管很容易地連接起來，并且保持列車的氣壓而不漏氣，同時有足夠的力拉開端頭軟管而達到脫開聯軸節的目的。

列車制動系統被設計成故障保險系統。列車風管上任何時候突然失去氣壓（包括列車分離），都會導致制動而使列車停止。但是仍然有因為不明原因導致的車廂間端頭軟管脫開的情況，這被稱為不理想軟管分離。不理想軟管分離會造成列車運行速度下降，給鐵路部門帶來時間損失和經濟損失。相關數據表明，列車車輛配置問題占到不理想軟管分離原因的52%。

對有墊圈的車輛而言，車輛端頭的結構通常能夠使端頭軟管沿車輛中心線移動。如果車輛端頭的配置不能使端頭軟管自由移動，就導致施加在端頭軟管上的拉動力過大。移動端頭軟管的力有時候大于拉動并且使氣閘連接器分離的力[1]。人們認為氣閘連接器墊圈也是產生不理想軟管分離的源頭。拉開使用標準墊圈而且正確連接的氣閘連接器所需的力在1100～1700 N。然而，如果氣閘連接器墊圈不準直，那么分離力會下降到很低，墊圈就會在保持氣壓的過程中揉搓扭曲而不能保持其拉開力的強度。如果車輛配置需要與未能恰當準直的氣閘連接器墊圈連接相耦合，會導致拉開氣閘連接器的力與移動車輛的力相重疊，于是就會產生一個不理想軟管分離。對不準直的氣閘連接器產生的分離力進行研究，發現它們可以小于移動車輛上的卸扣所需的力。反之，也可以說明不準直的氣閘連接器是造成不理想軟管分離的真實原因。

對新型的氣閘連接器進行研究，其中的墊圈在耦合時候不會揉搓扭曲。對確保端頭軟管的拉開力總是大于移動車輛配置所需力的最大值方面進行了研究，發現如果這2 個條件得到滿足，發生不理想軟管分離的概率就會大大降低。

根據在若干鐵路設施上[1]所觀察到的和在測試實驗室所證明的，當2 個氣閘連接器耦合并且仍舊保持壓力時，氣閘連接器是既揉搓又扭曲。平拱處進行了實驗室測試以決定已經變得不準直的墊圈所必需的拉開力。為了確定所需的力，使用了1 個模擬系統，其中車輛的一端采用符合美國鐵路協會規范S—4021[2]的1 個固定框架進行模擬。這套裝置有1 個安裝在軟管端頭上的測力傳感器，及1 個能夠記錄最高測得力的數字讀出器。相鄰的車輛用1 個模擬美國鐵路協會規范S—427 車輛規范所規定的結構的移動機構進行模擬[3]。在系統的底部放置了2 個鋁制通道來模擬鐵軌，所有與軌道頂部相關的部件的高度要從鋁制通道的頂部起進行測量。所有的尺寸和部件均按照美國鐵路協會規范S—427 規范的要求進行設計和安裝[3]。2 個軟管的分離速度設定在約1 英里/小時（1.609 km/h）。

實驗由1 個不熟悉端頭軟管耦合的人執行，以便再現實際情況中的不準直氣閘連接器的概率。端頭軟管耦合在一起，總共分離100 次。每個軟管由1 個氣閘連接器、墊圈、公管接頭、2 個金屬箍和1 個軟管坯料組成。軟管坯料符合美國鐵路協會規范M—601 規范[4]。每一次氣閘連接器被分離的時候都要記錄下拉開氣閘連接器所需要的最大的力。實驗結果清楚地表明，在很多情況下分離氣閘連接器所需要的力小于通常分離端頭軟管所需要的力，表明墊圈不準直時拉開端頭軟管所需要的力明顯下降。

2 解決辦法

氣閘連接器墊圈在現有尺寸上很容易變得不準直，這主要是由于墊圈的幾何形狀[5]。現有的墊圈很容易移動并且能夠在墊圈槽內移動。其解決辦法是把墊圈側壁厚度的寬度加大一倍，借此增大耦合2 個氣閘連接器時阻擋形變的能力。這樣也可以防止由于表面積增大而導致不準直。

雙倍寬墊圈的配合側壁厚度為0.312 英寸而目前的側壁厚度為0.156 英寸。而大的側壁可以給墊圈增加防止墊圈在墊圈槽內揉搓扭曲的強度。這種設計比目前的墊圈要使用更多的材料，使之不容易在墊圈槽內揉搓和變形。

雙倍寬墊圈的表面積增大可以防止墊圈變形，因為接觸面積明顯大于墊圈在墊圈槽內所能夠發生形變的總量。增大的表面積加上較低硬度橡膠，也能在配合墊圈之間產生較大的粘著摩擦，幫助它們結合在一起。雙倍寬墊圈的內徑并沒有改變，以使在制動系統中保持正常的氣流。

研究采集的數據表明，如果有一種方法能夠使拉開端頭軟管所需的力總是大于移動車輛上的卸扣所需的力，就可以降低發生不理想軟管分離的頻率。即只要確保拉開端頭軟管的力保持在2670 N，就可以降低不理想軟管分離的總量。

3 實驗室測試

所有的測試都是在先前的“不準直方面的發現”一節中所采用的設備上進行的。測試設定為每一次測試進行100 個循環，進行多次測試。第一次測試使用裝有雙倍寬墊圈的2 個軟管總成，由沒有經驗的人員進行耦合。在把這次測試結果與標準墊圈結果進行對比時，可以十分清楚地表明新的總成能在安全的水平上保持解開軟管所需的力。

即使是沒有經驗的人員，也沒有出現軟管與雙倍寬墊圈不正確耦合的情況。即便墊圈稍稍偏離中心，也有足夠的材料用來接觸，以保持墊圈適宜準直，并且提供足夠的密封。和標準墊圈相比，在耦合雙倍寬墊圈的時候，沒有出現新的困難。消除了不準直的墊圈，加上改進了新墊圈的幾何形狀，分離力就恒定地保持在2600～3100 N。

下一步測試用停留在移動機構上的雙倍寬墊圈，和取代了固定軟管的標準墊圈總成進行。這個測試模擬現場上的2 個耦合在一起的不同的軟管的行為。

當一個標準墊圈與雙倍寬墊圈耦合的時候，拉開力恒定保持在2200 N。即便如此，其拉開力仍然低于雙倍寬墊圈而高于移動車輛配置所需的力。這項測試表現出來的行為是：當標準墊圈與雙倍寬墊圈不準直的時候，在軟管加壓的時候它就會自己定中心并且自己校正。這種組合不產生于任何不準直的墊圈。分離力恒定地保持在2200 N。

墊圈對比排除了任何不準直的氣閘連接器。這是在良好的連接的條件下嚴格地對比拉開力。它展示了墊圈連接類型之間的差異。較高的數值屬于雙倍寬墊圈，而標準墊圈，即便出自不同的廠商，卻展現了低于原先預想的力（值）。

測試已經表明，當墊圈不準直的時候，分離端頭軟管所需的力降低了。引入雙倍寬墊圈，即便與標準墊圈總成耦合，也大大增加所需要的拉開力。還消除了墊圈不準直的風險。在所有所進行的測試中，雙倍寬墊圈從未產生過不準直的情況。

當2 個雙倍寬墊圈耦合在一起的時候，墊圈不會不準直。分離它們的力會高于常規墊圈的分離力。這一點已經在測試數據中反映出來。只要在測試中使用了雙倍寬墊圈，分離軟管所需的拉開力絕對不會低于1780 N。雙倍寬墊圈的側壁要比標準墊圈的要堅硬，這就幫助它抵抗可使常規墊圈不準直的揉搓和彎曲動作。雙倍寬墊圈由于表面積增大，還可以增大分離時候墊圈表面之間的摩擦力。計算常規摩擦力通常忽略表面積的作用，這是因為一個滑動塊的覆蓋面積實際上遠大于接觸面積。然而，對于橡膠而言，其低彈性系數產生于其接口處的相當大的接觸面積[6]，于是表面積就起了很大作用。當2 個軟管耦合在一起時，墊圈增大的表面積會造成墊圈之間的摩擦力增大，較大的粘著摩擦會幫助增大分離軟管所需要的力。

提高分離端頭軟管所需要的力十分重要，這可以防止所需力進入移動車輛所需力的范圍。現場測試采集的數據表明移動車輛配置卸扣的力在5～280 N 之間變化，平均值為85 N[1]。這一數據被采納了然后產生了10 000 個與現場測試的邏輯分布相匹配的隨機情形。它們還與現場測試數據具有相同的參數。利用從標準墊圈分離取得的數據進行了相同的隨機成生，還利用雙倍寬墊圈分離數據進行了相同隨機生成。

把車輛移動數據與墊圈分離數據一起進行分析，明顯可以看出在兩者所需力相同的情況下有一個重疊。因為認為這個重疊是造成不理想軟管分離的原因。利用雙倍寬墊圈可以把拉開力增大到大大高于移動車輛配置所需力的程度。

雙倍寬唇形墊圈的設計成功地消除了不準直問題。以上所有問題都可以隨之或即將迎刃而解。這項設計已經進行現場實地測試。目前有總共100 臺軌道車，包括一個雙層和三層的車架組合。在2018年4月30日至5月15日，接受檢查并且裝配上雙倍寬墊圈和氣閘連接器。軌道車的數量記錄下來了，正在跟蹤不理想軟管分離的數量。目前看來，配置了雙倍寬墊圈的車輛未出現不理想軟管分離的問題。

4 討論與結論

車輛配置與大多數不理想軟管分離有關。從采集的數據發現，分離端頭軟管所需要的力變化范圍很大，一般認為在1780～2670 N。但實際測試發現，其范圍為1100～1700 N。這是因為不準直的墊圈可以把范圍為1100～1700 N 的拉開力降低到130 N。這個發現導致了不準直墊圈造成不理想軟管分離的理論的產生。在車輛運動力上進行的測試表明，移動車輛的力可以在0～280 N 變化。全部測試總體認為，有一個范圍，即130～280 N，移動車輛配置的力可以大于分離2 個端頭軟管所需要的力，在現場這可以導致產生不理想軟管分離。這個問題的解決辦法，就是把分離端頭軟管的力保持在遠遠高于運動車輛配置所需力的水平上。

雙倍寬墊圈消除了不準直墊圈的可能性，因而總是能把分離端頭軟管的力保持在遠遠高于移動車輛配置所需力的水平上。現場測試也表明，在使用雙倍寬墊圈時發生不理想軟管分離的次數大大降低。通過顯著降低不理想軟管分離的發生，列車停運的發生率也隨之降低，從而提高鐵路運行效率。