ZD（J）9型轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿件防水研究

黃天新，丁召榮

(1．北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070；3．西安鐵路信號(hào)有限責(zé)任公司，西安 710100)

1 轉(zhuǎn)轍機(jī)防水的必要性

轉(zhuǎn)轍機(jī)用于室外道旁，受自然環(huán)境影響較大，現(xiàn)場(chǎng)使用中進(jìn)水情況較多，轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部進(jìn)水后，在晝夜交替過程中會(huì)反復(fù)產(chǎn)生水汽和凝露的交替變化，由于結(jié)構(gòu)原因，不開蓋晾曬的情況下，進(jìn)入機(jī)內(nèi)的水分難以排出機(jī)外。轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部長(zhǎng)期保持高濕度會(huì)產(chǎn)生如下有害影響。

1）吸水率高的絕緣零件絕緣性能急劇下降，甚至影響電路，電器的正常工作。

2）金屬表面及不同金屬界面的凝露溶解CO2、SO2、NO2等物質(zhì)形成電解液后會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

3）漆膜會(huì)發(fā)生鼓包、脫落、掉層等現(xiàn)象，降低防護(hù)能力，加速零件破壞。

4）零件表面的潤(rùn)滑劑會(huì)被稀釋、損耗，嚴(yán)重降低潤(rùn)滑效果，加劇零件磨損，增大運(yùn)動(dòng)阻力，甚至影響到設(shè)備功能。

5）金屬零件表面的油膜被稀釋、損耗，加速零件表面的腐蝕。

6）接點(diǎn)片結(jié)霜、冰，摩擦聯(lián)結(jié)器銹蝕，造成接觸不良、電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障。

經(jīng)多年使用經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證，加裝防護(hù)罩是比較簡(jiǎn)單有效的轉(zhuǎn)轍機(jī)防水措施，目前普速線路上已經(jīng)大量進(jìn)行應(yīng)用。

高鐵線路同樣存在轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部進(jìn)水的問題，但由于車輛運(yùn)行速度極高，加裝防護(hù)罩的防水方法受到限制，因此需要對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)水問題進(jìn)行研究以采取有效措施。經(jīng)分析研究，認(rèn)為應(yīng)按照如下思路進(jìn)行研究并采取措施。

1）找出進(jìn)水原因，確定進(jìn)水位置，從進(jìn)水處封堵。

2）機(jī)內(nèi)進(jìn)水后盡快將水排出機(jī)外,減小進(jìn)水后對(duì)機(jī)內(nèi)零部件及功能的影響。

2 轉(zhuǎn)轍機(jī)在使用中存在的進(jìn)水問題

2.1 靜密封處密封

轉(zhuǎn)轍機(jī)上蓋和機(jī)殼的開合面處，機(jī)殼上開孔處等部位在下雨天氣均是容易進(jìn)水的位置，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)采取密封措施進(jìn)行防水，并且會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，各進(jìn)水部位經(jīng)采取措施后基本都能解決進(jìn)水問題。

2.2 動(dòng)作桿及表示桿位置進(jìn)水

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有轉(zhuǎn)轍機(jī)基本都是動(dòng)作桿和表示桿兩根桿件從底殼伸出，表示桿目前均為方形截面，動(dòng)作桿分為方形和圓形截面兩種，除CTS2 轉(zhuǎn)轍機(jī)外，各型轉(zhuǎn)轍機(jī)的防護(hù)等級(jí)均按照IP54 設(shè)計(jì)，因此兩桿伸出底殼部位對(duì)水的密封性能有限，經(jīng)分析，動(dòng)作桿及表示桿處進(jìn)水原因如下。

轉(zhuǎn)轍機(jī)伸出桿件與孔及填充零件的配合有間隙，當(dāng)桿件表面附著水珠時(shí)，可能隨桿件運(yùn)動(dòng)進(jìn)入轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部，甚至桿件表面的雨水可能沿桿件流入轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部。

多數(shù)機(jī)型在底殼上桿件入口處設(shè)計(jì)有儲(chǔ)油結(jié)構(gòu)，以對(duì)桿件進(jìn)行潤(rùn)滑，如油氈，當(dāng)油氈儲(chǔ)油飽滿時(shí)可以減緩桿件水珠進(jìn)入，但其油量會(huì)逐步消耗，如果不能及時(shí)補(bǔ)充，則油氈會(huì)吸儲(chǔ)桿件表面水分，當(dāng)吸儲(chǔ)飽滿時(shí)，桿件擠壓油氈，會(huì)使油氈中水分析出而流入轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部，如此反復(fù)，轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部就會(huì)進(jìn)水。

現(xiàn)有轉(zhuǎn)轍機(jī)的表示桿基本都是兩片桿件貼合的結(jié)構(gòu)，兩片桿件之間的縫隙形成毛細(xì)結(jié)構(gòu)，當(dāng)水進(jìn)入縫隙后，在其表面張力和水與鋼材的浸潤(rùn)現(xiàn)象作用下，并不能在重力作用下從縫隙下部流出，而是沿縫隙流動(dòng)，直至水量足夠或者縫隙變寬才會(huì)從下部滴下，這樣，當(dāng)露出機(jī)外的表示桿兩片桿件縫隙進(jìn)水后，即使表示桿不運(yùn)動(dòng)，水也會(huì)沿著兩片桿件縫隙進(jìn)入轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部，因此在下雨天氣時(shí)，如果桿件沒有防護(hù)，即使轉(zhuǎn)轍機(jī)不轉(zhuǎn)換，雨水也會(huì)沿兩片表示桿之間的縫隙進(jìn)入轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部。

2.3 針對(duì)性措施

2.3.1 動(dòng)作桿表面密封措施

為解決雨水從此處進(jìn)入轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部的問題，設(shè)計(jì)制作專用密封圈，由于需要防止外露桿件表面的雨水進(jìn)入，參考Y 形密封圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)用時(shí)Y 形口向著桿件外露部分，當(dāng)桿件向轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)時(shí)，其表面的水被密封圈的唇口刮掉并阻止其進(jìn)入轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部。

2.3.2 兩片表示桿縫隙的防水措施

前述的專用密封圈可以防止桿件表面的水進(jìn)入轉(zhuǎn)轍機(jī)，但是不能解決兩片表示桿縫隙進(jìn)水的問題。由于此處進(jìn)水原因是水的表面張力足以克服狹縫中水的重力，使其不能順暢的從狹縫下部流出，故在表示桿停止時(shí)靠近且露出機(jī)殼的位置加工連通其上下表面的排水槽。如圖1 所示。首先方便桿件上平面的雨水從排水槽流下，同時(shí)使表示桿兩片之間的狹縫在此處變寬，沿狹縫流動(dòng)的水到此位置后，由于水珠的重力大于表面張力而滴下。

圖1 表示桿排水槽Fig.1 Drainage slot of Indication rod

2.4 其他措施

如前所述，對(duì)于轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部進(jìn)水問題，應(yīng)該采用防、排結(jié)合的方法進(jìn)行解決。通常轉(zhuǎn)轍機(jī)均設(shè)置排水孔，當(dāng)機(jī)內(nèi)有積水時(shí)，可以打開排水孔排放積水。除此之外，以下措施也可以有效排水。

2.4.1 孔套零件上設(shè)計(jì)排水結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)作桿和表示桿在壽命周期內(nèi)需要反復(fù)伸出及縮入，通常使用孔套或類似零件對(duì)動(dòng)作桿及表示桿進(jìn)行定位，由于其內(nèi)孔周邊與桿件外周接觸、摩擦，若桿件周邊有水，肯定會(huì)流入孔套零件，因此，在孔套零件上設(shè)計(jì)導(dǎo)流、排水結(jié)構(gòu)，可以有效控制其中水的流動(dòng)方向，使其按照設(shè)計(jì)意圖流出轉(zhuǎn)轍機(jī)外。如圖2 所示。

圖2 孔套零件的導(dǎo)流排水結(jié)構(gòu)Fig.2 Drainage structure of hole sleeve parts

2.4.2 設(shè)計(jì)通風(fēng)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部進(jìn)水后，隨著晝夜溫度的變化，機(jī)內(nèi)的水分會(huì)反復(fù)蒸發(fā)、冷凝，冷凝后會(huì)在絕大部分零件表面產(chǎn)生水珠，最終會(huì)加速零件銹蝕，加速潤(rùn)滑劑流失，增大轉(zhuǎn)轍機(jī)故障率。因此進(jìn)入轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部的水分應(yīng)盡快排出，通常排水孔不能完全排出所有積水，并且附著在零件表面的冷凝水不能從排水口排出，也不可能完全擦拭掉，因此，需要在轉(zhuǎn)轍機(jī)上設(shè)置通風(fēng)結(jié)構(gòu)來盡快排出內(nèi)部水汽，通風(fēng)結(jié)構(gòu)需考慮防雨水、濺水，應(yīng)充分利用外界自然風(fēng)和列車通過時(shí)的強(qiáng)迫風(fēng)使機(jī)內(nèi)和機(jī)外空氣交換。根據(jù)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)，可在機(jī)蓋兩端各設(shè)置一個(gè)防雨、防濺的通風(fēng)孔。

3 相關(guān)測(cè)試及驗(yàn)證

3.1 密封圈阻力測(cè)試

彈性密封圈緊貼桿件表面，在靜止時(shí)可以阻擋水沿桿件表面流進(jìn)轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部，在運(yùn)動(dòng)過程中可以刮掉桿件表面的水，使其不能隨桿件進(jìn)入轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部，但在彈力和摩擦系數(shù)較大時(shí)，可能產(chǎn)生明顯的摩擦阻力，增加轉(zhuǎn)轍機(jī)的內(nèi)部損耗，因此需對(duì)此變化產(chǎn)生的影響進(jìn)行測(cè)試。使用測(cè)力計(jì)在不同環(huán)境溫度下測(cè)量拉動(dòng)桿件所需要的力，測(cè)量結(jié)果如圖3 所示。

由測(cè)試結(jié)果可明顯看出，彈性密封圈相對(duì)于初始設(shè)計(jì)摩擦力并沒有增大，并且在低溫環(huán)境下，摩擦力小于初始設(shè)計(jì)，在改善密封性能的同時(shí)并沒有增大轉(zhuǎn)換阻力。

3.2 兩片表示桿縫隙設(shè)置排水槽驗(yàn)證

轉(zhuǎn)轍機(jī)靜止時(shí)，在表示桿上平面淋水，觀察水流情況，可以發(fā)現(xiàn)水從表示桿縫隙流入，在表示桿下平面縫隙處會(huì)形成水滴，水沿縫隙流動(dòng)，水滴會(huì)逐漸遠(yuǎn)離淋水位置，因此水會(huì)沿縫隙進(jìn)入轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部。如圖4、5 所示。

在表示桿貼合面加工排水槽后繼續(xù)前述試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)水滴延續(xù)到排水槽處后不再延伸，分開兩片表示桿觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)水漬延續(xù)到排水槽處后不再延伸，如圖6 所示，證明排水槽斷開了兩片表示桿縫隙中水向遠(yuǎn)處的延續(xù)流動(dòng)，在轉(zhuǎn)轍機(jī)靜止時(shí)，兩片表示桿縫隙處設(shè)置合理的排水槽可以減少水沿縫隙流入轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部的概率。

對(duì)有排水槽和無排水槽的表示桿，也進(jìn)行了轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換過程的防水對(duì)比試驗(yàn)，兩臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)擺放在室外，一臺(tái)使用有排水槽表示桿，一臺(tái)使用無排水槽表示桿，兩臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)的表示桿均使用工裝與動(dòng)作桿連接，使兩臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)間歇通電動(dòng)作，經(jīng)過下雨天氣之后觀察兩臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部的積水情況，發(fā)現(xiàn)均是在底殼內(nèi)對(duì)應(yīng)表示桿下部位置有積水，且有排水槽的表示桿處進(jìn)水量相對(duì)較少。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)兩臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行測(cè)試，使用水泵抽水噴淋到表示桿上表面，在轉(zhuǎn)轍機(jī)間歇轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)，觀察兩種表示桿的防水性能沒有明顯差異，分析原因是噴淋水量比較大，排水槽內(nèi)的水沒有完全流出時(shí)就被帶入轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)。

圖3 動(dòng)作桿向轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)阻力Fig.3 Internal motion resistance of the throw rod towards switch machine

圖4 水沿兩片桿件縫隙流動(dòng)Fig.4 Water flows through the gap between the two pieces of indication rod

圖5 兩片桿件縫隙進(jìn)水痕跡Fig.5 Water mark between the two pieces of indication rod

圖6 水漬延續(xù)痕跡Fig.6 Water mark remained

3.3 孔套零件排水結(jié)構(gòu)必要性及有效性

以ZD（J）9 轉(zhuǎn)轍機(jī)方孔套為例，設(shè)計(jì)導(dǎo)流斜面及排水孔，各加工面未進(jìn)行防護(hù)處理，安裝于室外試驗(yàn)轉(zhuǎn)轍機(jī)上，經(jīng)過下雨天氣后，拆除表示桿處方孔套觀察，導(dǎo)流斜面及排水孔均有明顯鐵銹痕跡，如圖7 所示。可見這些位置在下雨天氣有雨水流過，表明此零件設(shè)置導(dǎo)流、排水結(jié)構(gòu)很有必要，否則，部分被排出的水肯定會(huì)流入轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部，同時(shí)也證明所設(shè)計(jì)的導(dǎo)流、排水結(jié)構(gòu)有效，按照設(shè)計(jì)意圖將此處的雨水排出了機(jī)外。

圖7 方孔套內(nèi)導(dǎo)流排水痕跡Fig.7 Diversion and drainage marks inside square hole sleeve

3.4 通風(fēng)結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

將多個(gè)車站的轉(zhuǎn)轍機(jī)上蓋直接更換，使用帶通風(fēng)結(jié)構(gòu)的上蓋，現(xiàn)場(chǎng)反饋效果明顯，和更換前同季節(jié)及相同降水情況相比，開蓋后發(fā)現(xiàn)積水的概率明顯下降。在安裝了機(jī)內(nèi)溫濕度傳感器的車站，使用不同上蓋的轉(zhuǎn)轍機(jī)濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，使用通風(fēng)結(jié)構(gòu)上蓋的轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部相對(duì)濕度明顯小于使用無通風(fēng)結(jié)構(gòu)上蓋的轉(zhuǎn)轍機(jī)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，戶外使用的轉(zhuǎn)轍機(jī)容易在下雨天氣發(fā)生機(jī)內(nèi)進(jìn)水現(xiàn)象，尤其是沒有安裝防雨罩的轉(zhuǎn)轍機(jī)。轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)水后，其壽命、功能、可靠性會(huì)受到明顯影響，因此，應(yīng)該采取措施加強(qiáng)各處密封，降低轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)水概率，同時(shí)采取有效的排水措施，使進(jìn)入機(jī)內(nèi)的水分盡快排出。轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行水密封設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意如下問題。

1）轉(zhuǎn)轍機(jī)運(yùn)動(dòng)桿件處進(jìn)水幾率較大，尤其是兩片結(jié)構(gòu)的分動(dòng)表示桿處容易進(jìn)水，且難以實(shí)現(xiàn)密封。

2）本文介紹的桿件密封結(jié)構(gòu)可以改善運(yùn)動(dòng)桿件密封性能，且在-40℃～70℃的溫度范圍內(nèi)，對(duì)桿件產(chǎn)生的摩擦阻力數(shù)值較小，對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)的轉(zhuǎn)換沒有明顯影響。

3）在兩片表示桿狹縫合理設(shè)置排水槽，可以有效阻止水沿狹縫流入轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部，尤其在轉(zhuǎn)轍機(jī)不轉(zhuǎn)換的情況下，阻斷效果尤其明顯。

4）設(shè)計(jì)通風(fēng)結(jié)構(gòu)及孔套零件設(shè)計(jì)導(dǎo)流、排水結(jié)構(gòu)等輔助措施對(duì)于轉(zhuǎn)轍機(jī)防水及排水均有明顯效果。

5）轉(zhuǎn)轍機(jī)的防水應(yīng)重視防排結(jié)合。