和諧型機車制動系統空氣管路C6修檢修策略研究*

劉 鋒，容長生，寇樹仁，白 鋒

（1 中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲412001；2 中國國家鐵路集團有限公司，北京100844；3 中車大同電力機車有限公司，山西大同037038）

截止到2019年，全國和諧型機車累計生產11000余臺，最早配屬的HXD1、HXD3、HXD3C型機車于2017年底開始進入C6修修程。和諧型機車C6修是機車全面分解檢修，全面性能參數測試，恢復基本性能，可同時進行機車或主要部件的技術提升的最高級修程，空氣管路作為機車制動系統的重要組成部分和載體，其C6修狀況直接影響機車的運用安全。因此，需系統科學地研究空氣管路的C6修檢修策略。

1 和諧型機車制動系統空氣管路介紹

和諧型電力機車主要分為HXD1系列、HXD2系列以及HXD3系列，和諧型內燃機車主要有HXN3系列和HXN5系列。制動系統空氣管路采用不銹鋼管、碳鋼管或鍍鋅管，見表1。

表1 主要車型制動系統空氣管路材質

根據機車的實際情況，采用不銹鋼材質的鋼管，其狀態相對較好，而非不銹鋼鋼管表面部分存在銹蝕較為嚴重的現象。機車車下風管不銹鋼材質與碳鋼管C6修清潔前后狀態對比如圖1、圖2所示。

圖1 不銹鋼鋼管清潔前后對比

圖2 碳鋼管清潔前后對比

2 空氣管路C6修檢修要求

C6修規程對空氣管路的要求基本是“管路清潔，安裝良好。管路及管路接頭不許有松動、變形、裂損及泄漏”、“對鋼管進行外觀檢查，如有嚴重變形、裂損需進行更新處理；內外壁清潔”。根據規程要求，對空氣管路主要是表面清潔及狀態檢查。

管路傳統清潔的方法是鋼管外壁采用人工擦拭，內部采用高壓氣槍和海綿子彈進行清潔。通常采用中性清洗劑和熱水按照1∶20的比例勾兌成清洗液，水溫在38.5～42.5℃之間，將軟棉抹布在清洗液中投洗擰干后擦拭管路，或者抹布加用酒精進行擦拭。管接頭等不易清洗的部分采用硬毛刷蘸取清洗劑清洗，清洗后用干抹布擦干凈。外壁清潔后，用對應規格的清潔氣槍和海綿子彈對管路內壁進行清潔至少3次，觀察第3次打出的海綿子彈，如有嚴重銹蝕，則繼續清潔2次，若仍有嚴重銹蝕，則該管路報廢。如海綿子彈表面沒有明顯銹蝕，則用封口橡膠套對管口封口后放入指定區域，海綿子彈與清潔氣槍如圖3所示。

圖3 海綿子彈（左）與清潔氣槍（右）

外壁有銹蝕的鋼管（如鍍鋅管和碳鋼管），清潔前需用工業清洗劑涂刷，待清洗劑自然風干后，再用砂紙對外表面進行打磨，除去外表面鐵銹。對于焊接的鋼管，采用工業內窺鏡檢查管路內壁焊接情況。對于狀態較差的鋼管，一般是直接更新，不符合經濟檢修的理念。因此，有必要研究新的清潔方案和狀態檢查方案。

3 超聲波清洗方法

3.1 超聲波清洗原理

超聲波是一種機械波，超聲波發生器產生的高頻、高壓電流激勵超聲波換能器產生超聲波。超聲波振動在液體傳播過程中，其功率密度為0.35 W/cm2，這時在液體中傳播的超聲波的聲波壓強峰值就可以輕易達到真空或負壓；此時液體中存在著一個很大的物理力，液體分子則在物理力的作用下被拉裂成空洞，這一空洞十分接近于真空狀態。當周邊壓力突增，液體分子內部產生較大的沖擊力而將清洗對象的污染物沖擊去除，這樣的許多個十分密集而細小的拉裂空洞產生沖擊的現象就是“空化”。“空化”作用最容易在固體和液體的交界邊產生，對于處于超聲作用液體下的物體具有十分良好的清洗效果。超聲波技術還有一大特點，可以穿透固體，穿透到清洗物體的另外一個表面，達到全方位清洗的目的［1］。

超聲波管道清洗機必須具備2個基本部件：高頻高壓大功率電信號的超聲波發生器以及能將電能轉化為機械能并經液體流通的管道式超聲波換能器，如圖4所示。

圖4 超聲波管道除垢清洗機示意圖

3.2 超聲波清洗技術的優點

超聲波清洗與傳統清洗技術相比，其優點如下：

（1）高精度：由于超聲波的能量能夠穿透細微的縫隙和小孔，故可以應用于任何零部件或裝配件清洗。被清洗件為精密部件或裝配件時，超聲波清洗往往成為能滿足其特殊技術要求的唯一清洗方式。

（2）一致性：無論被清洗件是大是小，簡單還是復雜，單件還是批量或在自動流水線上，使用超聲清洗都可以獲得手工清洗無可比較的均一清潔度。

（3）快速：超聲波清洗相對傳統的清洗方法在工件除塵除垢方面要快得多，裝配件無須裝配即可清洗。

正因為超聲波清洗有其他清洗方式無法比擬的優點，其運用越來越廣泛，由以前運用于清洗機械工件、電子元件等少數領域，發展到以后清洗化工領域、國防領域、軍事領域、首飾加工領域、飛機工業領域、食品清洗領域、餐具清洗領域、按摩洗浴領域等廣范圍的軍事、工業、民用領域［2］。

因此和諧機車的空氣管路的清洗也可以采用超聲波清洗方法進行。文獻［3］采用管路超聲波清洗機對CRH3型動車組制動管路檢修時，管路清潔效果良好，內部油污清除徹底。

4 超聲波測厚方法

和諧機車在C6修過程中發現，對于采用碳鋼管和鍍鋅管的機車，空氣管路鋼管外表面在螺紋裸露或面漆破損處出現過銹蝕，部分鋼管內部由于壓力空氣中存在的油水污物也有不同程度的銹蝕。對于出現銹蝕的鋼管，除了進行除銹處理外，還需要對鋼管的壁厚進行測量評估。機車空氣管路的壁厚偏差采用GB/T 17395-2008《無縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差》中標準化壁厚允許偏差中的S2級，不超過壁厚的±12.5%。采用傳統的游標卡尺的常規測量工具不能有效地測量鋼管的壁厚，因此為實現空氣鋼管C6修量值修車、精準檢修的理念，需采用其他有效的儀器和方法進行。

4.1 超聲波測厚技術的優點

目前現有的管道測厚方法有漏磁法、超聲波法、脈沖渦流法和電磁超聲法［4］。其中采用超聲波法研制的超聲波測厚儀得到了廣泛應用，其靈敏度高、穩定性好、工作可靠、操作簡單，是低功耗、袖珍式、智能化儀器，廣泛應用于電力、石油、化工、冶金、機械、船舶等部門檢測管道、鍋爐和壓力儀器的壁厚，是設備安全運行的保障。

4.2 超聲波測厚原理

超聲波測厚原理是利用探頭測量超聲波信號往返于工件內、外表面之間的時間差，以此來確定工件厚度，如圖5所示。

圖5 超聲波測厚原理圖

在采用超聲波對鋼管厚度測量前需對鋼管表面進行清潔，保證金屬表面平滑、無雜物。測量時在探頭和金屬表面之間加聲阻抗大的耦合劑，減少聲波泄露損失，并施加適當壓力，盡量在相互垂直方向各測一次。超聲波法測到的是剩余壁厚，包括管道外壁和內壁的可能損失［5］。測量中可能需要其他儀器，如超聲探傷儀。

超聲探傷儀作用原理基本上與超聲測厚儀相同，都是利用超聲波本身對金屬材料的特殊反饋性質完成探測，在不同介質上的反射特點代表著不同介質的厚度和缺陷情況。超聲探傷儀多選用高頻小晶片縱波直探頭，超聲波檢測到金屬管道表面的耦合劑后通過其傳入工件，通過在工件內傳播并反饋給探頭，聲波信號轉化為電訊號進入電路，最終形成反應缺陷的反射波，也成為傷波。在超聲探傷儀應用中，缺陷距離和大小的計算主要是根據反饋回來的傷波、始波情況與工件缺陷之間的距離，獲得較為理想的檢測效果。因此應用超聲波探傷儀掃查管壁，可根據波形特點定性了解管壁厚度和缺陷狀態，判斷其處于均勻減薄缺陷還是非均勻減薄缺陷，同時掃查嚴重減薄區域，了解情況。

超聲波測厚儀與超聲波探傷儀結合應用，可以按以下規則對鋼管壁厚進行檢測：

（1）管壁厚度變化均勻、壁厚不小于0.4 mm時，可以直接采用超聲波測厚儀進行測量。

（2）管壁厚度變化不均勻、壁厚大于0.4 mm時，應先用超聲波探傷儀掃查，確定管壁減薄極限厚度下的面積區域，然后用超聲波測厚儀測量。

（3）測厚儀數據異常時，如無讀數（由于管內壁產生大量凹凸坑造成）、讀數異常高（由于殘余壁厚小于數毫米）、讀數異常低（由于管壁內含有夾層、裂紋等缺陷）時，應先用超聲波探傷儀判斷異常原因，以便獲得正常讀數。

5 結語

空氣管路的檢修質量直接關系到機車的運用安全。相對于傳統的空氣管路檢修方法，采用超聲波清洗技術能對管路進行較為徹底的清潔，采用超聲波技術對管壁能夠進行精確的測量。對于和諧型機車的空氣管路的檢修具有一定的借鑒作用。