SS4改型電力機車單缸抱閘導致輪箍弛緩的原因分析及對策

李建設,李曉東

(1 北京鐵路局 石家莊電力機務段,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務段在石太線擔當貨運任務的SS4改型電力機車,連續(xù)發(fā)生幾起單缸不緩解造成輪箍弛緩,對行車安全構成了極大威脅。為此,對SS4改型機車的單缸制動器進行了集中整治。但經(jīng)過這些整治后,該問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輪弛緩。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn),發(fā)生問題的機車,大多都是經(jīng)過了1次中修之后,走行公里接近2次中修,而且多發(fā)生在大交路機車上。

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

1 閘瓦間隙自動調(diào)整裝置的作用原理

SS型機車的基礎制動裝置采用獨立式單元制動器,它由制動缸、杠桿傳動系統(tǒng)、閘瓦間隙自動調(diào)整器和閘瓦等組成。SS4機車除1、6軸為單側(cè)閘瓦制動外,2～5軸均為雙側(cè)閘瓦制動。而SS4改型機車均為單側(cè)閘瓦制動,其閘瓦布置方式從操縱端(無論A節(jié)或B節(jié))數(shù)起,單數(shù)軸為后側(cè)閘瓦制動,雙數(shù)軸為前側(cè)閘瓦制動。SS4型機車閘瓦與輪箍踏面的設計間隙為6～9 mm,當閘瓦間隙過大時,調(diào)整裝置將自動調(diào)小閘瓦間隙。

就SS4改型機車而言,其制動系統(tǒng)有一特殊之處:當制動機單閥置于緩解位,自閥施行最小減壓量時,制動缸壓力會瞬間升至30 kPa后再自動降為0。在這個過程中,所有閘瓦都會出現(xiàn)先抱輪而后再自行緩解的現(xiàn)象。如果此時閘瓦間隙超過6.2 mm,基礎制動裝置便會自動完成一次調(diào)小閘瓦間隙的過程。

SS4改型機車在運行中,閘瓦間隙不是一成不變的,軸箱拉桿的狀態(tài)、機車工況的變化、線路曲線的變化等因素,都會使閘瓦間隙發(fā)生變化。如果此時基礎制動裝置動作,閘瓦間隙自動調(diào)整裝置就會調(diào)整閘瓦間隙,使間隙變小甚至導致閘瓦抱輪。

2 導致閘瓦間隙發(fā)生變化的綜合因素分析

2.1 軸箱拉桿的狀態(tài)對閘瓦間隙的影響

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

SS4改型機車的軸箱拉桿采用雙扭線彈性定位拉桿裝置,由拉桿體、長拉桿、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整體彈性元件,它承受傳遞各種負荷(牽引力、制動力、沖擊力和橫向力)并緩沖各種激擾力,改善了機車運行性能。以前SS4及現(xiàn)在的SS1機車的軸箱拉桿的長、短拉桿內(nèi)裝有橡膠圈,長拉桿內(nèi)兩個,短拉桿內(nèi)一個,后來我段“0”字頭SS4改型機車取消了橡膠圈,均采用的是把橡膠直接固化到長短拉桿上的整體式拉桿。

從機車檢修情況看,原來SS4機車中修時,工藝要求必須更換橡膠端墊、橡膠圈,而目前中修工藝對是否更換整體長短拉桿沒有明確要求。因此,SS4改型機車在實際中修時長短拉桿也沒有進行更換,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手段,僅靠日常靜態(tài)下的目測檢查,很難判斷其性能的優(yōu)劣。如果中修時不更換,隨著機車運用周期的延長,橡膠的老化程度將會日趨嚴重。因為輪對與基礎制動裝置之間就靠軸箱拉桿實現(xiàn)彈性定位,由于橡膠老化,就會導致機車在牽引或電阻制動工況下,輪箍踏面與閘瓦之間的間隙發(fā)生不正常的變化,甚至導致機車運行中閘瓦抱輪造成輪箍弛緩。

2.2 機車牽引工況對閘瓦間隙的影響

機車牽引力是由輪對踏面與軌面的相互作用而產(chǎn)生的。在機車牽引運行過程中,由于牽引力的作用,勢必造成輪對相對于轉(zhuǎn)向架的前移傾向。前移的結果,將造成運行方向的奇數(shù)軸位的閘瓦間隙變大(閘瓦在動輪后面),大于機車靜態(tài)下的閘瓦間隙;偶數(shù)軸位的閘瓦間隙變小(閘瓦在動輪前面),小于機車靜態(tài)下的閘瓦間隙。特別是在上坡道方向,機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,在機車牽引狀態(tài)下實行緊急制動時,如果在牽引力解除之前閘瓦就已經(jīng)抱輪,那么對于閘瓦間隙大于6 mm的軸位,閘瓦間隙調(diào)整器就會進行一次間隙調(diào)整,在機車緩解之后就容易出現(xiàn)奇數(shù)軸位的閘瓦間隙調(diào)整過小甚至完全消失的問題。

2.3 機車電制動工況對閘瓦間隙的影響

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

就石太線具體情況而言,空電配合控制長大下坡道的列車速度是常用的操縱方法。使用電阻制動時,電制動力迫使輪對后移,此時實施常用制動,雖然單閥在緩解位,但由于會出現(xiàn)瞬間的閘瓦抱輪后再緩解的過程,將導致偶數(shù)軸位的閘瓦間隙自動調(diào)小。在連續(xù)長大下坡道電制動工況下,如果電制動力繼續(xù)增加,再頻繁實施空氣制動,閘瓦間隙就會再次自動調(diào)整,勢必導致偶數(shù)軸位的閘瓦間隙調(diào)整過小。特別是當列車運行在長大起伏坡道上,運行工況發(fā)生變化時,情況會更為嚴重。當列車運行工況由電制動轉(zhuǎn)為惰力運行時,隨著軸箱相對于轉(zhuǎn)向架位置的自動復原,閘瓦間隙可能會完全消失,閘瓦與輪箍摩擦時間越長,隨著溫度升高輪箍弛緩的可能性就越大。當列車運行工況由電制動轉(zhuǎn)為牽引運行后,閘瓦間隙完全消失甚至出現(xiàn)負值的可能性會進一步變大,牽引力越大,運行時間越長,則輪箍弛緩的可能性越大。這也是我段長交路機車容易發(fā)生輪箍弛緩的重要原因。

在平道(如京廣線)運行的SS4改型機車,在調(diào)速時單憑電制動就能基本滿足需要,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)生輪箍弛緩的問題。

2.4 線路曲線對閘瓦間隙的影響

石太線地處山區(qū),坡道大、曲線多,線路情況比較復雜,小半徑曲線多達80余處。眾所周知,曲線的外軌具有一定的超高,當列車以超過v=Rh/11.8(R是曲線半徑,h是線路超高值)的速度通過曲線時,將產(chǎn)生未平衡離心力。運行速度越高,則未平衡離心力越大。此時,在該力的作用下,車體、轉(zhuǎn)向架和輪對將一起向外軌側(cè)偏移。由于外軌側(cè)的輪緣受到外軌的限制,因此輪對的偏移量較小,而轉(zhuǎn)向架和車體偏移量則很大。因為基礎制動裝置是固定在轉(zhuǎn)向架上的,所以閘瓦與輪箍踏面的相對位置將發(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,當列車以低于v=Rh/11.8的速度通過曲線時,在外軌超高的作用下,車體、轉(zhuǎn)向架和輪對將向內(nèi)軌側(cè)偏移。運行速度越低則偏移量越大。此時,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。

機車輪對踏面有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)。假設閘瓦摩擦面沒有錐度,那么如果把閘瓦間隙在輪箍踏面外緣處調(diào)整為6 mm時,在機車緩解狀態(tài)下通過曲線時,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(比如機車出庫時)就很小,那么機車通過曲線運行時,偏向輪緣的那些閘瓦就會始終抱輪或緊貼輪緣。事實上,由于機車輪對的橫動量過大,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,會使閘瓦間隙變大。如果此時正處于電阻制動工況,運行方向偶數(shù)軸位的那些閘瓦間隙會更大,如果此時使用空氣制動,那么閘瓦間隙調(diào)整器會把閘瓦間隙自動調(diào)小。同理,如果此時正處于牽引工況,運行方向奇數(shù)軸位的那些偏向踏面外緣的閘瓦間隙會更大,如果此時基礎制動裝置動作,同樣造成閘瓦間隙自動調(diào)小。

2.5 輪對單、雙側(cè)閘瓦制動對閘瓦間隙的影響

對于采用雙側(cè)閘瓦制動的機車(如SS1機車的2～5軸)在制動時,由于輪對前后側(cè)的閘瓦壓力大小相等、方向相反,對輪對的作用力互相抵消,所以閘瓦間隙不會因制動、緩解發(fā)生變化。但采用單側(cè)閘瓦制動的SS4改型機車在制動時,制動側(cè)的閘瓦壓力同樣會使輪對(軸箱)發(fā)生位移,造成運行方向奇數(shù)軸位輪對前移、偶數(shù)軸位輪對后移。1996年我段也曾連續(xù)發(fā)生過SS1機車1、6軸(均為單側(cè)閘瓦制動)單缸抱輪造成輪箍弛緩的問題,說明單側(cè)閘瓦制動確實存在這方面的隱患。

綜合上述分析得知,機車閘瓦間隙的調(diào)整,是在空氣制動時閘瓦的制動、緩解過程中自動實現(xiàn)的。在輪對軸箱位移量正常的前提下,閘瓦間隙的設計值以及閘瓦間隙的自動調(diào)整量應當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,剛度和強度變小,甚至軸箱內(nèi)的軸承損壞之后,在牽引力、電制動力、空氣制動力和橫向力的聯(lián)合作用下,閘瓦間隙的變化范圍將進一步擴大,從而導致閘瓦間隙的自動錯誤調(diào)整,而且是只能調(diào)小不能調(diào)大。在這種情況下,當機車運行工況發(fā)生變化(如空電配合制動后改為惰力運行或牽引運行)或曲線轉(zhuǎn)彎方向發(fā)生變化(如S型曲線路段)時,軸箱會恢復原位甚至向相反方向移動之后,由于閘瓦間隙消失,極易導致單缸抱輪,釀成輪箍弛緩事故。

實地考察SS4改型0481號機車輪箍弛緩后,對所有機車的閘瓦間隙進行普查,結果發(fā)現(xiàn)大多數(shù)機車的靜態(tài)閘瓦間隙均小于6 mm,甚至個別閘瓦只有3 mm。2008年5月15日又做了試驗,長交路機車SS4改型0418號機車在榆次西折返段庫內(nèi),將A節(jié)車的8個單缸制動器閘瓦都調(diào)整到標準6 mm,并在棘輪棘齒上做出標記,牽引15108次重車回到石家莊后,再進行檢查發(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個齒,相當于間隙縮小了1 mm多。這也證明,機車運行中閘瓦間隙是動態(tài)變化的(縮小的趨勢),如果不及時進行調(diào)整,積累的結果就會造成動輪弛緩。

3 防止單缸抱輪造成輪箍弛緩的措施及建議

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

(2)庫內(nèi)整備作業(yè)以及乘務員在機車出庫前、列車開車前、站內(nèi)停車后要及時檢查閘瓦間隙,必須保證閘瓦間隙不小于6 mm,不符合規(guī)定的進行人工調(diào)整。

(3)機車中修時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,研發(fā)安裝輪箍或閘瓦溫度檢測報警裝置。利用紅外線溫度探測儀,檢測每個動輪或每塊閘瓦的溫度,當溫度超過整定值時報警提示。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)的問題。

(5)改造機車有關電路,解決機車不合理的“上閘”問題。試驗證明對于SS4改型機車,當設法使兩節(jié)車的排風1電空閥都得電吸合后,單閥位于緩解位,自閥實行最小減壓量時,制動缸壓力不再瞬間上升,所有閘瓦都處于靜置狀態(tài)。同樣,在機車電制動狀態(tài)下,只要設法使兩節(jié)車的排風1電空閥都得電吸合,在實行最小減壓量的常用制動時,無論閘瓦間隙多大,閘瓦間隙調(diào)整器都不會調(diào)小閘瓦間隙,從而就能在相當程度上避免因閘瓦間隙的錯誤調(diào)整導致單缸抱輪釀成的輪箍弛緩事故?；谶@個思路,進行有關電路的改造。

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