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(gè)相鄰車廂上的制動(dòng)系統(tǒng)，以使來自火車頭的制動(dòng)信號能夠通達(dá)整列火車。端頭軟管利用1 個(gè)氣閘連接器的裝置來保持2 個(gè)相鄰車廂的連接：氣閘連接器和它里面的墊圈可以使2 個(gè)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(shí)有足夠的力拉開端頭軟管而達(dá)到脫開聯(lián)軸節(jié)的目的。

列車制動(dòng)系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成故障保險(xiǎn)系統(tǒng)。列車風(fēng)管上任何時(shí)候突然失去氣壓（包括列車分離），都會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)而使列車停止。但是仍然有因?yàn)椴幻髟驅(qū)е碌能噹g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(huì)造成列車運(yùn)行速度下降，給鐵路部門帶來時(shí)間損失和經(jīng)濟(jì)損失。相關(guān)數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)通常能夠使端頭軟管沿車輛中心線移動(dòng)。如果車輛端頭的配置不能使端頭軟管自由移動(dòng)，就導(dǎo)致施加在端頭軟管上的拉動(dòng)力過大。移動(dòng)端頭軟管的力有時(shí)候大于拉動(dòng)并且使氣閘連接器分離的力[1]。人們認(rèn)為氣閘連接器墊圈也是產(chǎn)生不理想軟管分離的源頭。拉開使用標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)直，那么分離力會(huì)下降到很低，墊圈就會(huì)在保持氣壓的過程中揉搓扭曲而不能保持其拉開力的強(qiáng)度。如果車輛配置需要與未能恰當(dāng)準(zhǔn)直的氣閘連接器墊圈連接相耦合，會(huì)導(dǎo)致拉開氣閘連接器的力與移動(dòng)車輛的力相重疊，于是就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不理想軟管分離。對不準(zhǔn)直的氣閘連接器產(chǎn)生的分離力進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)它們可以小于移動(dòng)車輛上的卸扣所需的力。反之，也可以說明不準(zhǔn)直的氣閘連接器是造成不理想軟管分離的真實(shí)原因。

對新型的氣閘連接器進(jìn)行研究，其中的墊圈在耦合時(shí)候不會(huì)揉搓扭曲。對確保端頭軟管的拉開力總是大于移動(dòng)車輛配置所需力的最大值方面進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)如果這2 個(gè)條件得到滿足，發(fā)生不理想軟管分離的概率就會(huì)大大降低。

根據(jù)在若干鐵路設(shè)施上[1]所觀察到的和在測試實(shí)驗(yàn)室所證明的，當(dāng)2 個(gè)氣閘連接器耦合并且仍舊保持壓力時(shí)，氣閘連接器是既揉搓又扭曲。平拱處進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測試以決定已經(jīng)變得不準(zhǔn)直的墊圈所必需的拉開力。為了確定所需的力，使用了1 個(gè)模擬系統(tǒng)，其中車輛的一端采用符合美國鐵路協(xié)會(huì)規(guī)范S—4021[2]的1 個(gè)固定框架進(jìn)行模擬。這套裝置有1 個(gè)安裝在軟管端頭上的測力傳感器，及1 個(gè)能夠記錄最高測得力的數(shù)字讀出器。相鄰的車輛用1 個(gè)模擬美國鐵路協(xié)會(huì)規(guī)范S—427 車輛規(guī)范所規(guī)定的結(jié)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬[3]。在系統(tǒng)的底部放置了2 個(gè)鋁制通道來模擬鐵軌，所有與軌道頂部相關(guān)的部件的高度要從鋁制通道的頂部起進(jìn)行測量。所有的尺寸和部件均按照美國鐵路協(xié)會(huì)規(guī)范S—427 規(guī)范的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和安裝[3]。2 個(gè)軟管的分離速度設(shè)定在約1 英里/小時(shí)（1.609 km/h）。

實(shí)驗(yàn)由1 個(gè)不熟悉端頭軟管耦合的人執(zhí)行，以便再現(xiàn)實(shí)際情況中的不準(zhǔn)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(gè)軟管由1 個(gè)氣閘連接器、墊圈、公管接頭、2 個(gè)金屬箍和1 個(gè)軟管坯料組成。軟管坯料符合美國鐵路協(xié)會(huì)規(guī)范M—601 規(guī)范[4]。每一次氣閘連接器被分離的時(shí)候都要記錄下拉開氣閘連接器所需要的最大的力。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhǔn)直時(shí)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(xiàn)有尺寸上很容易變得不準(zhǔn)直，這主要是由于墊圈的幾何形狀[5]?，F(xiàn)有的墊圈很容易移動(dòng)并且能夠在墊圈槽內(nèi)移動(dòng)。其解決辦法是把墊圈側(cè)壁厚度的寬度加大一倍，借此增大耦合2 個(gè)氣閘連接器時(shí)阻擋形變的能力。這樣也可以防止由于表面積增大而導(dǎo)致不準(zhǔn)直。

雙倍寬墊圈的配合側(cè)壁厚度為0.312 英寸而目前的側(cè)壁厚度為0.156 英寸。而大的側(cè)壁可以給墊圈增加防止墊圈在墊圈槽內(nèi)揉搓扭曲的強(qiáng)度。這種設(shè)計(jì)比目前的墊圈要使用更多的材料，使之不容易在墊圈槽內(nèi)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?yàn)榻佑|面積明顯大于墊圈在墊圈槽內(nèi)所能夠發(fā)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(chǎn)生較大的粘著摩擦，幫助它們結(jié)合在一起。雙倍寬墊圈的內(nèi)徑并沒有改變，以使在制動(dòng)系統(tǒng)中保持正常的氣流。

研究采集的數(shù)據(jù)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(dòng)車輛上的卸扣所需的力，就可以降低發(fā)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(shí)驗(yàn)室測試

所有的測試都是在先前的“不準(zhǔn)直方面的發(fā)現(xiàn)”一節(jié)中所采用的設(shè)備上進(jìn)行的。測試設(shè)定為每一次測試進(jìn)行100 個(gè)循環(huán)，進(jìn)行多次測試。第一次測試使用裝有雙倍寬墊圈的2 個(gè)軟管總成，由沒有經(jīng)驗(yàn)的人員進(jìn)行耦合。在把這次測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)墊圈結(jié)果進(jìn)行對比時(shí)，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(jīng)驗(yàn)的人員，也沒有出現(xiàn)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(zhǔn)直，并且提供足夠的密封。和標(biāo)準(zhǔn)墊圈相比，在耦合雙倍寬墊圈的時(shí)候，沒有出現(xiàn)新的困難。消除了不準(zhǔn)直的墊圈，加上改進(jìn)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(dòng)機(jī)構(gòu)上的雙倍寬墊圈，和取代了固定軟管的標(biāo)準(zhǔn)墊圈總成進(jìn)行。這個(gè)測試模擬現(xiàn)場上的2 個(gè)耦合在一起的不同的軟管的行為。

當(dāng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)墊圈與雙倍寬墊圈耦合的時(shí)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(dòng)車輛配置所需的力。這項(xiàng)測試表現(xiàn)出來的行為是：當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)墊圈與雙倍寬墊圈不準(zhǔn)直的時(shí)候，在軟管加壓的時(shí)候它就會(huì)自己定中心并且自己校正。這種組合不產(chǎn)生于任何不準(zhǔn)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(zhǔn)直的氣閘連接器。這是在良好的連接的條件下嚴(yán)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(shù)值屬于雙倍寬墊圈，而標(biāo)準(zhǔn)墊圈，即便出自不同的廠商，卻展現(xiàn)了低于原先預(yù)想的力（值）。

測試已經(jīng)表明，當(dāng)墊圈不準(zhǔn)直的時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)直的風(fēng)險(xiǎn)。在所有所進(jìn)行的測試中，雙倍寬墊圈從未產(chǎn)生過不準(zhǔn)直的情況。

當(dāng)2 個(gè)雙倍寬墊圈耦合在一起的時(shí)候，墊圈不會(huì)不準(zhǔn)直。分離它們的力會(huì)高于常規(guī)墊圈的分離力。這一點(diǎn)已經(jīng)在測試數(shù)據(jù)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(huì)低于1780 N。雙倍寬墊圈的側(cè)壁要比標(biāo)準(zhǔn)墊圈的要堅(jiān)硬，這就幫助它抵抗可使常規(guī)墊圈不準(zhǔn)直的揉搓和彎曲動(dòng)作。雙倍寬墊圈由于表面積增大，還可以增大分離時(shí)候墊圈表面之間的摩擦力。計(jì)算常規(guī)摩擦力通常忽略表面積的作用，這是因?yàn)橐粋€(gè)滑動(dòng)塊的覆蓋面積實(shí)際上遠(yuǎn)大于接觸面積。然而，對于橡膠而言，其低彈性系數(shù)產(chǎn)生于其接口處的相當(dāng)大的接觸面積[6]，于是表面積就起了很大作用。當(dāng)2 個(gè)軟管耦合在一起時(shí)，墊圈增大的表面積會(huì)造成墊圈之間的摩擦力增大，較大的粘著摩擦?xí)椭龃蠓蛛x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(jìn)入移動(dòng)車輛所需力的范圍?，F(xiàn)場測試采集的數(shù)據(jù)表明移動(dòng)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(shù)據(jù)被采納了然后產(chǎn)生了10 000 個(gè)與現(xiàn)場測試的邏輯分布相匹配的隨機(jī)情形。它們還與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)具有相同的參數(shù)。利用從標(biāo)準(zhǔn)墊圈分離取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了相同的隨機(jī)成生，還利用雙倍寬墊圈分離數(shù)據(jù)進(jìn)行了相同隨機(jī)生成。

把車輛移動(dòng)數(shù)據(jù)與墊圈分離數(shù)據(jù)一起進(jìn)行分析，明顯可以看出在兩者所需力相同的情況下有一個(gè)重疊。因?yàn)檎J(rèn)為這個(gè)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(dòng)車輛配置所需力的程度。

雙倍寬唇形墊圈的設(shè)計(jì)成功地消除了不準(zhǔn)直問題。以上所有問題都可以隨之或即將迎刃而解。這項(xiàng)設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)地測試。目前有總共100 臺軌道車，包括一個(gè)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(shù)量記錄下來了，正在跟蹤不理想軟管分離的數(shù)量。目前看來，配置了雙倍寬墊圈的車輛未出現(xiàn)不理想軟管分離的問題。

4 討論與結(jié)論

車輛配置與大多數(shù)不理想軟管分離有關(guān)。從采集的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，分離端頭軟管所需要的力變化范圍很大，一般認(rèn)為在1780～2670 N。但實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)，其范圍為1100～1700 N。這是因?yàn)椴粶?zhǔn)直的墊圈可以把范圍為1100～1700 N 的拉開力降低到130 N。這個(gè)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了不準(zhǔn)直墊圈造成不理想軟管分離的理論的產(chǎn)生。在車輛運(yùn)動(dòng)力上進(jìn)行的測試表明，移動(dòng)車輛的力可以在0～280 N 變化。全部測試總體認(rèn)為，有一個(gè)范圍，即130～280 N，移動(dòng)車輛配置的力可以大于分離2 個(gè)端頭軟管所需要的力，在現(xiàn)場這可以導(dǎo)致產(chǎn)生不理想軟管分離。這個(gè)問題的解決辦法，就是把分離端頭軟管的力保持在遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于運(yùn)動(dòng)車輛配置所需力的水平上。

雙倍寬墊圈消除了不準(zhǔn)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于移動(dòng)車輛配置所需力的水平上?，F(xiàn)場測試也表明，在使用雙倍寬墊圈時(shí)發(fā)生不理想軟管分離的次數(shù)大大降低。通過顯著降低不理想軟管分離的發(fā)生，列車停運(yùn)的發(fā)生率也隨之降低，從而提高鐵路運(yùn)行效率。