SS4改型电力机车单缸抱闸导致轮箍弛缓的原因分析及对策

李建设,李晓东

(1 北京铁路局 石家庄电力机务段,河北石家庄050000;2 北京铁路局 石家庄办事处,河北石家庄050000)

近几年石家庄电力机务段在石太线担当货运任务的SS4改型电力机车,连续发生几起单缸不缓解造成轮箍弛缓,对行车安全构成了极大威胁。为此,对SS4改型机车的单缸制动器进行了集中整治。但经过这些整治后,该问题仍未得到彻底根治,之后,又发生了一起单缸不缓解造成的动轮弛缓。通过调查发现,发生问题的机车,大多都是经过了1次中修之后,走行公里接近2次中修,而且多发生在大交路机车上。

为了解决这一棘手难题,我们从闸瓦间隙自动调整装置的工作原理入手,对SS4改型机车中修时轴箱拉杆的检修工艺和过程进行了实地调研,特别是对石太线长大下坡道的操纵进行了反复试验及分析,发现单缸制动不缓解导致轮箍弛缓的原因,除因空气制动管路堵塞、单元制动器油润状态不良、闸瓦偏磨等个例外,还有一个重要原因是轴箱拉杆的状态不良,以及闸瓦间隙自动调整器的“不合理”调整造成的。

1 闸瓦间隙自动调整装置的作用原理

SS型机车的基础制动装置采用独立式单元制动器,它由制动缸、杠杆传动系统、闸瓦间隙自动调整器和闸瓦等组成。SS4机车除1、6轴为单侧闸瓦制动外,2～5轴均为双侧闸瓦制动。而SS4改型机车均为单侧闸瓦制动,其闸瓦布置方式从操纵端(无论A节或B节)数起,单数轴为后侧闸瓦制动,双数轴为前侧闸瓦制动。SS4型机车闸瓦与轮箍踏面的设计间隙为6～9 mm,当闸瓦间隙过大时,调整装置将自动调小闸瓦间隙。

就SS4改型机车而言,其制动系统有一特殊之处:当制动机单阀置于缓解位,自阀施行最小减压量时,制动缸压力会瞬间升至30 kPa后再自动降为0。在这个过程中,所有闸瓦都会出现先抱轮而后再自行缓解的现象。如果此时闸瓦间隙超过6.2 mm,基础制动装置便会自动完成一次调小闸瓦间隙的过程。

SS4改型机车在运行中,闸瓦间隙不是一成不变的,轴箱拉杆的状态、机车工况的变化、线路曲线的变化等因素,都会使闸瓦间隙发生变化。如果此时基础制动装置动作,闸瓦间隙自动调整装置就会调整闸瓦间隙,使间隙变小甚至导致闸瓦抱轮。

2 导致闸瓦间隙发生变化的综合因素分析

2.1 轴箱拉杆的状态对闸瓦间隙的影响

SS4改型电力机车的基础制动装置是通过螺栓紧固在转向架上,也就是说单缸制动器与转向架之间是刚性连接。而轮对则是通过轴箱、轴箱拉杆与转向架形成定位,轴箱依靠轴箱拉杆橡胶关节的径向、轴向及扭曲弹性变形使轮对与构架的联系成为弹性连接,也就是说,轮对与基础制动装置之间的定位是弹性定位。

SS4改型机车的轴箱拉杆采用双扭线弹性定位拉杆装置,由拉杆体、长拉杆、短拉杆、橡胶圈、端盖、橡胶端垫等组成。组合后的轴箱拉杆形成一个整体弹性元件,它承受传递各种负荷(牵引力、制动力、冲击力和横向力)并缓冲各种激扰力,改善了机车运行性能。以前SS4及现在的SS1机车的轴箱拉杆的长、短拉杆内装有橡胶圈,长拉杆内两个,短拉杆内一个,后来我段“0”字头SS4改型机车取消了橡胶圈,均采用的是把橡胶直接固化到长短拉杆上的整体式拉杆。

从机车检修情况看,原来SS4机车中修时,工艺要求必须更换橡胶端垫、橡胶圈,而目前中修工艺对是否更换整体长短拉杆没有明确要求。因此,SS4改型机车在实际中修时长短拉杆也没有进行更换,只更换两端的橡胶端垫。橡胶元件本身存在一定的老化周期,但是橡胶堆体是完全密闭在拉杆体内的,橡胶端垫仅在端盖处暴露出极小的一部分,而且缺乏必要的检测手段,仅靠日常静态下的目测检查,很难判断其性能的优劣。如果中修时不更换,随着机车运用周期的延长,橡胶的老化程度将会日趋严重。因为轮对与基础制动装置之间就靠轴箱拉杆实现弹性定位,由于橡胶老化,就会导致机车在牵引或电阻制动工况下,轮箍踏面与闸瓦之间的间隙发生不正常的变化,甚至导致机车运行中闸瓦抱轮造成轮箍弛缓。

2.2 机车牵引工况对闸瓦间隙的影响

机车牵引力是由轮对踏面与轨面的相互作用而产生的。在机车牵引运行过程中,由于牵引力的作用,势必造成轮对相对于转向架的前移倾向。前移的结果,将造成运行方向的奇数轴位的闸瓦间隙变大(闸瓦在动轮后面),大于机车静态下的闸瓦间隙;偶数轴位的闸瓦间隙变小(闸瓦在动轮前面),小于机车静态下的闸瓦间隙。特别是在上坡道方向,机车单轴牵引功率越大、牵引力越大,则位移量越多。

遇特殊情况,在机车牵引状态下实行紧急制动时,如果在牵引力解除之前闸瓦就已经抱轮,那么对于闸瓦间隙大于6 mm的轴位,闸瓦间隙调整器就会进行一次间隙调整,在机车缓解之后就容易出现奇数轴位的闸瓦间隙调整过小甚至完全消失的问题。

2.3 机车电制动工况对闸瓦间隙的影响

与没有动力制动功能的机车相比,SS4改型机车加装电制动系统产生强大的电制动力,给行车安全提供了可靠的保证,但同时也带来了一些弊端。机车电制动力是由轮对踏面与轨面互相作用产生的。机车在电制动工况下运行时,与牵引工况下相反,电制动力会造成轮对相对于转向架的后移,后移的结果,使得运行方向的偶数轴位的闸瓦间隙变大、奇数轴位的闸瓦间隙变小。单轴电制动功率越大、电制动力越大,则位移量越大。

就石太线具体情况而言,空电配合控制长大下坡道的列车速度是常用的操纵方法。使用电阻制动时,电制动力迫使轮对后移,此时实施常用制动,虽然单阀在缓解位,但由于会出现瞬间的闸瓦抱轮后再缓解的过程,将导致偶数轴位的闸瓦间隙自动调小。在连续长大下坡道电制动工况下,如果电制动力继续增加,再频繁实施空气制动,闸瓦间隙就会再次自动调整,势必导致偶数轴位的闸瓦间隙调整过小。特别是当列车运行在长大起伏坡道上,运行工况发生变化时,情况会更为严重。当列车运行工况由电制动转为惰力运行时,随着轴箱相对于转向架位置的自动复原,闸瓦间隙可能会完全消失,闸瓦与轮箍摩擦时间越长,随着温度升高轮箍弛缓的可能性就越大。当列车运行工况由电制动转为牵引运行后,闸瓦间隙完全消失甚至出现负值的可能性会进一步变大,牵引力越大,运行时间越长,则轮箍弛缓的可能性越大。这也是我段长交路机车容易发生轮箍弛缓的重要原因。

在平道(如京广线)运行的SS4改型机车,在调速时单凭电制动就能基本满足需要,很少使用空电配合调整列车速度,所以也极少发生单缸抱轮发生轮箍弛缓的问题。

2.4 线路曲线对闸瓦间隙的影响

石太线地处山区,坡道大、曲线多,线路情况比较复杂,小半径曲线多达80余处。众所周知,曲线的外轨具有一定的超高,当列车以超过v=Rh/11.8(R是曲线半径,h是线路超高值)的速度通过曲线时,将产生未平衡离心力。运行速度越高,则未平衡离心力越大。此时,在该力的作用下,车体、转向架和轮对将一起向外轨侧偏移。由于外轨侧的轮缘受到外轨的限制,因此轮对的偏移量较小,而转向架和车体偏移量则很大。因为基础制动装置是固定在转向架上的,所以闸瓦与轮箍踏面的相对位置将发生变化,致使内轨侧的闸瓦偏向轮缘,而外轨侧的闸瓦偏向踏面外缘。同理,当列车以低于v=Rh/11.8的速度通过曲线时,在外轨超高的作用下,车体、转向架和轮对将向内轨侧偏移。运行速度越低则偏移量越大。此时,外轨侧的闸瓦将偏向轮缘,内轨侧的闸瓦将偏向踏面外缘。

机车轮对踏面有1∶20和1∶10锥度的两段斜面,其中1∶20锥度斜面的宽度为60 mm,1∶10锥度斜面的宽度为27 mm,由此计算可知:轮箍踏面外缘与内缘处的直径差为11.4 mm(半径差为5.7 mm)。假设闸瓦摩擦面没有锥度,那么如果把闸瓦间隙在轮箍踏面外缘处调整为6 mm时,在机车缓解状态下通过曲线时,偏向轮缘的那块闸瓦,与轮箍踏面的最小间隙仅剩下0.3 mm(6—5.7=0.3)。当然,闸瓦摩擦面本身具有一定的弧度,但如果闸瓦原始间隙(比如机车出库时)就很小,那么机车通过曲线运行时,偏向轮缘的那些闸瓦就会始终抱轮或紧贴轮缘。事实上,由于机车轮对的横动量过大,闸瓦内侧经常与轮缘相摩擦。

再看偏向踏面外缘的那些闸瓦,由于踏面存在锥度,会使闸瓦间隙变大。如果此时正处于电阻制动工况,运行方向偶数轴位的那些闸瓦间隙会更大,如果此时使用空气制动,那么闸瓦间隙调整器会把闸瓦间隙自动调小。同理,如果此时正处于牵引工况,运行方向奇数轴位的那些偏向踏面外缘的闸瓦间隙会更大,如果此时基础制动装置动作,同样造成闸瓦间隙自动调小。

2.5 轮对单、双侧闸瓦制动对闸瓦间隙的影响

对于采用双侧闸瓦制动的机车(如SS1机车的2～5轴)在制动时,由于轮对前后侧的闸瓦压力大小相等、方向相反,对轮对的作用力互相抵消,所以闸瓦间隙不会因制动、缓解发生变化。但采用单侧闸瓦制动的SS4改型机车在制动时,制动侧的闸瓦压力同样会使轮对(轴箱)发生位移,造成运行方向奇数轴位轮对前移、偶数轴位轮对后移。1996年我段也曾连续发生过SS1机车1、6轴(均为单侧闸瓦制动)单缸抱轮造成轮箍弛缓的问题,说明单侧闸瓦制动确实存在这方面的隐患。

综合上述分析得知,机车闸瓦间隙的调整,是在空气制动时闸瓦的制动、缓解过程中自动实现的。在轮对轴箱位移量正常的前提下,闸瓦间隙的设计值以及闸瓦间隙的自动调整量应当能满足行车安全的需要。但是,轴箱拉杆内的橡胶元件(橡胶堆和橡胶端垫)如果发生老化,刚度和强度变小,甚至轴箱内的轴承损坏之后,在牵引力、电制动力、空气制动力和横向力的联合作用下,闸瓦间隙的变化范围将进一步扩大,从而导致闸瓦间隙的自动错误调整,而且是只能调小不能调大。在这种情况下,当机车运行工况发生变化(如空电配合制动后改为惰力运行或牵引运行)或曲线转弯方向发生变化(如S型曲线路段)时,轴箱会恢复原位甚至向相反方向移动之后,由于闸瓦间隙消失,极易导致单缸抱轮,酿成轮箍弛缓事故。

实地考察SS4改型0481号机车轮箍弛缓后,对所有机车的闸瓦间隙进行普查,结果发现大多数机车的静态闸瓦间隙均小于6 mm,甚至个别闸瓦只有3 mm。2008年5月15日又做了试验,长交路机车SS4改型0418号机车在榆次西折返段库内,将A节车的8个单缸制动器闸瓦都调整到标准6 mm,并在棘轮棘齿上做出标记,牵引15108次重车回到石家庄后,再进行检查发现左2、左4两块闸瓦的间隙调整器分别调整了7个齿,相当于间隙缩小了1 mm多。这也证明,机车运行中闸瓦间隙是动态变化的(缩小的趋势),如果不及时进行调整,积累的结果就会造成动轮弛缓。

3 防止单缸抱轮造成轮箍弛缓的措施及建议

(1)加强机车基础制动装置的日常保养。保持各摩擦部分油润状态良好,防止部件卡滞;有关部件的间隙必须符合工艺范围要求;基础制动装置各销套间隙符合要求,防止闸瓦偏磨。

(2)库内整备作业以及乘务员在机车出库前、列车开车前、站内停车后要及时检查闸瓦间隙,必须保证闸瓦间隙不小于6 mm,不符合规定的进行人工调整。

(3)机车中修时必须更换轴箱拉杆内的橡胶元件,防止橡胶老化。

(4)依靠科技攻关,研发安装轮箍或闸瓦温度检测报警装置。利用红外线温度探测仪,检测每个动轮或每块闸瓦的温度,当温度超过整定值时报警提示。研发安装轴箱位移记录装置,用以解决轴箱拉杆内橡胶元件性能老化难以发现的问题。

(5)改造机车有关电路,解决机车不合理的“上闸”问题。试验证明对于SS4改型机车,当设法使两节车的排风1电空阀都得电吸合后,单阀位于缓解位,自阀实行最小减压量时,制动缸压力不再瞬间上升,所有闸瓦都处于静置状态。同样,在机车电制动状态下,只要设法使两节车的排风1电空阀都得电吸合,在实行最小减压量的常用制动时,无论闸瓦间隙多大,闸瓦间隙调整器都不会调小闸瓦间隙,从而就能在相当程度上避免因闸瓦间隙的错误调整导致单缸抱轮酿成的轮箍弛缓事故。基于这个思路,进行有关电路的改造。

(6)积极推广使用一体化轮对,或装有轮箍卡环的轮对,避免因轮箍弛缓引发行车事故。