弹性胶泥缓冲器胶泥泄露原因分析及改进研究

弹性胶泥缓冲器胶泥泄露原因分析及改进研究

董世榜 ,李凤彬

中车大连机车车辆有限公司        辽宁大连      116022

摘要：文章介绍了HXD1D、HXD3D机车装用弹性胶泥缓冲器使用QKX30弹性胶泥芯子在机车运用的情况,根据缓冲器结构特点及其运动特性,分析了缓冲器失效的原因,提出了相应改进建议,并对改进后的结构进行强度和性能评估。

1概述

自2013年HXD1D、HXD3D机车批量上线运用以后，机车上用103-1缓冲器陆续发现个别缓冲器有失效故障发生。103-1缓冲器的失效首先在西安、兰州、昆明及沈阳等机务段出现，并且其失效概率有不断上升的趋势。

为此，我公司迅速成立了专题组对缓冲器的失效问题进行了调研分析，线路测试及试验研究等多方面的工作。

单从缓冲器的结构上来看，胶泥芯子的失效原因，与两种缓冲器结构型式无关。

2运用工况分析

我国机车、车辆上都采用的是中央集成式钩缓装置，无论车辆受压还是受拉时，都是中央车钩及缓冲装置吸收能量。机车上装用的缓冲器在列车启动、制动过程中，机车后第1断面上的受力情况最为恶劣，其缓冲器产生的位移最大，产生的冲击力也最大。此外，机车除正常担任运输外，还参与调车作业，调车作业时，车钩及缓冲装置经常会受到冲击作用，也是造成缓冲装置易产生故障的原因之一。

纵向动力学测试证明，机车用缓冲装置较客车用缓冲装置的受力工况恶劣的多。2016年，为了寻找机车用缓冲器失效可能产生的原因时，我公司在连车公司、西安铁路局等多个单位的配合与支持下，在西安至徐州、西安至延安两个区间内进行了纵向动力学线路测试试验。测试试验的结果证明，装用于机车上缓冲器的受力工况较装用于客车车辆上的要恶劣的多。

    总之，从目前实际运用的数据、试验测试数据及理论分析来看，我国装用缓冲装置的工况劣于欧洲国家的工况，装用于机车上缓冲器的工况劣于装于车辆上的工况，机车后第1、2断面的运用工况劣于其它断面。第1、2断面也是弹性胶泥芯子失效发生概率较多的部位。

3故障缓冲器的现象及拆解

对于HXD1D、HXD3D机车用缓冲器由于安装套口的关系，缓冲器需安装于625mmX330mmX234mm套口内，缓冲器拉压转换通过钩尾框、前从板、前从板座及后从板座的结构实现。鉴于两种不同的拉压转换结构，HXD1D、HXD3D机车失效表现为缓冲器在前、后从座间出现间隙，而对于密接式钩缓装置中缓冲器失效表现为内半筒拉出或拉杆压入两种现象。两种故障的实物照片见下图1所示。

图1  机车缓冲器失效现象

图4 密接钩缓冲器失效现象(左：内半筒脱出；右：拉杆压入）

图1的结构对比可知，缓冲装置中最主要的缓冲吸能元件为弹性胶泥芯子，弹性胶泥芯子的外形示意图如图2所示。

    图2  弹性胶泥芯子的外形图             图3 泄漏胶泥芯子实物照片

从失效的HXD1D、HXD3D及密接式钩缓装置中拆解后，泄漏弹性胶泥芯子的实物照片如图3所示。

4胶泥芯子结构简介及失效原理

弹性胶泥芯子主要由圆筒、活塞杆、上端盖、下端盖、定位盘及弹性胶泥构成（结构示意图见图4）。弹性胶泥芯子组装后，通过灌装工艺孔将弹性胶泥灌入胶泥芯子内部空腔中，灌入胶泥后在胶泥芯子内部压强的作用下，活塞杆被挤出。当活塞杆受到外力后，活塞杆被压入胶泥芯子内，同时芯子内的胶泥被压缩，当去掉活塞杆上的外力后，在胶泥内压作用下，活塞杆重新被挤出。弹性胶泥芯子即是在活塞杆的往复运动下压缩胶泥，胶泥分子间吸收冲击能量，从而完成弹性胶泥芯子缓冲吸能的作用。

图4弹性胶泥芯子结构示示意图

从图4弹性胶泥芯子内部结构示意图及吸能原理可知，可能导致弹性胶泥芯子失效的部位共有三处，一为灌装工艺孔，二为静态密封圈处（分为两个部位，上端盖及下端盖各一处），三为动态密封圈处。其中动态密封圈处由于活塞杆经常往复运动，是胶泥芯子失效的高发部位。而工艺灌装孔、静态密封圈处极少有泄漏现象。

自2013年以来，弹性胶泥缓冲器的失效，全部都是由于弹性胶泥芯子的泄漏所致，并且90%以上的都是由于弹性胶泥芯子的动态密封圈失效导致。

5胶泥芯子失效原因分析

5.1  运营工况原因

从前面对运用工况及实际运用数据的分析可知，该型号弹性胶泥芯子在HXD1D、HXD3D机车第1断面的受力工况下，缓冲器的失效概率明显增加。

因此，运营工况也是该型号弹性胶泥芯子失效概率增加的外部原因之一。

5.2  胶泥芯子本身密封可靠性问题

从返回的故障弹性胶泥芯子的拆解情况来看，胶泥芯子的失效大多数发生于胶泥芯子的动态密封圈处，而动态密封圈的失效模式又分为两种，一为：动态密封圈有裂损现象，二为：动态密封圈磨损问题。

动态密封件裂损的主要原因可能与密封材料强度不足有关。

动态密封件的磨损泄漏应该为胶泥缓冲器的正常失效范畴，也是密封问题失效不可避免的问题。

从失效弹性胶泥芯子的拆解情况来看，密封件裂损情况比较严重，约占总失效件的80%左右。QKX30型弹性胶泥芯子密封可靠性的不足应该与胶泥芯子密封结构及密封原理有关。

6改进措施及方案

6.1  密封结构改进

针对以上的原因分析可知，鉴于我国实际运用工况是无法改变的现实，为满足这种不断变化的实际运用工况，要想提高QKX30型弹性胶泥芯子的使用寿命，只有提高弹性胶泥芯子本身的密封可靠性。为此，在不改变原弹性胶泥芯子整体外形及结构的情况下，2016年开始，对弹性胶泥芯子进行了密封结构改进。并对密封结构改进方案进行了地面耐久试验验证。密封结构改进方案的结构简要介绍如下：

下图5为弹性胶泥芯子密封方案改进前、后的结构对比。原双层2+2圈密封结构改进为3+3双层密封结构。

图5  胶泥芯子密封方案改进前、后结构对比示意图

与此同时，在灌装弹性胶泥芯子时，也将弹性胶泥芯子的初压力提到了最大（在标准允许的前提下），初压力的提高也有效降低了缓冲器的行程，适当提高了缓冲器的整机使用寿命。

6.2  3+3新结构及密封材料优化方案

为了进一步提高弹性胶泥芯子的密封寿命，减少胶泥芯子内部动态密封圈的裂纹问题，确保缓冲器寿命满足客运机车100万公里C5修，我们在已经运用证明有效的2+2改进结构基础上，提出了使用3+3密封结构及新密封材料的优化方案（以下简称“新方案”）。新方案不改变缓冲器的安装套口和动、静态性能，只对胶泥芯子的密封结构及密封材料进行了设计优化，缓冲器芯子的金属件都保持不变，在新方案的研制过程中，我们共选取了7种不同的密封材料，每种密封材料3个样件。

为了真实反映缓冲器的运用工况，于2016年3月进行了线路测试，测试区间从延安-西安和西安-徐州往返，往返总里程约2264km，按照测试的线路载荷谱对原型结构、密封改进结构（2+2结构）和3+3新方案进行了耐久寿命测试，单次循环等效于线路运行2264km，按C4、C5修的运用里程上限，C4修约250循环(56.6万公里)，C5修约500循环(113.2万公里)。

目前原型、密封结构改进方案和新方案所有地面耐久性试验均已结束，胶泥芯子耐久性试验结果如图6所示。从图9中可见，原型缓冲器虽然满足欧标，但的确无法达到机车的C4修程，2+2密封结构改进方案能够满足C4修程，但离C5修的目标还略差一点，3+3+新材料1方案和3+3新方案7方案均达到了C5修的要求，3+3新材料1方案的地面耐久试验结果达到了2+2密封结构改进方案的1.55倍，3+3+新材料7方案的地面耐久试验结果达到了2+2密封结构改进方案1.29倍，从地面耐久试验的结果看，3+3+新材料1略优于3+3+新材料7，建议选择使用3+3+新材料1进行试制生产。

图6  不同方案胶泥芯子耐久试验室对比试验(线路谱)

7.3  新方案（3+3+新材料）的装车运用考验

从2019年3月份开始，新方案弹性胶泥芯子装用于103-1型缓冲器中，试装于HXD3D机车上进行运用考验，陆续试装车20套，截止到2019年12月25日，已经运用40万公里，未发生泄漏故障。

7结论与措施

通过对HXD1D、HXD3D中间钩的结构介绍，以上所有车型中均使用了QKX30型弹性胶泥芯子，对QKX30弹性胶泥芯子的结构、失效原理、运用工况、线路条件等进行了分析。得出了QKX30弹性胶泥芯子在运用工况较差的情况下其本身的密封可靠性不足的结论。

从实际运用及地面试验对比情况来看，原结构胶泥芯子不能满足机车的一个C4修程，密封改进方案虽大大提高了弹性胶泥芯子整体的密封可靠性，降低了胶泥芯子的失效概率，但仍不能完全满足机车车辆一个C5修程的能力，在列车运用工况较为恶劣的断面上，其可靠性将不能满足实际运用要求。

新方案（3+3结构及新密封材料优化方案）通过地面耐久试验验证可知，新方案有望能够满足机车一个C5修程。地面试验难以呈现实际的运用状态，要想得到密封材料优化方案真正的可靠性指标，还将有一段漫长的运营考核过程，方可得以全部验证。

参考文献

李克兴  林乐    弹性胶泥缓冲器的试验研究情况【J】铁道车辆1996

郑华   吴志强   弹性胶泥的应用及其特性研究【J】特种橡胶制品2007

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