冯海凤，马吉仁，陈 慧

（三橡股份有限公司，辽宁沈阳 110144）

1 背景简介

铁路车辆上的端头软管的主要功能是连接2 个相邻车厢上的制动系统，以使来自火车头的制动信号能够通达整列火车。端头软管利用1 个气闸连接器的装置来保持2 个相邻车厢的连接：气闸连接器和它里面的垫圈可以使2 个端头软管很容易地连接起来，并且保持列车的气压而不漏气，同时有足够的力拉开端头软管而达到脱开联轴节的目的。

列车制动系统被设计成故障保险系统。列车风管上任何时候突然失去气压（包括列车分离），都会导致制动而使列车停止。但是仍然有因为不明原因导致的车厢间端头软管脱开的情况，这被称为不理想软管分离。不理想软管分离会造成列车运行速度下降，给铁路部门带来时间损失和经济损失。相关数据表明，列车车辆配置问题占到不理想软管分离原因的52%。

对有垫圈的车辆而言，车辆端头的结构通常能够使端头软管沿车辆中心线移动。如果车辆端头的配置不能使端头软管自由移动，就导致施加在端头软管上的拉动力过大。移动端头软管的力有时候大于拉动并且使气闸连接器分离的力[1]。人们认为气闸连接器垫圈也是产生不理想软管分离的源头。拉开使用标准垫圈而且正确连接的气闸连接器所需的力在1100～1700 N。然而，如果气闸连接器垫圈不准直，那么分离力会下降到很低，垫圈就会在保持气压的过程中揉搓扭曲而不能保持其拉开力的强度。如果车辆配置需要与未能恰当准直的气闸连接器垫圈连接相耦合，会导致拉开气闸连接器的力与移动车辆的力相重叠，于是就会产生一个不理想软管分离。对不准直的气闸连接器产生的分离力进行研究，发现它们可以小于移动车辆上的卸扣所需的力。反之，也可以说明不准直的气闸连接器是造成不理想软管分离的真实原因。

对新型的气闸连接器进行研究，其中的垫圈在耦合时候不会揉搓扭曲。对确保端头软管的拉开力总是大于移动车辆配置所需力的最大值方面进行了研究，发现如果这2 个条件得到满足，发生不理想软管分离的概率就会大大降低。

根据在若干铁路设施上[1]所观察到的和在测试实验室所证明的，当2 个气闸连接器耦合并且仍旧保持压力时，气闸连接器是既揉搓又扭曲。平拱处进行了实验室测试以决定已经变得不准直的垫圈所必需的拉开力。为了确定所需的力，使用了1 个模拟系统，其中车辆的一端采用符合美国铁路协会规范S—4021[2]的1 个固定框架进行模拟。这套装置有1 个安装在软管端头上的测力传感器，及1 个能够记录最高测得力的数字读出器。相邻的车辆用1 个模拟美国铁路协会规范S—427 车辆规范所规定的结构的移动机构进行模拟[3]。在系统的底部放置了2 个铝制通道来模拟铁轨，所有与轨道顶部相关的部件的高度要从铝制通道的顶部起进行测量。所有的尺寸和部件均按照美国铁路协会规范S—427 规范的要求进行设计和安装[3]。2 个软管的分离速度设定在约1 英里/小时（1.609 km/h）。

实验由1 个不熟悉端头软管耦合的人执行，以便再现实际情况中的不准直气闸连接器的概率。端头软管耦合在一起，总共分离100 次。每个软管由1 个气闸连接器、垫圈、公管接头、2 个金属箍和1 个软管坯料组成。软管坯料符合美国铁路协会规范M—601 规范[4]。每一次气闸连接器被分离的时候都要记录下拉开气闸连接器所需要的最大的力。实验结果清楚地表明，在很多情况下分离气闸连接器所需要的力小于通常分离端头软管所需要的力，表明垫圈不准直时拉开端头软管所需要的力明显下降。

2 解决办法

气闸连接器垫圈在现有尺寸上很容易变得不准直，这主要是由于垫圈的几何形状[5]。现有的垫圈很容易移动并且能够在垫圈槽内移动。其解决办法是把垫圈侧壁厚度的宽度加大一倍，借此增大耦合2 个气闸连接器时阻挡形变的能力。这样也可以防止由于表面积增大而导致不准直。

双倍宽垫圈的配合侧壁厚度为0.312 英寸而目前的侧壁厚度为0.156 英寸。而大的侧壁可以给垫圈增加防止垫圈在垫圈槽内揉搓扭曲的强度。这种设计比目前的垫圈要使用更多的材料，使之不容易在垫圈槽内揉搓和变形。

双倍宽垫圈的表面积增大可以防止垫圈变形，因为接触面积明显大于垫圈在垫圈槽内所能够发生形变的总量。增大的表面积加上较低硬度橡胶，也能在配合垫圈之间产生较大的粘着摩擦，帮助它们结合在一起。双倍宽垫圈的内径并没有改变，以使在制动系统中保持正常的气流。

研究采集的数据表明，如果有一种方法能够使拉开端头软管所需的力总是大于移动车辆上的卸扣所需的力，就可以降低发生不理想软管分离的频率。即只要确保拉开端头软管的力保持在2670 N，就可以降低不理想软管分离的总量。

3 实验室测试

所有的测试都是在先前的“不准直方面的发现”一节中所采用的设备上进行的。测试设定为每一次测试进行100 个循环，进行多次测试。第一次测试使用装有双倍宽垫圈的2 个软管总成，由没有经验的人员进行耦合。在把这次测试结果与标准垫圈结果进行对比时，可以十分清楚地表明新的总成能在安全的水平上保持解开软管所需的力。

即使是没有经验的人员，也没有出现软管与双倍宽垫圈不正确耦合的情况。即便垫圈稍稍偏离中心，也有足够的材料用来接触，以保持垫圈适宜准直，并且提供足够的密封。和标准垫圈相比，在耦合双倍宽垫圈的时候，没有出现新的困难。消除了不准直的垫圈，加上改进了新垫圈的几何形状，分离力就恒定地保持在2600～3100 N。

下一步测试用停留在移动机构上的双倍宽垫圈，和取代了固定软管的标准垫圈总成进行。这个测试模拟现场上的2 个耦合在一起的不同的软管的行为。

当一个标准垫圈与双倍宽垫圈耦合的时候，拉开力恒定保持在2200 N。即便如此，其拉开力仍然低于双倍宽垫圈而高于移动车辆配置所需的力。这项测试表现出来的行为是：当标准垫圈与双倍宽垫圈不准直的时候，在软管加压的时候它就会自己定中心并且自己校正。这种组合不产生于任何不准直的垫圈。分离力恒定地保持在2200 N。

垫圈对比排除了任何不准直的气闸连接器。这是在良好的连接的条件下严格地对比拉开力。它展示了垫圈连接类型之间的差异。较高的数值属于双倍宽垫圈，而标准垫圈，即便出自不同的厂商，却展现了低于原先预想的力（值）。

测试已经表明，当垫圈不准直的时候，分离端头软管所需的力降低了。引入双倍宽垫圈，即便与标准垫圈总成耦合，也大大增加所需要的拉开力。还消除了垫圈不准直的风险。在所有所进行的测试中，双倍宽垫圈从未产生过不准直的情况。

当2 个双倍宽垫圈耦合在一起的时候，垫圈不会不准直。分离它们的力会高于常规垫圈的分离力。这一点已经在测试数据中反映出来。只要在测试中使用了双倍宽垫圈，分离软管所需的拉开力绝对不会低于1780 N。双倍宽垫圈的侧壁要比标准垫圈的要坚硬，这就帮助它抵抗可使常规垫圈不准直的揉搓和弯曲动作。双倍宽垫圈由于表面积增大，还可以增大分离时候垫圈表面之间的摩擦力。计算常规摩擦力通常忽略表面积的作用，这是因为一个滑动块的覆盖面积实际上远大于接触面积。然而，对于橡胶而言，其低弹性系数产生于其接口处的相当大的接触面积[6]，于是表面积就起了很大作用。当2 个软管耦合在一起时，垫圈增大的表面积会造成垫圈之间的摩擦力增大，较大的粘着摩擦会帮助增大分离软管所需要的力。

提高分离端头软管所需要的力十分重要，这可以防止所需力进入移动车辆所需力的范围。现场测试采集的数据表明移动车辆配置卸扣的力在5～280 N 之间变化，平均值为85 N[1]。这一数据被采纳了然后产生了10 000 个与现场测试的逻辑分布相匹配的随机情形。它们还与现场测试数据具有相同的参数。利用从标准垫圈分离取得的数据进行了相同的随机成生，还利用双倍宽垫圈分离数据进行了相同随机生成。

把车辆移动数据与垫圈分离数据一起进行分析，明显可以看出在两者所需力相同的情况下有一个重叠。因为认为这个重叠是造成不理想软管分离的原因。利用双倍宽垫圈可以把拉开力增大到大大高于移动车辆配置所需力的程度。

双倍宽唇形垫圈的设计成功地消除了不准直问题。以上所有问题都可以随之或即将迎刃而解。这项设计已经进行现场实地测试。目前有总共100 台轨道车，包括一个双层和三层的车架组合。在2018年4月30日至5月15日，接受检查并且装配上双倍宽垫圈和气闸连接器。轨道车的数量记录下来了，正在跟踪不理想软管分离的数量。目前看来，配置了双倍宽垫圈的车辆未出现不理想软管分离的问题。

4 讨论与结论

车辆配置与大多数不理想软管分离有关。从采集的数据发现，分离端头软管所需要的力变化范围很大，一般认为在1780～2670 N。但实际测试发现，其范围为1100～1700 N。这是因为不准直的垫圈可以把范围为1100～1700 N 的拉开力降低到130 N。这个发现导致了不准直垫圈造成不理想软管分离的理论的产生。在车辆运动力上进行的测试表明，移动车辆的力可以在0～280 N 变化。全部测试总体认为，有一个范围，即130～280 N，移动车辆配置的力可以大于分离2 个端头软管所需要的力，在现场这可以导致产生不理想软管分离。这个问题的解决办法，就是把分离端头软管的力保持在远远高于运动车辆配置所需力的水平上。

双倍宽垫圈消除了不准直垫圈的可能性，因而总是能把分离端头软管的力保持在远远高于移动车辆配置所需力的水平上。现场测试也表明，在使用双倍宽垫圈时发生不理想软管分离的次数大大降低。通过显著降低不理想软管分离的发生，列车停运的发生率也随之降低，从而提高铁路运行效率。