ZD（J）9型轉(zhuǎn)轍機動作桿件防水研究

黃天新，丁召榮

(1．北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070；3．西安鐵路信號有限責任公司，西安 710100)

1 轉(zhuǎn)轍機防水的必要性

轉(zhuǎn)轍機用于室外道旁，受自然環(huán)境影響較大，現(xiàn)場使用中進水情況較多，轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部進水后，在晝夜交替過程中會反復(fù)產(chǎn)生水汽和凝露的交替變化，由于結(jié)構(gòu)原因，不開蓋晾曬的情況下，進入機內(nèi)的水分難以排出機外。轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部長期保持高濕度會產(chǎn)生如下有害影響。

1）吸水率高的絕緣零件絕緣性能急劇下降，甚至影響電路，電器的正常工作。

2）金屬表面及不同金屬界面的凝露溶解CO2、SO2、NO2等物質(zhì)形成電解液后會發(fā)生電化學腐蝕。

3）漆膜會發(fā)生鼓包、脫落、掉層等現(xiàn)象，降低防護能力，加速零件破壞。

4）零件表面的潤滑劑會被稀釋、損耗，嚴重降低潤滑效果，加劇零件磨損，增大運動阻力，甚至影響到設(shè)備功能。

5）金屬零件表面的油膜被稀釋、損耗，加速零件表面的腐蝕。

6）接點片結(jié)霜、冰，摩擦聯(lián)結(jié)器銹蝕，造成接觸不良、電機堵轉(zhuǎn)故障。

經(jīng)多年使用經(jīng)驗驗證，加裝防護罩是比較簡單有效的轉(zhuǎn)轍機防水措施，目前普速線路上已經(jīng)大量進行應(yīng)用。

高鐵線路同樣存在轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部進水的問題，但由于車輛運行速度極高，加裝防護罩的防水方法受到限制，因此需要對轉(zhuǎn)轍機進水問題進行研究以采取有效措施。經(jīng)分析研究，認為應(yīng)按照如下思路進行研究并采取措施。

1）找出進水原因，確定進水位置，從進水處封堵。

2）機內(nèi)進水后盡快將水排出機外,減小進水后對機內(nèi)零部件及功能的影響。

2 轉(zhuǎn)轍機在使用中存在的進水問題

2.1 靜密封處密封

轉(zhuǎn)轍機上蓋和機殼的開合面處，機殼上開孔處等部位在下雨天氣均是容易進水的位置，設(shè)計人員通常會采取密封措施進行防水，并且會根據(jù)現(xiàn)場使用情況進行優(yōu)化改進，各進水部位經(jīng)采取措施后基本都能解決進水問題。

2.2 動作桿及表示桿位置進水

國內(nèi)現(xiàn)有轉(zhuǎn)轍機基本都是動作桿和表示桿兩根桿件從底殼伸出，表示桿目前均為方形截面，動作桿分為方形和圓形截面兩種，除CTS2 轉(zhuǎn)轍機外，各型轉(zhuǎn)轍機的防護等級均按照IP54 設(shè)計，因此兩桿伸出底殼部位對水的密封性能有限，經(jīng)分析，動作桿及表示桿處進水原因如下。

轉(zhuǎn)轍機伸出桿件與孔及填充零件的配合有間隙，當桿件表面附著水珠時，可能隨桿件運動進入轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部，甚至桿件表面的雨水可能沿桿件流入轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部。

多數(shù)機型在底殼上桿件入口處設(shè)計有儲油結(jié)構(gòu)，以對桿件進行潤滑，如油氈，當油氈儲油飽滿時可以減緩桿件水珠進入，但其油量會逐步消耗，如果不能及時補充，則油氈會吸儲桿件表面水分，當吸儲飽滿時，桿件擠壓油氈，會使油氈中水分析出而流入轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部，如此反復(fù)，轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部就會進水。

現(xiàn)有轉(zhuǎn)轍機的表示桿基本都是兩片桿件貼合的結(jié)構(gòu)，兩片桿件之間的縫隙形成毛細結(jié)構(gòu)，當水進入縫隙后，在其表面張力和水與鋼材的浸潤現(xiàn)象作用下，并不能在重力作用下從縫隙下部流出，而是沿縫隙流動，直至水量足夠或者縫隙變寬才會從下部滴下，這樣，當露出機外的表示桿兩片桿件縫隙進水后，即使表示桿不運動，水也會沿著兩片桿件縫隙進入轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部，因此在下雨天氣時，如果桿件沒有防護，即使轉(zhuǎn)轍機不轉(zhuǎn)換，雨水也會沿兩片表示桿之間的縫隙進入轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部。

2.3 針對性措施

2.3.1 動作桿表面密封措施

為解決雨水從此處進入轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部的問題，設(shè)計制作專用密封圈，由于需要防止外露桿件表面的雨水進入，參考Y 形密封圈結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，應(yīng)用時Y 形口向著桿件外露部分，當桿件向轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部運動時，其表面的水被密封圈的唇口刮掉并阻止其進入轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部。

2.3.2 兩片表示桿縫隙的防水措施

前述的專用密封圈可以防止桿件表面的水進入轉(zhuǎn)轍機，但是不能解決兩片表示桿縫隙進水的問題。由于此處進水原因是水的表面張力足以克服狹縫中水的重力，使其不能順暢的從狹縫下部流出，故在表示桿停止時靠近且露出機殼的位置加工連通其上下表面的排水槽。如圖1 所示。首先方便桿件上平面的雨水從排水槽流下，同時使表示桿兩片之間的狹縫在此處變寬，沿狹縫流動的水到此位置后，由于水珠的重力大于表面張力而滴下。

圖1 表示桿排水槽Fig.1 Drainage slot of Indication rod

2.4 其他措施

如前所述，對于轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部進水問題，應(yīng)該采用防、排結(jié)合的方法進行解決。通常轉(zhuǎn)轍機均設(shè)置排水孔，當機內(nèi)有積水時，可以打開排水孔排放積水。除此之外，以下措施也可以有效排水。

2.4.1 孔套零件上設(shè)計排水結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)轍機的動作桿和表示桿在壽命周期內(nèi)需要反復(fù)伸出及縮入，通常使用孔套或類似零件對動作桿及表示桿進行定位，由于其內(nèi)孔周邊與桿件外周接觸、摩擦，若桿件周邊有水，肯定會流入孔套零件，因此，在孔套零件上設(shè)計導(dǎo)流、排水結(jié)構(gòu)，可以有效控制其中水的流動方向，使其按照設(shè)計意圖流出轉(zhuǎn)轍機外。如圖2 所示。

圖2 孔套零件的導(dǎo)流排水結(jié)構(gòu)Fig.2 Drainage structure of hole sleeve parts

2.4.2 設(shè)計通風結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部進水后，隨著晝夜溫度的變化，機內(nèi)的水分會反復(fù)蒸發(fā)、冷凝，冷凝后會在絕大部分零件表面產(chǎn)生水珠，最終會加速零件銹蝕，加速潤滑劑流失，增大轉(zhuǎn)轍機故障率。因此進入轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部的水分應(yīng)盡快排出，通常排水孔不能完全排出所有積水，并且附著在零件表面的冷凝水不能從排水口排出，也不可能完全擦拭掉，因此，需要在轉(zhuǎn)轍機上設(shè)置通風結(jié)構(gòu)來盡快排出內(nèi)部水汽，通風結(jié)構(gòu)需考慮防雨水、濺水，應(yīng)充分利用外界自然風和列車通過時的強迫風使機內(nèi)和機外空氣交換。根據(jù)理論分析和現(xiàn)場使用經(jīng)驗，可在機蓋兩端各設(shè)置一個防雨、防濺的通風孔。

3 相關(guān)測試及驗證

3.1 密封圈阻力測試

彈性密封圈緊貼桿件表面，在靜止時可以阻擋水沿桿件表面流進轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部，在運動過程中可以刮掉桿件表面的水，使其不能隨桿件進入轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部，但在彈力和摩擦系數(shù)較大時，可能產(chǎn)生明顯的摩擦阻力，增加轉(zhuǎn)轍機的內(nèi)部損耗，因此需對此變化產(chǎn)生的影響進行測試。使用測力計在不同環(huán)境溫度下測量拉動桿件所需要的力，測量結(jié)果如圖3 所示。

由測試結(jié)果可明顯看出，彈性密封圈相對于初始設(shè)計摩擦力并沒有增大，并且在低溫環(huán)境下，摩擦力小于初始設(shè)計，在改善密封性能的同時并沒有增大轉(zhuǎn)換阻力。

3.2 兩片表示桿縫隙設(shè)置排水槽驗證

轉(zhuǎn)轍機靜止時，在表示桿上平面淋水，觀察水流情況，可以發(fā)現(xiàn)水從表示桿縫隙流入，在表示桿下平面縫隙處會形成水滴，水沿縫隙流動，水滴會逐漸遠離淋水位置，因此水會沿縫隙進入轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部。如圖4、5 所示。

在表示桿貼合面加工排水槽后繼續(xù)前述試驗，可以發(fā)現(xiàn)水滴延續(xù)到排水槽處后不再延伸，分開兩片表示桿觀察，會發(fā)現(xiàn)水漬延續(xù)到排水槽處后不再延伸，如圖6 所示，證明排水槽斷開了兩片表示桿縫隙中水向遠處的延續(xù)流動，在轉(zhuǎn)轍機靜止時，兩片表示桿縫隙處設(shè)置合理的排水槽可以減少水沿縫隙流入轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部的概率。

對有排水槽和無排水槽的表示桿，也進行了轉(zhuǎn)轍機轉(zhuǎn)換過程的防水對比試驗，兩臺轉(zhuǎn)轍機擺放在室外，一臺使用有排水槽表示桿，一臺使用無排水槽表示桿，兩臺轉(zhuǎn)轍機的表示桿均使用工裝與動作桿連接，使兩臺轉(zhuǎn)轍機間歇通電動作，經(jīng)過下雨天氣之后觀察兩臺轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部的積水情況，發(fā)現(xiàn)均是在底殼內(nèi)對應(yīng)表示桿下部位置有積水，且有排水槽的表示桿處進水量相對較少。在實驗室對兩臺轉(zhuǎn)轍機進行測試，使用水泵抽水噴淋到表示桿上表面，在轉(zhuǎn)轍機間歇轉(zhuǎn)換動作時，觀察兩種表示桿的防水性能沒有明顯差異，分析原因是噴淋水量比較大，排水槽內(nèi)的水沒有完全流出時就被帶入轉(zhuǎn)轍機內(nèi)。

圖3 動作桿向轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部運動阻力Fig.3 Internal motion resistance of the throw rod towards switch machine

圖4 水沿兩片桿件縫隙流動Fig.4 Water flows through the gap between the two pieces of indication rod

圖5 兩片桿件縫隙進水痕跡Fig.5 Water mark between the two pieces of indication rod

圖6 水漬延續(xù)痕跡Fig.6 Water mark remained

3.3 孔套零件排水結(jié)構(gòu)必要性及有效性

以ZD（J）9 轉(zhuǎn)轍機方孔套為例，設(shè)計導(dǎo)流斜面及排水孔，各加工面未進行防護處理，安裝于室外試驗轉(zhuǎn)轍機上，經(jīng)過下雨天氣后，拆除表示桿處方孔套觀察，導(dǎo)流斜面及排水孔均有明顯鐵銹痕跡，如圖7 所示。可見這些位置在下雨天氣有雨水流過，表明此零件設(shè)置導(dǎo)流、排水結(jié)構(gòu)很有必要，否則，部分被排出的水肯定會流入轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部，同時也證明所設(shè)計的導(dǎo)流、排水結(jié)構(gòu)有效，按照設(shè)計意圖將此處的雨水排出了機外。

圖7 方孔套內(nèi)導(dǎo)流排水痕跡Fig.7 Diversion and drainage marks inside square hole sleeve

3.4 通風結(jié)構(gòu)驗證

將多個車站的轉(zhuǎn)轍機上蓋直接更換，使用帶通風結(jié)構(gòu)的上蓋，現(xiàn)場反饋效果明顯，和更換前同季節(jié)及相同降水情況相比，開蓋后發(fā)現(xiàn)積水的概率明顯下降。在安裝了機內(nèi)溫濕度傳感器的車站，使用不同上蓋的轉(zhuǎn)轍機濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，使用通風結(jié)構(gòu)上蓋的轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部相對濕度明顯小于使用無通風結(jié)構(gòu)上蓋的轉(zhuǎn)轍機。

4 結(jié)束語

綜上所述，戶外使用的轉(zhuǎn)轍機容易在下雨天氣發(fā)生機內(nèi)進水現(xiàn)象，尤其是沒有安裝防雨罩的轉(zhuǎn)轍機。轉(zhuǎn)轍機進水后，其壽命、功能、可靠性會受到明顯影響，因此，應(yīng)該采取措施加強各處密封，降低轉(zhuǎn)轍機進水概率，同時采取有效的排水措施，使進入機內(nèi)的水分盡快排出。轉(zhuǎn)轍機進行水密封設(shè)計時，應(yīng)注意如下問題。

1）轉(zhuǎn)轍機運動桿件處進水幾率較大，尤其是兩片結(jié)構(gòu)的分動表示桿處容易進水，且難以實現(xiàn)密封。

2）本文介紹的桿件密封結(jié)構(gòu)可以改善運動桿件密封性能，且在-40℃～70℃的溫度范圍內(nèi)，對桿件產(chǎn)生的摩擦阻力數(shù)值較小，對轉(zhuǎn)轍機的轉(zhuǎn)換沒有明顯影響。

3）在兩片表示桿狹縫合理設(shè)置排水槽，可以有效阻止水沿狹縫流入轉(zhuǎn)轍機內(nèi)部，尤其在轉(zhuǎn)轍機不轉(zhuǎn)換的情況下，阻斷效果尤其明顯。

4）設(shè)計通風結(jié)構(gòu)及孔套零件設(shè)計導(dǎo)流、排水結(jié)構(gòu)等輔助措施對于轉(zhuǎn)轍機防水及排水均有明顯效果。

5）轉(zhuǎn)轍機的防水應(yīng)重視防排結(jié)合。