和諧型機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)空氣管路C6修檢修策略研究*

劉 鋒，容長(zhǎng)生，寇樹(shù)仁，白 鋒

（1 中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲412001；2 中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司，北京100844；3 中車大同電力機(jī)車有限公司，山西大同037038）

截止到2019年，全國(guó)和諧型機(jī)車?yán)塾?jì)生產(chǎn)11000余臺(tái)，最早配屬的HXD1、HXD3、HXD3C型機(jī)車于2017年底開(kāi)始進(jìn)入C6修修程。和諧型機(jī)車C6修是機(jī)車全面分解檢修，全面性能參數(shù)測(cè)試，恢復(fù)基本性能，可同時(shí)進(jìn)行機(jī)車或主要部件的技術(shù)提升的最高級(jí)修程，空氣管路作為機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分和載體，其C6修狀況直接影響機(jī)車的運(yùn)用安全。因此，需系統(tǒng)科學(xué)地研究空氣管路的C6修檢修策略。

1 和諧型機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)空氣管路介紹

和諧型電力機(jī)車主要分為HXD1系列、HXD2系列以及HXD3系列，和諧型內(nèi)燃機(jī)車主要有HXN3系列和HXN5系列。制動(dòng)系統(tǒng)空氣管路采用不銹鋼管、碳鋼管或鍍鋅管，見(jiàn)表1。

表1 主要車型制動(dòng)系統(tǒng)空氣管路材質(zhì)

根據(jù)機(jī)車的實(shí)際情況，采用不銹鋼材質(zhì)的鋼管，其狀態(tài)相對(duì)較好，而非不銹鋼鋼管表面部分存在銹蝕較為嚴(yán)重的現(xiàn)象。機(jī)車車下風(fēng)管不銹鋼材質(zhì)與碳鋼管C6修清潔前后狀態(tài)對(duì)比如圖1、圖2所示。

圖1 不銹鋼鋼管清潔前后對(duì)比

圖2 碳鋼管清潔前后對(duì)比

2 空氣管路C6修檢修要求

C6修規(guī)程對(duì)空氣管路的要求基本是“管路清潔，安裝良好。管路及管路接頭不許有松動(dòng)、變形、裂損及泄漏”、“對(duì)鋼管進(jìn)行外觀檢查，如有嚴(yán)重變形、裂損需進(jìn)行更新處理；內(nèi)外壁清潔”。根據(jù)規(guī)程要求，對(duì)空氣管路主要是表面清潔及狀態(tài)檢查。

管路傳統(tǒng)清潔的方法是鋼管外壁采用人工擦拭，內(nèi)部采用高壓氣槍和海綿子彈進(jìn)行清潔。通常采用中性清洗劑和熱水按照1∶20的比例勾兌成清洗液，水溫在38.5～42.5℃之間，將軟棉抹布在清洗液中投洗擰干后擦拭管路，或者抹布加用酒精進(jìn)行擦拭。管接頭等不易清洗的部分采用硬毛刷蘸取清洗劑清洗，清洗后用干抹布擦干凈。外壁清潔后，用對(duì)應(yīng)規(guī)格的清潔氣槍和海綿子彈對(duì)管路內(nèi)壁進(jìn)行清潔至少3次，觀察第3次打出的海綿子彈，如有嚴(yán)重銹蝕，則繼續(xù)清潔2次，若仍有嚴(yán)重銹蝕，則該管路報(bào)廢。如海綿子彈表面沒(méi)有明顯銹蝕，則用封口橡膠套對(duì)管口封口后放入指定區(qū)域，海綿子彈與清潔氣槍如圖3所示。

圖3 海綿子彈（左）與清潔氣槍（右）

外壁有銹蝕的鋼管（如鍍鋅管和碳鋼管），清潔前需用工業(yè)清洗劑涂刷，待清洗劑自然風(fēng)干后，再用砂紙對(duì)外表面進(jìn)行打磨，除去外表面鐵銹。對(duì)于焊接的鋼管，采用工業(yè)內(nèi)窺鏡檢查管路內(nèi)壁焊接情況。對(duì)于狀態(tài)較差的鋼管，一般是直接更新，不符合經(jīng)濟(jì)檢修的理念。因此，有必要研究新的清潔方案和狀態(tài)檢查方案。

3 超聲波清洗方法

3.1 超聲波清洗原理

超聲波是一種機(jī)械波，超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的高頻、高壓電流激勵(lì)超聲波換能器產(chǎn)生超聲波。超聲波振動(dòng)在液體傳播過(guò)程中，其功率密度為0.35 W/cm2，這時(shí)在液體中傳播的超聲波的聲波壓強(qiáng)峰值就可以輕易達(dá)到真空或負(fù)壓；此時(shí)液體中存在著一個(gè)很大的物理力，液體分子則在物理力的作用下被拉裂成空洞，這一空洞十分接近于真空狀態(tài)。當(dāng)周邊壓力突增，液體分子內(nèi)部產(chǎn)生較大的沖擊力而將清洗對(duì)象的污染物沖擊去除，這樣的許多個(gè)十分密集而細(xì)小的拉裂空洞產(chǎn)生沖擊的現(xiàn)象就是“空化”。“空化”作用最容易在固體和液體的交界邊產(chǎn)生，對(duì)于處于超聲作用液體下的物體具有十分良好的清洗效果。超聲波技術(shù)還有一大特點(diǎn)，可以穿透固體，穿透到清洗物體的另外一個(gè)表面，達(dá)到全方位清洗的目的［1］。

超聲波管道清洗機(jī)必須具備2個(gè)基本部件：高頻高壓大功率電信號(hào)的超聲波發(fā)生器以及能將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并經(jīng)液體流通的管道式超聲波換能器，如圖4所示。

圖4 超聲波管道除垢清洗機(jī)示意圖

3.2 超聲波清洗技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

超聲波清洗與傳統(tǒng)清洗技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）高精度：由于超聲波的能量能夠穿透細(xì)微的縫隙和小孔，故可以應(yīng)用于任何零部件或裝配件清洗。被清洗件為精密部件或裝配件時(shí)，超聲波清洗往往成為能滿足其特殊技術(shù)要求的唯一清洗方式。

（2）一致性：無(wú)論被清洗件是大是小，簡(jiǎn)單還是復(fù)雜，單件還是批量或在自動(dòng)流水線上，使用超聲清洗都可以獲得手工清洗無(wú)可比較的均一清潔度。

（3）快速：超聲波清洗相對(duì)傳統(tǒng)的清洗方法在工件除塵除垢方面要快得多，裝配件無(wú)須裝配即可清洗。

正因?yàn)槌暡ㄇ逑从衅渌逑捶绞綗o(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，其運(yùn)用越來(lái)越廣泛，由以前運(yùn)用于清洗機(jī)械工件、電子元件等少數(shù)領(lǐng)域，發(fā)展到以后清洗化工領(lǐng)域、國(guó)防領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域、首飾加工領(lǐng)域、飛機(jī)工業(yè)領(lǐng)域、食品清洗領(lǐng)域、餐具清洗領(lǐng)域、按摩洗浴領(lǐng)域等廣范圍的軍事、工業(yè)、民用領(lǐng)域［2］。

因此和諧機(jī)車的空氣管路的清洗也可以采用超聲波清洗方法進(jìn)行。文獻(xiàn)［3］采用管路超聲波清洗機(jī)對(duì)CRH3型動(dòng)車組制動(dòng)管路檢修時(shí)，管路清潔效果良好，內(nèi)部油污清除徹底。

4 超聲波測(cè)厚方法

和諧機(jī)車在C6修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于采用碳鋼管和鍍鋅管的機(jī)車，空氣管路鋼管外表面在螺紋裸露或面漆破損處出現(xiàn)過(guò)銹蝕，部分鋼管內(nèi)部由于壓力空氣中存在的油水污物也有不同程度的銹蝕。對(duì)于出現(xiàn)銹蝕的鋼管，除了進(jìn)行除銹處理外，還需要對(duì)鋼管的壁厚進(jìn)行測(cè)量評(píng)估。機(jī)車空氣管路的壁厚偏差采用GB/T 17395-2008《無(wú)縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差》中標(biāo)準(zhǔn)化壁厚允許偏差中的S2級(jí)，不超過(guò)壁厚的±12.5%。采用傳統(tǒng)的游標(biāo)卡尺的常規(guī)測(cè)量工具不能有效地測(cè)量鋼管的壁厚，因此為實(shí)現(xiàn)空氣鋼管C6修量值修車、精準(zhǔn)檢修的理念，需采用其他有效的儀器和方法進(jìn)行。

4.1 超聲波測(cè)厚技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

目前現(xiàn)有的管道測(cè)厚方法有漏磁法、超聲波法、脈沖渦流法和電磁超聲法［4］。其中采用超聲波法研制的超聲波測(cè)厚儀得到了廣泛應(yīng)用，其靈敏度高、穩(wěn)定性好、工作可靠、操作簡(jiǎn)單，是低功耗、袖珍式、智能化儀器，廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、冶金、機(jī)械、船舶等部門(mén)檢測(cè)管道、鍋爐和壓力儀器的壁厚，是設(shè)備安全運(yùn)行的保障。

4.2 超聲波測(cè)厚原理

超聲波測(cè)厚原理是利用探頭測(cè)量超聲波信號(hào)往返于工件內(nèi)、外表面之間的時(shí)間差，以此來(lái)確定工件厚度，如圖5所示。

圖5 超聲波測(cè)厚原理圖

在采用超聲波對(duì)鋼管厚度測(cè)量前需對(duì)鋼管表面進(jìn)行清潔，保證金屬表面平滑、無(wú)雜物。測(cè)量時(shí)在探頭和金屬表面之間加聲阻抗大的耦合劑，減少聲波泄露損失，并施加適當(dāng)壓力，盡量在相互垂直方向各測(cè)一次。超聲波法測(cè)到的是剩余壁厚，包括管道外壁和內(nèi)壁的可能損失［5］。測(cè)量中可能需要其他儀器，如超聲探傷儀。

超聲探傷儀作用原理基本上與超聲測(cè)厚儀相同，都是利用超聲波本身對(duì)金屬材料的特殊反饋性質(zhì)完成探測(cè)，在不同介質(zhì)上的反射特點(diǎn)代表著不同介質(zhì)的厚度和缺陷情況。超聲探傷儀多選用高頻小晶片縱波直探頭，超聲波檢測(cè)到金屬管道表面的耦合劑后通過(guò)其傳入工件，通過(guò)在工件內(nèi)傳播并反饋給探頭，聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電訊號(hào)進(jìn)入電路，最終形成反應(yīng)缺陷的反射波，也成為傷波。在超聲探傷儀應(yīng)用中，缺陷距離和大小的計(jì)算主要是根據(jù)反饋回來(lái)的傷波、始波情況與工件缺陷之間的距離，獲得較為理想的檢測(cè)效果。因此應(yīng)用超聲波探傷儀掃查管壁，可根據(jù)波形特點(diǎn)定性了解管壁厚度和缺陷狀態(tài)，判斷其處于均勻減薄缺陷還是非均勻減薄缺陷，同時(shí)掃查嚴(yán)重減薄區(qū)域，了解情況。

超聲波測(cè)厚儀與超聲波探傷儀結(jié)合應(yīng)用，可以按以下規(guī)則對(duì)鋼管壁厚進(jìn)行檢測(cè)：

（1）管壁厚度變化均勻、壁厚不小于0.4 mm時(shí)，可以直接采用超聲波測(cè)厚儀進(jìn)行測(cè)量。

（2）管壁厚度變化不均勻、壁厚大于0.4 mm時(shí)，應(yīng)先用超聲波探傷儀掃查，確定管壁減薄極限厚度下的面積區(qū)域，然后用超聲波測(cè)厚儀測(cè)量。

（3）測(cè)厚儀數(shù)據(jù)異常時(shí)，如無(wú)讀數(shù)（由于管內(nèi)壁產(chǎn)生大量凹凸坑造成）、讀數(shù)異常高（由于殘余壁厚小于數(shù)毫米）、讀數(shù)異常低（由于管壁內(nèi)含有夾層、裂紋等缺陷）時(shí)，應(yīng)先用超聲波探傷儀判斷異常原因，以便獲得正常讀數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

空氣管路的檢修質(zhì)量直接關(guān)系到機(jī)車的運(yùn)用安全。相對(duì)于傳統(tǒng)的空氣管路檢修方法，采用超聲波清洗技術(shù)能對(duì)管路進(jìn)行較為徹底的清潔，采用超聲波技術(shù)對(duì)管壁能夠進(jìn)行精確的測(cè)量。對(duì)于和諧型機(jī)車的空氣管路的檢修具有一定的借鑒作用。