和谐型机车制动系统空气管路C6修检修策略研究*

刘 锋，容长生，寇树仁，白 锋

（1 中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲412001；2 中国国家铁路集团有限公司，北京100844；3 中车大同电力机车有限公司，山西大同037038）

截止到2019年，全国和谐型机车累计生产11000余台，最早配属的HXD1、HXD3、HXD3C型机车于2017年底开始进入C6修修程。和谐型机车C6修是机车全面分解检修，全面性能参数测试，恢复基本性能，可同时进行机车或主要部件的技术提升的最高级修程，空气管路作为机车制动系统的重要组成部分和载体，其C6修状况直接影响机车的运用安全。因此，需系统科学地研究空气管路的C6修检修策略。

1 和谐型机车制动系统空气管路介绍

和谐型电力机车主要分为HXD1系列、HXD2系列以及HXD3系列，和谐型内燃机车主要有HXN3系列和HXN5系列。制动系统空气管路采用不锈钢管、碳钢管或镀锌管，见表1。

表1 主要车型制动系统空气管路材质

根据机车的实际情况，采用不锈钢材质的钢管，其状态相对较好，而非不锈钢钢管表面部分存在锈蚀较为严重的现象。机车车下风管不锈钢材质与碳钢管C6修清洁前后状态对比如图1、图2所示。

图1 不锈钢钢管清洁前后对比

图2 碳钢管清洁前后对比

2 空气管路C6修检修要求

C6修规程对空气管路的要求基本是“管路清洁，安装良好。管路及管路接头不许有松动、变形、裂损及泄漏”、“对钢管进行外观检查，如有严重变形、裂损需进行更新处理；内外壁清洁”。根据规程要求，对空气管路主要是表面清洁及状态检查。

管路传统清洁的方法是钢管外壁采用人工擦拭，内部采用高压气枪和海绵子弹进行清洁。通常采用中性清洗剂和热水按照1∶20的比例勾兑成清洗液，水温在38.5～42.5℃之间，将软棉抹布在清洗液中投洗拧干后擦拭管路，或者抹布加用酒精进行擦拭。管接头等不易清洗的部分采用硬毛刷蘸取清洗剂清洗，清洗后用干抹布擦干净。外壁清洁后，用对应规格的清洁气枪和海绵子弹对管路内壁进行清洁至少3次，观察第3次打出的海绵子弹，如有严重锈蚀，则继续清洁2次，若仍有严重锈蚀，则该管路报废。如海绵子弹表面没有明显锈蚀，则用封口橡胶套对管口封口后放入指定区域，海绵子弹与清洁气枪如图3所示。

图3 海绵子弹（左）与清洁气枪（右）

外壁有锈蚀的钢管（如镀锌管和碳钢管），清洁前需用工业清洗剂涂刷，待清洗剂自然风干后，再用砂纸对外表面进行打磨，除去外表面铁锈。对于焊接的钢管，采用工业内窥镜检查管路内壁焊接情况。对于状态较差的钢管，一般是直接更新，不符合经济检修的理念。因此，有必要研究新的清洁方案和状态检查方案。

3 超声波清洗方法

3.1 超声波清洗原理

超声波是一种机械波，超声波发生器产生的高频、高压电流激励超声波换能器产生超声波。超声波振动在液体传播过程中，其功率密度为0.35 W/cm2，这时在液体中传播的超声波的声波压强峰值就可以轻易达到真空或负压；此时液体中存在着一个很大的物理力，液体分子则在物理力的作用下被拉裂成空洞，这一空洞十分接近于真空状态。当周边压力突增，液体分子内部产生较大的冲击力而将清洗对象的污染物冲击去除，这样的许多个十分密集而细小的拉裂空洞产生冲击的现象就是“空化”。“空化”作用最容易在固体和液体的交界边产生，对于处于超声作用液体下的物体具有十分良好的清洗效果。超声波技术还有一大特点，可以穿透固体，穿透到清洗物体的另外一个表面，达到全方位清洗的目的［1］。

超声波管道清洗机必须具备2个基本部件：高频高压大功率电信号的超声波发生器以及能将电能转化为机械能并经液体流通的管道式超声波换能器，如图4所示。

图4 超声波管道除垢清洗机示意图

3.2 超声波清洗技术的优点

超声波清洗与传统清洗技术相比，其优点如下：

（1）高精度：由于超声波的能量能够穿透细微的缝隙和小孔，故可以应用于任何零部件或装配件清洗。被清洗件为精密部件或装配件时，超声波清洗往往成为能满足其特殊技术要求的唯一清洗方式。

（2）一致性：无论被清洗件是大是小，简单还是复杂，单件还是批量或在自动流水线上，使用超声清洗都可以获得手工清洗无可比较的均一清洁度。

（3）快速：超声波清洗相对传统的清洗方法在工件除尘除垢方面要快得多，装配件无须装配即可清洗。

正因为超声波清洗有其他清洗方式无法比拟的优点，其运用越来越广泛，由以前运用于清洗机械工件、电子元件等少数领域，发展到以后清洗化工领域、国防领域、军事领域、首饰加工领域、飞机工业领域、食品清洗领域、餐具清洗领域、按摩洗浴领域等广范围的军事、工业、民用领域［2］。

因此和谐机车的空气管路的清洗也可以采用超声波清洗方法进行。文献［3］采用管路超声波清洗机对CRH3型动车组制动管路检修时，管路清洁效果良好，内部油污清除彻底。

4 超声波测厚方法

和谐机车在C6修过程中发现，对于采用碳钢管和镀锌管的机车，空气管路钢管外表面在螺纹裸露或面漆破损处出现过锈蚀，部分钢管内部由于压力空气中存在的油水污物也有不同程度的锈蚀。对于出现锈蚀的钢管，除了进行除锈处理外，还需要对钢管的壁厚进行测量评估。机车空气管路的壁厚偏差采用GB/T 17395-2008《无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》中标准化壁厚允许偏差中的S2级，不超过壁厚的±12.5%。采用传统的游标卡尺的常规测量工具不能有效地测量钢管的壁厚，因此为实现空气钢管C6修量值修车、精准检修的理念，需采用其他有效的仪器和方法进行。

4.1 超声波测厚技术的优点

目前现有的管道测厚方法有漏磁法、超声波法、脉冲涡流法和电磁超声法［4］。其中采用超声波法研制的超声波测厚仪得到了广泛应用，其灵敏度高、稳定性好、工作可靠、操作简单，是低功耗、袖珍式、智能化仪器，广泛应用于电力、石油、化工、冶金、机械、船舶等部门检测管道、锅炉和压力仪器的壁厚，是设备安全运行的保障。

4.2 超声波测厚原理

超声波测厚原理是利用探头测量超声波信号往返于工件内、外表面之间的时间差，以此来确定工件厚度，如图5所示。

图5 超声波测厚原理图

在采用超声波对钢管厚度测量前需对钢管表面进行清洁，保证金属表面平滑、无杂物。测量时在探头和金属表面之间加声阻抗大的耦合剂，减少声波泄露损失，并施加适当压力，尽量在相互垂直方向各测一次。超声波法测到的是剩余壁厚，包括管道外壁和内壁的可能损失［5］。测量中可能需要其他仪器，如超声探伤仪。

超声探伤仪作用原理基本上与超声测厚仪相同，都是利用超声波本身对金属材料的特殊反馈性质完成探测，在不同介质上的反射特点代表着不同介质的厚度和缺陷情况。超声探伤仪多选用高频小晶片纵波直探头，超声波检测到金属管道表面的耦合剂后通过其传入工件，通过在工件内传播并反馈给探头，声波信号转化为电讯号进入电路，最终形成反应缺陷的反射波，也成为伤波。在超声探伤仪应用中，缺陷距离和大小的计算主要是根据反馈回来的伤波、始波情况与工件缺陷之间的距离，获得较为理想的检测效果。因此应用超声波探伤仪扫查管壁，可根据波形特点定性了解管壁厚度和缺陷状态，判断其处于均匀减薄缺陷还是非均匀减薄缺陷，同时扫查严重减薄区域，了解情况。

超声波测厚仪与超声波探伤仪结合应用，可以按以下规则对钢管壁厚进行检测：

（1）管壁厚度变化均匀、壁厚不小于0.4 mm时，可以直接采用超声波测厚仪进行测量。

（2）管壁厚度变化不均匀、壁厚大于0.4 mm时，应先用超声波探伤仪扫查，确定管壁减薄极限厚度下的面积区域，然后用超声波测厚仪测量。

（3）测厚仪数据异常时，如无读数（由于管内壁产生大量凹凸坑造成）、读数异常高（由于残余壁厚小于数毫米）、读数异常低（由于管壁内含有夹层、裂纹等缺陷）时，应先用超声波探伤仪判断异常原因，以便获得正常读数。

5 结语

空气管路的检修质量直接关系到机车的运用安全。相对于传统的空气管路检修方法，采用超声波清洗技术能对管路进行较为彻底的清洁，采用超声波技术对管壁能够进行精确的测量。对于和谐型机车的空气管路的检修具有一定的借鉴作用。