纤维素增稠体系改善高寒动车组转向架防冰液滞留性能的研究

陈梦，李紫千，赵云行，胡仕凯，马运章，杜卫超

(中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京 100081)

纤维素增稠体系改善高寒动车组转向架防冰液滞留性能的研究

陈梦，李紫千，赵云行，胡仕凯，马运章，杜卫超

(中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京 100081)

本文使用纤维素增稠体系来改善高寒动车组转向架防冰液的滞留性能，通过实验室黏度试验、吹脱试验、剪切力试验和上车实际试用试验，证明经纤维素增稠体系大大增加了防冰液在转向架底部的滞留时间，使防冰液更符合我国高寒地区动车组交路长、车速快的实际情况。并研究了增稠后的防冰液对制动性能的影响，保证车辆的行驶安全。

防冰液；增稠；滞留性能

1 概述

高速动车组自运行以来，每年冬季，铁路运营部门都会遇到动车组结冰问题，尤其是北方地区，每当下雪以后，动车组转向架部位结冰严重，限制列车运行时的自由度，影响制动夹钳的动作，直接影响到列车的运行安全，动车段不得不花费大量的人力、物力及财力进行除冰融雪。

瑞典等国家通过使用转向架除防冰液对寒冷地区运行的列车进行除冰、防冰，取得了一定的效果。转向架用除防冰液以乙二醇或丙二醇为主要原料，通过乙二醇或丙二醇较低冰点的特性，喷涂至转向架部位，达到防止或减少转向架结冰的效果。但国外除冰液普遍黏度较低，滞留性差，滞留时间短，这是由列车运行的实际情况所决定的，欧洲国家铁路线路一般交路较短，站与站之间间隔较近，便于除防冰液的频繁喷涂。而高寒地区也主要以普通客车为主，车速较慢，对除防冰液的滞留性与滞留时间要求不高。

我国列车在高寒地区的实际运行情况与欧洲国家有很大区别，380B型高寒动车组由于空气动力学结构特殊，转向架底部尤其容易积雪，运行速度达300 km/h，冬季不降速，且交路较长，列车往返回库距离均在1 000 km以上，这就需要除防冰液具有极好的滞留性能，以保证运行全程除防冰液不失效。欧洲国家使用的除防冰液由于滞留性不佳已不能满足我国高寒动车组的使用要求，本文对除防冰液通过增稠体系改善其滞留性能，使其满足高寒动车组的运行防冰需求。

增稠剂可分为两大类：油性增稠剂和水性增稠剂。防冰液是水基溶液，需使用水性增稠剂[1]。本文选用了一种水性有机纤维素类增稠剂来增稠防冰液，并分析增稠后防冰液性能的改变。

2 实验部分

2.1 材料与设备

2.1.1 试验材料

纤维素，广州博峰化工；丙二醇，燕山石化；铝板，200 mm×200 mm×0.5 mm。

2.1.2 试验设备

旋转黏度计，昌吉地质NDJ-1B；空压机，苏州同一机电；电子天平，METTLER TOLEDO MS4002S；拉力试验机，ALIYIQI NK-200；高低温箱，YOMA MHU-02；喷枪，WEIBIHAO F75；高速1∶1制动动力试验台，中国铁道科学研究院。

2.2 实验方法

2.2.1 实验室实验

2.2.1.1 残留性能模拟实验

为模拟增稠后的防冰液在列车运行时是否能残留在转向架表面，考察除冰液在风力作用下的滞留性能，我们设计了残留率模拟实验。试验方法是使用空压机对涂覆增稠后的防冰液的板材吹风，所用空压机出风速度约100 km/h，空压机出风口贴近铝板，连续对涂有防冰液的板材以约15°的夹角吹风30 s，分别称量板材自重m0，吹风前涂覆防冰液的板材重m1，吹风后涂覆防冰液的的板材重m2，进而通过公式(1)算出残留率A。

A=(m1-m2)/(m1-m0)×100%

(1)

2.2.1.2 除冰剪切力试验

为了衡量增稠后的防冰液对材料表面结冰的附着力降低程度，制作了如图1所示工装。该工装由杯形容器和上盖两部分组成，容器容量为10 ml，截面积为900 mm2，杯形容器上沿与上盖分别焊有横向可牵拉的半圆形拉环。实验时将工装容器放入-20 ℃低温箱保温30 min，用配制好的增稠防冰液涂覆工装盖，涂覆厚度约1 mm，垂直静置20 min后，向工装容器内倒入10 ml的冰水混合物，扣好上盖，保证上盖与容器的半圆形拉环在同一直线的相反方向，在-20 ℃低温箱冷冻2 h，从低温箱中取出工装，在5 min之内用拉力机牵引两个拉环，进行冰与工装盖剪切力的测试。

图1 剪切除冰力工装

2.2.1.3 黏度

加入纤维素搅拌均匀后使用旋转黏度计测量增稠后的防冰液旋转黏度。

2.2.2 上车试用实验

选取一列哈尔滨铁路局运行于长吉线的380B型高寒动车组列车，其中1、3、6、8四节为动车，2、4、5、7四节为拖车，1、2节列车和7、8节列车由于空气动力学原因结冰较少，而动车又较拖车结冰更为严重，我们选择第3节或第6节两节动车进行喷涂防冰液的试验。在转向架底部及侧面所有部位使用喷枪喷涂防冰液，根据试验室试验的防冰效果、操作效果，分别喷涂未增稠防冰液、0.5%纤维素增稠防冰液、0.7%纤维素增稠防冰液。在列车运行1 400 km后，通过沿途TEDS(车下部件自动成像和识别系统)观察防冰液在车底转向架的残留效果。

2.2.3 增稠剂对制动安全的影响

为确定增稠后的防冰液对高速动车组制动安全的影响，在高速1∶1制动动力试验台进行实验条件基本符合高速动车组实际运行情况的制动试验。分别选取160 km/h，200 km/h，250 km/h，300 km/h四个速度，对喷涂水、添加0.5%纤维素增稠后的防冰液和添加0.7%纤维素增稠后的防冰液进行高速1∶1紧急制动试验。

1∶1制动试验台试验参数如下：

最高运行速度：330 km/h；

制动质量：4.5 t；

轮径：920 mm；

制动盘类型：轴装制动盘；

制动盘材料：铸钢；

闸片双侧最大压力：30 kN；

制动盘摩擦半径：251 mm；

闸片安装方式：非燕尾；

闸片材料：粉末冶金。

3 结果与讨论

3.1 实验室实验

3.1.1 残留性能模拟实验

分别测试添加0、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.7%、1%纤维素的防冰液的残留率，试验结果见图2，纤维素添加0.2%以下时，防冰液残留率为0，全部被风吹掉。当纤维素添加量至0.3%时，残留率迅速提升至75%，滞留性能大大增加。纤维素添加量在0.3%至1%之间时，残留率的增长基本呈线性，增长较慢，最大残留率可达90%，说明添加纤维素对滞留性能的影响很大，添加量越大，滞留性能越好。

图2 纤维素添加量对防冰液残留率的影响

3.1.2 剪切除冰力实验

利用工装分别测试纤维素添加量为0、0.3%、0.5%、0.7%、1%的防冰液的剪切除冰力，试验结果如图3所示，未添加纤维素的防冰液剪切力为94N，随着纤维素添加量的增加剪切力迅速下降。剪切除冰力体现了防冰液的防冰效果，此种防冰液中的丙二醇是防止结冰的唯一有效物质，在丙二醇含量相同的情况下，添加不同含量纤维素的防冰液在防冰效果上的差异是由于纤维素的添加降低了丙二醇被稀释的速度，由于丙二醇与水互溶，未添加纤维素的防冰液在闭合工装时迅速溶解于工装容器中的水里，而添加纤维素的防冰液，丙二醇与水互溶速度变慢，纤维素添加量越大，丙二醇被水稀释的速度越慢，在工装中的水结冰时工装盖上涂抹的增稠后的防冰液中的丙二醇还未被全部稀释，这使剪切除冰力大幅度降低。在纤维素添加量为0.5%时，剪切力降至16N。随着纤维素含量继续增加，剪切力下降缓慢，基本稳定。

图3 纤维素添加量对防冰液剪切除冰力的影响

3.1.3 黏度

分别加入0份、0.3份、0.5份、0.7份、1份的纤维素后的防冰液旋转黏度如图4所示。未添加纤维素的防冰液旋转黏度仅为7 mPa·s，旋转黏度随纤维素添加量的上升显著增长，添加1%纤维素的防冰液旋转黏度达到1 010 mPa·s，较未添加纤维素防冰液黏度增长144倍。纤维素添加量在0.7%以内时，旋转黏度基本随纤维素添加量呈线性增长，此时防冰液呈愈发粘稠的液体状，而纤维素添加量大于0.7%后黏度增长速度加快，纤维素添加量在1%时，防冰液呈流动性较差的粘稠的果冻状。黏度越大，防冰液与车体的结合就越紧密，达到增加滞留时间、防止吹脱的效果；但黏度过大也给防冰液的操作性带来问题，大于0.8%的防冰液已经无法在常温下进行雾化喷涂。所以我们选择0.5%和0.7%两个纤维素添加量来进行上车试用试验。

图4 纤维素添加量对防冰液黏度的影响

3.2 实际上车试用实验

在列车运行1 400 km后，通过沿途TEDS观察防冰液在车底转向架的残留效果。图5A为喷涂未增稠防冰液，图5B为喷涂0.5%纤维素增稠防冰液，图5C为喷涂0.7%纤维素增稠防冰液。由此三图可见，未增稠的防冰液在列车运行1 400 km后再转向架底部完全没有残留，已全部被吹脱，不能达到防冰效果，喷涂0.5%纤维素增稠及喷涂0.7%纤维素增稠防冰液均可见明显残留，0.7%纤维素增稠防冰液残留较0.5%纤维素增稠防冰液目测更多，在1 400 km后仍然可以清晰的观察到防冰液呈水珠状密布于转向架表面，说明随着防冰液中纤维素添加量的增加，残留性能也随之上升。

图5 车底转向架的防冰液残留效果

3.3 增稠剂对制动性能的影响试验

分别选取160 km/h，200 km/h，250 km/h，300 km/h四个速度，对喷涂水、添加0.5%纤维素增稠后的防冰液和添加0.7%纤维素增稠后的防冰液进行高速1∶1紧急制动试验。试验结果见表1，数据表明，喷涂增稠防冰液后列车制动距离大于喷水后的制动距离，增稠防冰液对制动性能有一定的影响，但对比TB/T 3402—2015《动车组制动系统》[2]，喷涂增稠防冰液后的制动距离远远小于技术条件规定的制动距离，可以保证列车的制动安全。

表1 增稠剂对制动性能的影响试验结果

制动初速(km/h)《TB/T3402—2015》规定制动距离(m)喷水后制动距离(m)0 5%纤维素增稠防冰液制动距离(m)0 7%纤维素增稠防冰液制动距离(m)300≤4200282630462887250≤3200197220712080200≤2000127913301319160≤1400869912897

试验过程中及试验后闸片状态良好，未出现变形、摩擦材料熔化、金属镶嵌、掉块、持续啸叫及其它缺陷，对制动盘和闸片运用状态无不良影响。

4 结论

通过纤维素添加量不同的防冰液进行残留性试验、剪切除冰力试验、黏度试验，证明了随着纤维素添加量的增加，防冰液的滞留性能上升，并逐渐趋于稳定；随着纤维素添加量的增加，防冰液喷涂的操作性逐渐下降，基于以上两种趋势，我们选择0.5%及0.7%纤维素添加量来进行实际上车试验。在保证防冰液不影响制动安全的前提下，进行实际上车试验，通过沿途TEDS观察，随着防冰液中纤维素添加量的增加，在转向架上的残留量也随之上升，滞留时间更长。

添加纤维素增稠大大改善了防冰液滞留性能，使之可以在更长交路、更长时间发挥作用，更加符合我国冬季动车组运行的情况。

[1] 赵芯，张亚博，苏正良，等，非牛顿型飞机除冰/防冰液增稠体系及增稠机理研究[J].精细与专用化学品,2015,23(2): 9-12.

[2] TB/T 3402—2015，动车组制动系统[S].

Study on Holdover Time of Cold Weather EMU Bogie Anti-icing Fluid Improved by Cellulose Thickening System

CHEN Meng, LI Ziqian, ZHAO Yunxing,HU Shikai, MA Yunzhang, DU Weichao

(MetalandChemicalInstitute,ChinaAcadamyofRailwaySciences,Beijing100081,China)

A cellulose thickening system is used to improve the holdover time of cold weather EMU bogie anti-icing fluid. Through viscosity tests, blow-off tests, shear force tests and the tests on real EMU bogies, the cellulose thickening system has been proved to increase the holdover time of anti-icing fluid significantly. It makes the anti-icing fluid more suitable for our national conditions-long routing and high speed. The influences for braking performance has been discussed ensure the safety of EMU.

anti-icing fluid; thickening; holdover time

2016-04-06；

2016-05-23

中国铁道科学研究院基金课题《高寒地区动车组除防冰成套技术研究》(编号：1351JH0604)。

陈梦(1986—)，女，辽宁沈阳人，硕士，助理研究员，主要从事高分子材料的研究。

2095-1671(2016)03-0150-04

U298

B