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轮轨润滑技术及其装置的分析

2020-06-06 785 上传者：管理员

摘要：近年来，中国铁路快速发展，中国高速铁路运营里程位居世界榜首。随着铁路里程的不断增加、列车运行速度的不断提高，机车轮缘及线路钢轨磨损呈急剧上升趋势，严重影响铁路运营安全。文章通过对轮轨润滑技术及其装置的分析，结合现场钢轨润滑技术使用效果，对比其经济效益，说明采用固体润滑方式能够更有效地降低机车车轮轮缘磨损，提高列车行驶速度和载重能力，提高经济效益。

关键词：
润滑技术
经济效益
轮轨系统
铁路
铁路运输
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1、轮轨磨损对铁路运营的影响

目前铁路列车运行主要采用轮轨系统模式，车轮和钢轨之间因直接接触摩擦而产生磨损，在线路曲线区段、高速、重载行驶区段中磨损尤为严重。通常，机车每行驶10万km其轮缘磨损量在2.0～4.0 mm；在山区或曲线区段较多的线路，机车每行驶10万km其轮缘磨损量在4.0～8.0 mm。根据经验，机车往往在行驶不足10万km或机车中修期限前，就必须对机车车轮进行镟修作业。因镟修而造成的机车停运，除了会降低机车的正常使用效率外，还会带来诸如机车配备、调用、交路计划等额外的间接经济损失。

据工务系统换轨统计数据分析，约有60%的曲线区段钢轨因车轮冲压摩擦造成钢轨顶面波磨及侧磨严重损伤。钢轨磨损维护检修和换轨作业，不仅会影响正常线路的运行效率，还会影响维修检测“天窗”计划的安排和人员、设备、器材的调用，带来人、财、物的损失。机车车轮轮缘和线路钢轨的磨损在一定程度上给列车运行带来安全隐患，严重时甚至会引发重大安全事故。例如，2000年，英国一列从伦敦驶往利兹的快速列车，因一段曲线区段外侧钢轨严重磨损，列车通过时发生断裂而脱轨。

2、轮轨润滑技术

轮轨润滑技术主要包括油脂润滑技术和固体润滑技术。在运行机车上安装各种轮缘润滑器（装置），对钢轨则采用自动或人工方式涂覆润滑油、润滑脂或固体润滑薄膜。油脂润滑技术存在着其固有缺陷，即油脂涂覆性、流动性、润滑性受油脂自身的化学物理特性制约，特别是轮缘处油膜在高达4 000 MPa的应力下很难长时间保持。固体润滑技术容易形成一层均匀的润滑薄膜，从而达到轮轨润滑减磨效果。固体润滑减磨效果主要取决于固体润滑棒（块）的物理化学性能。新型固体润滑剂具有良好的粘附能力、较强的转移能力和较长的保护时间，较传统润滑材料减磨效率大幅提升，且涂覆作业简便。轮轨润滑技术简单可行，减磨效果比较明显，投入成本不高，设施运行维护便利，得到广泛应用。

3、轮轨润滑装置

3.1 油脂润滑装置

3.1.1 钢轨润滑装置

铁路工务维护部门通常在短途客车上安装钢轨涂油装置，每天指派专职涂油工随车作业，通过涂油装置将润滑油脂喷涂在钢轨侧面。

(1）手动涂油装置。手动涂油装置由预压力储油罐、手动喷射泵、油管和喷油嘴等部件组成。使用时，将油脂装入储油罐内，通过打气筒给储油罐加压，油脂在压力作用下进入手动喷射泵，人工往复压动喷射泵杠杆，将油脂喷射到钢轨润滑面。手动涂油方式劳动强度大，涂覆均匀性、稳定性和完整性难以控制，作业效率不高。

(2）电动涂油装置。电动涂油装置由储油箱、齿轮泵、电源及开关等部件组成。使用时接通电源，依靠电机驱动齿轮泵提供油脂喷射动力。电动涂油装置结构较为复杂、维护困难。随着铁路机车运行速度的提高，油脂涂覆过程中，润滑油或半流质润滑脂在列车行驶气流影响下不可避免地会产生飞溅和甩带现象，不仅会影响润滑效果，造成踏面及周边环境污染，还会增加管控难度。一旦润滑剂进入机车电机电器装置，不但会降低其绝缘性能，严重时甚至会造成因机车牵引失效引起的列车中断事故。

3.1.2 机车轮缘润滑装置

机车轮缘油脂润滑装置工作原理与钢轨油脂润滑装置基本相同，不同的是它安装在机车转向架上，利用机车风压喷涂石墨润滑脂，油脂喷出后呈雾化状态，附着在轮缘表面起到润滑减磨作用。

3.2 固体润滑装置

3.2.1 钢轨固体润滑装置

根据润滑棒（块）安装装置的结构、作用力等方式的不同，涂覆方式主要分为以下4种。

(1）溶剂型固体涂覆方式。先将树脂类润滑物质溶解后灌入密闭容器装置中，使用时通过齿轮泵和自带电源将溶解液体物质喷涂在钢轨润滑面，喷涂后的物质随着溶剂挥发后在钢轨表面形成一层润滑薄膜。道旁溶剂型固体润滑装置如图1所示。

图1 道旁溶剂型固体润滑装置

(2）固-液-固涂覆方式。先将固体润滑剂预热融化到90℃以上保温储存，使用时将其灌入喷涂装置内，接通列车电源加热喷嘴，启动齿轮泵将润滑剂喷涂到钢轨润滑面，润滑剂遇冷凝固，在钢轨润滑面形成一层润滑薄膜。车载固-液-固润滑装置如图2所示。

图2 车载固-液-固润滑装置

(3）固体直接涂覆方式。通过车载润滑装置，润滑棒与钢轨轨距角位置接触，当列车车体通过曲线区段时，润滑棒便在指定钢轨位置进行涂覆，而在直线区段内，润滑棒不会与钢轨直接接触。

(4）固-液-固智能涂覆方式。利用GPS远程监控的车载智能钢轨润滑装置，车载主控制单元根据收到的控制数据指令，自动识别需要喷涂润滑剂的轨道区段，对钢轨实施涂覆润滑剂作业。轨侧面车载固体润滑棒涂覆装置如图3所示。

图3 轨侧面车载固体润滑棒涂覆装置

3.2.2 机车轮缘固体润滑装置

机车轮缘固体润滑装置主要使用以石墨材料为主的固体润滑棒（块），通过安装在机车转向架部位的润滑装置在机车轮缘上涂覆一层石墨薄膜，以达到轮缘润滑减磨效果。目前机车轮缘固体润滑装置种类繁多，常见的有外弹式、内弹式、重力式、复合式、二元式等几种轮缘润滑装置。机车轮缘外弹式固体润滑涂覆装置如图4所示。

图4 机车轮缘外弹式固体润滑涂覆装置

4、轮轨润滑经济效益分析

近年来，我国铁路工务和机务部门已经从试验轮轨润滑减磨技术、小批量应用轮轨润滑装置阶段逐步向推广应用阶段发展，与此同时，工务、机务相关部门及现场人员在使用轮轨润滑装置的实践中也取得了许多宝贵技术数据和运用经验。目前，我国铁路客、货机车保有量大约为1.6万台，全路机务段每年维修和更换车轮的工作量和费用开支十分可观。以下通过丰台、杭州等机务段对东风4型内燃机车（DF4）车轮轮缘镟修和换轮统计数据加以说明。

1台机车车轮镟轮费用约为6.9万元，其中，停运2天损失3.6万元，镟修6个轮对费用为3万元，其他费用0.3万元。1台机车车轮换轮费用约为46万元，其中，停运2天损失3.6万元，1个整体式轮对8.8万元，1个组合式轮对4.9万元，1个轮对平均费用为6.85万元，6个轮对费用为41.1万元；其他费用为0.3万元。由此可见，若按全路客、货机车保有量1.6万台计算，每年仅因机车车轮轮缘磨损进行1次镟修的费用就高达11亿元。通过中国铁路南昌局集团有限公司工务部、中国铁路济南局集团有限公司工务部现场轮缘润滑技术应用跟踪统计，经科研人员测算，采用轮缘润滑技术后机车车轮及钢轨使用寿命可延长约50%,1台机车每年可以减少落轮镟修4～6个轮对，除去机车轮缘润滑材料的费用支出，全路每年至少可以节省7.4亿元镟轮维修费用。

除此之外，采取有效的轮轨润滑技术不仅可以提高线路运输能力，还可以降低列车运行能源消耗25%～35%，有利于降低运输成本。据铁路工务部门统计，仅在“十五”期间，每年既有线路大修和维修所消耗的钢轨约为70万t，其中因严重磨损而更换的钢轨每年约50万余t。据2003年铁路安全部门调查数据表明：全路因钢轨损伤而更换所需的材料及人工费用约为50亿元，其中，钢轨压溃、侧磨、波磨等损伤占钢轨损伤总量的80%以上。根据工务部门现场使用钢轨润滑技术的实际效果，经科研人员测算，采用钢轨润滑技术每年可以减少更换钢轨2/3以上，节省换轨材料及人工费用数十亿元。

通过现场实践，机车轮缘润滑油减磨方式最大磨耗速度为4.28 mm/10万km，而固体润滑减磨方式最大磨耗速度为1.08 mm/10万km，两者磨耗速度数值差为3.2 mm/10万km，可见采用润滑油减磨方式的机车车轮轮缘磨耗速度是采用固体润滑减磨方式的3.96倍。固体润滑方式不仅能够更有效地降低机车车轮轮缘磨损程度，延长机车车轮的使用寿命，还可以提高列车的行驶速度和载重能力。

5、结束语

轮轨润滑技术是铁路系统必不可少的组成部分，它不仅关系到铁路运营效率和经济效益，还关系到铁路运营的环保性和安全性。随着高分子材料新科技的迅猛发展，固体润滑材料的特点和优越性进一步显现。运行实践表明，固体润滑减磨效果主要取决于固体润滑棒（块）的性能，目前，国产固体润滑棒（块）的技术性能参差不齐，有待进一步改进提高。

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