道岔尖軌減磨劑涂覆裝置的研究與設(shè)計(jì)

郭宏偉 李學(xué)鵬

（1.沈陽鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所，遼寧 沈陽 110013；2.沈陽鐵路局沈陽供電段，遼寧 沈陽 110000）

1 概述

道岔是一種使機(jī)車車輛從一股道轉(zhuǎn)入另一股道的線路連接設(shè)備，通常在車站、編組站大量鋪設(shè)。由于道岔具有數(shù)量多、構(gòu)造復(fù)雜、使用壽命短、限制列車速度、行車安全性低、養(yǎng)護(hù)維修投入大等特點(diǎn)，與曲線、接頭并稱為軌道的三大薄弱環(huán)節(jié)。因此道岔的技術(shù)性能和質(zhì)量關(guān)系到列車行車速度、平穩(wěn)性及運(yùn)輸安全。道岔尖軌作為道岔中最薄弱的環(huán)節(jié)，尖軌使用壽命直接關(guān)系到道岔的壽命。當(dāng)列車通過道岔側(cè)向時(shí)，對(duì)尖軌的縱向和橫向造成沖擊，導(dǎo)致尖軌側(cè)面磨損；尤其是重載列車通過道岔時(shí)，會(huì)加劇道岔尖軌的磨損程度，嚴(yán)重影響道岔的使用壽命，造成鐵路運(yùn)行成本增加。因此，減緩道岔尖軌的磨損，延長(zhǎng)道岔使用壽命，對(duì)于節(jié)約運(yùn)行成本，提高鐵路運(yùn)營效益具有重要作用。

目前，實(shí)用性較好、比較有效減緩道岔尖軌磨耗的方法是在尖軌側(cè)面涂覆減磨劑。實(shí)際運(yùn)用證明，涂覆尖軌減磨劑能延長(zhǎng)尖軌使用壽命達(dá)2個(gè)周期。但是，現(xiàn)有的尖軌減磨劑涂覆作業(yè)方式主要采用手工涂覆或簡(jiǎn)單機(jī)具涂覆，隨著鐵路運(yùn)量的增大以及貨運(yùn)列車行車密度的加大，現(xiàn)有的尖軌減磨劑涂覆作業(yè)方式，已不能滿足重載鐵路道岔曲尖軌的減磨需求，影響了尖軌減磨劑的實(shí)際作用效果。為了解決此問題，研制了一種道岔尖軌減磨劑的涂覆裝置，該裝置具有涂覆過程穩(wěn)定，涂覆位置準(zhǔn)確，涂覆流量可調(diào)等特點(diǎn)，為提高尖軌減磨劑實(shí)際作用效果提供了技術(shù)支持。

2 尖軌減磨劑涂覆方案的選擇

道岔與一般線路的區(qū)別不僅在于復(fù)雜的軌線布置和走行線路轉(zhuǎn)換，而且在于其多變的輪。

岔接觸幾何關(guān)系。當(dāng)車輪對(duì)從基本軌過渡到尖軌時(shí)（圖1），車輪輪緣與尖軌作用邊接觸點(diǎn)上的壓強(qiáng)很大，當(dāng)壓強(qiáng)超過尖軌的屈服應(yīng)力，接觸點(diǎn)頂部就發(fā)生塑性變形；同時(shí)車輪滾動(dòng)時(shí)，輪緣在尖軌側(cè)面產(chǎn)生滑動(dòng)，使接觸點(diǎn)的塑性部分和彈性部分的過渡區(qū)間出現(xiàn)變形，形成了曲尖軌的側(cè)面磨耗。

圖1 轉(zhuǎn)輒區(qū)輪軌接觸狀態(tài)

通過對(duì)重載運(yùn)輸條件下道岔尖軌磨耗原理進(jìn)行分析可知，輪軌之間的潤滑屬于邊界潤滑，它通過第三介質(zhì)的作用，在輪軌表面形成邊界潤滑膜，使其摩擦過程主要發(fā)生在邊界膜內(nèi)，以降低輪軌之間的磨損。因此邊界潤滑膜的結(jié)構(gòu)，形式與性能，決定潤滑效果的優(yōu)劣。

由于尖軌減磨劑屬于固態(tài)減磨劑，可以直接將其涂抹于尖軌側(cè)面，但這種涂覆方式形成的潤滑膜較薄，達(dá)不到良好的減磨效果。因此，為了達(dá)到尖軌減磨的最佳效果，設(shè)計(jì)的尖軌減磨劑涂覆方案為在規(guī)定的工作溫度下將熱熔后的液態(tài)尖軌潤滑減磨劑連續(xù)地噴涂到尖軌的側(cè)面，讓液態(tài)的尖軌潤滑減磨劑在尖軌側(cè)面凝固并形成一層均勻的、連續(xù)的干式潤滑膜；在列車經(jīng)過時(shí)，尖軌潤滑減磨劑轉(zhuǎn)移到列車輪緣上，對(duì)輪緣進(jìn)行潤滑，從而達(dá)到最佳的減磨效果。

3 涂覆裝置的組成及工作原理

尖軌減磨涂覆裝置由電熱儲(chǔ)料單元、電熱輸料單元、控制系統(tǒng)和供電電源組成，其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示

圖2 尖軌減磨涂覆裝置組成結(jié)構(gòu)圖

電熱儲(chǔ)料單元由儲(chǔ)料器和電熱元件組成，采用在儲(chǔ)料器的外表面纏繞自控溫電加熱帶作為儲(chǔ)料單元的加熱方式為其進(jìn)行供熱。電熱輸料單元由輸油機(jī)構(gòu)和電熱元件組成，采用PTC半導(dǎo)體電熱元件和碳纖維電阻絲相結(jié)合的加熱方式為整個(gè)輸料單元進(jìn)行加熱，輸油機(jī)構(gòu)由直流電機(jī)和齒輪泵組成，通過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪泵進(jìn)行輸油作業(yè)?？刂葡到y(tǒng)是對(duì)整個(gè)涂覆裝置的作業(yè)過程進(jìn)行控制。供電電源是對(duì)涂覆裝置進(jìn)行供電，涂覆裝置是在戶外使用，而且使用過程中均處于移動(dòng)狀態(tài)，在滿足供電容量需求的情況下要保證供電裝置的便攜性和輕便性，因此采用鋰電池作為涂覆裝置的供電電源。

涂覆裝置的工作原理為首先將熱熔后的液態(tài)尖軌減磨劑注入到電熱儲(chǔ)料單元中，同時(shí)開啟加熱控制開關(guān)，對(duì)整個(gè)涂覆裝置進(jìn)行加熱，待涂覆裝置加熱到規(guī)定作業(yè)溫度后，開啟涂覆作業(yè)控制開關(guān)進(jìn)行涂覆作業(yè)，在涂覆作業(yè)過程中可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)尖軌的實(shí)際磨損情況，適當(dāng)調(diào)整尖軌減磨劑的涂覆流量以滿足尖軌減磨的要求。

4 涂覆裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 外形設(shè)計(jì)

通過分析涂覆作業(yè)過程可知，由于涂覆位置位于尖軌側(cè)面，為了保證涂覆位置準(zhǔn)確和現(xiàn)場(chǎng)涂覆作業(yè)良好的操控性能，涂覆裝置應(yīng)能在單股軌道上平穩(wěn)走行。根據(jù)涂覆裝置現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境可知，涂覆裝置應(yīng)屬于戶外作業(yè)設(shè)備，而且經(jīng)常與鋼軌接觸不可避免與鋼軌發(fā)生碰撞，涂覆裝置應(yīng)具有一定的強(qiáng)度和較長(zhǎng)的使用壽命。涂覆裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為手推式并且能夠在單股鋼軌上行走的小車，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 涂覆裝置組成結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 輸油噴嘴的設(shè)計(jì)

輸油噴嘴是涂覆裝置的關(guān)鍵部件，其決定涂覆作業(yè)的效果。由于輪軌接觸時(shí)，車輪踏面與鋼軌頂面接觸需要保持較高的粘著系數(shù)，而車輪輪緣與尖軌內(nèi)側(cè)圓角接觸需要潤滑減磨，潤滑材料只能涂抹于輪緣與鋼軌內(nèi)側(cè)圓角上。由于輸油噴嘴始終與鋼軌保持接觸，要求輸油噴嘴應(yīng)具有一定的耐磨性能。

因此，將輸油噴嘴設(shè)計(jì)成雙層結(jié)構(gòu)，里層為不銹鋼輸油管，外層位尼龍護(hù)套，同時(shí)將噴嘴結(jié)構(gòu)依據(jù)尖軌的軌頭形狀設(shè)計(jì)成圓弧形，其外形結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在整個(gè)涂覆過程中尖軌頂面逐漸變窄，輸油噴嘴要始終與尖軌側(cè)面保持貼密，因此采用彈簧將輸油噴嘴與涂覆裝置進(jìn)行連接，通過改變彈簧的拉伸尺寸，來保證輸油噴嘴與尖軌側(cè)面的貼密性。

圖4 輸油噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

5 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

涂覆裝置的控制系統(tǒng)由涂覆裝置加熱單元、涂覆流量調(diào)節(jié)單元、定溫涂覆作業(yè)單元和裝置顯示單元組成，控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 涂覆裝置控制單元組成結(jié)構(gòu)圖

5.1 系統(tǒng)控制方案

在涂覆裝置的控制系統(tǒng)中，涂覆裝置加熱單元采用無觸點(diǎn)式電子開關(guān)對(duì)電熱元件的導(dǎo)通和停止進(jìn)行控制。涂覆流量調(diào)節(jié)單元采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，通過改變直流電動(dòng)機(jī)電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。定溫涂覆作業(yè)單元采用在電機(jī)的控制電路中加入電子溫控開關(guān)，從而限制電機(jī)啟動(dòng)的溫度，以達(dá)到保護(hù)電機(jī)的目的。涂覆裝置的顯示單元采用電壓電流表和數(shù)字溫度表對(duì)涂覆裝置的工作參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，便于涂覆專業(yè)人員對(duì)涂覆裝置的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

5.2 涂覆流調(diào)節(jié)單元的設(shè)計(jì)

5.2.1 原理分析

涂覆裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪泵進(jìn)行輸油工作，因此通過改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)可實(shí)現(xiàn)齒輪泵流量的調(diào)節(jié)。采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)來對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，與一般直流調(diào)速相比，既減少了對(duì)電源的污染，而且使控制過程更簡(jiǎn)單方便，其控制的示意圖如圖6所示。可控開關(guān)S以一定的時(shí)間間隔重復(fù)地接通和斷開，當(dāng)S接通時(shí)，供電電源US通過開關(guān)S施加到電動(dòng)機(jī)兩端，電源向電機(jī)提供能量，電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能；當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，中斷了供電電源US向電動(dòng)機(jī)電流繼續(xù)流通。

圖6 PWM控制示意圖

這樣，電動(dòng)機(jī)得到的電壓平均值Uas為：

式（1）中，ton為開關(guān)每次接通的時(shí)間，T為開關(guān)通斷的工作周期，（即開關(guān)接通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff之和），α為占空比，α= ton/T。

5.2.2 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)的涂覆流調(diào)節(jié)單元采用脈沖控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊組成一個(gè)單極性驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的控制系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)模塊采用LMD18200，該芯片內(nèi)部集成了四個(gè)DMOS管，組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的H型驅(qū)動(dòng)橋。脈沖控制模塊主要用于產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，通過調(diào)整輸入PWM信號(hào)的占空比，來調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

6 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用

該道岔尖軌減磨涂覆裝置在阜新工務(wù)段和沈陽工務(wù)段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)使用，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明該裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定能夠平滑地在軌面上行走，在進(jìn)行涂覆作業(yè)時(shí)，噴涂流量穩(wěn)定無堵塞，涂覆位置準(zhǔn)確，涂覆效率高，同時(shí)該裝置操作簡(jiǎn)便，便于掌握。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)涂覆作業(yè)

圖9 涂覆效果

結(jié)語

本文通過分析重載鐵路運(yùn)輸條件下道岔尖軌的磨耗原理以及目前尖軌潤滑減磨劑涂覆方式存在的弊端，制定了尖軌潤滑減磨劑的涂覆方案，設(shè)計(jì)了適應(yīng)重載運(yùn)輸條件下尖軌潤滑減磨劑的涂覆裝置，該裝置已通過沈陽鐵路局科技成果鑒定?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用證明，利用減磨涂覆裝置進(jìn)行涂覆作業(yè)，降低了作業(yè)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率，為提高尖軌減磨劑實(shí)際作用效果提供了技術(shù)支持，對(duì)降低鐵路運(yùn)營成本，保證鐵路運(yùn)輸安全具有重要意義。

[1]金學(xué)松，劉啟躍.輪軌摩擦學(xué)[M]. 北京：中國鐵道出版社，2004.