現(xiàn)代低地板有軌電車輪緣潤(rùn)滑裝置

申 灝，楊興寬，王冬冬，楊延峰，宋宏智，劉穎鑫

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京 100081）

現(xiàn)代低地板有軌電車以其編組靈活、節(jié)能環(huán)保、安全舒適和建設(shè)成本低等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外城市中得到廣泛應(yīng)用，以解決日益擁堵的城市交通問(wèn)題[1-3]。與其他軌道交通車輛相同，現(xiàn)代低地板有軌電車在運(yùn)行中，尤其是過(guò)彎道時(shí)，車輪輪緣與鋼軌會(huì)發(fā)生摩擦磨損。使用輪緣潤(rùn)滑裝置適當(dāng)?shù)貪?rùn)滑車輪輪緣和鋼軌軌距角可以改善輪軌的接觸狀態(tài)，能夠延長(zhǎng)車輪和鋼軌的使用壽命，并減少輪軌噪聲[4-5]。

1 技術(shù)背景

軌道交通車輛的輪緣潤(rùn)滑裝置一般使用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)潤(rùn)滑劑的噴射[6-8]，壓縮空氣由軌道交通車輛提供，而現(xiàn)代低地板有軌電車不設(shè)置壓縮空氣系統(tǒng)，其輪緣潤(rùn)滑裝置需要采用其他動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)潤(rùn)滑劑噴射，或者自帶壓縮空氣系統(tǒng)以驅(qū)動(dòng)潤(rùn)滑劑噴射。

不利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)潤(rùn)滑劑噴射的輪緣潤(rùn)滑裝置，通過(guò)電動(dòng)泵將潤(rùn)滑劑泵送至車輪附近，然后利用帶有加熱功能的噴射泵進(jìn)行潤(rùn)滑劑的噴射，噴射泵與噴嘴一同安裝在轉(zhuǎn)向架側(cè)梁端部，同時(shí)需要向噴射泵提供電源，從而實(shí)現(xiàn)加熱和噴射潤(rùn)滑劑的功能。但是有軌電車在運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)向架承受較高的沖擊振動(dòng)，在轉(zhuǎn)向架上安裝部件承受的振動(dòng)是在車體內(nèi)部安裝部件的?4～6?倍，承受的沖擊更是達(dá)到?6～10?倍。而帶有加熱功能的噴射泵屬于精密的電氣和機(jī)械部件，在高振動(dòng)和沖擊的工況下，容易失效而導(dǎo)致輪緣潤(rùn)滑裝置不能正常工作。

自帶壓縮空氣系統(tǒng)的輪緣潤(rùn)滑裝置一般將小型空氣壓縮機(jī)和風(fēng)缸安裝在有軌電車乘客室的座椅下部，用來(lái)為輪緣潤(rùn)滑裝置提供壓縮空氣，油箱安裝在車體底架下部，用來(lái)存儲(chǔ)和輸送潤(rùn)滑劑，噴嘴通過(guò)支架安裝在轉(zhuǎn)向架側(cè)梁端部，位于車輪前方，用于向輪緣根部噴射潤(rùn)滑劑。這種設(shè)計(jì)造成輪緣潤(rùn)滑裝置的?3?個(gè)單元之間距離過(guò)長(zhǎng)，壓縮空氣通過(guò)連接管路傳輸?shù)倪^(guò)程中，壓力損失較大。而受限于電氣功率和安裝空間，專用于輪緣潤(rùn)滑裝置的空氣壓縮機(jī)功率較小，風(fēng)缸容量也較小，傳輸壓力損失過(guò)大會(huì)造成潤(rùn)滑劑噴射的壓力不足，過(guò)長(zhǎng)的傳輸管路也會(huì)降低輪緣潤(rùn)滑裝置的響應(yīng)速度。

根據(jù)現(xiàn)代低地板有軌電車的車輛特點(diǎn)，研究了一種自帶風(fēng)源系統(tǒng)的集成安裝型輪緣潤(rùn)滑裝置，除噴嘴和橡膠軟管外，全部集中布置在一起，形成集成單元。集成安裝的型式不僅接口簡(jiǎn)單、占用空間小、便于安裝和維護(hù)，而且結(jié)構(gòu)緊湊，不需要過(guò)多的管路傳輸壓縮空氣，壓力損失小。另外，安裝在轉(zhuǎn)向架上的噴嘴內(nèi)部不存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)，更沒(méi)有電氣元件，在沖擊振動(dòng)的工況下工作可靠，不會(huì)因失效而影響輪緣潤(rùn)滑裝置的工作。

2 輪緣潤(rùn)滑裝置的組成及工作原理

自帶風(fēng)源系統(tǒng)的集成安裝型輪緣潤(rùn)滑裝置包括車上（司機(jī)室）安裝的集成單元和轉(zhuǎn)向架上安裝的噴嘴和橡膠軟管，集成單元由電控系統(tǒng)、風(fēng)源系統(tǒng)、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)脂罐集中布置組成（圖?1）。

車輛通過(guò)電控系統(tǒng)為輪緣潤(rùn)滑裝置供電并傳輸信號(hào)，電控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)輪緣潤(rùn)滑裝置各部分狀態(tài)，并根據(jù)車輛提供的信號(hào)及檢測(cè)到的車輛運(yùn)行狀態(tài)輸出潤(rùn)滑策略，控制輪緣潤(rùn)滑裝置工作；風(fēng)源系統(tǒng)根據(jù)電控系統(tǒng)的指令產(chǎn)生并存儲(chǔ)用于驅(qū)動(dòng)潤(rùn)滑劑噴射的壓縮空氣；氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)電控系統(tǒng)輸出的潤(rùn)滑策略開(kāi)啟或關(guān)閉相應(yīng)的氣路，從而控制潤(rùn)滑劑的噴射；儲(chǔ)脂罐內(nèi)置氣動(dòng)泵并存儲(chǔ)潤(rùn)滑劑，氣動(dòng)泵在壓縮空氣的作用下將定量輸出的潤(rùn)滑劑與壓縮空氣混合；混合了潤(rùn)滑劑的壓縮空氣通過(guò)管路輸送到噴嘴，噴嘴將潤(rùn)滑劑進(jìn)一步霧化并高速噴射至輪緣根部。

圖1 自帶風(fēng)源系統(tǒng)的集成安裝型輪緣潤(rùn)滑裝置系統(tǒng)圖

3 輪緣潤(rùn)滑裝置的控制模式

輪緣潤(rùn)滑裝置具備?2?種控制模式：定時(shí)加彎道識(shí)別的潤(rùn)滑控制模式和輪緣磨損工況識(shí)別的潤(rùn)滑控制模式。

3.1 定時(shí)加彎道識(shí)別的潤(rùn)滑控制模式

在定時(shí)加彎道識(shí)別的潤(rùn)滑控制模式下，當(dāng)車輛達(dá)到一定運(yùn)行速度時(shí)（根據(jù)車輛設(shè)計(jì)要求而定，一般情況下為速度≥5??km/h），車輛給出一個(gè)包含方向識(shí)別功能的啟動(dòng)信號(hào)，輪緣潤(rùn)滑裝置開(kāi)始按照設(shè)定的時(shí)間間隔工作。即在車輛直線運(yùn)行狀態(tài)下，每間隔一定時(shí)間，輪緣潤(rùn)滑裝置噴射1次潤(rùn)滑劑，同時(shí)輪緣潤(rùn)滑裝置根據(jù)車輛的橫向加速度檢測(cè)車輛是否進(jìn)入彎道，若進(jìn)入彎道，則按設(shè)定的彎道狀態(tài)時(shí)間間隔噴射潤(rùn)滑劑。在彎道狀態(tài)下，車輛只有一側(cè)的車輪輪緣與鋼軌發(fā)生磨損，另一側(cè)的車輪輪緣與鋼軌不會(huì)接觸，故輪緣潤(rùn)滑裝置能夠根據(jù)檢測(cè)的彎道方向，只對(duì)磨損側(cè)的車輪輪緣進(jìn)行潤(rùn)滑，從而避免潤(rùn)滑劑的浪費(fèi)和車輪輪緣過(guò)度潤(rùn)滑。當(dāng)車輛運(yùn)行速度小于一定值時(shí)（根據(jù)車輛設(shè)計(jì)要求而定，一般情況下為速度≤5??km/h），車輛給出停止信號(hào)，輪緣潤(rùn)滑裝置停止工作。直線狀態(tài)和彎道狀態(tài)的潤(rùn)滑間隔時(shí)間可在電控系統(tǒng)中分別設(shè)定和更改。定時(shí)加彎道識(shí)別控制模式的工作流程如圖?2?所示。

圖2 定時(shí)加彎道識(shí)別控制模式工作流程

3.2 輪緣磨損工況識(shí)別的潤(rùn)滑控制模式

在輪緣磨損工況識(shí)別的潤(rùn)滑控制模式下，當(dāng)車輛達(dá)到一定運(yùn)行速度時(shí)（根據(jù)車輛設(shè)計(jì)要求而定，一般情況下為速度≥5??km/h），車輛給出一個(gè)包含方向識(shí)別功能的啟動(dòng)信號(hào)，輪緣潤(rùn)滑裝置開(kāi)始按照工況識(shí)別的模式工作。即輪緣潤(rùn)滑裝置通過(guò)檢測(cè)和計(jì)算車輛橫向振動(dòng)幅值和頻率特征，判斷輪軌接觸位置，進(jìn)而判斷輪軌磨損狀態(tài)，通過(guò)自適應(yīng)算法，對(duì)輪緣與鋼軌磨損的工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[9]，并根據(jù)輪緣磨損工況，自動(dòng)輸出最優(yōu)的潤(rùn)滑策略，對(duì)磨損側(cè)輪緣進(jìn)行潤(rùn)滑。當(dāng)車輛運(yùn)行速度小于一定值時(shí)（根據(jù)車輛設(shè)計(jì)要求而定，一般情況下為速度≤5??km/h），車輛給出停止信號(hào)，輪緣潤(rùn)滑裝置停止工作。磨損工況判斷的門檻值可根據(jù)車輛及線路的情況進(jìn)行設(shè)定。輪緣磨損工況識(shí)別控制模式的工作流程如圖?3?所示。

圖3 輪緣磨損工況識(shí)別控制模式工作流程

4 輪緣潤(rùn)滑裝置的部件設(shè)計(jì)

4.1 集成單元

集成單元設(shè)計(jì)為立式結(jié)構(gòu)，通過(guò)安裝板和支架將不同功能區(qū)集中設(shè)置在一起。儲(chǔ)脂罐和風(fēng)源系統(tǒng)中用于存儲(chǔ)壓縮空氣的拉桿式氣容重量最大，布置在集成單元下部，實(shí)現(xiàn)可靠固定；集成單元中部設(shè)置風(fēng)源系統(tǒng)的其他部件和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；電控系統(tǒng)設(shè)置在集成單元最上方，方便與車輛的供電和信號(hào)連接。

4.1.1 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)包括電源控制器、系統(tǒng)電控器、高壓電連接器、低壓電連接器和連接線纜。車輛通過(guò)高壓電連接器為輪緣潤(rùn)滑裝置供電，通過(guò)低壓電連接器與輪緣潤(rùn)滑裝置進(jìn)行通信，供電和通信分離設(shè)置避免了高壓電源對(duì)低壓信號(hào)產(chǎn)生干擾。

電源控制器可根據(jù)需要對(duì)車輛提供的電源制式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后為輪緣潤(rùn)滑裝置的電氣部件供電。由于不同技術(shù)的車輛提供的供電制式有區(qū)別，電源控制器簡(jiǎn)化了輪緣潤(rùn)滑裝置與車輛間的電源接口，既可以使輪緣潤(rùn)滑裝置內(nèi)部電氣元件選型統(tǒng)一，形成模塊化設(shè)計(jì)，又可以簡(jiǎn)化車輛制造廠的電源設(shè)計(jì)，不需要為輪緣潤(rùn)滑裝置單獨(dú)設(shè)計(jì)電源。

系統(tǒng)電控器與車輛進(jìn)行通信，通過(guò)內(nèi)置的加速度傳感器檢測(cè)車輛運(yùn)行狀態(tài)（彎道識(shí)別或工況識(shí)別）。系統(tǒng)電控器根據(jù)車輛運(yùn)行信號(hào)以及車輛運(yùn)行狀態(tài)，輸出潤(rùn)滑策略，控制輪緣潤(rùn)滑裝置工作。系統(tǒng)電控器具有顯示屏和調(diào)節(jié)按鈕，可以方便地查看和設(shè)置輪緣潤(rùn)滑裝置的工作參數(shù)。

4.1.2 風(fēng)源系統(tǒng)

風(fēng)源系統(tǒng)由空壓機(jī)、拉桿式氣容、壓力傳感器、單向閥、安全閥、排氣閥和管路線纜組成?？諌簷C(jī)采用具有軌道交通產(chǎn)品資質(zhì)認(rèn)證的直流無(wú)油空氣壓縮機(jī)，其設(shè)計(jì)制造符合軌道交通運(yùn)用工況和標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)具有節(jié)能環(huán)保、維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，符合現(xiàn)代低地板有軌電車設(shè)計(jì)特點(diǎn)。拉桿式氣容用于儲(chǔ)存壓縮空氣，其外形為立方體，下平面直接通過(guò)螺栓連接固定在集成單元的底板上，安裝穩(wěn)定可靠；上平面加工安裝接口，布置空壓機(jī)、壓力傳感器、單向閥、安全閥等相關(guān)零件，無(wú)需任何轉(zhuǎn)接裝置，結(jié)構(gòu)緊湊；氣容底部設(shè)置排水口。

風(fēng)源系統(tǒng)的工作模式為：當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)氣容內(nèi)氣壓值低于設(shè)定的壓力下限時(shí)，向系統(tǒng)電控器發(fā)出信號(hào)，系統(tǒng)電控器啟動(dòng)空壓機(jī)，產(chǎn)生壓縮空氣并通過(guò)管路及單向閥輸入到氣容中，單向閥保證空壓機(jī)停止工作后，氣容內(nèi)的壓縮空氣不會(huì)反向進(jìn)入管路及空壓機(jī)中。當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)氣容內(nèi)的氣壓值達(dá)到設(shè)定的壓力上限后，向系統(tǒng)電控器發(fā)出信號(hào)，系統(tǒng)電控器關(guān)閉空壓機(jī)并打開(kāi)排氣閥，排氣閥將空壓機(jī)和管路內(nèi)殘余的壓縮空氣排出，以保證下一次空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)處于常壓狀態(tài)，有利于延長(zhǎng)空壓機(jī)的使用壽命。若壓力傳感器發(fā)生故障，不能正確向系統(tǒng)電控器發(fā)出關(guān)閉空壓機(jī)的信號(hào)，當(dāng)氣容內(nèi)的壓力超過(guò)安全閥的設(shè)定值時(shí)，安全閥向外排氣，保證系統(tǒng)不會(huì)過(guò)載。

4.1.3 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由閥板、電磁閥和空氣過(guò)濾器組成，電磁閥和空氣過(guò)濾器安裝在閥板上。閥板內(nèi)部設(shè)置前后2?層氣路，2?層氣路互不相通，后層氣路為三通結(jié)構(gòu)，連接空壓機(jī)、單向閥和排氣閥，用于向氣容內(nèi)輸入壓縮空氣；前層氣路用于連接空氣過(guò)濾器、電磁閥和儲(chǔ)脂罐，用于輸出壓縮空氣驅(qū)動(dòng)噴射潤(rùn)滑劑?？諝膺^(guò)濾器下部的排水口和氣容底部的排水口均設(shè)置電磁排水閥，按下集成單元的排水按鈕，2?個(gè)電磁排水閥打開(kāi)，可將空氣過(guò)濾器和氣容內(nèi)部的積水通過(guò)排水管路排出。

4.1.4 儲(chǔ)脂罐

儲(chǔ)脂罐內(nèi)部設(shè)置氣動(dòng)泵。氣動(dòng)泵每次工作泵送出定量的潤(rùn)滑脂，其工作過(guò)程為：電控系統(tǒng)發(fā)出潤(rùn)滑指令后，壓縮空氣從進(jìn)氣口進(jìn)入氣動(dòng)泵，其中1路向上到達(dá)活塞腔，推動(dòng)大活塞向下移動(dòng)，將儲(chǔ)脂腔與氣路接通，潤(rùn)滑劑與壓縮空氣混合后，經(jīng)過(guò)傳輸管道從噴嘴噴射向輪緣。系統(tǒng)潤(rùn)滑指令結(jié)束后，停止供應(yīng)壓縮空氣，氣動(dòng)泵內(nèi)氣壓下降，大活塞在復(fù)位彈簧的作用下向上移動(dòng)，儲(chǔ)脂腔形成負(fù)壓，潤(rùn)滑劑在負(fù)壓的作用下吸入儲(chǔ)脂腔，為下一次噴射做好準(zhǔn)備。

4.2 噴嘴及橡膠軟管

安裝在轉(zhuǎn)向架上的噴嘴外部型式根據(jù)車輛制造單位的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)借助漸縮漸擴(kuò)管原理，并根據(jù)可壓縮氣體流體動(dòng)力學(xué)規(guī)律，設(shè)計(jì)為有利于潤(rùn)滑劑霧化及高速噴出的結(jié)構(gòu)，有限元分析顯示其出口處噴射速度達(dá)到?300??m/s?以上（圖?4）。標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的噴嘴搭配不同的外部安裝型式，可方便地適用于不同車輛的安裝要求。

橡膠軟管的作用是在硬質(zhì)傳輸管路和噴嘴之間形成適當(dāng)長(zhǎng)度的柔性連接，從而方便調(diào)整噴射方向以及噴嘴到輪緣的距離。橡膠軟管性能符合?EN?854?:?1997《橡膠軟管和軟管組件—紡織品增強(qiáng)的液壓用類型—規(guī)范》要求，并且防火阻燃性能滿足?DIN?5510-2?:?2009《軌道車輛防火措施—第?2?部分：材料和構(gòu)件的燃燒特性和燃燒并發(fā)現(xiàn)象—分類、要求和測(cè)試方法》要求，橡膠軟管的內(nèi)部設(shè)置聚氨酯軟管，以增加內(nèi)部光潔度，有利于潤(rùn)滑劑的噴射。

5 輪緣潤(rùn)滑裝置的性能驗(yàn)證

抗沖擊振動(dòng)性能和電磁兼容性能是衡量軌道交通車輛機(jī)電設(shè)備可靠性和安全性的重要指標(biāo)，滿足這?2?個(gè)性能要求的設(shè)備才能在軌道交通車輛上可靠工作，不會(huì)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生影響且不會(huì)對(duì)檢修人員造成傷害。

按照?GB/T?21563-2008《軌道交通?機(jī)車車輛設(shè)備?沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》的要求對(duì)輪緣潤(rùn)滑裝置進(jìn)行沖擊振動(dòng)性能檢測(cè)，在功能性隨機(jī)試驗(yàn)中，輪緣潤(rùn)滑裝置可在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定量級(jí)的振動(dòng)環(huán)境下正常工作；在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定量級(jí)的模擬長(zhǎng)壽命試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)后，輪緣潤(rùn)滑裝置沒(méi)有發(fā)生任何機(jī)械損傷，各項(xiàng)功能正常。

按照?EN?50121-3-2?:?2006《鐵路應(yīng)用—電磁兼容性—第?3-2?部分：機(jī)車車輛—設(shè)備》的要求對(duì)輪緣潤(rùn)滑裝置進(jìn)行電磁兼容性檢測(cè)，結(jié)果如表1?所示，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

檢測(cè)結(jié)果表明，輪緣潤(rùn)滑裝置抗沖擊振動(dòng)性能和電磁兼容性能滿足軌道交通產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，裝置能夠安全可靠地在現(xiàn)代低地板有軌電車上工作。

圖4 噴嘴噴射速度有限元分析

表1 輪緣潤(rùn)滑裝置電磁兼容性測(cè)試項(xiàng)目及結(jié)果

6 總結(jié)

現(xiàn)代低地板有軌電車采用自帶風(fēng)源系統(tǒng)的集成安裝型輪緣潤(rùn)滑裝置，除噴嘴和橡膠軟管外，全部集中布置在一起，形成集成單元，安裝在有軌電車司機(jī)室內(nèi)。集成單元的型式不僅便于裝置的安裝和維護(hù)，接口簡(jiǎn)單，占用空間小，而且結(jié)構(gòu)緊湊，不需要過(guò)多的管路傳輸壓縮空氣，壓力損失小。輪緣潤(rùn)滑裝置可根據(jù)需要對(duì)車輛提供的電源制式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化了裝置與車輛間的電源接口，既可以使裝置內(nèi)部電氣元件選型統(tǒng)一，形成模塊化設(shè)計(jì)，又可以簡(jiǎn)化車輛制造廠的電源設(shè)計(jì)，不需要為輪緣潤(rùn)滑裝置單獨(dú)設(shè)計(jì)電源。目前，自帶風(fēng)源系統(tǒng)的集成安裝型輪緣潤(rùn)滑裝置已成功運(yùn)用于國(guó)內(nèi)?100%?低地板有軌電車項(xiàng)目。

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