輪軌潤(rùn)滑技術(shù)及應(yīng)用分析

摘 要：近年來(lái)，中國(guó)鐵路快速發(fā)展，中國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程位居世界榜首。隨著鐵路里程的不斷增加、列車運(yùn)行速度的不斷提高，機(jī)車輪緣及線路鋼軌磨損呈急劇上升趨勢(shì)，嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)營(yíng)安全。文章通過(guò)對(duì)輪軌潤(rùn)滑技術(shù)及其裝置的分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鋼軌潤(rùn)滑技術(shù)使用效果，對(duì)比其經(jīng)濟(jì)效益，說(shuō)明采用固體潤(rùn)滑方式能夠更有效地降低機(jī)車車輪輪緣磨損，提高列車行駛速度和載重能力，提高經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：鐵路;輪軌系統(tǒng);潤(rùn)滑技術(shù);經(jīng)濟(jì)效益

中圖分類號(hào)：U213.4+2

1 輪軌磨損對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的影響

目前鐵路列車運(yùn)行主要采用輪軌系統(tǒng)模式，車輪和鋼軌之間因直接接觸摩擦而產(chǎn)生磨損，在線路曲線區(qū)段、高速、重載行駛區(qū)段中磨損尤為嚴(yán)重。通常，機(jī)車每行駛10萬(wàn)km其輪緣磨損量在2.0～4.0 mm;在山區(qū)或曲線區(qū)段較多的線路，機(jī)車每行駛10萬(wàn)km其輪緣磨損量在4.0～8.0 mm。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，機(jī)車往往在行駛不足10萬(wàn)km或機(jī)車中修期限前，就必須對(duì)機(jī)車車輪進(jìn)行鏇修作業(yè)。因鏇修而造成的機(jī)車停運(yùn)，除了會(huì)降低機(jī)車的正常使用效率外，還會(huì)帶來(lái)諸如機(jī)車配備、調(diào)用、交路計(jì)劃等額外的間接經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)工務(wù)系統(tǒng)換軌統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，約有60%的曲線區(qū)段鋼軌因車輪沖壓摩擦造成鋼軌頂面波磨及側(cè)磨嚴(yán)重?fù)p傷。鋼軌磨損維護(hù)檢修和換軌作業(yè)，不僅會(huì)影響正常線路的運(yùn)行效率，還會(huì)影響維修檢測(cè)“天窗”計(jì)劃的安排和人員、設(shè)備、器材的調(diào)用，帶來(lái)人、財(cái)、物的損失。機(jī)車車輪輪緣和線路鋼軌的磨損在一定程度上給列車運(yùn)行帶來(lái)安全隱患，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)重大安全事故。例如， 2000年，英國(guó)一列從倫敦駛往利茲的快速列車，因一段曲線區(qū)段外側(cè)鋼軌嚴(yán)重磨損，列車通過(guò)時(shí)發(fā)生斷裂而脫軌。

2 輪軌潤(rùn)滑技術(shù)

輪軌潤(rùn)滑技術(shù)主要包括油脂潤(rùn)滑技術(shù)和固體潤(rùn)滑技術(shù)。在運(yùn)行機(jī)車上安裝各種輪緣潤(rùn)滑器（裝置），對(duì)鋼軌則采用自動(dòng)或人工方式涂覆潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂或固體潤(rùn)滑薄膜。

油脂潤(rùn)滑技術(shù)存在著其固有缺陷，即油脂涂覆性、流動(dòng)性、潤(rùn)滑性受油脂自身的化學(xué)物理特性制約，特別是輪緣處油膜在高達(dá)4000MPa的應(yīng)力下很難長(zhǎng)時(shí)間保持。固體潤(rùn)滑技術(shù)容易形成一層均勻的潤(rùn)滑薄膜，從而達(dá)到輪軌潤(rùn)滑減磨效果。固體潤(rùn)滑減磨效果主要取決于固體潤(rùn)滑棒（塊）的物理化學(xué)性能。新型固體潤(rùn)滑劑具有良好的粘附能力、較強(qiáng)的轉(zhuǎn)移能力和較長(zhǎng)的保護(hù)時(shí)間，較傳統(tǒng)潤(rùn)滑材料減磨效率大幅提升，且涂覆作業(yè)簡(jiǎn)便。

輪軌潤(rùn)滑技術(shù)簡(jiǎn)單可行，減磨效果比較明顯，投入成本不高，設(shè)施運(yùn)行維護(hù)便利，得到廣泛應(yīng)用。

3 輪軌潤(rùn)滑裝置

3.1 油脂潤(rùn)滑裝置

3.1.1 鋼軌潤(rùn)滑裝置

鐵路工務(wù)維護(hù)部門通常在短途客車上安裝鋼軌涂油裝置，每天指派專職涂油工隨車作業(yè)，通過(guò)涂油裝置將潤(rùn)滑油脂噴涂在鋼軌側(cè)面。

（1）手動(dòng)涂油裝置。手動(dòng)涂油裝置由預(yù)壓力儲(chǔ)油罐、手動(dòng)噴射泵、油管和噴油嘴等部件組成。使用時(shí)，將油脂裝入儲(chǔ)油罐內(nèi)，通過(guò)打氣筒給儲(chǔ)油罐加壓，油脂在壓力作用下進(jìn)入手動(dòng)噴射泵，人工往復(fù)壓動(dòng)噴射泵杠桿，將油脂噴射到鋼軌潤(rùn)滑面。手動(dòng)涂油方式勞動(dòng)強(qiáng)度大，涂覆均勻性、穩(wěn)定性和完整性難以控制，作業(yè)效率不高。

（2）電動(dòng)涂油裝置。電動(dòng)涂油裝置由儲(chǔ)油箱、齒輪泵、電源及開(kāi)關(guān)等部件組成。使用時(shí)接通電源，依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪泵提供油脂噴射動(dòng)力。電動(dòng)涂油裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、維護(hù)困難。隨著鐵路機(jī)車運(yùn)行速度的提高，油脂涂覆過(guò)程中，潤(rùn)滑油或半流質(zhì)潤(rùn)滑脂在列車行駛氣流影響下不可避免地會(huì)產(chǎn)生飛濺和甩帶現(xiàn)象，不僅會(huì)影響潤(rùn)滑效果，造成踏面及周邊環(huán)境污染，還會(huì)增加管控難度。一旦潤(rùn)滑劑進(jìn)入機(jī)車電機(jī)電器裝置，不但會(huì)降低其絕緣性能，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐梢驒C(jī)車牽引失效引起的列車中斷事故。

3.1.2 機(jī)車輪緣潤(rùn)滑裝置

機(jī)車輪緣油脂潤(rùn)滑裝置工作原理與鋼軌油脂潤(rùn)滑裝置基本相同，不同的是它安裝在機(jī)車轉(zhuǎn)向架上，利用機(jī)車風(fēng)壓噴涂石墨潤(rùn)滑脂，油脂噴出后呈霧化狀態(tài)，附著在輪緣表面起到潤(rùn)滑減磨作用。

3.2 固體潤(rùn)滑裝置

3.2.1 鋼軌固體潤(rùn)滑裝置

根據(jù)潤(rùn)滑棒（塊）安裝裝置的結(jié)構(gòu)、作用力等方式的不同，涂覆方式主要分為以下4種。

（1）溶劑型固體涂覆方式。先將樹(shù)脂類潤(rùn)滑物質(zhì)溶解后灌入密閉容器裝置中，使用時(shí)通過(guò)齒輪泵和自帶電源將溶解液體物質(zhì)噴涂在鋼軌潤(rùn)滑面，噴涂后的物質(zhì)隨著溶劑揮發(fā)后在鋼軌表面形成一層潤(rùn)滑薄膜。道旁溶劑型固體潤(rùn)滑裝置如圖 1所示。

（2）固-液-固涂覆方式。先將固體潤(rùn)滑劑預(yù)熱融化到90℃以上保溫儲(chǔ)存，使用時(shí)將其灌入噴涂裝置內(nèi)，接通列車電源加熱噴嘴，啟動(dòng)齒輪泵將潤(rùn)滑劑噴涂到鋼軌潤(rùn)滑面，潤(rùn)滑劑遇冷凝固，在鋼軌潤(rùn)滑面形成一層潤(rùn)滑薄膜。車載固-液-固潤(rùn)滑裝置如圖2所示。

（3）固體直接涂覆方式。通過(guò)車載潤(rùn)滑裝置，潤(rùn)滑棒與鋼軌軌距角位置接觸，當(dāng)列車車體通過(guò)曲線區(qū)段時(shí)，潤(rùn)滑棒便在指定鋼軌位置進(jìn)行涂覆，而在直線區(qū)段內(nèi)，潤(rùn)滑棒不會(huì)與鋼軌直接接觸。

（4）固-液-固智能涂覆方式。利用GPS遠(yuǎn)程監(jiān)控的車載智能鋼軌潤(rùn)滑裝置，車載主控制單元根據(jù)收到的控制數(shù)據(jù)指令，自動(dòng)識(shí)別需要噴涂潤(rùn)滑劑的軌道區(qū)段，對(duì)鋼軌實(shí)施涂覆潤(rùn)滑劑作業(yè)。軌側(cè)面車載固體潤(rùn)滑棒涂覆裝置如圖3所示。

3.2.2 機(jī)車輪緣固體潤(rùn)滑裝置

機(jī)車輪緣固體潤(rùn)滑裝置主要使用以石墨材料為主的固體潤(rùn)滑棒（塊），通過(guò)安裝在機(jī)車轉(zhuǎn)向架部位的潤(rùn)滑裝置在機(jī)車輪緣上涂覆一層石墨薄膜，以達(dá)到輪緣潤(rùn)滑減磨效果。目前機(jī)車輪緣固體潤(rùn)滑裝置種類繁多，常見(jiàn)的有外彈式、內(nèi)彈式、重力式、復(fù)合式、二元式等幾種輪緣潤(rùn)滑裝置。機(jī)車輪緣外彈式固體潤(rùn)滑涂覆裝置如圖 4所示。

4 輪軌潤(rùn)滑經(jīng)濟(jì)效益分析

近年來(lái)，我國(guó)鐵路工務(wù)和機(jī)務(wù)部門已經(jīng)從試驗(yàn)輪軌潤(rùn)滑減磨技術(shù)、小批量應(yīng)用輪軌潤(rùn)滑裝置階段逐步向推廣應(yīng)用階段發(fā)展，與此同時(shí)，工務(wù)、機(jī)務(wù)相關(guān)部門及現(xiàn)場(chǎng)人員在使用輪軌潤(rùn)滑裝置的實(shí)踐中也取得了許多寶貴技術(shù)數(shù)據(jù)和運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)。

目前，我國(guó)鐵路客、貨機(jī)車保有量大約為1.6萬(wàn)臺(tái)，全路機(jī)務(wù)段每年維修和更換車輪的工作量和費(fèi)用開(kāi)支十分可觀。以下通過(guò)豐臺(tái)、杭州等機(jī)務(wù)段對(duì)東風(fēng)4型內(nèi)燃機(jī)車（DF4）車輪輪緣鏇修和換輪統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)加以說(shuō)明。

1臺(tái)機(jī)車車輪鏇輪費(fèi)用約為6.9萬(wàn)元，其中，停運(yùn)2天損失3.6萬(wàn)元，鏇修6個(gè)輪對(duì)費(fèi)用為3 萬(wàn)元，其他費(fèi)用0.3萬(wàn)元。1臺(tái)機(jī)車車輪換輪費(fèi)用約為46萬(wàn)元，其中，停運(yùn)2天損失3.6萬(wàn)元，1個(gè)整體式輪對(duì)8.8萬(wàn)元，1個(gè)組合式輪對(duì)4.9萬(wàn)元，1個(gè)輪對(duì)平均費(fèi)用為6.85萬(wàn)元，6個(gè)輪對(duì)費(fèi)用為41.1萬(wàn)元;其他費(fèi)用為0.3萬(wàn)元。由此可見(jiàn)，若按全路客、貨機(jī)車保有量1.6萬(wàn)臺(tái)計(jì)算，每年僅因機(jī)車車輪輪緣磨損進(jìn)行1次鏇修的費(fèi)用就高達(dá)11億元。通過(guò)中國(guó)鐵路南昌局集團(tuán)有限公司工務(wù)部、中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司工務(wù)部現(xiàn)場(chǎng)輪緣潤(rùn)滑技術(shù)應(yīng)用跟蹤統(tǒng)計(jì)，經(jīng)科研人員測(cè)算，采用輪緣潤(rùn)滑技術(shù)后機(jī)車車輪及鋼軌使用壽命可延長(zhǎng)約50%，1臺(tái)機(jī)車每年可以減少落輪鏇修4～6個(gè)輪對(duì)，除去機(jī)車輪緣潤(rùn)滑材料的費(fèi)用支出，全路每年至少可以節(jié)省7.4億元鏇輪維修費(fèi)用。除此之外，采取有效的輪軌潤(rùn)滑技術(shù)不僅可以提高線路運(yùn)輸能力，還可以降低列車運(yùn)行能源消耗25%～35%，有利于降低運(yùn)輸成本。

據(jù)鐵路工務(wù)部門統(tǒng)計(jì)，僅在“十五”期間，每年既有線路大修和維修所消耗的鋼軌約為70萬(wàn)t，其中因嚴(yán)重磨損而更換的鋼軌每年約50萬(wàn)余t。據(jù) 2003 年鐵路安全部門調(diào)查數(shù)據(jù)表明：全路因鋼軌損傷而更換所需的材料及人工費(fèi)用約為50億元，其中，鋼軌壓潰、側(cè)磨、波磨等損傷占鋼軌損傷總量的80%以上。根據(jù)工務(wù)部門現(xiàn)場(chǎng)使用鋼軌潤(rùn)滑技術(shù)的實(shí)際效果，經(jīng)科研人員測(cè)算，采用鋼軌潤(rùn)滑技術(shù)每年可以減少更換鋼軌2/3以上，節(jié)省換軌材料及人工費(fèi)用數(shù)十億元。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，機(jī)車輪緣潤(rùn)滑油減磨方式最大磨耗速度為4.28mm /10 萬(wàn) km，而固體潤(rùn)滑減磨方式最大磨耗速度為1.08mm /10 萬(wàn) km，兩者磨耗速度數(shù)值差為3.2mm /10萬(wàn)km，可見(jiàn)采用潤(rùn)滑油減磨方式的機(jī)車車輪輪緣磨耗速度是采用固體潤(rùn)滑減磨方式的3.96 倍。固體潤(rùn)滑方式不僅能夠更有效地降低機(jī)車車輪輪緣磨損程度，延長(zhǎng)機(jī)車車輪的使用壽命，還可以提高列車的行駛速度和載重能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

輪軌潤(rùn)滑技術(shù)是鐵路系統(tǒng)必不可少的組成部分，它不僅關(guān)系到鐵路運(yùn)營(yíng)效率和經(jīng)濟(jì)效益，還關(guān)系到鐵路運(yùn)營(yíng)的環(huán)保性和安全性。隨著高分子材料新科技的迅猛發(fā)展，固體潤(rùn)滑材料的特點(diǎn)和優(yōu)越性進(jìn)一步顯現(xiàn)。運(yùn)行實(shí)踐表明，固體潤(rùn)滑減磨效果主要取決于固體潤(rùn)滑棒（塊）的性能，目前，國(guó)產(chǎn)固體潤(rùn)滑棒（塊）的技術(shù)性能參差不齊，有待進(jìn)一步改進(jìn)提高。

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收稿時(shí)間 2019-11-20

責(zé)任編輯 宗仁莉

Wheel rail lubrication technology and

application analysis

Wang Lingchao

Abstract： In recent years， with the rapid development of China railways， the route mileage of China's high-speed railway ranks the first in the world. With the continuous increase of railway mileage and train running speed， the wear of locomotive rims and track rails shows a sharp upward trend， which seriously affects the railway safety operation. Through the analysis of wheel rail lubrication technology and its device， based on the application effect of on-site rail lubrication technology， and compared with its economic benefits， the paper shows that the solid lubrication method effectively reduces the locomotive wheel flange wear， improves the running speed and load capacity of train， and improves the cost effectiveness.

Keywords： railway， wheel rail system， lubrication technology， cost effectiveness

作者簡(jiǎn)介：王令朝（1943—），男，高級(jí)工程師