城軌列車輪緣固態(tài)潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

彭育強(qiáng)，呂孟海

（1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道交通學(xué)院，廣州 510650；2.廣州市威來(lái)材料科技有限公司，廣州 510812）

0 引言

在現(xiàn)代軌道交通運(yùn)輸領(lǐng)域中，輪軌摩擦與潤(rùn)滑關(guān)系到行車安全、牽引能量消耗、輪軌材料磨損及維修成本等諸多問題，因此受到各軌道交通相關(guān)企業(yè)部門的高度重視。為了更好地適應(yīng)軌道交通高速、重載、安全運(yùn)輸?shù)男枰嗆墲?rùn)滑方式在各相關(guān)行業(yè)研究人員的共同努力下不斷更新發(fā)展。20世紀(jì)60年代就已經(jīng)出現(xiàn)在軌道線路上進(jìn)行曲線涂油的措施，由巡道人員手工在曲線外股鋼軌上涂上潤(rùn)滑油。盡管涂油質(zhì)量不甚理想，但對(duì)延長(zhǎng)鋼軌和輪對(duì)使用壽命還是起到了相當(dāng)大的作用[1]。中國(guó)的輪軌潤(rùn)滑模式主要使用的方法是國(guó)內(nèi)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所研制的HB型、HLP型系列輪緣潤(rùn)滑裝置[2]。然而，無(wú)論是HB型還是HLP型輪緣潤(rùn)滑裝置均為油液式潤(rùn)滑，通過在輪緣根部噴油形成油膜來(lái)降低輪軌之間的磨耗。這種方法在輪緣根部承受高負(fù)荷及高溫時(shí)，液體油膜會(huì)遭到破壞，從而喪失潤(rùn)滑能力。此外，在實(shí)際運(yùn)用中，經(jīng)常出現(xiàn)噴油嘴堵塞、噴油控制盒故障等問題，造成輪緣噴油器不噴油，或者將油脂噴到輪對(duì)踏面上，使輪軌黏著系數(shù)下降，存在導(dǎo)致機(jī)車輪對(duì)空轉(zhuǎn)以及走行部和線路污染等問題[3-4]。

1 固態(tài)潤(rùn)滑塊材料及裝置

針對(duì)現(xiàn)有輪緣油液潤(rùn)滑存在的問題，為了實(shí)現(xiàn)在輪緣潤(rùn)滑時(shí)達(dá)到潤(rùn)滑膜穩(wěn)定、干燥阻燃、清潔高效等要求，采用一種由高分子材料做基材和超細(xì)粒徑的固態(tài)潤(rùn)滑材料復(fù)合而成的材料配方。配方材料主要由硫化鎢、六方氮化硼、氟化鈣、二硫化鉬等高溫潤(rùn)滑材料組成。確定該特殊配方后，采用固體體系優(yōu)化工藝控制，有效保證了潤(rùn)滑體磨耗層在輪軌上的黏附力、潤(rùn)滑品質(zhì)等要求。高分子聚合物的特性使得潤(rùn)滑膜較為穩(wěn)定，避免了液態(tài)潤(rùn)滑劑的非預(yù)想遷移，如遷移到軌道上部等。當(dāng)潤(rùn)滑點(diǎn)位置控制精確時(shí)，即對(duì)高磨耗部位進(jìn)行重點(diǎn)潤(rùn)滑，可達(dá)到環(huán)保、干燥、干凈、清潔的效果，并具有阻燃、安全性、簡(jiǎn)便易維護(hù)、無(wú)需電力和壓縮空氣等一系列優(yōu)點(diǎn)。

在輪緣固態(tài)潤(rùn)滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，基于輪軌直線運(yùn)行時(shí)摩擦因數(shù)小、曲線彎道摩擦因數(shù)大的運(yùn)行特點(diǎn)[5]，設(shè)計(jì)采用磁力控制恒力彈簧機(jī)構(gòu)作為固態(tài)潤(rùn)

滑塊推進(jìn)機(jī)構(gòu)，如圖1所示。結(jié)合轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將推進(jìn)機(jī)構(gòu)安裝于轉(zhuǎn)向架側(cè)梁處，由潤(rùn)滑塊控制器對(duì)其進(jìn)行推進(jìn)控制。待列車運(yùn)行至曲線位置時(shí)，推進(jìn)機(jī)構(gòu)將固態(tài)潤(rùn)滑塊推至輪軌踏面處，從而起到潤(rùn)滑效果。

圖1 列車輪緣固態(tài)潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2 固態(tài)潤(rùn)滑塊控制器

潤(rùn)滑塊推進(jìn)控制器基于輪軌直線運(yùn)行時(shí)摩擦因數(shù)小、曲線彎道摩擦因數(shù)大的運(yùn)行特點(diǎn)，為保證潤(rùn)滑塊取得最好的輪緣潤(rùn)滑效果，采用基于曲線信息的曲率匹配算法確定軌道線路曲線信息及列車實(shí)際位置，實(shí)現(xiàn)軌道列車運(yùn)行至曲線位置時(shí)進(jìn)行固態(tài)潤(rùn)滑塊的推進(jìn)控制，從而起到對(duì)輪軌磨損嚴(yán)重位置進(jìn)行重點(diǎn)潤(rùn)滑的作用。

列車運(yùn)行過程中需測(cè)量列車的轉(zhuǎn)向角度、運(yùn)行速度等信息與列車線路數(shù)據(jù)庫(kù)中的曲率信息進(jìn)行對(duì)比，通過該方式可以確定列車在線路中的實(shí)際絕對(duì)位置。在此使用加速度計(jì)、陀螺儀傳感器得到列車位置信息，并對(duì)該兩個(gè)傳感器信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，得到更為精確的列車定位信息[6]。

2.1 控制系統(tǒng)平臺(tái)總體方案

潤(rùn)滑控制系統(tǒng)平臺(tái)采用STM32作為核心控制器，控制系統(tǒng)平臺(tái)如圖2所示。結(jié)合加速度計(jì)、陀螺儀傳感器得到列車的地理位置信息、運(yùn)行狀態(tài)等，包括列車的速度、位置、加速度等相關(guān)信息，并結(jié)合多種傳感器，采用融合算法將得到的多種傳感器信息數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，獲得更加精確的位置信息。核心控制器將多個(gè)傳感器融合后的位置信息結(jié)合車載主機(jī)的控制命令控制潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)列車在線路彎道處實(shí)現(xiàn)對(duì)輪緣的潤(rùn)滑控制。

圖2 系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)方案中，列車信息采集的傳感器主要設(shè)計(jì)使用有加速度計(jì)、陀螺儀傳感器、速度傳感器3種，除此之外還結(jié)合RFID技術(shù)采集列車線路應(yīng)答器信息，從而獲得列車在線路中的絕對(duì)位置信息。

2.2 控制系統(tǒng)硬件方案

根據(jù)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案可知，核心控制器需要跟多個(gè)傳感器、車載主機(jī)、傳輸模塊以及電源管理模塊等進(jìn)行連接，需要進(jìn)行信息采集處理、傳感器數(shù)據(jù)融合處理、無(wú)線信息傳輸處理、潤(rùn)滑模塊控制處理等。因此，需要選用功能性價(jià)比較高的芯片作為該系統(tǒng)的核心控制器。選用ST公司生產(chǎn)的STM32F103RBT6芯片作為處理器，其具有IO接口、CAN通信接口、2個(gè)ADC轉(zhuǎn)換器和SPI串行接口、3個(gè)USART串口等功能[7]。

圖3 系統(tǒng)控制方案結(jié)構(gòu)圖

本文將STM32F103RBT6芯片通過ⅡC串行接口與加速度、陀螺儀傳感器連接，使用I/O口實(shí)現(xiàn)對(duì)固態(tài)潤(rùn)滑塊機(jī)構(gòu)的控制，采用USART串口實(shí)現(xiàn)與車載主機(jī)和無(wú)線通信模塊的通信，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3 曲線段定位算法與系統(tǒng)軟件應(yīng)用

針對(duì)軌道線路中存在的每一條線路對(duì)應(yīng)的曲線是唯一的、不變的特點(diǎn)，測(cè)量出線路中位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)的曲率信息，將每一條線路的曲率信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為對(duì)應(yīng)的線路曲率信息數(shù)據(jù)庫(kù)。在此，使用系統(tǒng)中設(shè)計(jì)采用的速度傳感器、加速度計(jì)、陀螺儀等測(cè)出列車行駛過程中采集形成的列車的轉(zhuǎn)向角、運(yùn)行速度等信息，通過對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理與數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的線路曲率信息進(jìn)行匹配對(duì)比，從而得到列車運(yùn)行過程所在線路中的實(shí)際位置，結(jié)合STM32控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)固態(tài)潤(rùn)滑模塊在曲線中的推進(jìn)控制[8]。

假設(shè)k時(shí)刻列車的角速度為ωn（k），陀螺儀測(cè)得列車實(shí)際角速度為ω（k），列車震動(dòng)引起的角度測(cè)量誤差為ω0（k），溫度漂移、零點(diǎn)漂移、安裝位置等引起的誤差為ωδ（k），則：

假設(shè)在k時(shí)刻列車速度傳感器檢測(cè)得到的速度為vn（k），輪徑引起的測(cè)量誤差為vd（k），噪聲干擾誤差為v0（k），空轉(zhuǎn)滑行誤差為vp（k），曲線半徑為r（k），則：

軌道線路的曲線曲率為：

綜上，利用傳感器定位信息確定列車實(shí)際物理位置，并結(jié)合軌道線路曲線曲率進(jìn)行匹配，從而判定列車在軌道線路中的實(shí)際位置，利用該位置信息即可實(shí)現(xiàn)對(duì)固態(tài)潤(rùn)滑控制機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)控制。

3 潤(rùn)滑性能測(cè)試

通過對(duì)固態(tài)潤(rùn)滑材料配方的研究，生產(chǎn)出試驗(yàn)樣品采用設(shè)計(jì)的固態(tài)潤(rùn)滑控制機(jī)構(gòu)對(duì)潤(rùn)滑塊進(jìn)行控制試驗(yàn)。在珠三角某地鐵公司3號(hào)線正線上選取3種系列樣品進(jìn)行環(huán)塊式磨損試驗(yàn)，測(cè)試程序參照GB/T 2411-2008塑料和硬橡膠使用硬度計(jì)測(cè)定壓痕硬度（邵氏硬度）規(guī)定的程序進(jìn)行[9]，設(shè)備為TH210邵氏硬度計(jì)，結(jié)果如表1所示。

表1 固體潤(rùn)滑塊邵氏硬度試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)步驟

（1）試驗(yàn)前，磨塊及潤(rùn)滑塊經(jīng)狀態(tài)調(diào)節(jié)后稱量其質(zhì)量、測(cè)試硬度；

（2）用乙醇、丙酮等不與塑料起作用的溶劑清除磨塊和圓環(huán)上的油污，清理后保持磨塊和圓環(huán)表面清潔；

（3）試驗(yàn)時(shí)，列車未行駛至曲線位置時(shí)，磨輪處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，待列車進(jìn)入曲線位置時(shí)，潤(rùn)滑控制器施加力使固體潤(rùn)滑塊與其接觸，固態(tài)潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)恒力彈簧保持在500 N的負(fù)荷讓磨輪與模塊對(duì)磨，在試驗(yàn)過程中，固體潤(rùn)滑塊受潤(rùn)滑控制器曲線位置的檢測(cè)與磨輪進(jìn)行接觸與分離控制，控制過程使磨輪與磨塊界面始終保持一層固體潤(rùn)滑膜；

（4）每件樣品進(jìn)行一運(yùn)營(yíng)里程200 km后停機(jī)卸負(fù)荷，取下磨塊和圓環(huán)，磨塊經(jīng)乙醇超聲清洗吹干后，用分析天平稱重并用JC10讀數(shù)顯微鏡測(cè)量磨痕寬度，同時(shí)稱量固體潤(rùn)滑塊質(zhì)量[10]；

（5）總對(duì)試驗(yàn)里程1 000 km，并按以下頻率在試驗(yàn)過程中測(cè)量及記錄摩擦力矩、磨塊磨痕寬度、固體潤(rùn)滑塊失重的數(shù)據(jù)，摩擦力矩100 r/次，磨塊磨痕寬度100 km/次，固體潤(rùn)滑塊失重100 km/次。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3種樣品固體潤(rùn)滑塊的邵氏硬度相差不大，隨著試驗(yàn)里程的增加，磨損時(shí)間延長(zhǎng)，摩擦因數(shù)、磨塊磨痕寬度及損失質(zhì)量、潤(rùn)滑塊的損失質(zhì)量發(fā)生了不同程度的變化。摩擦因數(shù)在整個(gè)過程中均有波動(dòng)，但可以看出，3#潤(rùn)滑塊波動(dòng)稍小，說(shuō)明該樣塊整體比較均勻，如圖4所示；從其整體走勢(shì)可以看出，2#最小、3#次之、1#最大，計(jì)算其平均值分別為0.13、0.17、0.18，由其磨塊磨痕寬度可知，耐磨性2#最好、1#次之，3#最差，如圖5所示；磨塊損失質(zhì)量較小，小于10 mg，且出現(xiàn)小于0的情況，這主要是由于在磨損過程中潤(rùn)滑塊有轉(zhuǎn)移，如圖6所示；1#和2#的潤(rùn)滑塊損失質(zhì)量較小，小于60 mg，如圖7所示，而3#的損失質(zhì)量超過了200 mg，這與其邵氏硬度的變化規(guī)律類似。固體潤(rùn)滑塊磨損后表面狀態(tài)如圖8所示，磨塊磨損前后表面狀態(tài)如圖9所示。

圖4 隨轉(zhuǎn)數(shù)增加摩擦因數(shù)變化曲線

圖5 隨轉(zhuǎn)數(shù)增加磨塊磨痕寬度變化曲線

圖6 隨轉(zhuǎn)數(shù)增加磨塊損失質(zhì)量變化曲線

圖7 隨轉(zhuǎn)數(shù)增加潤(rùn)滑塊損失質(zhì)量變化曲線

圖8 固體潤(rùn)滑塊磨損后表面狀態(tài)

圖9 磨塊磨損前后表面狀態(tài)

從表2～4可以看出，1#、2#潤(rùn)滑塊摩擦后的磨塊質(zhì)量損失率只有0.002 6%、0.001 8%（為1 000 km的質(zhì)量損失率，以下均同），潤(rùn)滑塊質(zhì)量損失率只有0.046%、0.039%，相比3#潤(rùn)滑塊摩擦后的磨塊質(zhì)量損失率0.009 5%，潤(rùn)滑塊質(zhì)量損失率0.155%較小。綜合以上檢測(cè)結(jié)果，2#固體潤(rùn)滑塊樣品的耐磨性較好且用量少。

表2 1#固體潤(rùn)滑塊潤(rùn)滑環(huán)-塊式磨損試驗(yàn)結(jié)果

表3 3#固體潤(rùn)滑塊潤(rùn)滑環(huán)-塊式磨損試驗(yàn)結(jié)果

表4 2#固體潤(rùn)滑塊潤(rùn)滑環(huán)-塊式磨損試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種輪緣固態(tài)潤(rùn)滑方案。通過運(yùn)行驗(yàn)證，該系統(tǒng)承載能力強(qiáng)、耐高溫、涂覆效果良好，解決了軌道交通輪軌材料磨損及維修成本問題；消除了傳統(tǒng)油脂因產(chǎn)生油楔作用而加速輪軌疲勞裂紋擴(kuò)展的缺陷。采用固態(tài)潤(rùn)滑模塊減輕了軌道線路中潤(rùn)滑油液污染問題，控制系統(tǒng)穩(wěn)定、準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了一種理想的地面鋼軌潤(rùn)滑材料及控制系統(tǒng)。