劉穎鑫，武小鵬，楊興寬

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

近年來(lái)鐵路運(yùn)輸不斷發(fā)展，提速重載機(jī)車逐漸成為貨運(yùn)主力，隨著軸重增加，運(yùn)行速度穩(wěn)步提高，行車密度加大，機(jī)車運(yùn)用效率不斷提高，其輪緣磨耗也日益突出。部分鐵路局機(jī)務(wù)段的輪緣磨耗率達(dá)到0.3～1.5mm／104km，頻繁的旋輪整形作業(yè)既造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)又影響了機(jī)車的運(yùn)用效率。目前機(jī)車輪對(duì)逐漸以整體輪為主，輪緣磨耗到限旋修3～4次就會(huì)因輪徑到限而報(bào)廢，使維修成本也大幅提高，這就要求機(jī)車配備更為高效合理的輪軌潤(rùn)滑裝置。HB－3型輪軌潤(rùn)滑裝置就是針對(duì)這一要求設(shè)計(jì)的，它使輪軌潤(rùn)滑實(shí)現(xiàn)了智能化，大幅提高了潤(rùn)滑系統(tǒng)的工作效率，改善了潤(rùn)滑效果。

通過(guò)分析提速重載機(jī)車輪緣磨耗加劇的原因，提出了合理的輪軌潤(rùn)滑解決方案，并介紹了符合該方案要求的HB－3型輪軌潤(rùn)滑裝置，及其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。

1 提速重載機(jī)車的輪緣磨耗

1.1 提速重載機(jī)車輪緣磨耗加劇的原因

隨著新線建設(shè)和既有線改造，貨運(yùn)列車速度也隨之顯著提高。有些以貨運(yùn)為主的區(qū)段，列車提速之前機(jī)車輪緣磨耗并不突出，但隨著大軸重的提速重載機(jī)車投入運(yùn)用，輪緣磨耗又趨于嚴(yán)重，主要原因如下：

（1）機(jī)車運(yùn)行于曲線路段時(shí)，內(nèi)軌側(cè)輪軌之間只有一點(diǎn)接觸，其輪緣與軌距角脫離開(kāi)，不發(fā)生磨損；而外軌側(cè)導(dǎo)向輪與鋼軌形成兩點(diǎn)接觸，其輪緣與軌距角形成滾動(dòng)摩擦與滑動(dòng)摩擦混合的運(yùn)行狀態(tài)，造成外軌側(cè)輪緣磨損。提速重載機(jī)車通過(guò)曲線時(shí)，軸重增加導(dǎo)向力加大［1］，導(dǎo)向力加大會(huì)使側(cè)面輪軌接觸應(yīng)力加大，單位面積上產(chǎn)生的摩擦功相應(yīng)增大，導(dǎo)致磨耗加速［1］，這種狀況在欠超高狀態(tài)下尤其嚴(yán)重。

（2）機(jī)車車輛進(jìn)入曲線時(shí)運(yùn)行方向必然會(huì)發(fā)生變化，所以此時(shí)在輪緣與鋼軌間會(huì)出現(xiàn)最大的壓力，產(chǎn)生最大的磨耗［2］。提速重載列車在駛?cè)胫本忺c(diǎn)時(shí)，外軌側(cè)導(dǎo)向輪緣與軌距角接觸形成的初始導(dǎo)向沖擊更大，輪緣磨損程度也更大。

（3）輪軌游隙相同的情況下，提速重載機(jī)車在直線路段會(huì)產(chǎn)生更劇烈的蛇行擺動(dòng)，造成嚴(yán)重的波狀磨耗，加劇產(chǎn)生軌道不平順，從而增加輪緣接觸軌距角的幾率，造成直線路段機(jī)車輪緣磨損加劇，路況不同磨損程度也不同。

（4）輪緣磨耗使輪軌游隙也隨之增大，使列車提速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生更大的沖擊振動(dòng)，在曲線段又會(huì)形成更大的沖角，從而使車輪與鋼軌之間的接觸條件更趨于嚴(yán)酷。

1.2 提速重載機(jī)車的輪緣磨耗控制需求

目前各鐵路局機(jī)務(wù)段的輪緣磨耗旋修下限均控制在23mm［3］，應(yīng)用最為普遍的JM3型踏面輪緣初始厚度為34mm，旋修后可恢復(fù)到32～33mm。提速重載區(qū)段一般輪緣磨耗率均在0.5mm／104km左右，機(jī)車每運(yùn)行約20萬(wàn)km就進(jìn)行旋修，磨耗更嚴(yán)重的路段每7萬(wàn)km就需要旋修一次，大量的旋修工作嚴(yán)重影響機(jī)車的運(yùn)用效率，并增加鐵路局機(jī)務(wù)段的運(yùn)營(yíng)成本。因此機(jī)車運(yùn)用單位期望將輪緣磨耗控制到一個(gè)中修期（約40萬(wàn)km）不旋輪，即輪緣磨耗率在0.25mm／104km或以下。

1.3 提速重載機(jī)車輪軌潤(rùn)滑的合理解決方案

根據(jù)提速重載機(jī)車輪緣磨耗加劇的原因提出輪軌潤(rùn)滑的合理解決方案。

（1）區(qū)分直線、曲線，根據(jù)不同的磨損程度分別采取不同的噴脂頻率。

（2）直線地段適量噴脂，噴脂頻率可由使用單位根據(jù)路況自行調(diào)節(jié)。

（3）提前識(shí)別曲線，自動(dòng)加快噴脂頻率，并在進(jìn)入曲線直緩點(diǎn)前就充分形成潤(rùn)滑膜。

（4）識(shí)別左右曲線，根據(jù)線路狀況靈活改變噴脂模式，機(jī)車通過(guò)曲線以欠超高為主時(shí)外軌側(cè)噴脂，以過(guò)超高為主時(shí)外軌側(cè)導(dǎo)向輪和內(nèi)軌側(cè)尾輪成對(duì)角噴脂。

2 機(jī)車輪軌潤(rùn)滑裝置的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著機(jī)車輪軌潤(rùn)滑技術(shù)的發(fā)展，潤(rùn)滑裝置（含潤(rùn)滑劑）的種類不斷增多。按使用的潤(rùn)滑劑不同可分為稀油、脂（半流體）和固體潤(rùn)滑裝置；按潤(rùn)滑劑涂覆方式不同可分為機(jī)械式的連續(xù)潤(rùn)滑裝置、自動(dòng)控制的定時(shí)／定距潤(rùn)滑裝置和直線—曲線區(qū)別對(duì)待的智能潤(rùn)滑裝置。按裝置是否直接與車輪接觸可分為接觸式潤(rùn)滑和非接觸式潤(rùn)滑。經(jīng)過(guò)多年的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用，目前國(guó)內(nèi)干線機(jī)車上占主導(dǎo)地位的是采用半流體脂作為潤(rùn)滑劑的定距、非接觸式自動(dòng)控制裝置，應(yīng)用廣泛的HB－2型輪軌潤(rùn)滑裝置就是其中之一。

曲線識(shí)別（預(yù)識(shí)別）一直以來(lái)是輪軌潤(rùn)滑技術(shù)追求的目標(biāo)。20世紀(jì)80年代國(guó)外開(kāi)發(fā)的曲線識(shí)別技術(shù)，是通過(guò)加速度傳感器或陀螺儀感受機(jī)車進(jìn)入曲線直緩點(diǎn)后的信號(hào)變化判別線路狀況，給出彎道信號(hào)，不足之處是加量噴脂點(diǎn)滯后于緩直點(diǎn)。近年通過(guò)GPS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)曲線預(yù)識(shí)別，但其受到成本和準(zhǔn)確度方面的限制也未能得到廣泛運(yùn)用。

3 HB－3型輪軌潤(rùn)滑裝置介紹

HB－3型輪軌潤(rùn)滑裝置的工作方式符合提速重載機(jī)車輪軌潤(rùn)滑技術(shù)的合理解決方案，是針對(duì)其輪緣磨耗特點(diǎn)設(shè)計(jì)的，它延用了在現(xiàn)場(chǎng)具有優(yōu)良表現(xiàn)的自動(dòng)控制定距噴脂的潤(rùn)滑方式，并在此基礎(chǔ)上通過(guò)曲線預(yù)識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了直線—曲線區(qū)別對(duì)待的智能化輪軌潤(rùn)滑。

3.1 HB－3型輪軌潤(rùn)滑裝置的組成及功能

HB－3型輪軌潤(rùn)滑裝置的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配置如圖1所示，由電氣控制機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)控制機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分組成。

為方便對(duì)曲線預(yù)識(shí)別的敘述，特給出輪噴彎道的定義：在曲線直緩點(diǎn)前設(shè)定預(yù)識(shí)別提前量，以此為起點(diǎn)，以曲線的緩直點(diǎn)為終點(diǎn)，如圖2。

電氣控制機(jī)構(gòu)包括線路斷面識(shí)別插件（簡(jiǎn)稱插件）和輪軌潤(rùn)滑電子控制器（簡(jiǎn)稱電控器）。插件位于機(jī)車TAX2箱內(nèi)，實(shí)時(shí)讀取線路公里標(biāo)與預(yù)存線路縱斷面數(shù)據(jù)做對(duì)比。當(dāng)機(jī)車速度大于5km／h時(shí)，給出運(yùn)行信號(hào)；當(dāng)機(jī)車運(yùn)行至輪噴彎道的起點(diǎn)時(shí)發(fā)出彎道、左彎道、右彎道信號(hào)。電控器接收到信號(hào)后按照預(yù)先設(shè)定好的3種噴脂模式之一給出電空閥動(dòng)作指令，以保證機(jī)車進(jìn)入直緩點(diǎn)前輪緣上就已經(jīng)形成充分的潤(rùn)滑膜。HB－3型輪軌潤(rùn)滑裝置的工作流程如圖3所示。

圖1 HB－3型輪軌潤(rùn)滑裝置系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配置圖

圖2 輪噴彎道示意圖

氣動(dòng)控制機(jī)構(gòu)主要包括截?cái)嗳T(mén)、分水濾氣器、調(diào)壓閥和兩位三通電磁換向閥（以下簡(jiǎn)稱電空閥）4種氣動(dòng)元件，負(fù)責(zé)向氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供潔凈、充足的氣體。分水濾氣器、調(diào)壓閥和電空閥集成在氣路板上，節(jié)省空間，安裝簡(jiǎn)便。核心元件電空閥是精密氣動(dòng)件，與普通電空閥工況不同，需要?jiǎng)幼黝l率高、使用壽命長(zhǎng)、氣源壓力穩(wěn)定且過(guò)濾精度達(dá)到25μm以上。該套裝置的氣路系統(tǒng)由截?cái)嗳T(mén)起始，入口直接接總風(fēng)缸風(fēng)路，氣源壓力在7.5～9.5kPa范圍內(nèi)波動(dòng)，過(guò)濾精度一般為75μm，因此分水濾氣器和調(diào)壓閥就成為系統(tǒng)的必備配置，以使電空閥能可靠工作。

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由油脂罐和噴頭組成，油脂罐內(nèi)儲(chǔ)存有一定量的潤(rùn)滑脂，并能保壓，潤(rùn)滑脂在壓力作用下進(jìn)入噴頭的定量?jī)?chǔ)脂槽。電空閥每次通斷都會(huì)有700kPa的高壓氣體補(bǔ)充進(jìn)油脂罐，并驅(qū)動(dòng)噴頭柱塞動(dòng)作一次，高壓氣體和儲(chǔ)脂槽內(nèi)的潤(rùn)滑脂混合霧化后噴出。HB－3型噴頭與HB－2型噴頭相比結(jié)構(gòu)更加合理，使用壽命更長(zhǎng)，對(duì)潤(rùn)滑劑的霧化效果也更好，使之可以形成均勻的潤(rùn)滑膜粘附在輪緣表面，達(dá)到良好的減磨效果。

圖3 HB－3型輪軌潤(rùn)滑裝置的工作流程圖

3.2 HB－3型輪軌潤(rùn)滑裝置的技術(shù)特點(diǎn)

3.2.1 曲線識(shí)別（預(yù)識(shí)別）

HB－3型輪軌潤(rùn)滑裝置是借助國(guó)內(nèi)機(jī)車特有的監(jiān)控裝置發(fā)出的實(shí)時(shí)線路公里標(biāo)和裝置本身預(yù)存的線路縱斷面數(shù)據(jù)，提前判定即將到達(dá)的曲線，實(shí)現(xiàn)了低成本、高準(zhǔn)確度的曲線預(yù)識(shí)別。

曲線識(shí)別（預(yù)識(shí)別）的意義在于：

（1）能在輪噴彎道的起點(diǎn)給出噴脂信號(hào)，同時(shí)加快噴脂頻率，使輪緣在進(jìn)入直緩點(diǎn)之前就形成充足的潤(rùn)滑膜，對(duì)減緩提速重載機(jī)車劇烈的初始導(dǎo)向磨損更有利。

（2）曲線路段充分的潤(rùn)滑可以有效降低輪緣與軌距角間的摩擦系數(shù)。降低這一摩擦系數(shù)有利于提高脫軌系數(shù)的界限值，即對(duì)防止車輪爬軌有好處，有利于車輛的運(yùn)行安全 。

（3）不同路段給出不同的潤(rùn)滑劑噴射頻率，從而避免了直線曲線潤(rùn)滑劑噴射頻率相同造成的曲線路段潤(rùn)滑不足或直線路段潤(rùn)滑劑使用過(guò)量的問(wèn)題。

（4）直線路段的適量潤(rùn)滑還可以避免潤(rùn)滑劑過(guò)度累積造成的踏面污染和油脂甩濺。

（5）曲線識(shí)別、直線曲線分別對(duì)待可顯著降低潤(rùn)滑劑用量。

3.2.2 靈活多變的噴脂模式

HB－3型輪軌潤(rùn)滑裝置的噴脂模式可分為前后、左右和對(duì)角3種。

前后噴脂模式下該裝置在直線路段適量噴脂，當(dāng)?shù)竭_(dá)輪噴彎道時(shí)控制機(jī)車第一軸的2組噴頭同時(shí)加快噴脂頻率。與不能識(shí)別曲線的系統(tǒng)相比減緩了機(jī)車進(jìn)入緩和曲線的初始導(dǎo)向沖擊，曲線段的潤(rùn)滑更充分，而且直線段又不會(huì)造成油脂累積，在節(jié)約油脂方面有很大提高。但由于第一軸輪對(duì)外軌側(cè)導(dǎo)向，內(nèi)軌側(cè)輪緣不與鋼軌接觸，所以前后噴脂模式在彎道內(nèi)軌側(cè)還有油脂浪費(fèi)現(xiàn)象產(chǎn)生。

左右噴脂模式下該裝置在直線路段適量噴脂，當(dāng)?shù)竭_(dá)左、右輪噴彎道時(shí)控制外軌側(cè)導(dǎo)向輪和尾輪的2組噴頭同時(shí)加快噴脂頻率。該種噴脂模式適合機(jī)車的欠超高運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)機(jī)車的外軌側(cè)尾輪與鋼軌接觸。

對(duì)角噴脂模式下該裝置在直線地段適量噴脂，當(dāng)?shù)竭_(dá)左、右輪噴彎道時(shí)控制外軌側(cè)導(dǎo)向輪的1組噴頭和內(nèi)軌側(cè)尾輪的1組噴頭同時(shí)加快噴脂頻率。該種噴脂模式適合機(jī)車的過(guò)超高運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)機(jī)車內(nèi)軌側(cè)尾輪與鋼軌接觸。

左右或?qū)菄娭Ｊ皆谌〉帽惹昂髧娭Ｊ礁玫臐?rùn)滑效果（外軌側(cè)尾輪或內(nèi)軌側(cè)尾輪）的同時(shí)，還進(jìn)一步解決了曲線地段內(nèi)軌側(cè)油脂累積的問(wèn)題，更加節(jié)約油脂，有利于行車安全。

3.2.3 潤(rùn)滑方式

HB－3型輪軌潤(rùn)滑裝置采用了非接觸式潤(rùn)滑，噴頭裝于轉(zhuǎn)向架上，不與車輪直接接觸，與輪緣之間保持約40mm的距離，噴射角度大約40°（以踏面為基準(zhǔn)）。它繼承了非接觸式潤(rùn)滑受沖擊振動(dòng)影響小的優(yōu)點(diǎn)，能夠保持潤(rùn)滑劑霧化后噴涂于輪緣上的連續(xù)性和均勻性，保證了潤(rùn)滑效果。

3.2.4 配套潤(rùn)滑劑性能優(yōu)越

輪緣涂覆潤(rùn)滑劑后與軌距角間的摩擦系數(shù)降低程度取決于潤(rùn)滑劑的性能，性能優(yōu)良的潤(rùn)滑劑在保證有效潤(rùn)滑當(dāng)前輪緣的同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)由軌距角到后續(xù)輪緣（包括機(jī)車和車輛）的2次轉(zhuǎn)移。

HB－3型輪軌潤(rùn)滑裝置采用了JH－1型輪軌潤(rùn)滑脂或環(huán)保型鐵路輪軌潤(rùn)滑脂作為配套潤(rùn)滑劑。它們是以石墨為主要潤(rùn)滑成分的半流體潤(rùn)滑劑，在擠壓作用下，石墨貼附于輪緣與鋼軌的基體表層，形成固體潤(rùn)滑膜。石墨脂潤(rùn)滑的減磨效果好，具有長(zhǎng)效性和優(yōu)異的二次轉(zhuǎn)移性。使用該裝置的區(qū)段，曲線地段鋼軌軌距角和車輛輪緣上均形成了可觀測(cè)到的潤(rùn)滑膜。

輪緣（包括機(jī)車和車輛）與鋼軌是一對(duì)摩擦副，不能孤立地看待輪緣磨耗，鋼軌與車輛的狀態(tài)都直接對(duì)機(jī)車輪緣磨耗造成影響，潤(rùn)滑劑的二次轉(zhuǎn)移性既能夠保證機(jī)車輪緣磨耗率控制在合理范圍內(nèi)，又能對(duì)鋼軌及車輛輪緣的減磨起到積極作用，使這對(duì)摩擦副整體處于良好狀態(tài)。

與該裝置配套的環(huán)保型鐵路輪軌潤(rùn)滑脂具有良好的可生物降解性、防腐蝕性、抗水性、高溫穩(wěn)定性和低溫泵送性，該脂可適用于環(huán)境溫度－30～120℃ 的條件［5］。輪軌潤(rùn)滑屬于開(kāi)放式潤(rùn)滑，大量潤(rùn)滑劑直接排放于自然界，減少潤(rùn)滑劑的使用量并采用環(huán)保型潤(rùn)滑脂對(duì)于有環(huán)保要求的鐵路干線非常重要。

4 HB－3型輪軌潤(rùn)滑裝置的應(yīng)用

HB－3型輪軌潤(rùn)滑裝置研制完成后在2個(gè)機(jī)務(wù)段的4臺(tái)機(jī)車上進(jìn)行了5個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)用考核，取得了良好的減磨效果，安裝前后的輪緣磨耗量見(jiàn)圖4，輪緣磨耗率下降在22.5%～50%之間，同時(shí)節(jié)約油脂約50%。

圖4 HB－3的現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)用考核結(jié)果

該裝置簡(jiǎn)化配置在西寧機(jī)務(wù)段、西安機(jī)務(wù)段等輪緣磨耗嚴(yán)重的DF4D、DF11G機(jī)車上試運(yùn)用都取得了理想的使用效果。西寧機(jī)務(wù)段的2臺(tái)DF4D全懸掛機(jī)車試安裝，采用了前后噴脂模式，直線段400m、曲線段50m的噴射頻率，減磨效果顯著，萬(wàn)公里磨耗量下降比率達(dá)44.9%，運(yùn)用數(shù)據(jù)如圖5。從圖中可以看出機(jī)車的原有狀態(tài)是2、5軸磨耗突出，而當(dāng)2、5軸率先磨耗到限旋修時(shí)為保證輪徑一致必須旋修全部輪對(duì)，試安裝潤(rùn)滑裝置后使各輪對(duì)的輪緣磨耗率更接近，從而降低了大量不必要的旋修成本。

圖5 西寧機(jī)務(wù)段的運(yùn)用效果

HB－3型輪軌潤(rùn)滑裝置取得了上述現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用效果后又憑借其技術(shù)特點(diǎn)成功應(yīng)用于HXD3B出廠機(jī)車、安康機(jī)務(wù)段的HXD3機(jī)車、神華集團(tuán)的SS4機(jī)車等，實(shí)現(xiàn)了前后、左右或?qū)菄娭Ｊ娇蛇x。

5 結(jié)束語(yǔ)

HB－3型輪軌潤(rùn)滑裝置由電氣控制機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)控制機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，自動(dòng)化程度高，結(jié)構(gòu)緊湊，使用壽命長(zhǎng)。

該裝置具備先進(jìn)的曲線預(yù)識(shí)別技術(shù)，保證了機(jī)車輪緣在整個(gè)曲線路段（包括緩和曲線段）的充分潤(rùn)滑，并以此為核心設(shè)置了3種噴脂模式。它能夠有的放矢地噴射潤(rùn)滑劑，并根據(jù)不同工況高效合理地潤(rùn)滑輪緣，在取得良好減磨效果的同時(shí)節(jié)約潤(rùn)滑劑。

在多個(gè)鐵路局機(jī)務(wù)段不同車型上的實(shí)際應(yīng)用表明減磨效果良好。

該裝置的推廣應(yīng)用能夠有效解決提速重載機(jī)車輪緣磨耗加劇的問(wèn)題，利于提高行車安全性，符合節(jié)能降耗和環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。

［1］段固敏.軸重和摩擦系數(shù)對(duì)鋼軌側(cè)磨影響的研究［J］.蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，1994，13（3）：11－12.

［2］卡爾·薩克斯.電傳動(dòng)機(jī)車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)與原理（第1版）［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1988.

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［5］劉曉峰.環(huán)保型鐵路輪軌潤(rùn)滑脂的開(kāi)發(fā)研制［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2009，30（4）：140－144.