固定式轨侧润滑装置及其在南昌局的应用研究_钟尖.pdf

固定式轨侧润滑装置及其在南昌局的应用研究钟尖（中国铁路南昌局集团有限公司工务部，江西南昌330002）摘要：列车通过小半径曲线时，曲线外股钢轨磨耗非常严重，增加了线路维修成本。基于此，研究了固定式轨侧润滑技术并进行了应用。实践表明，固定式轨侧润滑技术能够降低侧面磨耗，尤其是针对一些特殊的曲线地段，并能增加其使用寿命。关键词：固定式轨侧润滑小半径曲线钢轨减磨中图分类号：U213文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0239-04引言铁路运输企业最重要的组成是线路设备，确保其完整性和良好的质量至关重要，有利于列车稳定行驶，提升运营安全性。通过对线路的科学维护，及时发现设备运行中存在的问题，做好预防和控制工作，有利于推动铁路发展，保障运行安全性1-2。由于山区一般地形条件复杂，曲线线路占有很大比例，其中包含很多小半径曲线。近年来，随着集团公司大开发、大跨越的发展趋势，货运量快速增长，加之机车类型不断更新，钢轨的侧面磨耗和波浪磨耗速度加快，尤其是在小半径曲线地段钢轨的侧面磨耗尤为严重。由于钢轨侧面磨耗的存在影响了钢轨的性能，使其强度降低，变得更容易损伤，减少了使用寿命，不仅大量浪费维修成本，同时对正常的铁路运输秩序造成影响，不利于安全运输。所以降低钢轨磨耗速率，增加设备的使用寿命是当前亟需处理的关键任务3-4。1钢轨磨耗产生原因1.1小半径曲线过超高或欠超高在线路直线地段，两股钢轨顶面应在同一水平。在线路曲线地段，主要根据曲线半径和实测行车速度在外股钢轨合理设置超高。所以，当列车以不同速度通过曲线地段时，会出现欠超高或过超高现象5。不同速度通过曲线钢轨地段受力状态会相应改变，如导向力和冲击角等，进而改变侧磨速率，尤其是轨头位置。当过超高较大时，列车重载发生改变，可能导致出现偏载现象，主要作用于内股钢轨，一定程度上提高了内股钢轨垂直磨耗；当欠超高较大时，离心力显然得不到平衡，势必增大横向力，也将加剧曲线外股钢轨的侧面磨耗。由于内外股钢轨长度存在差异，当轮缘经过外股时可借助锥形坡度达到弥补的效果，但后轴部分内股轮缘衔接较为紧密，导致内外轨行走距离存在明显行程差值。为了减少这一差值，需借助内外轮产生滑动，方向为向后，这样就加剧了外股钢轨侧面磨耗。1.2轨底坡坡度较小根据轮缘接触几何学6，轮轨受力受到相关因素影响，尤其是轨底坡坡度大小。因此改变这项参数可使轮轨接触相应的改变，有利于降低钢轨磨滑，从而减少轨头侧磨问题。在曲线轨道上，外股长、内股短，只有轮对外轮的滚动半径大于内轮的滚动半径时，转向架才有良好的通过曲线性能，从而减少车轮对钢轨的滑动摩擦距离。曲线下股轨底坡坡度较小时，车轮踏面接触位置内移，滚动半径增大，内外轮滚动半径差减少，滑动摩擦距离增大，从而加剧曲线外股钢轨的侧面磨耗。在列车中，车轮主要与车轴相连，当其具有一致的滚动半径时，会形成相同的滚动距离。但是在曲线段，为了改变轮对的位置，即径向位置，需要合理设置轮对行走距离，使外轮更高，这种情况下会导致轮轨滑动，使轮对位置发生改变，最终引起钢轨磨损。1.3线路养护不当曲线状态是钢轨侧磨的重要影响因素，如果未得到科学养护，会加剧钢轨磨耗；相反，当得到科学养护时，会相应地降低钢轨磨耗，表现为：实施日常养护时，对曲线轨向拨道处理不及时，实施综合维护时没有进行全面计算，仅仅应用绳正法完成对曲线的拨正，导致曲线头尾正矢不良，超过计划维修偏差管理值，同时钢轨硬弯、直缓点移位造成曲线不顺，提高了施加于钢轨的横向力，特别是山区小半径曲线，横向力水平方向作用力更大，加剧了钢轨的磨耗；没有合理设置超高顺坡，前后线路几何尺寸不良，列车通过曲线直缓点、缓圆点产生的振动和冲击等情况，增加了钢轨侧向磨耗速率；线路几何尺寸、结构不良等问题也会使钢轨磨耗更加严重，如三角坑、轨枕空吊或翻浆冒泥、光带不良等7。钢轨磨耗超限达到伤损标准，唯一的处理办法就是换轨，既浪费钢轨材料成本支出又浪费日常养护施收稿日期：2022-08-08作者简介：钟尖（1989），男，江西南昌人，本科，毕业于华东交通大学土木工程专业，工程师，主要研究方向为铁路工务线路、钢轨维修。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.096经验交流机械管理开发第 38 卷工人力、物力。因此，应采取有效的减磨措施，尽量延长钢轨使用寿命，减少换轨工作。2曲线钢轨磨损机理2.1侧磨机理钢轨侧磨是小半径曲线外股钢轨发生的常见伤损。列车在该区域运行时，由于轮轨不断发生滑动，因此引起了外轨侧磨。列车通过曲线地段时，车轮与钢轨的摩擦与滑动是造成外轨侧磨的根本原因。当机车车辆在直线轨道上运行时，车轮作用于钢轨行车面，轮轨关系为单点接触；当列车通过小半径曲线时，轮缘与外股钢轨的轨距线相互贴靠，车轮与钢轨行车面及导向面形成两点接触，并在钢轨导向面接触点产生对车轮的导向力。与此同时，导向面钢轨接触点上的轮对运行方向与轨距线的切线方向形成一个冲角，车轮将沿着切线方向对钢轨头部侧面不断削磨，产生侧磨。侧磨的大小可用导向力与冲角的乘积即磨耗因子来表示。因此，导向力和冲角是决定钢轨侧磨大小的两个主要因素。2.2波磨机理波形磨耗是指钢轨使用后钢轨顶面出现的波形不均匀磨耗。根据磨耗波长分为短波（波纹形）和长波（波浪形）。据现场观测，波形磨耗形成的充分必要条件是行车面轮轨接触点上横向力和纵向力综合作用的结果，在钢轨表面形成 26 mm 深的塑性区，加之纵向负蠕滑率的影响，该区域会继续变形并形成基础单波，踏面在列车碾压等情况下会使其形成多波，这样就形成了波形磨损。在轮轨系统中，影响钢轨波磨形成的因素有很多，大致分为两类：一是轮对的扭转黏滑振动的强度，它决定了是否会形成钢轨波磨；二是在车辆运行条件下，钢轨波磨是否会进一步发展，是加速还是减缓波磨的发展，这取决于轨道弹性和阻尼、机车车辆及其走行部构造特性、曲线半径、轮轨间黏着系数及轮轨蠕滑力特性曲线、轨道不平顺等因素。3曲线钢轨磨耗减缓措施3.1钢轨打磨机车车辆通过曲线一般依靠导向力导向，而现代化曲线通过理论证明，在一定的曲线半径和机车车辆结构下，可用轮轨蠕滑力导向，从而使外侧轮缘簿贴靠外轨或减小贴靠时的冲角，以减轻轮轨磨耗。钢轨非对称打磨原理如图 1 所示，非对称打磨的断面形状，对外轨打磨可使轮轨接触点 A 移到 B 点，则内外轮滚动半径增大。从理论层面上，这个差值若能比内外轨长度差略大，则外侧轮轨可不接触，完全由轮轨蠕滑力导向，这种情况下能够达到理想效果。对内轨打磨可以避免轮缘根部与轨距角的接触，防止轨头的剥离。采用非对称打磨在钢轨减磨、增加钢轨使用寿命方面取得良好的应用效果。国外应用经验表明：在重载铁路中引入该技术，能够显著降低横向力，达到 50%90%，并显著增加使用寿命，甚至超过 50%。除此之外，可采用校正性打磨方式，保证平顺性，同时可搭配预防性打磨，消除微小的裂纹，避免其进一步加重形成接触疲劳型波磨。3.2轮轨润滑在曲线地段可以对轮轨接触面加以处理，如添加减磨剂，有利于减少摩擦力，从而降低钢轨磨耗。根据国内外试验数据表明，钢轨涂抹专用减磨剂后，钢轨侧磨量最大可降至原来的 1/71/5，效果显著。为了减缓轮缘轨距角与轨头侧向磨损，可采用轮缘和钢轨轨头工作边涂抹润滑油脂的方法。3.2.1人工涂液态油人工涂油一般适合使用液态油，无法精确控制涂油量。涂油量过多，渗入疲劳裂纹将加剧伤损的发展，同时加大了车轮横向滑动。目前已基本不采用人工涂油。3.2.2车载润滑涂覆在列车尾部安装车载式曲线钢轨润滑装置，是前些年应用最广的一种方式，北京、济南、上海、南昌、广州、太原、西安等铁路局均采用这种技术对小半径曲线钢轨进行涂覆润滑。3.2.3安装固定式轨侧润滑装置近年来，因疫情及运输“一日一图”调整影响，运行交路经常性调整造成车载涂覆无法按周期进行覆盖，综合考虑南昌局的线路设备状况，通过总重、气候条件、维修成本和日常养修等因素，选择在地面安装固定式轨侧润滑装置进行试验，研究润滑装置对小半径曲线的应用效果。4减磨试验4.1准备工作试验前对多种固定式轨侧润滑装置进行调研，由于南方多雨天气对太阳能供电的影响，选择了具有风光互补的设备。根据设备使用环境要求，选择鹰厦线k529+300 处安装设备进行试验，前后影响覆盖 12 条小半径曲线。4.2设备安装根据试验要求将固定式轨侧润滑装置安装在鹰图 1钢轨打磨原理外轨内轨打磨后外形外轨内轨BABARHRHRLRLCHCHCLCL2402023 年第 2 期图 2设备结构图 3涂覆板安装位置图 4涂覆板安装图 5涂覆板安装尺寸（单位：mm）图 6涂覆板安装后项目第一季度（安装前）第二季度（安装前）第三季度（安装后）第四季度（安装后）上股侧磨2.83.13.33.4下股垂磨4.14.34.54.7侧磨增加0.30.30.20.1表 1曲线 k528+830-k529+039 测量磨耗数据mm风能发电机传感器太阳能板箱体厦线 k529+300，设备安装位置符合铁路限界要求，在设备安装处进行地基加固，保证设备的稳固性。设备主要由箱体、风能发电机、太阳能板、涂覆板、传感器等组成，结构如图 2 所示。工作原理如下：太阳能板在太阳正常光照下发电（或者风能电机在风力带动下发电），经过控制器给太阳能电池充电，系统得电后处于工作状态，当有列车经过时，安装于轨道侧的传感器感应通过的列车，控制器响应并辨认感应信号，控制器计算列车经过一次；当列车经过次数达到系统设定值时，控制器启动，电动润滑泵工作，通过管路将减磨剂输送至涂覆板，将减磨剂涂覆在轨道内侧，当车轮经过时将减磨剂带至前方弯道处。注油组件安装在钢轨内侧，如图 3、图 4 所示，上部距离钢轨轨顶 35 mm，如图 5 所示。安装后如图 6所示。当轮对经过时，轮缘底部会挤压胶管，要求禁止碰到设备金属部分，轮缘最底部距离金属部分最小的距离为 7.57 mm，紧贴钢轨的不锈钢铁片顶部距离轮缘的垂直距离为 12.57 mm。钢轨垂直磨耗，谨慎地采用以下平均值：当标准轨条钢材强度为 700 N/mm2，线路通过运量达 30 Mt时，垂直磨耗大约 1 mm；当轨条钢材强度为 900N/mm2，线路通过运量达 50Mt时，垂直磨耗大约 1mm。因此，安装设备过程中需根据该条铁路线的运量计算钢轨垂直磨损理论数值，当磨损量超过 4 mm 的时候应及时调整安装高度，对设备进行维护。4.3减磨剂选择减磨剂是安装在铁路轨道曲线地段的轨侧润滑系统专用的一种润滑产品，轨侧润滑装置将喷涂到钢轨侧面的减磨剂传递到列车车轮的轮缘部位，进而通过车轮前行再传递到前方的钢轨侧面的作用边，从而将减磨剂涂覆在整条曲线钢轨上，达到减缓钢轨侧面磨耗的目的。减磨剂基材采用高分子聚合物作为载体，其分子量近万，分子团直径较大；减磨剂具有很高的运动黏度，因此流动性较低。基于以上原因，轨侧润滑剂附着在钢轨表面时，很难进入细小裂隙，不易产生油楔效应。因此，不会加速钢轨因疲劳产生的剥离掉块。5安装效果（以鹰厦线为例）5.1设备安装情况设备安装在 k529+300 直线地段，以前后两条小半径曲线 k528+830-k529+039、k529+145-k529+284作为分析对象。5.2设备安装磨耗对比情况5.2.1曲线 k528+830-k529+039 测量磨耗数据表 1 为曲线 k528+830-k529+039 安装前后的测量磨耗数据，通过对比分析可知，k528+830-k529+039曲线后侧磨情况有所改善，第二季度侧磨增加 0.3mm，侧磨速率 0.1 mm/月，第三、第四季度侧磨分别增加 0.2 mm、0.1 mm，侧磨速度降低为 0.05 mm/月，垂磨速率 0.2 mm/季，情况基本保持不变。5.2.2曲线 k529+145-k529+284 测量磨耗数据表 2 为曲线 k529+145-k529+284 安装前后的测量磨耗数据对比，