車輛輪對(duì)及其磨耗
輪對(duì)是地鐵車輛走行部中重要的部件之一，由于其承受較大的靜載荷和動(dòng)載荷，要求各組成部件要有足夠的強(qiáng)度和安全系數(shù)。隨著輪軌技術(shù)的迅速發(fā)展，加上輪軌硬度的合理匹配，整體輾鋼輪已在地鐵車輛中普遍使用。整體輾鋼輪取消了傳統(tǒng)可鑲裝的輪箍，即輪箍與輪心一體，具有高強(qiáng)度、高硬度和良好的耐磨和耐熱性能，但由于沒有輪箍，輪徑到限，必須整體更換輪心。車輛通過(guò)曲線是靠輪對(duì)進(jìn)行導(dǎo)向的，曲線越多半徑越小，輪對(duì)的輪緣與鋼軌接觸越多，輪緣磨損就越嚴(yán)重。地鐵線路的設(shè)計(jì)受到城市地形、地質(zhì)、地下管線，建筑分布以及施工條件、交通便利等因素的制約，因此存在不少小半徑曲線。
地鐵車輛使用的整體輾鋼輪規(guī)定，新輪輪徑為840mm，到限為770mm。另外，交流傳動(dòng)的動(dòng)力車對(duì)各車輪的輪徑差規(guī)定嚴(yán)格，同軸的兩輪直徑之差不超過(guò)1mm，同一動(dòng)車轉(zhuǎn)向架各輪徑差不超過(guò)2mm，同一節(jié)車各輪徑差不超過(guò)4mm，輪緣厚度為32~26mm，其踏面質(zhì)量對(duì)運(yùn)行的平穩(wěn)性、安全性關(guān)系重大。如1對(duì)輪對(duì)的踏面刺離或輪緣到限，就要采用不落輪鏇車床加工1節(jié)車的輪子，每次單邊切削量達(dá)25mm。根據(jù)此切削量來(lái)推算，新輪Z多鏇輪加工3次就到限，一旦到限必須分解轉(zhuǎn)向架，輪對(duì)送廠更換輪餅�；ㄙM(fèi)了大量人力和費(fèi)用不用說(shuō)，對(duì)于1個(gè)車輛段來(lái)說(shuō)，車輛檢修停時(shí)保證是正常運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵，而超大修程必然造成檢修停時(shí)延長(zhǎng)，車輛利用率降低，車輛使用緊張，同時(shí)也造成輪對(duì)的備品周轉(zhuǎn)困難，1輛6節(jié)編組地鐵車輛有24對(duì)輪子，更換時(shí)需較多的輪對(duì)備品。一旦備品供應(yīng)不上，車輛就處于待修狀態(tài)，無(wú)法正常上線，而且還造成車庫(kù)股道使用緊張。檢修停時(shí)與備品周轉(zhuǎn)對(duì)于車輛段來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，檢修是有時(shí)效性的，故障車必須按計(jì)劃搶修出庫(kù)，只有這樣才能使安全、質(zhì)量、場(chǎng)地、運(yùn)用得到有序可控。
現(xiàn)在鐵路機(jī)務(wù)段DF4D、DF11、DF11G機(jī)車檢修時(shí)常碰到因輪徑到限造成整體輾鋼輪備品跟不上，甚至連廠家都來(lái)不及供應(yīng)。一些地鐵運(yùn)營(yíng)公司，在曲線半徑小的線路上已經(jīng)碰到輪緣加工的問題。同時(shí)軌道和輪子是1對(duì)摩擦副，減少輪緣的磨損還要考慮鋼軌的磨耗，如果鋼軌磨損到限而更換，在經(jīng)濟(jì)上也是一次很大的投入。為了解決輪緣和鋼軌的磨耗問題，確保輪對(duì)1個(gè)廠修期(12年左右)的使用壽命，在地鐵車輛加裝輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)，減少輪緣磨耗是必要的。
輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)的工作原理
輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)分單線、雙線兩種。圖1所示油氣混合后直接進(jìn)入噴嘴，稱它為單線。圖2所示，每個(gè)噴頭都要接單獨(dú)的油管和氣管，每個(gè)噴嘴前都需要1個(gè)連接塊，這里稱它為雙線。
雙線潤(rùn)滑系統(tǒng)由控制器、電控閥、油脂罐、噴嘴組成，經(jīng)電控閥的壓縮空氣分兩路輸出，一路經(jīng)脂罐、噴頭進(jìn)脂口將定量油脂壓人噴頭；另一路壓縮空氣進(jìn)入噴頭進(jìn)氣口，將噴頭內(nèi)的油脂霧化從噴嘴噴出。該型潤(rùn)滑系統(tǒng)在鐵路機(jī)車上廣泛使用，如華寶型(HB) 裝置，該系統(tǒng)是利用機(jī)車風(fēng)源將儲(chǔ)脂罐內(nèi)的JH型專用石墨潤(rùn)滑脂經(jīng)噴頭間斷地噴射到輪緣根部，以達(dá)到減少車輛輪緣與鋼軌之間有害磨損。電控器是實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)自動(dòng)控制的關(guān)鍵部件，HB-2型可在電控器上設(shè)定2次噴油之間走行的距離，每次噴油時(shí)間為2s。2000年，鐵科院金化所設(shè)計(jì)開發(fā)了一種能夠控制輪軌潤(rùn)滑系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定時(shí)噴脂控制裝置(新的HB-3型輪軌潤(rùn)滑裝置)。該電控器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的定時(shí)噴脂模式，利用機(jī)車車載地面數(shù)據(jù)提供的線路斷面信息，開發(fā)了相應(yīng)軟件，能夠與彎道傳感器配套使用，更能夠?qū)崿F(xiàn)多種潤(rùn)滑形式，具備彎道智能化加量潤(rùn)滑功能。它可以正確識(shí)別線路斷面(直線、左、右彎道)，對(duì)直線和曲線采用不同的噴脂控制模式，通過(guò)上述措施，可以使機(jī)車車輛通過(guò)曲線時(shí)保持更加合理的潤(rùn)滑狀態(tài)，進(jìn)一步減少輪緣磨耗，也可減少曲線地段鋼軌磨耗。另外，在HB-2型基礎(chǔ)上加裝了分水過(guò)濾器，降低了噴頭及電空閥的故障率；設(shè)計(jì)了新型油脂罐，提高了安裝可靠性。
圖1所示單線輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)由氣動(dòng)泵、空氣電磁閥、油氣分配器、噴嘴和控制裝置組成。氣動(dòng)柱塞泵通過(guò)車輛的壓縮空氣將潤(rùn)滑劑打人油氣混合塊，潤(rùn)滑劑和壓縮空氣在油氣混合塊中混合，借助壓縮空氣的作用，經(jīng)分配器分配供送到噴嘴，直接噴射到輪緣上(圖3)。
隨著車輛行駛速度的提高，輪緣周邊產(chǎn)生的離心力使?jié)櫥ぴ龊�，�?rùn)滑劑在離心力作用下極易甩出。試驗(yàn)表明當(dāng)顆粒直徑大于0.4mm，離心力會(huì)使?jié)櫥瑒╋w濺。如果潤(rùn)滑系統(tǒng)噴射速度高，顆粒直徑小，那么潤(rùn)滑劑并不會(huì)飛濺開來(lái)。避免潤(rùn)滑劑的飛濺，不僅使?jié)櫥瑒┑南男�，同時(shí)又避免了潤(rùn)滑劑對(duì)車輛和沿線的污染。在德國(guó)聯(lián)邦鐵路局的試驗(yàn)表明，噴射出來(lái)的潤(rùn)滑劑的顆粒直徑小于0.4 mm車輛行駛速度達(dá)到300km/h時(shí)，連續(xù)噴射40次也沒有發(fā)現(xiàn)鋼軌上有多余的潤(rùn)滑劑。另外車輪和鋼軌之間的表面壓力極高，潤(rùn)滑劑的耐壓性能必須要好，在潤(rùn)滑劑中必須含有較高比例的固體極壓添加?，如精細(xì)的石墨等。在單線潤(rùn)滑系統(tǒng)中，泵和噴嘴之間的中間管道大約含有10%的潤(rùn)滑劑和90%的壓縮空氣，這樣的比例使壓縮空氣在噴射過(guò)程中能夠?qū)?rùn)滑劑形成精細(xì)油膜層。在壓縮空氣的作用下，添加高比例耐壓固體顆粒的潤(rùn)滑劑，以150~ 200m/s的高速度噴到輪緣上，用以保證車輛在高速行駛的狀態(tài)下，噴射出的潤(rùn)滑劑能突破車輪周圍的空氣流和行車風(fēng)而精細(xì)地覆蓋在車輛輪緣上。噴到輪緣上的油膜層的厚度達(dá)到0.001mm，寬度為10~ 15mm，10~ 30mm3的潤(rùn)滑劑量在數(shù)秒鐘內(nèi)以Z精細(xì)的顆粒噴在輪緣上。如氣動(dòng)泵采用定量泵，噴射時(shí)間越長(zhǎng)，穎粒越精細(xì)，但壓縮空氣容量有限，因此噴射不是連續(xù)的，而是每隔一段時(shí)間噴射1次，每次持續(xù)6~ 10s的時(shí)間。潤(rùn)滑劑的噴射間隔可以取決于時(shí)間，也可取決于行駛距離；車輛處于彎道時(shí)可以采用彎道傳感器或車載地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)來(lái)提供彎道的位置，此時(shí)適當(dāng)加大曲線外側(cè)輪緣的噴射劑量。當(dāng)車輛時(shí)速低于某值時(shí)停止工作，確保車輛在靠站或停車時(shí)潤(rùn)滑系統(tǒng)不工作。
隨著自動(dòng)化程度提高，潤(rùn)滑系統(tǒng)的控制器已經(jīng)以微處理器為基礎(chǔ)，以距離、速度、曲線或任何的組合為基礎(chǔ)將潤(rùn)滑周期Z佳化。通過(guò)程序編人可以在噴砂、剎車和低速操作期間避免潤(rùn)滑。當(dāng)機(jī)車在彎道中，曲線感應(yīng)器能感應(yīng)到，并增加對(duì)彎道外側(cè)的車輪的潤(rùn)滑。
我國(guó)鐵路系統(tǒng)研制出一種輪軌固體潤(rùn)滑裝置，該裝置由輪軌固體潤(rùn)滑棒和潤(rùn)滑棒承載固定機(jī)構(gòu)組成，具有運(yùn)用成本低、減少機(jī)車輪緣磨耗、可提高機(jī)車動(dòng)輪踏面的貼合穩(wěn)定性、安裝使用維修保養(yǎng)方便、污染小等特點(diǎn)，能滿足鐵路機(jī)車運(yùn)用的要求。濟(jì)南西機(jī)務(wù)段在NDS機(jī)車上使用重力式輪緣干式潤(rùn)滑裝置，經(jīng)過(guò)6年的運(yùn)用情況表明，重力式輪緣固體(干式)潤(rùn)滑裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠、無(wú)維修、易管理、成本低，干式潤(rùn)滑劑具有附著力強(qiáng)、易成膜、抗極壓、長(zhǎng)效性好，減磨效果非常突出，輪緣磨耗率由0.37mm/萬(wàn)km下降到0.18mm/萬(wàn)km。
采用輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)的效果
輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)小巧簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)收益大。
(1)輪緣磨損大大減少，極大延長(zhǎng)了車輪和軌道的使用壽命。德國(guó)聯(lián)邦鐵路局技術(shù)中心經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中，在1條彎道較多的線路上，以往機(jī)車車輪在下一次修磨周期到來(lái)之前能夠行駛的距離僅有1萬(wàn)-2萬(wàn)km，而在安裝使用了輪緣潤(rùn)滑設(shè)備后，同樣的線路條件下，這個(gè)距離可以增加到10萬(wàn)~20萬(wàn)km。目前，在使用了性能優(yōu)良的輪緣潤(rùn)滑設(shè)備后，在下一次修磨周期到來(lái)之前，機(jī)車行駛的距離已經(jīng)達(dá)到40萬(wàn)km甚至更多。
(2) 降低了噪聲，特別在彎道和道岔上。車輛行駛時(shí)的噪聲以往能達(dá)到100dB,在彎道和隧道中行駛時(shí)甚至更高;而地鐵在城市或居民區(qū)中穿行，噪聲直接影響乘客的舒適度，并打擾沿線居民。采用性能優(yōu)良的輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)，在減輕車輪及軌道之間磨損的同時(shí)還降低了噪聲。在匈牙利布達(dá)佩斯的測(cè)量結(jié)果表明，采用性能優(yōu)良的輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)后，噪聲值降低了30dB，減弱了原來(lái)車輛運(yùn)行時(shí)吱吱刺耳的噪聲，也避免了轉(zhuǎn)彎時(shí)在車輪和軌道之間蹭出火花。
(3)減少運(yùn)行阻力，降低了列車脫軌概率。輪緣、鋼軌角摩擦力過(guò)大易導(dǎo)致列車車輪出現(xiàn)攀爬出軌。采用輪緣潤(rùn)滑后鋼軌角粗糙度降低，摩擦阻力減少。
(4)現(xiàn)在輪緣潤(rùn)滑系統(tǒng)使用的潤(rùn)滑劑一般是生物可降解的合成油，是流動(dòng)性的脂類，另外在合成油中填加高比例固體顆粒成份，如石墨二硫化鑰鋁粉等，可顯著改善輪緣的抗磨損性能，不會(huì)增加環(huán)境污染。
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