铁路轮轨润滑新技术的研究应用

用心专注，服务专业铁路、城市轨道交通专业学习资料[摘要]文章介绍了车载式曲线钢轨干式润滑涂覆技术中干式润滑剂和涂覆装置的研制及其应用后取得的突出效果。[关键词]干式润滑剂轨道脂轮轨润滑技术涂覆装置1.问题的提出随着内燃、电力机车的大量上道和铁路向提速、重载方向发展，我国铁路繁忙干线曲线钢轨侧磨呈大幅度上升趋势、轮轨磨损问题日显突出；济南铁路局“九五”期间共换曲线磨耗超限钢轨185km，占全部更换伤损钢轨总数的43.5%，繁忙干线小半径曲线碳素钢轨使用寿命最短才10个月、通过总重70Mt·km/km，是钢轨正常使用寿命的1/10，稀土轨在我局津浦线R=600m曲线上使用寿命也仅200Mt·km/km左右，曲线钢轨磨耗超限已成为最主要钢轨伤损形式。因此，应积极研究减少轮轨有害摩擦，延长曲线钢轨使用寿命。2.钢轨侧磨成因分析机车车辆在曲线上行使时，导向轮（Ⅰ、Ⅳ动轴外轮）往往存在两点接触，除踏面接触外，外轮缘与外轨的轨距线相互贴靠，导向轮就在这一点上冲击钢轨，钢轨也在该点产生对车轮的导向力；同时，轨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，轮轨之间导向力和冲击角是曲线钢轨侧磨的主要原因。当轮轨之间存在有导向力时，轮缘与钢轨轨头侧面接触点上的压强很大，当压强超过钢轨的屈服应力，接触点顶部就发生塑性变形，；若此时轮缘与钢轨轨头侧面之间不存在表面膜，两表面接触点将发生粘着；同时车轮滚动时，轮缘在钢轨轨头侧面产生滑动，使接触点的塑性部分和弹性部分的过渡区间就出现变形，形成了钢轨轨头侧面的磨耗。3.钢轨干式润滑剂的研究在轮缘与钢轨轨头侧面之间实施润滑，可以减缓曲线钢轨侧面磨耗，减磨效果取决于附着在钢轨侧面上润滑膜的附着能力、长效性和摩擦系数的大小。通常采用的油脂涂覆钢轨，不仅长效性差、减磨效果不明显、还易产生油楔作用而加速钢轨剥离掉块和道床污染，限制了轮轨润滑技术的推广应用。为此，济南局于1995年开展了“GGR-1型钢轨干式润滑剂及人工涂覆装置”的研究。3.1干式润滑剂材料组成及减磨机理干式润滑剂是一种以界面润滑原理取代油脂流体润滑原理的新型高分子复合润滑材料，主要由主成膜物质（合成树脂、聚合油）、次成膜物质（固体润滑材料）、极压抗磨剂、稀土化合物及高聚物等添加剂组成，它具有很高的抗极压性，且摩擦系数很小，能在摩擦界面间形成干式润滑膜，可以防止金属表面微观凸起穿透润滑膜，隔开摩擦副表面，从而起到减磨用心专注，服务专业铁路、城市轨道交通专业学习资料作用。3.2干式润滑剂室内摩擦性能试验和线上应用对比在“山东工业大学材料分析测试中心”利用MM200摩擦磨损试验机对干式润滑剂与轨道脂进行了摩擦磨损性能对比试验，试验结果如下：1、减磨性能对比：同样在980N负载下，通过35min滑动摩擦试验，采用轨道脂试块磨损率为7.99×10-3mm2/转，而采用干式润滑剂试块磨损率为1.71×10-3mm2/转；干式润滑剂耐磨损性比轨道脂提高79%。2、极限负载对比：干式润滑剂在1960N负载下仍未粘着，试块磨痕仅19mm2，而轨道脂在1568N负载下，由于摩擦系数急剧上升，而停止试验，试块磨痕已达43.5mm2。3、摩擦试块磨痕对比：利用TALYSDRF—F4型粗糙度检测仪，对摩擦试块磨痕的粗糙度进行了测量，结果如表1，在相同负载下（980N），轨道脂试块磨痕深度是干式润滑剂的2.4倍。干式润滑剂与轨道脂摩擦试块磨痕对比润滑剂负载/N最大磨痕深度/μm干式润滑剂98010196015轨道脂980和线上应用对比24156841.64摩擦系数对比：在不同的负载下，摩擦系数的平均值：干摩擦为0.43(0~980N)，轨道脂为0.12(0~980N)，干式润滑剂为0.065(0~980N)；干式润滑剂比轨道脂摩擦系数下降46%。在济南局津浦线德州——济南间用干式润滑剂进行了小半径曲线润滑试验，每天在曲线钢轨内侧面涂覆一次干式润滑剂，经24小时过车78列，钢轨内侧面上仍有明显的黑色润滑膜；而涂覆油脂，仅过3列车油脂就已磨掉。通过室内和线上试验得出，干式润滑剂与轨道脂相比，具有抗极压性高、附着力强、长效性突出、摩擦系数小、减磨性好、不加速钢轨剥离掉块、不污染道床的综合技术优势，是轮轨润滑材料的发展方向；干式润滑剂荣获“96国家级新产品”称号。干式润滑剂主要技术指标密度：1.45g/cm3；摩擦系数：0.065，MM200摩擦磨损试验机检测；极限负载：≥1960N，MM200摩擦磨损试验机检测；工作环境温度：—40℃~+50℃。4车载式曲线钢轨干式润滑涂覆装置的研制4.1涂覆装置的研制在部科技司的支持下，“车载式曲线钢轨干式润滑涂覆装置”被列为铁道部科技开发计划，于1997年开展了课题的研究。课题组提出“固-液-固”涂覆工作原理，即：将干式润滑剂加热熔化为液态，然后通过油泵加压经保温管道输送至喷嘴，喷到曲线钢轨内侧面上,凝固后经车轮碾压形成固态润滑膜，实现减磨。4.2涂覆装置主要技术指标适应车辆运行速度≤140km/h；涂覆量420±20%ml/km（涂覆量根据车速自动控制，特殊区段可加大喷涂量）；干式润滑罐容量≥18000ml，一次加料后涂覆长度35km（中途补充干式润滑剂，涂覆长度不受限制）；涂覆装置重量：主机≤50kg，附件≤10kg；设备安装时间≤8min，拆卸时间≤5min（三人作业）；干式润滑剂熔液工作温度130士10℃；设备总功率≤1.5kw；工作环境温度：—10℃~+50℃。该项目于2001年通过铁道部组织的科技成果鉴定，被认为在轮轨减磨领域实现重大突破，并获得了2002年山东省科技进步二等奖及“国家重点新产品”称号。用心专注，服务专业铁路、城市轨道交通专业学习资料5.车载式曲线钢轨干式润滑涂覆技术的推广应用为减缓我局主要干线曲线钢轨磨耗，济南局2001年投资200万元、2002年投资515万元用于推广车载式曲线钢轨干式润滑涂覆技术，对济南局津浦线德州—徐州、胶济全线R≤1000m的曲线进行全面涂覆，根据我局管内津浦线3个工务段9个曲线涂覆观测：未用干式润滑技术涂覆平均侧磨速率为：13.03×10-2mm/Mt,采用车载式曲线钢轨干式润滑技术涂覆平均侧磨速率为：1.21×10-2mm/Mt、采用干式润滑技术涂覆比未涂覆曲线钢轨侧磨速率平均减缓9.8倍。津浦下行K423+772—k424+719（R=600m）曲线碳素钢轨在未涂覆时使用寿命仅为10个月、月均侧磨1.45mm，该曲线每年仅投入换轨费用就达34万元，而采用车载式曲线钢轨干式润滑技术涂覆后，该条曲线月均侧磨则降为0.1mm，曲线钢轨使用寿命有望与钢轨大修周期保持同步，每年仅需投入涂覆干式润滑剂费用约为1.6万元，经济效益非常显著。6.结论干式润滑剂及配套车载式涂覆装置的研制成功，使轮、轨减磨技术取得突破性进展，给轮轨润滑技术的发展带来了很大变化：①轮轨减磨的研究将由改善轮轨材质为主、轮轨润滑为辅向以轮轨润滑为主、同时采用耐磨材质的方向发展；②轮轨润滑材料将由液态润滑脂向固态润滑剂转变；③轮轨润滑装置将向由车载式涂覆装置取代人工及地面涂油器；④新的轮轨润滑技术将有可能使曲线钢轨使用寿命与钢轨大修周期保持同步；⑤轮轨润滑应用范围将由曲线润滑逐步向道岔、机车轮缘乃至更广的范围方向扩展。