铁路机车轮缘的干式润滑原理及应用

一、前言
随着我国经济的飞速发展,铁路运输在国民经济中扮演着越来越重要的角色,人们要求火车具有更快的行驶速度与更强的载重能力。但随着火车的不断提速,其轮缘的磨损程度也不断增加,这导致了轮缘与铁轨的维修费用不断攀升,大大降低了火车的经济效益。因此,对机车轮缘采用润滑性能更好的干式润滑方式,具有十分重要的意义。
二、机车轮缘的干式润滑
机车轮缘的干式润滑是将原有的润滑油更换为固态的润滑棒。再使用相应的顶紧装置,使其顶在机车轮缘内侧,靠轮缘与润滑棒的摩擦使润滑棒润滑材料均匀分布于轮缘内侧,从而润滑轮缘与铁轨内侧的接触面,达到减少磨损的效果。目前,主要是通过卷弹簧来作为干式润滑的顶紧装置,将润滑棒放入固定装置内,并使其方向正对轮缘内侧,卷弹簧通过钢丝对润滑棒底部产生拉力,使其另一端顶紧在机车轮缘内侧,从而达到润滑效果。这种润滑方式的好坏主要依赖于卷弹簧的疲劳强度、使用寿命和产生拉力的钢丝的使用寿命、磨损情况。
三、干式润滑的原理
传统的湿式润滑主要通过结构复杂、维修繁琐的润滑剂喷射装置来获得交换的减磨效果,但在高达4000MPa的应力下其轮缘处的油膜早已发生破损,从而无法实现润滑的目的。除此之外,润滑剂喷射装置极有可能将润滑剂喷射至轨面上,从而对火车的牵引力产生不良影响,存在着造成行车事故的风险。而干式润滑与湿式润滑的主要不同为润滑体的变化。固体润滑剂主要采用以石墨为基础加入其他一些矿物质的混合物为基础的润滑棒。固体润滑剂借助弹簧机具等装置与轮缘摩擦表面滑动接触,并保持一定压力。当机车轮对转动时,固体润滑剂就源源不断地涂抹在火车机车轮缘表面,储存在微观不平的凹处,在剪切力的作用下容易形成一层均匀的、黏附力强的、负荷承载能力高的以聚合物为主题的多元复合固体润滑膜。此膜首先在摩擦表面微观突体顶部生成,并逐渐延伸形成连续性好的固体润滑膜。该膜随轮对转动而不断地向铁轨顶部内侧面转移,在其表面形成转移固体润滑膜。固体润滑膜把火车机车轮缘与铁轨摩擦界面隔开,实现轮轨全线润滑。由于重载机械作用,局部固体润滑膜被破坏,同时源源不断地得到补充,达到动态平衡。固体润滑膜是轮轨之间的摩擦保持在较低的水平,达到了降低轮轨磨损率,改善轮轨关系,延长其使用寿命,提高运输经济效益的目的。但实际经验告诉我们,现有的将热塑性材料作为基材的石墨润滑棒,往往只能在车速较低,且载重不大时实现有限的减轻轮缘磨损的效果。但在车速较高,载重较大时,因石墨的承载力有限、且在高温时润滑效果不佳,因此,其无法实现所期望的减磨效果。除此之外,石墨的电绝缘性不良,且易出现热变拉丝的现象。为了解决上述石墨润滑棒的种种问题,采用新型机车轮缘干式润滑技术是十分必要的。MORUN是一种同时具有了减摩与修复双重功能的新型干式润滑技术。其是一项表面原位改性强化技术,与传统的润滑技术存在根本区别。其主要的工作原理是,将天然矿物材料融入金属摩擦副中,通过现有的微观环境,待材料和金属表面之间发生充分的化学作用后,使其表面形成硬度较高、摩擦系数较低、抗腐蚀性强、对高温的抵抗性能好的新型表面层。
四、干式润滑的优点
轮缘润滑装置中,干式润滑装置是一种机械润滑装置。该装置结构简单,操作和维护方便,对机车不产生任何污染,工作人员在对机车进行检查的过程中可迅速完成对该装置的具体使用情况的检查。目前使用较多的润滑装置为轮喷油脂润滑装置,该装置结构复杂,在具体使用过程中易出现较多的问题,其检修需由电器、控制、机械等方面的人员进行共同的检查处理。当喷嘴位置不正时给油位置得不到保证,一旦油喷到踏面上,即有很大可能造成机车的空转,从而影响机车各部分的使用寿命。干式润滑装置极大的克服了其存在的易生锈锁死,降低润滑效果;结构复杂、强度低,易出现破损与卷边;成本高昂、可靠性低;减磨效果差等种种缺点,是一种效果较好的减缓轮缘磨损的润滑装置。
五、干式润滑在实际机车中的应用实例
目前,干式润滑装置与技术已在我国机车中得到了广泛的应用。
我段之前在 DF4型内燃机车上安装的润滑装置大多为轮缘喷油装置, 为了可准确检测出干式润滑装置的润滑与减磨效果,自2000年 3月起,开始安装干式润滑装置来代替轮缘喷油装置,截止至当年8月,我段的DF4型机车已全部完成干式润滑装置的安装。为了检测其减磨效果,我们在DF4型机车中,分别将其安装在机车的1、2、5、6 位的轮对支架上,并进行了为时五个月的实验。在实验开始后的3个月里,各部分无任何不良状况出现,运转正常,且干式润滑装置中的润滑块均得到了及时的添加。但在实验进行的后两个阶段,我们发现其左2位的车轮与右5的车轮上相应装置的内盒拉簧发生断裂,在对其进行及时替换与维修后,其润滑效果得到极大的恢复,并显示出其干式润滑装置状态良好,工作正常。
与此同时,我们还进行了两种润滑效果的对比试验,得出如下实验结果。实验中,其进行干式润滑机车的最大磨耗速度是1.08mm/10万km, 而进行油脂润滑机车的最大磨耗速度是 4.28mm/10万km ,其速度的差值达到了3.2mm/10万km, 这表明进行油脂润滑机车的磨耗速度为进行油脂润滑机车的 3.96 倍, 这也反映出干式润滑具有更好的润滑减磨效果。在未对机车进行干式润滑前 ,其轮缘磨损十分严重, 机车在第二次或第三次检修时因其厚度已达极限,无法继续使用,而需要更换轮对,但在对其进行干式润滑后,大大延长了更换轮对的年限。
表1:采用不同润滑方式的DF4型2371号机车1个中修期内轮缘磨耗情况的比较
除此之外,我们还进行了为期4年的运行监测。在综合统计了每一台采用干式润滑装置的机车的轮缘磨损数据后,并将其与原有的磨损数据进行对比,对比结果显示对轮缘的磨耗有明显的改善。通过对我段自 1997年至2004年时间段内,因轮缘磨损而引起的非正常换轮的数据统计, 可以看到,因对其进行了干式润滑, 非正常换轮的数量不断减少。
表2:某机务段117台机车1个中修期内轮缘平均磨耗率mm/(10万千米)
事实表明,采用干式润滑装置,还可带来较好的经济效益,节约大量的维修费用。通过对该段在完全使用喷油装置与完全使用干式润滑装置进行每一百公里的材料等各种费用的统计,将其与每年减少4-6 对换轮相结合, 同时考虑到各种综合因素,并将所替换的轮对按其30%的价值进行计算,则可节省大量的费用。
表3:采用干式润滑方式1 台机车产生的经济效益 元/车
六、干式润滑存在的问题
目前使用的干式润滑装置主要是采用蜗卷弹簧提供顶紧力的推动装置,因机车在运行过程中经常会有不同的震动产生,这样对弹簧装置有一定的冲击,而现有的弹簧推动装置缺少一定的缓冲作用,震动使得卷弹簧产生大量的震动伸缩,大大影响到润滑的稳定性以及卷弹簧的寿命,使得维修和更换的投入加大,增加了消耗。与此同时,传递作用的钢丝往复次数骤增,使得其磨损加大,经常出现断裂现象,难以保证机车轮缘的有效润滑。
七、结语
通过上述分析可以看出,在机车中采用干式润滑装置,不仅可有效降低机车轮缘的磨损程度,延长更换机车轮对的使用年限,更可提高列车的行驶速度与载重能力,在整体上降低机车的维修成本,大大提升其经济效益。但我们仍应重视现有干式润滑技术中存在的问题,只有切实解决相关问题,才能有效推进干式润滑技术在我国机车轮缘润滑中的广泛应用。









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