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轮轨摩擦控制技术的实践与思考

发布时间:2016-08-12 09:11:02 编辑:gaoweinew
本文摘要:城市轨道交通运行密度比较高,频繁启动、制动的频率也比较高,在城市下面曲线半径又比较小,所以磨损比铁路更严重


  各位专家、各位领导、各位来宾,大家下午好。我本人来自于武汉理工大学,跟浙江宝晟铁路科技有限公司是产学研的结合来开发轮轨的润滑材料。非常感谢大会给我这个机会,占用大家20分钟时间把我们在轮轨摩擦控制技术方面的实践和思考给大家进行交流。我想汇报五个方面:

  一、轮轨界面摩擦控制的意义

  伴随着铁路与城市轨道交通建设的发展,随之而来列车的运行速度及运量也不断提高,轮轨磨损也急剧上升。铁路与轮轨交通实际上也有相同的,都是轮轨的相互关系,也有不同,城市轨道交通运行密度比较高,频繁启动、制动的频率也比较高,在城市下面曲线半径又比较小,所以磨损比铁路更严重,也会产生一些噪音。还有一些特殊的情况,因为是个封闭系统,所以会产生一些火灾等安全隐患及污染问题,这些都会增加轮轨的维护、保养工作量,也会增加铁路部门的运行成本,甚至会造成一些列车运行的安全风险。现在已经引起了中国在内的全世界各国铁路部门的重视,为此很多国内外专家都开展了轮轨关系的理论研究,并且不断开发轮轨界面摩擦控制的新技术。

  二、轮轨界面摩擦控制技术的概念、目标及机理

  这里讲到摩擦控制实际上是一个比较新的概念。以前我们都知道润滑,现在有一些场合可能不能简单地润滑,而要把摩擦系数控制在一定范围。所以新出来一个摩擦控制的概念,即在轮轨界面要引入第三种介质,这是人为引入,用一些材料使得摩擦系数控制在一定范围。如在轨缘和轨侧需要润滑,而润滑需要摩擦系数尽量低,一般来说是小于0.2,这种材料叫做润滑剂。另外一个是在车轮踏面跟钢轨轨顶面需要摩擦系数控制在一定范围,大概在0.3-0.4,这样一种材料叫做摩擦调节剂。这两种合在一起就是摩擦控制剂。

  对于摩擦控制主要会达到减少轮轨磨损、降低列车燃料与能量消耗,也可以降低噪声或一些横向冲击力等等这样一些好处。摩擦控制的机理是什么?我们所采取的摩擦控制剂在轮轨界面会形成一层润滑膜,因为材料摩擦系数比较低,而且有层状的结构,所以可以减少它运行的阻力,且能把金属与金属隔开,形成一个界面,这样会大幅度地降低金属之间的摩擦磨损。

  摩擦控制剂既有润滑剂,又有摩擦调节剂,它可以是固体,也可以是液体,如液体油、油脂或水性的胶体都可以作为摩擦控制剂。把这些固体和液体涂覆在轮轨表面需要装置,我们称作为涂覆装置。如果放在车上,随着列车的运行进行涂覆,我们叫做车载式;如果放在小曲线半径的入口处、弯道的地方,我们在道旁放置的装置进行涂覆,叫做地面道旁式涂覆装置。

  通过查阅国内外资料和我们的实践经验,最后在这一章节总结到:

  1.摩擦控制剂必须在轮轨表面形成物理、化学吸附膜,最好能够形成化学反应膜。这样一层膜需要比较低的剪切强度且跟金属表面有很好的附着力才能起到摩擦控制的作用。

  2.摩擦控制剂的好坏跟它选用的成分、原料、配方、性能很有关系。不同产品的使用效果不一样,可以相差3-6倍。一般用户可能经常认为这个棒子消耗得太快了,而不注意它在轮轨表面附着得怎么样、摩擦系数怎么样。因为消耗的快慢马上能看到,而对轮轨的保护作用是一个长期过程。

  3.摩擦控制剂的效果好坏与涂覆装置结构、功能、放置位置等等都有关系,也是很关键的一个因素。

  三、轮轨界面摩擦控制技术的方法或产品

  国外自20世纪40年代就开始在铁路曲线上采用油脂对轮缘和轨侧进行润滑了。当时润滑不能用在轨顶面、滑动面,因为怕影响粘着系数、影响制动。但是随着研究的深入,到了20世纪末,国外一些公司就发现在车轮踏面和钢轨轨顶面实施摩擦控制,把摩擦系数控制在一定范围,既可以减少横向冲击力,又可以减少钢轨的摩擦磨损,又可以保证粘着系数与安全运行。

  具体来说有这些方式,后面给大家详细介绍,这里就不念了。

  (PPT)这是在轨道侧面和轮缘侧面用油脂喷涂的办法,它的装置有油罐、泵、阀、喷的系统、管道等等。右边的图是武汉地铁,因为当时要去应用,所以照了照片。这是一个加了石墨的油脂喷涂了轮缘侧面,油随着轮子的运动慢慢会移动到踏面,这时候就会出现刹车失灵等等其它安全问题。也有轮子和轨道运行一段时间会产生一些微裂纹,由于油脂粘度比较小,就会渗入到裂缝里面,随着高速和重载运行,油就会像楔子一样进入到裂缝里面产生油楔,这样裂缝就很快扩散形成玻璃掉块。这是油的另外一个不好的问题。

  刚刚很多专家讲到安全的问题,因为油容易着火,在封闭系统里面就会出现安全隐患。油长期用了之后会污染地面环境,尽管现在有国外公司宣传有可降解的润滑脂,它可以降解,但不是百分之百降解,目前比较好的润滑脂的降解性大概只能70%以下,而且要在特殊条件。比如实验室里面专门培养一种菌能够把它降解掉,而且要阳光、温度,但是在实际应用的过程中可能很多条件不够,所以有待于进一步观察与实现。

  (PPT)这几个图表示的是目前发展的趋势,用固体的方法取代油脂,对轮缘和踏面进行润滑和摩擦控制。左边这张图是一个简单装置里面有一个恒力弹簧,把润滑块放在装置里面压靠向轮轨,随着轮子运动,润滑棒慢慢就有润滑膜出来,再把润滑膜转移到轨侧,形成相互之间的润滑。轨顶的摩擦控制也是用固体润滑的方式,装置类型相近。

  (PPT)这个图指在地面道旁弯道入口处放的一个地面油脂喷涂系统,结构比较复杂,有油罐、电机、泵、阀及太阳能集能系统、储能系统、列车设备原件、喷涂系统等等一系列系统,俗称道旁式。当列车快到弯道时有一个信号使得装置产生油脂,从涂覆板里面挤出来,随着轮子的运动把油脂带到弯道处,带的距离不会太长。因车来了以后不断对涂覆板进行撞击,可能也不太准确,管道是橡胶的,在日晒雨淋下会产生老化,时间长了经常要维修,还有罐经常要去换,所以也产生一些问题。

  (PPT)这是国外一个水基胶体轨顶面的摩擦控制剂,因为它是水性、环保的,列车过来时经过摩擦生热,水会瞬间蒸发,在轨顶面会形成一层固定的膜,这样把摩擦系数控制在一定的范围里面。左边的系统跟油脂的系统是一样的道理。

  通过国内外实践得出了以下数据:

  1.在地铁等封闭轨道系统里面,国内外的实践证明,最好的摩擦控制方式是用车载固体润滑。因为在封闭系统里面车辆是固定的,外面的车辆不能进来,在上面涂覆固体润滑膜之后,在轮缘和轨道之间不断相互转移,而且膜在轮轨表面附着得很好。这样时间久了之后,固体润滑产品的消耗就比较少,不断在里面互相循环。

  2.道旁式系统可以在弯道前面增加它的润滑效果,但是单独使用效果不全面,所以道旁式系统必须要用车载式系统进行支持,这样效果才最好。

  3.轨侧润滑保护与轨顶摩擦控制一起实施才是最好的摩擦控制策略。我们国家来说主要是前者轨侧的润滑,轨顶面的摩擦控制现在还没有推广,只是在试验阶段,国外一些产品进行试用,我们自己有个别的研究单位还在研究。

  4.固体润滑与油脂润滑的单独产品都有优缺点,如果把它综合起来,这样一种复合材料可以综合两者的优点,这是轮轨减摩发展的方向。

  四、国内外轮轨界面摩擦控制技术的实践

  刚刚提到20世纪40年代以来,国外在轮缘和轨侧都开始了润滑,刚刚开始都是在弯道应用。1983年美国铁路协会第一次在环形线上进行实验,发现涂油与不涂油有区别,涂油明显可以降低轮轨的磨耗,可以节省能源和燃耗。像美国的公司在1988年进行了"地面+车载"一体式的试验,把两者结合起来发现燃料消耗节约得比较多。在小半径曲线上面也可以减少运行阻力,也可以减少钢轨的横向冲击力。我们国家也进行了一些研究,也得到了一些类似的结论。

  通过应用研究发现,固体润滑逐渐取代油脂润滑。因为它不会产生油楔,不会因涂覆不准确而达到轨面,且膜比较厚,所以抗极压性能比较好。装置比较简单、涂覆准确、成本很低、应用很方便,也不会经常换零件,零件很简单,就是一个弹簧,也不需要能源。踏面控制剂从20世纪末国外开始尝试了,在北美、巴西、亚洲部分地区开始采用摩擦控制的实验。摩擦控制的概念首先是由加拿大Kelsan公司提出来这样一个方案且进行系列研究。同时,德国有公司也在研究和开发踏面控制的产品,他们得到了一些数据性的结论。比如可以降低噪音、减少钢轨磨耗、减少列车脱轨系数、减少列车运行阻力等等,这些都有具体数据。

  我们国家郑州曾经采用了Kelsan公司的产品踏面控制剂进行了实验。当时由于各种各样的原因没有得到数据性的结果,但是有两点发现:一是雨雪天气不需要再撒砂增加摩擦力;二是机车启动电流会明显降低。2009年时,我们国家有重载铁路也用Kelsan的产品,因为Kelsan产品价格较贵且存在其它问题,后面有图表给大家看一下。我国铁道科学研究院在2011年自主研究了水基踏面控制剂,也在大秦铁路上面进行过试用,得到了一些降低磨耗、延缓裂纹、降低冲击负荷等等各种各样的结果。在轮轨摩擦的理论方面,我们国家西南交通大学的学者和教授专门有专著,对开发轮轨产品具有很重要的指导意义。

  五、浙江宝晟铁路科技有限公司润滑产品

  目前应用及推广得比较好的有三款产品:

  (一)车载式轮缘固体润滑棒,用一个简单的弹簧装置把润滑棒压靠在轮缘侧面,形成润滑膜,转移到钢轨上去。(PPT)左上角是该产品在青藏铁路的试用效果,薄膜比较均匀、全覆盖、光亮。左下角是国外同类产品在青藏铁路试用的一个图,上面是粉末状一块一块的膜在轮子表面形成了。有资料显示,国外的产品在青藏铁路使用时,当曲线半径大于800米时使用效果很明显,但是曲线半径小于800米时效果不是很明显,说明产品设计或配方有具体的使用条件。

  右边的图是浙江宝晟固体润滑棒在北京地铁昌平线进行销售,刚开始试用2000多公里时叫我们过去看,我拍了试用效果图。2000公里的时候,发现它已经形成了一个很好的润滑膜。下面的图,昌平线有很多线,另外一条线上用外国产品,我把轮子上面的膜照下来。两者区别,下面这个图的膜有,但是很少,没有形成连续的覆盖,而且轮子有很多锈蚀,说明它这个不但不能防锈,而且它可以影响产生一些锈。

  左边的图是宝晟公司的产品通过欧盟标准的检测,得到了一个摩擦曲线图,摩擦系数可以达到0.02,直线表示摩擦系数比较平稳。右边的图是欧盟标准里面一个双门式的摩擦试验机,它表示什么样的产品为好,什么样的产品不为好。它的测试过程是先一个轮子转动,把固体棒压靠在轮子上200秒,把棒子去掉,轮子上就会形成一定的润滑膜。这时候另外一个轮子转动,很高的硬力把两个轮子压靠在一起进行转化。这时候如果说润滑膜粘附效果和润滑效果不好的话,这里就会显示摩擦系数比较高,而摩擦时间的保持距离就比较短。

  样品1与样品2相比的话,肯定是样品2好,样品2的摩擦系数低,样品2的润滑膜保持距离比较长。欧盟标准对于固体润滑效果的好坏,除了摩擦系数低、平稳、润滑膜保持时间长之外,还要称量润滑棒消耗了多少,当然消耗得越少,我的成本就越低,磅子效果就越好。欧盟标准有17项指标,我们全部通过了,它要求摩擦系数小于0.15,我们可以达到了0.02。因为油脂的润滑是0.008以下,固体润滑的摩擦系数很高。

  这是另外一个产品,我们专门有一种固体润滑棒也是通过一个简单的装置,装置是一个空枪结构,棒子放到空枪里面,通过皮带轮把它带上。这是一个电机,当弯道需要润滑的时候,电机带动固体润滑棒下移,压靠在轨车上进行润滑。如果弯道过了,为了节约成本,电机就反转,棒子就收回上来,这时候就不润滑了,这样一种装置。它已经在山西太原公路段推广应用了,反馈效果很好,马上又要推广别的线路。

  这个产品叫固-液-固。原材料是通过配方变成一种固体,在小推车上面进行加热熔融,熔融完之后经过喷涂,也是在弯道时需要喷涂。把它喷到轨侧,瞬间就会凝固变成固体,所以叫固-液-固,避免油脂粘度低喷射到踏面而形成油楔或爬行这样一些问题。

  总的来说,浙江宝晟公司的产品特色,它既有油脂润滑的优点,又有固体润滑的优势,所以两者结合起来。它形成的润滑膜在轮轨表面薄而均匀、粘固比较牢固,如果出现磨损了之后它很快进行和补偿,这样一个特点。它具有自适应、自控制、"汗腺式"自补偿、自修复、附着力强。

  我把"汗腺式"的自补偿给大家介绍一下。从(PPT)这张图看,微观上有很多小的油滴,配方设计是里面有很多微孔,通过摩擦力作用产生热量,这些微孔里面油性成分就会出来,在界面形成一层润滑膜,达到既有油脂润滑又有固体润滑的优势。这是我们自己开发的一个固体润滑新型产品。

  最后有一个自补偿,金属表面有很多微裂缝隙,我们的材料首先把缝隙填满,多下来在金属界面形成一个摩擦层,因为里面有层状的材料如石墨。在摩擦推力的情况下,它会产生层与层之间的滑移,最终起到跟金属之间的隔离作用产生润滑。这个膜很小,大概是微米级的厚度,大家这样看以为很厚,实际上很薄很薄。

 

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