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轨道轮缘滑润技术
轨道轮缘滑润技术
发布时间:
2007年11月14日13时48分
自从有了铁路轨道网后,轨道的磨损导致巨大的耗费就成了大问题。
实践经验表明,轨道并非可无限制使用,磨损到一定程度后就必须更换,否则就会导致机车出轨,严重时会酿成灾难性事故。
在蒸汽机车刚开始运行的时代,轨道的磨损就已经很严重了,随着电气机车和内燃机车投入应用,轨道的磨损愈加严重,这是因为相比较蒸汽机车的蒸汽机排放的蒸汽含油,喷出后会有精细油膜沉落到轨道上——虽然这些油膜还不足以解决过度的磨损问题,但磨损状况已有所改观。
随后发现,铁路弯道入口处的外侧轨道的磨损尤其严重,于是很快有人想到在这些地方安装自动润滑装置,铁路局于是公开招标,邀请了不少公司参与设计、试用,最早的轨道润滑装置就得以应用了,这种润滑装置通常安装在弯道入口处的轨道旁,机车经过时会触发润滑装置使其喷出润滑剂到轨道侧缘上,在众多车轮轮缘的碾压作用下,润滑剂的传递距离可达200m,弯道很长的路段可以装设多个这样的润滑装置,随后这种润滑装置就取代了手工涂油方式。
紧接着,开发一种可移动的轨道润滑装置就成了顺理成章的事,于是数量众多、各式各样的所谓“轨道润滑车”就在铁路线上穿梭,它们的一个共同点是都装有一个机械式的润滑装置和一个涂敷装置用于将润滑剂涂敷到轨道上。
这些轨道润滑车的运行速度低,因此其工作被限定在铁路交通的低峰时段,对繁忙的线路或是车辆迂回运行的普通路段,这种润滑车的使用就受到了极大限制。
上面提到过,车轮轮缘可以对轨道润滑装置喷出的润滑剂起传递作用,这种作用显示出车轮轮缘也可以作为实施润滑的工具来对轨道进行润滑,因此很自然地,在普通机车上装设一套润滑装置并让车轮轮缘作为实施润滑的工具——机车于是具备了移动式自动润滑装置的功能并取代轨道润滑车的想法就浮出了水面。
而事实上一条铁路线上的弯道数量通常都远远高于这条线上运行的机车数量,因此在机车上安装润滑装置比在轨道旁装固定的润滑装置要少得多,经济优势明显。
这里举一个实例,德国南部的“Hoellentalbahn”是一条弯道多达上百个的线路,但只有3辆机车运行,在其中一辆机车上装设了润滑装置后,轨道的寿命从行驶里程27000km提高到了90000km,未装设润滑装置的那2台机车从27000km延长到55000km,这个事实说明,装设了润滑装置的机车其车轮轮缘对润滑剂的传递作用是非常显著的,轨道会因这种传递作用而受惠,因为轨道磨损降低的程度和行驶里程增加的程度是对应的。
在另外2台机车上也装设了润滑装置后,轨道的行驶里程提高到了120000km。
后来对如何合理地将润滑剂分配到机车车轮轮缘上的方法进行了一系列实地测试,这些方法主要有:
滚轮涂油式——用滚轮将润滑剂涂抹到车轮轮缘上,棒状固体润滑剂涂抹式——用弹簧将棒状固体润滑剂固定并压靠在车轮轮缘上,压缩空气喷涂式——借助于压缩空气的压力将润滑剂喷涂到车轮轮缘上,等等。
测试结果证明,压缩空气喷涂式是最佳的方法,其他种方法都因为种种弊端而遭到弃用。
安装在机车上的移动式轨道润滑装置在当时西德的德国联邦铁路局所辖范围内应用后,被统计的所有轨道的寿命都有了大幅度提高,平均从3年提高到9年,后来轨道换用成高拉伸强度轨道后,德国联邦铁路局预计其寿命为9年,但有关磨损的测量数据表明,采用移动式轨道润滑装置后其寿命能达到19年。
正是由于这项润滑技术的应用,当时德国联邦铁路局每年节约钢轨6000吨,换句话说和应用前相比,每年采购的钢轨量要少6000吨。
当火车受牵引力的作用经过长长的弯道时,可以听见轨道有低频哼鸣噪声,这种噪声是由于车轮轮缘和轨道侧缘接触,两者之间的干摩擦导致机车传动轴翘起,随后复位,这种翘起、复位的现象以60~90Hz的频率重复发生,就像用锤不停敲打轨道面从而导致的。
对于高拉伸强度轨道来说,这种“锤击”现象实质上是对轨道跑合面的冷塑形,会使轨道变脆、易碎,这种现象的频繁发生无疑会缩短轨道的寿命。
而采用移动式润滑装置后这种现象的发生得到了有效遏制。
以上所述的内容都是针对弯道,但实践中在直道上也发现了轨道侧缘磨损的情况,虽然从理论上讲这不应该发生,但现实中确实存在,这是为什么呢?
从设计角度讲,机车的传动轴应该是自动调心的,即在直道上车轮的轮缘部位不应该和轨道内侧缘接触,车轮的两个轮缘应该和轨道内侧缘保持同等距离,两者之间的磨损也就不会发生。
但实际情况是,机车是以非常平缓的正弦曲线运行并交替接触两根轨道的,因此在直道上并不能避免车轮轮缘和轨道内侧缘之间的接触和磨损。
另外,相关的测量结果也表明,直道上的轨道也会有磨损,只不过磨损比弯道上小而已,所以在直道上也需要对轨道进行润滑——取决于不同的路况,直道也得到润滑后,轨道和车轮轮缘之间的磨损平均降低1/3。
一般而言,移动式轨道润滑装置都是装在机车传动轴对应的车轮附近并将润滑剂喷涂到车轮轮缘上的(图1),因此润滑剂可以从传动轴对应的车轮上向后面的车轮和轨道传递,这样,车轮轮缘的磨损程度降低得非常可观,而车轮每两次修磨的时间间隔也大大延长——取决于不同的路况,此时间间隔延长的程度在50%~600%之间,这一进步在德国联邦铁路局体现的数据是:
每年车轮修磨的次数减少20万次。
于是,移动式轨道润滑装置在提高轨道和车轮寿命方面的作用就毋庸置疑了,但接着争论就出现了——究竟是哪一个部门或单位应该出钱购买润滑装置呢?
负责机车的部门和负责轨道的部门争执不休,互不相让。
机车部门说这是“轨道润滑”,应该由轨道部门出钱;而轨道部门振振有词地认为这种装置是装在机车上的,其实质是“轮缘润滑”,相同的争执也在几乎所有欧洲国家的铁路局发生过,有关这种装置的确切名称的莫衷一是一时间似乎成了政治事件,直到欧洲铁路协会ORE(OrganizationofRailwaysinEurope)确定其名称为“轮缘润滑装置”,这场争论才平息下来。
自从轮缘润滑装置在欧洲开始应用起,统计数字表明有一个意外的收获——机车车轮和轨道之间未处于跑合状态即离轨现象的发生也大大降低了。
最近数年,出于环保方面的压力和要求,降低机车运行的噪音变得越来越重要。
采用轮缘润滑装置后,有大量有关噪音值方面的测量数据,但现在就发布准确的数据还为时尚早,因为不同的环境下噪音值的差异很大。
不过所有的数据都证明了一点,即采用轮缘润滑装置后机车运行的噪音值在不同环境下都有不同程度的降低,尤其是那种高频的尖厉声已经听不见了。
综合以上事实,可以确定地说,对轨道和车轮轮缘进行润滑是一举两得,不仅节约了轨道方面的花费,同时也降低了车轮方面的耗损,其所带来的巨大效益远远高于轮缘润滑装置的购置费用,众多的报告都指出,投资购买轮缘润滑装置的费用的回收期平均不超过3个月,对那些受资金短缺困扰的铁路局来说,购置轮缘润滑装置无疑是最经济的解决方案。
上个世纪的最后几十年,高速铁路发展迅猛,铁路高速化的趋势愈加明显,这给轮缘及轨道润滑技术提出了新的要求,随着机车运行速度的提高,要将润滑剂喷涂到车轮轮缘上需要克服更大的离心力。
原有的轮缘润滑装置由于其喷射时间只达1秒或更短(像吐痰),喷出的润滑剂无法覆盖车轮轮缘的完整圆周;再加上喷出的润滑剂过于厚重(块状),受离心力的影响无法准确喷涂到车轮轮缘上,或是洒落或脱落到机车其他部位或是铁路沿线上,不仅润滑效果差,还带来了污染。
为此REBS开发了独特的“TURBOLUB轮缘润滑装置”并成功解决了较高速机车的轮缘及轨道润滑问题,该装置采用泵供油并且可在3~10秒时间内将泵一个行程的排油量准确喷射到轮缘上。
在德国联邦铁路局的实验室里进行测试时,该装置在机车时速高达300km/h的情况下喷射出的润滑剂依然能够准确地粘附到轮缘上而没有脱落——这一结果也从后来在时速达300km/h的ICE3型高速火车上的实地应用得以证实(图2为配备了REBS轮缘润滑系统的ICE3型机车模型)。
对轮缘及轨道润滑采用的润滑剂,最早采用的润滑剂是矿物基的稀油或干油,在轮缘润滑装置一开始应用时,使用这些类型的油品在降低磨损方面所获得的效果是令人振奋的,但随着技术的日新月异,尤其是铁路高速化的迅猛发展,早期采用的那些油品已不能满足更高的技术要求,如要求润滑剂耐(车轮轮缘与轨道之间的)高压性能、润滑剂对轮缘和轨道的修复作用等,于是涌现了很多种类的润滑剂。
目前经过实践验证的最好的润滑剂是半流动状的添加了较高比例固体颗粒如石墨、铝粉等的润滑剂,使用这种润滑剂的最新成果是已经让车轮轮缘和轨道侧缘之间的磨损接近于零,而且车轮轮缘的磨损小于车轮跑合面的磨损。
在一些场合,如城市轨道交通,应该使用可降解的环保型润滑剂。
说到城市轨道交通,其车轮和轨道也面临着严重的磨损问题,而且轨道弯道的弯曲半径比公共铁路要小,机车在进入弯道时会发出刺耳的尖厉声。
有一个有趣的现象,城市轨道交通公司最初配备轮缘润滑装置并非出于技术方面的要求或是成本考量,而是由于公众的抗议,只是在配备后才发现因此而获益(图3所示为装配在有轨电车上的轮缘润滑系统)。
和公共铁路相比,工业或工厂里的轨道状况要恶劣得多,这一方面是由于工厂里弯道多,弯道/直道的比率高于公共铁路,而且弯道的弯曲半径更小,另一方面工厂里机车的负荷(如钢厂的钢包车和钢渣车)通常比公共铁路大,因此在干摩擦和高牵引力的双重作用能够下,工厂机车车轮和轨道的磨损都更严重,车轮和轨道间的离轨现象以及“爬行效应”都更普遍,因此如果能采用可靠的润滑装置和满足要求的润滑剂,所产生的效益会十分巨大,将磨损降低2/3或更多并非虚言,投资回收期也会很短。
在西欧,采用轮缘润滑所带来的积极效果已经被普遍认可。
上个世纪八十年代德国联邦铁路局(西德)的工程师们对采用轮缘润滑所获得的收益进行了总结,大致内容如下:
l在直道和山坡弯道路段,车轮其每两次修磨之间的距离分别增加了一倍和四倍(参见图4、5、6)。
l由于磨损降低,车轮面修磨时的切削量大为减少(参见图7)。
l即便是只装备有55辆机车的厂矿机车部门(荷兰艾莫伊登的EstalB.V.),采用轮缘润滑后每年需更新的车轮数也因此大幅降低(参见图8);而同时轨道侧缘的粗糙度也降低不少(参见图9)。
l标准轨道和高强度轨道的使用寿命分别从3年提高到9年及9年提高到19年。
这一数据给德国联邦铁路局带来的实际意义是每年可节约轨道、道岔4000吨。
l采用轮缘润滑后,牵引类机车每年需更新的车轮数减少了60000套。
l脱轨或者说在轨道上的横向窜动现象也明显减少,这一点在厂矿机车上体现得尤为明显,这是因为采用轮缘润滑后轮缘和轨道之间的摩擦减小从而降低了传动轴的“爬坡效应”。
l电力内燃机车和液力内燃机车采用轮缘润滑后分别节约燃料5%和25%。
电气机车此方面的节能效果未见报告,但由于采用轮缘润滑后机车的牵引力会有所降低,因而也会有节能效果。
大约十多年前,德国的集中润滑系统设备供应商REBS成功地对轮缘润滑系统作出了重大改进,从而使轮缘润滑技术向前迈进了一大步。
REBS将其在油气润滑技术方面的丰富经验应用到轮缘润滑系统上,他们设计出的系统(参见图10)将以往短得只有0.5~0.8秒的喷射时间提高到了6~10秒,这使得喷射到轮缘上的润滑剂极为精细,同时也使得由于机车行驶时的离心力导致的润滑剂飞溅现象彻底消失,无疑这节约了成本并且对机车没有污染。
REBS系统的核心部件是一台简单但精巧的气动泵,该泵在泵出润滑剂后的回程过程中能充分吸油(参见图12)。
润滑剂和压缩空气的混合就在泵的出口进行,油气混合物通过管道以3~10bar的压力输送到机车转向架,油气混合物在输送过程中只需经过一次分配——这得益于REBS拥有专利的TURBOLUB油气分配器,该分配器可以将润滑剂和压缩空气的混合物分为2~4流(参见图11),并且分配器内部没有运动部件,而老式的轮缘润滑系统为了顺利喷射须进行3次分配——对润滑剂分配2次,对压缩空气分配一次。
此外,REBS轮缘润滑系统的一个非常重要的优点是可以使用添加有干固体颗粒的润滑剂(石墨、精细铝粉等),干固体颗粒的含量比例可高达35%,这种润滑剂能有效填补轨道和轮缘的粗糙凹面并且比流动润滑剂和半流动润滑剂更能降低摩擦,采用含有高比例固体颗粒的润滑剂润滑过的轮缘和轨道看上去象是被“抛光”一样。
为了避免干固体颗粒在油箱中析出及沉淀,润滑剂应有比较高的粘稠度即所谓的“半流动状态”,其NLGI的级数至少为1——老式的轮缘润滑系统对这种润滑剂无法适应。
过去的十来年,有轨电车的润滑变得越来越重要,因为其轨道更窄,且大多采用丁字形轨,因此磨损更严重,而且只能在夜间对轨道进行补焊修复,花费也越来越高。
自从第一条有轨交通开行以来,弯道处所产生的高分贝高频噪音问题就一直存在,这是由于传动轴上的两个轮子是以相同的速度转向造成的——显然,靠近弯道内侧的轮子所要行驶的距离短,因此轮子会在跑合面上滑动而不是转动,噪音因此而产生。
轮缘润滑的控制方式有以下几种:
(1)早的系统是由机车驱动的机械式系统,采用的是一种距离控制方式。
虽然如今现代的电子控制轮缘润滑系统和机车的传动已没有什么联系,但一铁路公司依然持有习惯性的、保守的想法,即还想让轮缘润滑的控制方式采用距离控制,因此使用了测速计来测量行驶距离,一旦机车行驶了某段距离后,测速计上的“润滑触点”就发出一个信号使轮缘润滑系统投入工作。
(2)时间控制:
请注意,机车在弯道时行驶的速度比在直道上慢,因此采用时间控制方式可以确保在弯道时每两次润滑之间的时间间隔比在直道上要短,也就是说,基于时间控制的方式,轮缘在弯道上得到的润滑比在直道上要多。
因此时间控制显得很有说服力,而且控制部分可以做得非常简洁,只需要一个计时器和一个继电器即可,同时润滑系统可以在机车制动和停运时停止工作。
(3)离心力控制:
有些铁道公司希望将机车的左右两个轮缘的润滑分开进行,因此市场上也出现过与此相应的带有离心力感应开关的控制系统。
但这种系统的一个明显的缺点是只要传动轴和轨道头一接触,润滑喷射就会开始,这样的话很多临界点就会润滑不到。
REBS的轮缘润滑系统克服了这一困难,其弯道传感器是装在车头上的,而润滑系统的其它部分则是装配在随着车头进入弯道的转向架上的,这样就保证了已得到润滑的轮缘在弯道处和轨道头接触并将润滑剂传递到后面的轮缘和下一辆机车的轮缘上。
当然在某些场合,弯道传感器(图13右侧)也可以和轮缘润滑系统的电控装置装配在一起,图13就是集成装配后的情形。
(4)卫星定位控制:
过去数年卫星定位系统的应用已变得越来越普遍(如图14所示机车上的GPS接收器),甚至用在了轿车和卡车上,这种系统的定位精度很高,能对都市的街道进行精确定位。
REBS的润滑系统可以借助于卫星定位系统来确定弯道的位置并在刚好进入弯道前启动系统并使其按照事先设定的周期工作。
不过这种控制方式在隧道中无法实现,也不能用于地铁。
(5)混合控制:
实践证明,时间控制方式是一种简单而可靠的控制方式。
因此时间控制往往被当作混合控制的基础,而离心力控制则作为辅助的控制手段。
在直道上,时间控制方式可以实现每个一段时间就喷射一些润滑剂对轮缘进行润滑,因此轮缘上总会有一些润滑油膜,进入弯道时也如此;在弯道时,离心力的变化可促使系统增加喷射次数和润滑量。
在弯道的尽头——出弯道时,机车的转向架会回到中心位置,此时轮缘和轨道头在弯道的内侧会接触,因此此时内侧的轮缘需要润滑;反之,在进入弯道时外侧的轮缘需要润滑。
总之,采用混合控制方式能有效地对左右两个轮缘提供润滑。
图15是REBS根据不同机车提供的各种控制装置。
上面已经提到,轮缘润滑在几乎所有轨道类机车上都大有用武之地,最近数年间装备了轮缘润滑系统的机车数目一直呈增长态势,不论是客运火车、厂矿机车、有轨电车还是地铁。
不仅如此,地处山区的齿条轨道上也采用了带有附加润滑功能的轮缘润滑系统,在润滑轮缘的同时,对齿轮齿条也进行润滑。
在德国的乌佩尔托(Wuppertal),转向架装在车身顶部的单轨电车横跨乌佩河(Wupper)运行,车身上同样配备了轮缘润滑系统。
而采用轮缘润滑后,显而易见地,车轮跑合面的磨损已比轮缘严重,出现了铁道工程师所说的“轮缘在增长”的相对现象,这种情况下车轮可以行驶比轮缘磨损后长得多的历程后才需修磨,而且修磨时的切削量也小得多,这样车轮在必须更换前可以经受更多次的修磨。
喷射尽量针对第一对车轮进行的目的是不仅可以在喷射时有较小的空气阻力,也是为了使润滑剂的利用率达到最大限度——第一对轮缘得到润滑剂后,润滑剂会随着车轮和轨道之间的接触而传递到后面的车轮轮缘上,这样后面的车轮轮缘也能得到润滑,也就是说一条铁路上只要有一辆机车装备了轮缘润滑系统,其它在这条铁路上行驶的所有机车都会受益,车轮轮缘磨损的程度都会有所降低,当然一条铁路上只有一辆机车装备润滑系统是不够的,尤其是当铁路线较长、行驶的机车数目众多的时候,较好的做法是在一条铁路上的所有行驶的机车上每辆都装备一套润滑系统,这样不仅所有机车车轮轮缘的磨损会大幅降低,寿命成倍增长,而且整条铁路上的轨道的使用寿命也会大幅延长;另一方面,当一条铁路上的所有机车都装备了轮缘润滑系统后,每一套润滑系统的润滑剂喷射量可以适当减少。
图20至图23为REBS机车轮缘润滑系统在对轮缘进行喷射时的过程。
图20:
喷射过程开始前的状态。
此时由于轮缘和轨道之间的摩擦及传递作用,轮缘上附着的润滑剂已经较少,轮缘处于剧烈磨损前的临界状态,急需润滑。
图21:
喷射过程刚开始时的状态。
此时润滑剂从喷嘴高速喷出,突破车轮转动的离心力及空气阻力的影响后附着在轮缘上。
图22:
喷射过程持续进行时的状态。
此时润滑剂从喷嘴高速喷出,并持续6~10秒的时间,随着喷射的进行和车轮的转动,润滑剂沿着轮缘缘周覆盖了几圈。
REBS的机车轮缘及轨道润滑系统是投资收益比最显著的油气润滑系统之一,系统小巧简单,购置费用低,但采用后所获得的回报数十甚至数百倍于投资费用。
众多的由用户报告及测量的数据表明,采用REBS的轮缘及轨道润滑系统降低了用户的成本,提高了劳动生产率。
在德国联邦铁路局的使用证明,在采用含固体颗粒的润滑剂、所有机车数目的75%~100%都配备了REBS轮缘润滑系统、在润滑剂对机车轮缘及轨道侧缘4~6个月的精细覆盖及修复后,轮缘的磨损趋近于零,这毫无疑问是一项卓越的成果。
这一技术在中国的大力推广及应用将为铁道部门及有机车的企业节约天文数字般的费用。
在机车上安装REBS轮缘油气润滑系统取得了如下收益:
-大幅减少了车轮轮缘的磨损,减少了由于轮缘磨损而对车轮进行修磨的次数及维修费用
-降低了噪音,尤其是在弯道和隧道中
—大大降低了车轮与轨道脱离的危险
-没有环境污染,由于润滑剂的精细覆盖,没有在铁路沿线发现脏油
-维护量小,轮缘润滑装置尽可能少地设置运动部件,因此几乎不需要维修,只需定期加油即可
-耗油量很小,机车平均行驶1000公里的耗油量只有500cm3
AdtranzPortugal公司(即现在的BombardierTransportation庞巴迪运输公司)曾经于2001年在葡萄牙里斯本对地铁的噪音进行过测试以检验REBS轨道表面润滑系统在降低噪音方面的作用。
测量结果表明,REBS的采用固体颗粒润滑剂的轨道表面润滑系统能够将2500Hz高频噪音降低28DB(A),庞巴迪公司由此确认REBS轨道表面润滑系统提供了解决公共交通噪音公害的理想解决方案(参见图24,对是否采用轨道表面润滑进行的噪音评估,发表于庞巴迪公司的出版物3EVA100000-2575)。
深色柱状条:
没有润滑时的噪音
白色柱状条:
采用REBS轨道表面润滑后的噪音
REBS轨道类机车轮缘及轨道润滑技术可适用于:
l客运及货运火车(轮缘及轨道)
l有轨电车(轮缘)
l地铁(轮缘)
l厂矿机车(轮缘)
l吊车(轨道)
l港口起重运输机械(轨道)
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