铁道机车车辆轮轨的摩擦磨损与节能降耗措施分析

2018-11-29王娟崔晶杨会玲

科技与创新 2018年20期

王娟，崔晶，杨会玲

王娟，崔晶，杨会玲

（西安铁路职业技术学院，陕西西安 710026）

随着铁路工程项目的日渐增多，铁道运输安全问题越来越多，提升铁道运行安全性、稳定性成为铁路事业新时期发展的必然诉求。鉴于此，以铁道机车车辆轮轨摩擦磨损为研究对象，对车辆轮轨摩擦磨损现状进行了简要分析，并在此基础上以“节能降耗”为目标，提出了几点优化措施，以期改善机车车辆轮轨摩擦磨损问题，促进我国铁路事业的稳定与可持续发展。

铁道机车；车辆轮轨；摩擦磨损；节能降耗

在铁路运输过程中，列车的运行与机车车轮与铁轨之间相互作用下产生的牵引力与制动力存在密切关联性。而随着黏着牵引力与制动力的产生，机车车轮与铁轨不可避免地存在摩擦磨损，长此以往，不仅缩短了轮轨寿命，增加了列车运行能耗，也将降低车轮与铁轨之间的牵引力与制动力，影响列车运行的稳定与安全，易引发事故。因此，在高度重视交通运输安全、提倡节能降耗发展的背景下，有必要加强对铁道机车车辆轮轨摩擦磨损问题的研究。

1 铁道机车车辆轮轨的摩擦磨损

1.1 运行过程中车轮的摩擦磨损

车轮是铁道机车车辆的重要组成结构，是保证车辆稳定行走的基础，在车辆结构体系中占据重要位置。在铁道机车车辆运行过程中，车轮将与铁道钢轨发生接触并与之产生一定的摩擦，进而使车辆踏面、车轮轮缘等位置出现磨损。通常情况下，列车运行过程中，轮缘裂纹（表面存在损伤，产生裂纹）、车轮踏面崩裂（踏面制动圆周、轮轨接触圆周存在裂纹）、车轮踏面剥离（踏面存在龟纹状或不规则网状裂纹，并沿裂纹处剥离掉块）、车轮热损伤（踏面制动圆周存在刻度状裂或崩箍）以及轮辋疲劳裂纹（轮辋内部、轮箍内部存在裂纹）是较为常见的车轮摩擦磨损类型[1]。

对车轮摩擦磨损问题形成原因进行分析，了解到轮轨接触应力过于集中、夹杂物应力集中、轮轨接触应力过大、累计额塑像流动变形、车轮滑行、制动热应力疲劳、内部缺陷应力集中、表面缺陷应力集中等是车轮摩擦磨损问题形成的主要原因[2]。

在交通运输过程中，因车轮摩擦磨损产生的能耗无疑是巨大的。据某铁路机务组针对“关于铁路机车车辆核心零部件的摩擦磨损”的调研得知，DF4型铁道机车在运行过程中，因车轮维修与更换所产生的费用为：每年每台人工费用约为33 000元；车轮摩擦磨损材料费用约为420 000元，每台车轮维修过程中的停运损失超过36 000元。与此同时，就DF4型铁道机车制动闸瓦而言，一般情况下，制动闸瓦单价为50元，其使用寿命为7个月左右，假设1次维修过程中需更换8次闸瓦（每台机车装瓦数为12块），每台机车的换瓦费用将达到12 000元[3]。

1.2 钢轨的摩擦磨损

列车在运行过程中，车辆车轮与钢轨之间产生的摩擦力除了对车轮产生影响外，也在一定程度上对钢轨产生影响。据铁工工务部门调查研究显示，由于我国铁路事业起步相对较晚，相比于国外而言铁路钢轨摩擦磨损率较高。通常情况下，轨道磨损问题发生的概率为20%～30%.在曲线路段中，约有60%的概率会因摩擦出现严重磨损。由于铁路轨道与列车之间相互作用的关系复杂，产生的摩擦磨损类型较多，比如铁轨压溃、铁轨剥离、铁轨侧磨和波磨等。通常情况下，铁轨的摩擦磨损将严重缩短隧道铁轨的使用寿命，减弱其与从车轮之间的相互作用，导致列车运行不稳，甚至脱离轨道，出现严重的列车运行事故，对人们的生命财产安全以及社会稳定造成威胁。

2 改善摩擦磨损，实现节能降耗

2.1 加强润滑养护，降低摩擦磨损

润滑养护是改善铁道机车车辆车轮摩擦磨损的重要手段。通常情况下，利用专业的润滑剂对车轮、钢轨进行定期养护处理，能够有效减少列车运行过程中硬性摩擦的产生，减小硬性摩擦对车轮与钢轨造成的不利影响，从而延长车轮与钢轨使用寿命，实现能源与资源的有效节约。而在应用润滑剂的过程中，为了增强润滑剂的效果，促进其功能与作用的最大化发挥，应遵循规范和要求，有针对性地选择润滑剂的类型，并保证涂抹方式的准确性和科学性。随着近些年机车车辆润滑涂抹系统性能的不断提升，其在机车车辆养护维修中的实用性逐渐增强，润滑涂抹模式呈现出多样化的发展态势，比如固块润滑、油脂型润滑、轨道侧边润滑等。其中，固块润滑具有操作简便，后期升级、置换便捷等优势；油脂型润滑需要有效控制润滑涂抹温度，避免因温度过热而影响机车的稳定、安全运行；轨道侧边润滑在车轮踏面摩擦磨损与钢轨侧磨、波磨处理中具有较大的优势。

2.2 创新车轮类型，实现节能降耗

由上述分析可知，在铁道机车车辆运行过程中，车轮踏面摩擦磨损与车轮轮缘摩擦磨损是导致车轮失去功效的重要原因。铁路有关部门在法律法规层面对此提出硬性要求，比如《DF4型内燃机车段修规程》中明确指出，铁道机车车辆车轮踏面磨损深度应不超过7 mm；高度为25 mm的铁道机车车辆车轮轮缘，磨耗型踏面磨损深度应小于10 mm。这在一定程度上对车轮检修工作人员提出了更高的要求，需要工作人员根据相关规定，进行铁道机车车辆检查与维修工作，针对不符合规程的车轮通过更换、维修的形式进行处理，用以保证机车车辆运营的稳定与安全。与此同时，为了达到节能降耗的目的，相关人员应加强车轮创新与研发的力度，应用性能较强的车轮，延长车轮使用寿命。比如，相比于早期锥型踏面的车轮而言，通过车轮踏面的创新设计形成的磨耗型车轮踏面，其磨损速度得到有效降低，实现了车轮与钢轨接触应力的降低。与此同时，基于北京、济南等铁路部门所应用的机车车辆车轮实际情况以及列车运营条件，针对运行于小半径曲线段的车辆车轮踏面进行创新设计，得出JM磨耗型车轮踏面。

实践证明，经过改革后的车轮踏面，其使用寿命大大延长。对于以往的车轮而言，车轮轮缘摩擦磨损降低了30%～70%，因此，铁路局应根据铁路线路实际情况，以创新精神为指导，注重车轮创新设计，研制出适合自身需求的车轮踏面，可有效降低车轮摩擦磨损，实现节能降耗目标。

以上海铁路局为例，根据所管辖区域内线路实际情况，设计研发的ST系列磨耗型车轮踏面在实际应用过程中取得了良好的效果，如表1所示，轮缘磨耗率降低了38%，相比于原标准锥型踏面而言，每台机车1年能够节约14 000元以上的费用。

表1 DF11型机车车轮踏面改造前后磨耗

轮位ST系列磨耗型车轮踏面原标准车轮踏面左轮缘厚度/mm右轮缘厚度/mm左轮缘厚度/mm右轮缘厚度/mm 131.031.028.528.5 230.828.828.525.1 330.630.529.2 27.8 429.228.0 28.8 27.6 530.030.728.827.0 631.227.829.328.5

注：数据为小修检测测得数据，机车路程为160 000 km。

2.3 科学选择钢轨类型，实现节能降耗

由上述分析可知，在铁道机车车辆车轮摩擦磨损中，波磨是钢轨的主要摩擦磨损类型，对钢轨使用的稳定和安全有较大的影响。针对钢轨波磨问题，可根据实际情况，通过改善钢轨类型进行处理，提升钢轨检修的养护质量，实现节能降耗目标。比如，相比于传统钢轨而言，淬火钢轨性能较好，在实践应用过程中摩擦损伤得到有效改善。因此，在轨道规划过程中，应对易产生硬性摩擦或摩擦磨损发生概率相对较高的线段应用淬火钢轨，从而延长钢轨的使用寿命，达到节能降耗目的。与此同时，实践证明采用轨面打磨进行钢轨处理，也能够改善钢轨摩擦磨损，延长50%的波磨轨寿命。