朔黃重載鐵路小半徑曲線鋼軌潤滑技術(shù)試驗(yàn)研究

白東輝，程建平，馬戰(zhàn)國，李偉

(1.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，山西原平 034100;2.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

朔黃重載鐵路小半徑曲線鋼軌潤滑技術(shù)試驗(yàn)研究

白東輝1，程建平1，馬戰(zhàn)國2，李偉2

(1.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，山西原平 034100;2.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

為比選出適用于朔黃重載鐵路的曲線鋼軌潤滑劑，確定曲線鋼軌潤滑周期，進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)采用MM－200磨損試驗(yàn)機(jī)模擬重載鐵路輪軌接觸，分800，1 500，2 000 N共3種荷載工況，分別對(duì)4種潤滑劑進(jìn)行了摩擦性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，濟(jì)南三新干式潤滑劑在1 500 N和2 000 N荷載下減磨效果明顯。針對(duì)比選出的兩種潤滑劑，在R600 m曲線進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，通過總重達(dá)到224 MGt時(shí)，濟(jì)南三新干式潤滑劑的減磨效果明顯，其平均側(cè)磨量減少54.4% 。朔黃鐵路在目前運(yùn)輸條件下，濟(jì)南三新干式潤滑劑的潤滑周期應(yīng)控制在12 h以內(nèi)，即每天涂敷2次。

重載鐵路 小半徑曲線 鋼軌潤滑 鋼軌側(cè)磨 潤滑周期

1 輪軌潤滑技術(shù)概況

輪軌潤滑是解決輪軌磨耗與傷損的有效手段之一，也是小半徑曲線延長鋼軌使用壽命非常經(jīng)濟(jì)的方法。北美鐵道協(xié)會(huì)(AAR)在FAST環(huán)行線所進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果表明，輪軌潤滑狀態(tài)下與干摩擦狀態(tài)下相比，鋼軌側(cè)磨速率迅速下降，減磨效果可達(dá)到2～10倍，輪緣磨損減磨效果可達(dá)到3～5倍［1］。正因如此，北美、南非、澳大利亞、巴西等重載鐵路發(fā)達(dá)國家在大軸重、大運(yùn)量運(yùn)輸條件下，廣泛采用輪軌潤滑技術(shù)來延長鋼軌使用壽命［2］，如澳大利亞BHP公司的曲線鋼軌使用壽命達(dá)10～16億t、直線鋼軌使用壽命達(dá)到20億t，其中一個(gè)重要的技術(shù)措施就是采用了有效的鋼軌潤滑技術(shù)。

國外曲線鋼軌潤滑方式通常分為地面定點(diǎn)潤滑和車載潤滑。地面定點(diǎn)潤滑一般適應(yīng)于特殊地段如某一條曲線，潤滑劑為流體狀態(tài)，潤滑劑通過車輪輪緣向前攜帶，從而使?jié)櫥瑒└采w一定長度范圍。車載潤滑適應(yīng)于對(duì)某一線路區(qū)段所有曲線鋼軌進(jìn)行潤滑，潤滑設(shè)備安裝于機(jī)車或經(jīng)過特殊改造后的車輛，潤滑劑為流體狀態(tài)，通過GPS進(jìn)行曲線鋼軌潤滑定位并自動(dòng)噴涂潤滑劑。潤滑劑噴涂位置可針對(duì)鋼軌軌頭不同磨耗狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整噴涂角度，從而可按實(shí)際需要將潤滑劑噴涂至輪軌接觸位置［3］。

朔黃鐵路是我國主要重載鐵路之一。小半徑曲線多，且小半徑曲線與大坡道重疊多，最小曲線半徑400 m。在原平分公司管轄的朔黃線K0+000—K256 +100區(qū)段內(nèi)，上行重車線R≤800 m的曲線有109條，合計(jì)64.439 km，其中R400 m的曲線5條，合計(jì)2.289 km。朔黃鐵路目前已大量開行C80萬t列車，2014年年運(yùn)量已達(dá)2.48億t，隨著萬噸重載列車開行比例加大，以及運(yùn)量逐年增加，小半徑曲線鋼軌側(cè)磨發(fā)展較快，部分小半徑曲線甚至1年需更換1次，鋼軌使用壽命僅為2～3億t，鋼軌磨耗已成為影響曲線鋼軌壽命的主要控制因素。為此，朔黃鐵路聯(lián)合鐵科院等單位，開展了小半徑曲線延長鋼軌使用壽命的技術(shù)研究。通過鋼軌打磨、鋼軌軌側(cè)潤滑以及曲線鋼軌參數(shù)優(yōu)化等技術(shù)措施，有效延長了曲線鋼軌使用壽命。

2 潤滑劑選型

國內(nèi)外重載鐵路鋼軌潤滑的實(shí)踐表明，油脂類潤滑劑不可避免地會(huì)導(dǎo)致已萌生裂紋的鋼軌產(chǎn)生油楔效應(yīng)，從而加速鋼軌傷損、剝離掉塊。此外，油脂類潤滑劑附著性差，易污染輪軌接觸面影響機(jī)車車輛牽引制動(dòng)，污染道床影響道床質(zhì)量狀態(tài)和環(huán)境，因此，油脂類潤滑劑隨著固體潤滑技術(shù)的出現(xiàn)，已逐步被固體潤滑劑取代。在潤滑劑選型中，主要針對(duì)國內(nèi)外固體潤滑劑來開展研究，從潤滑劑的潤滑方式、涂敷設(shè)備、減磨效果等方面進(jìn)行比選。

在對(duì)國內(nèi)外潤滑劑充分調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，經(jīng)綜合考慮，初步篩選出4種潤滑劑進(jìn)行室內(nèi)摩擦性能試驗(yàn)，編號(hào)為潤滑劑1～潤滑劑4，見表1。其目的是在室內(nèi)相同試驗(yàn)條件下比較4種潤滑劑的潤滑效果，為潤滑劑的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證性考核提供依據(jù)。評(píng)價(jià)指標(biāo)為在一定荷載條件下，潤滑劑在摩擦副表面形成的潤滑膜的耐久性和試驗(yàn)機(jī)上下兩個(gè)試輥的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。

試驗(yàn)采用MM－200磨損試驗(yàn)機(jī)模擬鐵路的輪軌接觸。試驗(yàn)設(shè)備的上下兩個(gè)試輥由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速比為9∶10，上試輥轉(zhuǎn)速為360 r/min，下試輥轉(zhuǎn)速為400 r/min，試輥間相對(duì)滑動(dòng)速度為0.310 m/s。上下試輥的直徑分別為50 mm和55.5 mm，下試輥用來模擬軌道，上試輥用來模擬車輪。

在試驗(yàn)之前，將潤滑劑涂抹在上下試輥上，在試輥表面形成一層潤滑膜。當(dāng)潤滑膜表干后，用測(cè)厚儀測(cè)量并記錄膜厚;之后對(duì)上下試輥施加荷載，開動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)后不再涂敷潤滑劑，記錄摩擦扭矩和時(shí)間。試驗(yàn)條件見表2。

表1 室內(nèi)試驗(yàn)采用的潤滑劑

表2 潤滑劑摩擦性能試驗(yàn)條件

通過室內(nèi)潤滑劑摩擦性能試驗(yàn)，可以得到不同載荷下潤滑劑的摩擦系數(shù)與試驗(yàn)機(jī)上下兩個(gè)試輥運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的變化曲線，見圖1。在同樣摩擦系數(shù)條件下，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間越長，則說明其潤滑效果越好，

由于潤滑劑4在800 N載荷下潤滑性能較差，在試輥表面沒有形成有效的化學(xué)膜，所以在1 500 N和2 000 N載荷下沒有繼續(xù)試驗(yàn)。潤滑劑1在800 N載荷下表現(xiàn)出抗磨特性較好，在1 500 N和2 000 N載荷下抗磨效果一般，但其試輥的磨痕較小，磨損量較少。潤滑劑2在800 N載荷下抗磨性能一般，在1 500 N和2 000 N載荷下抗磨效果較好。潤滑劑2根據(jù)其成膜特性需要車輪碾壓表面溫度迅速變化才能成膜，初步分析在800 N載荷下試輥表面沒有很好地形成化學(xué)膜，而在大荷載作用下，試輥表面溫度迅速變化從而促成潤滑劑在試輥表面形成化學(xué)膜，起到良好的減磨作用。潤滑劑3在800，1 500，2 000 N載荷下的抗磨性能比較穩(wěn)定，潤滑效果較好［4］。

圖1 潤滑劑的摩擦系數(shù)與時(shí)間關(guān)系曲線

單從潤滑劑潤滑效果來看，潤滑劑1～潤滑劑3的抗磨性能各有特點(diǎn)，都可以用于曲線鋼軌潤滑。但根據(jù)朔黃重載鐵路運(yùn)輸條件，鋼軌潤滑的實(shí)施需采用車載自動(dòng)涂敷潤滑劑的潤滑方式，而潤滑劑3為固體潤滑棒，需采用接觸式涂敷方式，不易實(shí)現(xiàn)車載自動(dòng)涂敷。綜合考慮潤滑劑的潤滑效果和涂敷方式，建議選擇潤滑劑1、潤滑劑2進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)。

3 鋼軌磨耗觀測(cè)與分析

針對(duì)比選出的兩種潤滑劑，在朔黃上行重車線選擇兩條曲線進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，曲線1涂敷潤滑劑1，曲線2涂敷潤滑劑2。試驗(yàn)曲線軌道結(jié)構(gòu)(包括曲線半徑、超高、軌底坡、軌枕類型、橡膠墊板、道床狀態(tài))基本相同，均同時(shí)更換同一廠家相同材質(zhì)的鋼軌，且潤滑曲線1和潤滑曲線2的外軌不在線路的同一側(cè)，避免潤滑劑相互影響。試驗(yàn)曲線基本情況見表3。

試驗(yàn)曲線鋼軌潤滑采用人工涂敷方式，涂敷周期為1次/d。為便于觀測(cè)和數(shù)據(jù)比較分析，每條試驗(yàn)曲線外軌每5 m設(shè)置1個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，由于曲線磨耗呈現(xiàn)明顯的不均勻磨耗，在圓緩點(diǎn)附近磨耗較嚴(yán)重，所以在圓緩點(diǎn)附近觀測(cè)點(diǎn)間距變?yōu)?.5 m。曲線1測(cè)點(diǎn)共108個(gè)，曲線2測(cè)點(diǎn)共105個(gè)。

試驗(yàn)期間，采用miniprof鋼軌廓面測(cè)量儀，定期測(cè)量曲線外股鋼軌的磨耗量。為便于比較，按列車運(yùn)行方向，分為前緩和曲線、圓曲線、后緩和曲線三個(gè)區(qū)段來統(tǒng)計(jì)分析。試驗(yàn)曲線鋼軌側(cè)磨統(tǒng)計(jì)結(jié)果與歷史磨耗數(shù)據(jù)對(duì)比見圖2。

表3 潤滑試驗(yàn)曲線基本情況

圖2 曲線鋼軌未潤滑與潤滑后磨耗量對(duì)比

潤滑曲線1在通過總重為224 MGt時(shí)，圓曲線區(qū)段外軌側(cè)磨最大值達(dá)9.04 mm，平均值為5.45 mm，該曲線歷史上相同通過總重下(未潤滑)的最大側(cè)磨值為10.0 mm，平均值為7.1 mm;潤滑曲線2在通過總重為224 MGt時(shí)，圓曲線區(qū)段外軌側(cè)磨最大值達(dá)到7.90 mm，平均值為3.83 mm，該曲線歷史上相同通過總重下的最大側(cè)磨值為11.10 mm，平均側(cè)磨值為8.40 mm。從圓曲線區(qū)段來看，對(duì)比其歷史側(cè)磨數(shù)據(jù)，曲線1涂敷潤滑劑1后，平均側(cè)磨量減少23.2% ;曲線2涂敷潤滑劑2后，平均側(cè)磨量減少54.4% 。潤滑劑2的減磨效果明顯優(yōu)于潤滑劑1，因此建議朔黃鐵路曲線鋼軌潤滑優(yōu)選潤滑劑2，即濟(jì)南三新干式潤滑劑為鋼軌潤滑的首選潤滑劑。

4 潤滑周期分析

鋼軌潤滑周期取決于鋼軌軌距角處輪軌接觸面潤滑膜的有效性，而潤滑膜是否失效難以直觀判斷，因此，通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來綜合評(píng)估潤滑膜的有效性，并據(jù)此確定所選擇的濟(jì)南三新干式潤滑劑在朔黃重載鐵路運(yùn)輸條件下的潤滑周期。室內(nèi)試驗(yàn)是采用MM－200磨損試驗(yàn)機(jī)、參照《潤滑劑摩擦系數(shù)測(cè)定法》(SH/T 0190—92)進(jìn)行潤滑劑摩擦性能試驗(yàn)，通過實(shí)測(cè)摩擦系數(shù)的變化和觀測(cè)試輥表面磨痕來評(píng)判潤滑膜保持的有效時(shí)間?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用摩擦系數(shù)測(cè)試儀，連續(xù)測(cè)量鋼軌軌距角摩擦系數(shù)的變化，據(jù)此評(píng)判潤滑膜的有效性。

1)基于潤滑劑摩擦性能試驗(yàn)的潤滑周期

根據(jù)朔黃重載鐵路輪軌接觸條件，通過理論計(jì)算得出朔黃重載鐵路輪軌接觸應(yīng)力為1 200 MPa，因此，可以采用試輥接觸應(yīng)力1 460 MPa、摩擦系數(shù)達(dá)到0.25時(shí)，試輥運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間作為潤滑膜有效保持時(shí)間［5］。根據(jù)試輥轉(zhuǎn)速可計(jì)算潤滑劑有效抵抗車輪數(shù)，確定潤滑劑的潤滑周期。

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，濟(jì)南三新干式潤滑劑在試輥上形成的潤滑膜有效保持時(shí)間為19 min，試輥轉(zhuǎn)速400 r/min，則有效抵抗車輪數(shù)為19×400=7 600個(gè)。

依據(jù)朔黃重載鐵路目前的運(yùn)輸現(xiàn)狀，按每天開行100對(duì)列車，每列編組66節(jié)貨車考慮，機(jī)車、貨車前轉(zhuǎn)向架的第一輪對(duì)為外輪導(dǎo)向、輪緣貼靠鋼軌，則每一列車產(chǎn)生鋼軌側(cè)磨的有效車輪數(shù)為67個(gè)，每天產(chǎn)生鋼軌側(cè)磨的有效車輪數(shù)為100×67=6 700個(gè)。

由此可以看出，濟(jì)南三新干式潤滑劑形成的潤滑膜有效抵抗車輪數(shù)約為7 600個(gè)，朔黃重載鐵路每天開行100對(duì)列車，曲線外股產(chǎn)生輪軌側(cè)面接觸的車輪數(shù)約為6 700個(gè)。在目前朔黃重載鐵路運(yùn)輸條件下，濟(jì)南三新干式潤滑劑形成的潤滑膜有效保持時(shí)間為7 600/ 6 700=1.13 d，約為27 h。

2)基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)確定的潤滑周期

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用摩擦系數(shù)測(cè)試儀對(duì)鋼軌軌側(cè)摩擦系數(shù)進(jìn)行跟蹤測(cè)量，通過定量分析鋼軌軌距角摩擦系數(shù)的變化來確定最佳潤滑周期［6］。試驗(yàn)曲線鋼軌軌距角摩擦系數(shù)的觀測(cè)從潤滑劑剛剛涂敷完開始，直到摩擦系數(shù)恢復(fù)至潤滑劑涂敷前的數(shù)值。在涂敷濟(jì)南三新干式潤滑劑的試驗(yàn)曲線上，鋼軌軌側(cè)摩擦系數(shù)變化曲線見圖3。

圖3 鋼軌軌側(cè)摩擦系數(shù)變化曲線

由圖3可知，當(dāng)潤滑劑涂敷至鋼軌軌距角后，從第1列到第14列貨物列車通過時(shí)，鋼軌軌距角摩擦系數(shù)基本保持在0.18左右，表明潤滑膜持續(xù)有效;而當(dāng)通過列車數(shù)達(dá)到43列后，鋼軌軌距角摩擦系數(shù)基本恢復(fù)到潤滑劑涂敷之前的水平。由此可知，按目前朔黃重載鐵路每天通過列車數(shù)不超過100列計(jì)算，濟(jì)南三新干式潤滑劑的潤滑膜有效保持時(shí)間約12 h。

綜合室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，建議朔黃鐵路在目前運(yùn)輸條件下，濟(jì)南三新干式潤滑劑的潤滑周期應(yīng)控制在12 h以內(nèi)，即每天涂敷2次。

5 結(jié)論與建議

通過潤滑劑初步篩選、室內(nèi)潤滑劑摩擦性能試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，比較分析了國內(nèi)外主要固體潤滑劑的潤滑效果。針對(duì)朔黃重載鐵路運(yùn)輸條件，建議鋼軌潤滑首選濟(jì)南三新干式潤滑劑。濟(jì)南三新干式潤滑劑減磨效果良好，實(shí)測(cè)曲線鋼軌側(cè)磨量與歷史磨耗數(shù)據(jù)相比，其平均側(cè)磨量減小54.4% 。

在目前朔黃鐵路運(yùn)輸條件下，濟(jì)南三新干式潤滑劑潤滑周期應(yīng)控制在12 h以內(nèi)，即每天涂敷2次。

［1］郭俊，劉啟躍，王文健，等.鋼軌打磨對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸斑行為影響研究［J］.鐵道建筑，2009(12):92－94.

［2］郭戰(zhàn)偉.大秦重載鐵路大修換軌周期的探討［J］.鐵道建筑，2011(11):106－109.

［3］薛繼連.朔黃重載鐵路輪軌關(guān)系［M］.北京:中國鐵道出版社，2013:153－164.

［4］中國鐵道科學(xué)研究院.朔黃重載鐵路輪軌關(guān)系及延長鋼軌使用壽命試驗(yàn)研究［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2011.

［5］馬戰(zhàn)國，程建平.朔黃鐵路小半徑曲線無縫線路穩(wěn)定性及安全儲(chǔ)備量研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2015，36(3):7－11.

［6］李偉，馬戰(zhàn)國，司道林.重載鐵路曲線幾何參數(shù)對(duì)鋼軌磨耗影響的研究［J］.鐵道建筑，2013(6):130－134.

Experimental study on lubrication for curved rail with small radius on Shuozhou-Huanghuagang heavy haul railway

BAI Donghui1，CHENG Jianping1，MA Zhanguo2，LI Wei2
(1.Yuanping Branch，Shuohuang Railway Co.Ltd.，Yuanping Shanxi 034100，China; 2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

In order to determine the curve rail lubrication cycle and the most suitable curve rail lubrication for Shuohuang heavy haul railway，the laboratory and field experiments were carried out in this paper.M M－200 wear testing machine was used to simulate the rail/wheel contact of heavy haul railway and wear performance tests for 4 kinds of lubrication were conducted respectively under load condition of 800 N，1 500 N and 2 000 N.T est results showed that Jinan Sanxin dry lubricant presents obvious wear reduction effect under load of 1 500 N and 2 000 N. For two kinds of selected lubricants，field comparison tests were made on R600 m curve rail.W hen the total weight reached 224 M Gt，Jinan Sanxin dry lubricant has obvious wear reduction effect，mean side wear of which was reduced by 54.4% .Under current transport conditions of Shuohuang railway，lubrication cycle of Jinan Sanxin dry lubricant should be controlled within 12 h，which means coating 2 times a day.

Heavy haul railway;Small radius curve;Rail lubrication;Side wear of rail;Lubrication cycle

U213.4+2

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.35

(責(zé)任審編 葛全紅)

1003－1995(2015)10－0160－04

2015－07－20;

2015－08－25

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAG20B00)

白東輝(1973—)，男，工程師。