武漢北編組站全面摩擦控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例分析

郭向前

(中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)公司 工務(wù)處，湖北 武漢 430072)

道岔和曲線鋼軌是鐵路軌道設(shè)備的薄弱處所。近年來(lái)，隨著鐵路通過(guò)總重及運(yùn)行速度的逐年增加，列車通過(guò)道岔以及曲線鋼軌時(shí)輪軌磨耗日益嚴(yán)重，直接影響了軌道設(shè)備的壽命和列車的安全運(yùn)行[1-2]。為了適應(yīng)鐵路運(yùn)輸發(fā)展的要求，延長(zhǎng)道岔和曲線鋼軌更換的周期，減少養(yǎng)護(hù)維修的工作量，降低工務(wù)維修成本，保證站段內(nèi)線路設(shè)備行車安全，特針對(duì)武漢北編組站進(jìn)行軌道全面摩擦控制系統(tǒng)研究。

1 全面摩擦控制系統(tǒng)原理及構(gòu)成

1.1 全面摩擦控制技術(shù)

輪軌界面的全面摩擦控制技術(shù)是在鋼軌頂面和車輪踏面之間以及鋼軌軌距面與車輪輪緣之間2個(gè)部位同時(shí)進(jìn)行摩擦管理，從而控制輪軌接觸界面的摩擦系數(shù)處于目標(biāo)水平內(nèi)，降低因輪軌波浪形磨耗以及滾動(dòng)接觸而造成的金屬損耗。這項(xiàng)技術(shù)包括同時(shí)在軌頂采取摩擦控制并在軌距面涂覆優(yōu)質(zhì)潤(rùn)滑油。該技術(shù)已經(jīng)在北美、南美和歐洲的諸多客、貨運(yùn)鐵路上得到驗(yàn)證并大規(guī)模地進(jìn)行了商業(yè)化推廣。這些鐵路在采用全面摩擦控制技術(shù)后一般能達(dá)到軌道橫向力降低30%和鋼軌磨耗降低 60%的效果。

1.2 全面摩擦控制原理

在曲線位置，由于曲線上股存在比較大的接觸壓強(qiáng)(由橫向力導(dǎo)致)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)(滑動(dòng)或者所謂的蠕滑)，從而導(dǎo)致顯著的能量消耗與散失，并通過(guò)溫度升高、噪聲、鋼軌和車輪的磨耗等形式表現(xiàn)出來(lái)[3-4]。通過(guò)降低輪軌接觸表面的摩擦系數(shù)，就能顯著降低能量的消耗和散失，減少鋼軌的磨耗。在曲線上應(yīng)該保持曲線上股軌距面和軌距角的摩擦系數(shù)盡可能<0.2，并且整條曲線上均要維持這一較低的摩擦水平；在曲線和直線上，軌頂?shù)哪Σ料禂?shù)均應(yīng)維持在0.3～0.4。

1.3 摩擦調(diào)節(jié)劑性能

軌頂摩擦控制是通過(guò)使用KELTRACK摩擦調(diào)節(jié)劑來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種摩擦調(diào)節(jié)劑采用干式薄膜技術(shù)在輪軌界面上建立中等的摩擦系數(shù)。中等摩擦系數(shù)能夠維持列車制動(dòng)和機(jī)車黏著所需要的充足的摩擦水平，避免影響列車的運(yùn)行性能；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)降低輪軌界面的能量散失來(lái)達(dá)到降低磨耗的效果。減小軌頂和車輪踏面之間的摩擦系數(shù)不僅能夠直接降低上股與下股的垂直磨耗，而且能夠通過(guò)降低車輛通過(guò)彎道時(shí)的橫向作用力，改善轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)性能，降低上股在軌距面和軌距角的磨耗[5]。一般液體潤(rùn)滑劑的摩擦控制效果依賴于其在輪軌界面上所形成的介質(zhì)層的厚度，因此在實(shí)際應(yīng)用中難以有效地控制軌頂?shù)哪Σ料禂?shù)。相比之下，基于干式薄膜技術(shù)的KELTRACK摩擦調(diào)節(jié)劑依賴其固有的材料特性，通過(guò)在輪軌界面形成的介質(zhì)薄膜來(lái)控制摩擦特性，與其厚度無(wú)關(guān)，從而可在輪軌界面形成可靠、有效和安全的摩擦控制介質(zhì)[6-7]。

1)波磨控制。摩擦調(diào)節(jié)劑通過(guò)控制軌頂摩擦水平，能夠降低波磨產(chǎn)生機(jī)制中的磨耗因素。同時(shí)，摩擦調(diào)節(jié)劑具備的正摩擦特性(摩擦系數(shù)隨蠕滑率的增長(zhǎng)而升高)可以抑制轉(zhuǎn)向架上2個(gè)輪對(duì)與鋼軌接觸點(diǎn)處的橫向或縱向黏滑振蕩，從而減緩波磨生成。

2)滾動(dòng)接觸疲勞控制。根據(jù)安定理論，滾動(dòng)接觸疲勞裂紋的產(chǎn)生和增長(zhǎng)與輪軌界面的高壓強(qiáng)和高摩擦系數(shù)有密切關(guān)系?？梢酝ㄟ^(guò)優(yōu)化輪、軌型面來(lái)降低接觸壓強(qiáng)極值并采用有效的打磨程序來(lái)維持這種優(yōu)化過(guò)的型面，或者可以通過(guò)提高鋼軌的屈服強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)滾動(dòng)接觸疲勞的控制。另外，在輪軌界面涂覆干性KELTRACK摩擦調(diào)節(jié)劑，可降低界面上的摩擦力，從而降低滾動(dòng)接觸疲勞[8-9]。

1.4 全面摩擦控制系統(tǒng)構(gòu)成

全面摩擦控制系統(tǒng)由車輪計(jì)數(shù)器、電控裝置、動(dòng)力裝置、油泵、管路、涂覆設(shè)備和摩擦調(diào)節(jié)劑構(gòu)成。電控裝置根據(jù)車輪計(jì)數(shù)器數(shù)值設(shè)置噴涂間隔、噴涂流量和噴涂時(shí)間，油泵經(jīng)過(guò)管路控制涂覆設(shè)備向鋼軌實(shí)施噴涂。涂覆設(shè)備包括太陽(yáng)能供電板、內(nèi)含儲(chǔ)罐和控制系統(tǒng)的設(shè)備箱、車輪傳感器以及安裝在鋼軌上的涂覆板。

1)道旁軌頂涂覆設(shè)備

在每個(gè)軌頂涂覆點(diǎn)安裝1套PROTECTOR Ⅳ道旁軌頂涂覆設(shè)備，設(shè)備還包含2只TOR ML涂覆板(每根鋼軌各安裝1只)。軌頂涂覆設(shè)備使用360 L (95美加侖)型儲(chǔ)罐來(lái)儲(chǔ)存摩擦調(diào)節(jié)劑，采用太陽(yáng)能直流供電。圖1為摩擦管理試驗(yàn)中使用的道旁軌頂涂覆設(shè)備的組成部件。

每套PROTECTOR Ⅳ道旁軌頂涂覆設(shè)備均安裝有數(shù)字控制裝置，使用可編控設(shè)置可將摩擦調(diào)節(jié)劑精確地輸送到相應(yīng)鋼軌位置，泵送時(shí)間按每0.05 s 1次進(jìn)行調(diào)節(jié)，泵啟動(dòng)間隔依據(jù)通過(guò)車軸的數(shù)量予以調(diào)節(jié)。

圖1 道旁軌頂涂覆設(shè)備的組成部件

2)道旁軌距面涂覆設(shè)備

軌距面潤(rùn)滑采用PROTECTOR Ⅳ道旁軌距面涂覆設(shè)備，設(shè)備還包含2只MC-4XL 16孔GreaseGuideTM涂覆板(每根鋼軌各安裝1只)。軌距面涂覆設(shè)備使用360 L (95美加侖) 型儲(chǔ)罐來(lái)儲(chǔ)存潤(rùn)滑脂，采用太陽(yáng)能直流供電。圖2展示了摩擦管理試驗(yàn)中使用的道旁軌距面涂覆設(shè)備的組成部件。

圖2 道旁軌距面涂覆設(shè)備的組成部件

每套PROTECTOR Ⅳ道旁軌距面涂覆設(shè)備均安裝有數(shù)字控制裝置，使用可編控設(shè)置可將潤(rùn)滑脂精確地輸送到相應(yīng)鋼軌位置，泵送時(shí)間按每0.05 s 1次進(jìn)行調(diào)節(jié)，泵啟動(dòng)間隔依據(jù)通過(guò)車軸的數(shù)量予以調(diào)節(jié)。

2 武漢北編組站涂覆設(shè)備應(yīng)用實(shí)例

2.1 武漢北編組站涂覆設(shè)備安裝概況

武漢北編組站位于湖北省武漢市黃陂區(qū)橫店街道，是亞洲規(guī)模最大的編組站之一，為武漢鐵路局下轄的特等站。武漢北編組站按雙向三級(jí)七場(chǎng)規(guī)模建設(shè)。該站俯瞰外形大致呈葫蘆狀，平均寬度為800～1 000 m，占地縱深約5 km，共有站線112條，總長(zhǎng)約222 km。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查以及與武漢北線路車間交流討論后，武漢北三場(chǎng)于2015年9月7日安裝了1臺(tái)軌距面涂覆設(shè)備(2016年11月在武漢北一場(chǎng)安裝軌距面、軌頂涂覆設(shè)備各1臺(tái))，采用ProCurveTM 特級(jí)潤(rùn)滑脂來(lái)潤(rùn)滑保護(hù)鋼軌和道岔。現(xiàn)以武漢北三場(chǎng)軌距面涂覆設(shè)備為例進(jìn)行跟蹤分析，設(shè)備安裝于武漢北三場(chǎng)3001岔前100 m處。設(shè)備主要覆蓋區(qū)域見(jiàn)圖3中的黑體部分。

圖3 武漢北三場(chǎng)南北岔區(qū)平面示意

2.2 設(shè)備日常管理

1)工區(qū)日常巡查

為保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，要求責(zé)任工區(qū)日常巡查，巡查至少每周1次。遇巡查周期申報(bào)日常作業(yè)計(jì)劃時(shí)，派工單作業(yè)地點(diǎn)需含涂覆板安裝地點(diǎn)。巡查中使用3G手機(jī)拍照并上傳，若發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)做好記錄并通知包保人，工區(qū)填寫巡查表并留存?zhèn)洳椤?/p>

2)線路車間日常管理

每月責(zé)任車間主管材料副主任對(duì)各工區(qū)所有固定涂覆設(shè)備檢查2遍，如實(shí)填寫設(shè)備檢查表，并督促工區(qū)做好日常巡查。車間材料副主任每月對(duì)油缸油料進(jìn)行檢查，使用卷尺對(duì)油料至油缸頂部的距離進(jìn)行測(cè)量，油量警戒線為500 mm,低于警戒線必須加裝油料。當(dāng)進(jìn)行線路維修且施工作業(yè)會(huì)影響設(shè)備正常使用時(shí)，聯(lián)系廠家對(duì)線上設(shè)備(涂覆板、傳感器、聯(lián)結(jié)閥門、輸油管路、電信號(hào)傳輸線等)進(jìn)行拆除與還原。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

分析和對(duì)比武漢北三場(chǎng)進(jìn)場(chǎng)線的10組道岔和曲線鋼軌(分別為3001，3003，3067，3019，3115，3117，3039，3119，3127，3121號(hào)道岔以及岔間連接線路、曲線渡線等)，在安裝1臺(tái)軌距面涂覆設(shè)備前后的耗材費(fèi)用和人工費(fèi)用。

3.1 設(shè)備安裝前換軌費(fèi)用

根據(jù)武漢北線路車間提供的設(shè)備安裝前更換軌件統(tǒng)計(jì)表，計(jì)算得出從2014年1月初至2014年12月底，上述10組道岔和曲線鋼軌區(qū)域消耗軌件費(fèi)用(見(jiàn)表1)和人工費(fèi)用(見(jiàn)表2)。

表1 設(shè)備安裝前消耗軌件費(fèi)用

表2 設(shè)備安裝前人工費(fèi)用

則2014年更換軌件費(fèi)用總計(jì)為45.06萬(wàn)元+25.03萬(wàn)元=70.09萬(wàn)元。

3.2 設(shè)備安裝后換軌費(fèi)用

武漢北三場(chǎng)于2015年9月7日安裝了1臺(tái)軌距面涂覆設(shè)備。根據(jù)武漢北線路車間提供的設(shè)備安裝后的更換軌件統(tǒng)計(jì)表，計(jì)算得出從2016年1月初至2016年12月底，上述10組道岔和曲線鋼軌區(qū)域消耗軌件費(fèi)用(見(jiàn)表3)和人工費(fèi)用(見(jiàn)表4)。

表3 設(shè)備安裝后消耗軌件費(fèi)用

表4 設(shè)備安裝后人工費(fèi)用

則2016年更換軌件費(fèi)用總計(jì)為23.12萬(wàn)元 +12.51萬(wàn)元=35.63萬(wàn)元。

3.3 涂覆設(shè)備消耗材料成本

武漢北三場(chǎng)軌距面涂覆設(shè)備所覆蓋線路每天通車量為31列，則每年通車總量約為31列/d×365 d=11 315列。以平均每列車55節(jié)車廂計(jì)算，設(shè)備覆蓋線路年通車總軸數(shù)為 11 315×55× 4=2 489 300軸。

輪距面涂覆設(shè)備消耗的潤(rùn)滑脂為0.25 L/1 000軸，故1臺(tái)設(shè)備年消耗潤(rùn)滑脂為622.3 L。潤(rùn)滑脂單價(jià)為122元/L,則潤(rùn)滑脂年消耗費(fèi)用為75 924元。

1臺(tái)軌距面涂覆設(shè)備的價(jià)格為 240 000元,假設(shè)設(shè)備使用壽命為15年，則每年平均設(shè)備費(fèi)用為1.6萬(wàn)元。則平均每年1臺(tái)軌距面涂覆設(shè)備消耗總費(fèi)用為 75 924元+16 000元=9.19萬(wàn)元。

以上為工務(wù)專業(yè)各類消耗，并未考慮機(jī)車及車輛的損耗。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

設(shè)備使用前2014年更換軌件總費(fèi)用為70.09萬(wàn)元，設(shè)備使用后2016年更換軌件總費(fèi)用為35.63萬(wàn)元，使用摩擦控制技術(shù)每年消耗總費(fèi)用為9.19萬(wàn)元。則使用1臺(tái)軌距面涂覆設(shè)備后每年節(jié)約總成本為70.09萬(wàn)元-35.63萬(wàn)元-9.19萬(wàn)元 = 25.27萬(wàn)元。

實(shí)施全面摩擦控制技術(shù)后，實(shí)際帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益不止于此，如減少了機(jī)車、車輛等養(yǎng)護(hù)修理次數(shù)。此外，還使得工務(wù)人員維護(hù)周期延長(zhǎng)，減少上道作業(yè)次數(shù)，降低行車、人身安全隱患,帶來(lái)了良好的社會(huì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

武漢北編組站安裝全面摩擦控制系統(tǒng)后，減緩了道岔及曲線鋼軌磨耗，抑制了波磨的增長(zhǎng)，減小了滾動(dòng)接觸疲勞，同時(shí)有效地減小了軌道橫向力，從而降低了脫軌風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)武漢北線路車間更換軌件統(tǒng)計(jì)表，對(duì)比設(shè)備安裝前后的換軌記錄，可知設(shè)備安裝后相同時(shí)長(zhǎng)內(nèi)更換軌件減少近1/2，說(shuō)明采用軌距面涂覆設(shè)備可延長(zhǎng)道岔和曲線鋼軌使用壽命近1倍。通過(guò)經(jīng)濟(jì)效益分析發(fā)現(xiàn)，采用軌距面涂覆設(shè)備后，節(jié)約了超過(guò)1/3的換軌成本，經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益良好。

[1]中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵運(yùn)[2006]146號(hào) 鐵路線路修理規(guī)則[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2006.

[2]姚玉俠.鐵路曲線鋼軌側(cè)面磨耗原因及減緩措施[J].鐵道運(yùn)營(yíng)技術(shù)，2006(4):24-27.

[3]魏家沛，李國(guó)芳.曲線幾何參數(shù)對(duì)車輛輪軌磨耗的影響[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2013(4):33-36.

[4]李新元，范友崗.論曲線鋼軌固體潤(rùn)滑減磨技術(shù)[J].山西科技，2013(7)：67-69.

[5]王守信.鋼軌側(cè)向磨耗成因的理解和分析[J].安徽冶金，2002(2)：41-42.

[6]周韶博，張銀花，張關(guān)震，等.高速車輪材料與U71MnG鋼軌材料的摩擦磨損試驗(yàn)[J].鐵道建筑，2017,57(9):128-131.

[7]羅國(guó)偉,李偉.重載鐵路鋼軌潤(rùn)滑及摩擦控制研究[J].鐵道建筑，2011,51(4):114-116.

[8]宋華，楊建，杜星龍，等.輪軌滾動(dòng)接觸問(wèn)題的研究現(xiàn)狀[J].遼寧科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，39(1)：39-41.

[9]王彩云，申甌，劉啟躍.車速變化對(duì)鋼軌磨損影響的數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究[J].潤(rùn)滑與密封，2001，36(11):19-24.