诌议铁路轮轨润滑减磨技术的应用

王令朝
( 上海铁路局技术监督所，上海， 200071 )

摘  要：在介绍轮轨润滑减磨技术应用对铁路轮轨重要性的基础上，论述了轮轨润滑减磨技术及其装置的作用、方式和性能，以及轮轨润滑减磨技术应用的经济效益，并通过液态润滑和固态润滑两种技术方式的对比，分析了轮轨润滑减磨技术今后的发展方向，以供铁路机务、工务部门选择和参考。
关键词：铁路轮轨；润滑减磨；技术探讨

Abstract: in the wheel rail lubrication antifriction technology application based on the importance of railway wheel and rail, this paper discusses the wheel rail lubricating technology and its device, and performance, and wheel rail lubrication reduction grinding the economic benefit of the application technology, and through comparison of liquid lubrication and solid lubrication two technology, analysis of the wheel rail lubrication antifriction technology development direction in the future, for railway locomotive and works departments selection and reference.
Key words: railway wheel rail; lubrication and reducing mill; technology discussion

在“十二五”期间内，我国铁路建设呈现一派高歌猛进飞速增长景象，截止2015年底，我国铁路营业总里程已达到12.1万km，其中高速铁路里程为1.9万km，位列世界高速铁路国家的榜首。然而，随着铁路里程的不断增长、列车运行速度的不断提高，世界各国铁路部门都面临着一个新的挑战，即机车轮缘及线路钢轨的磨损量呈现急剧上升的趋势。本文从国内铁路运行的现状出发，就降低机车轮缘及钢轨磨耗的技术课题进行分析探讨，以供铁路机务、工务部门及相关人员选择和参考。

1 应用润滑减磨技术的重要性
众所周知，目前铁路客、货列车运行主要采用轮轨系统模式，车轮和钢轨之间因直接接触摩擦而产生磨损是一个不可避免的现象，这种磨损在线路曲线区段、高速、重载行驶区段中尤为严重。为此，国内外铁路部门都十分重视轮轨磨损问题，纷纷采取各种技术举措来降低轮轨磨损所带来的损失和风险。根据国内部分机务段、工务段现场调查、测试和统计数据表明，应用润滑减磨技术对于机车车轮和线路钢轨的维护保养工作具有着十分重要的现实意义，反之，轮轨磨损会给日常维护保养工作带来以下5个方面的不利后果。
第一，据机务部门现场测试和统计数据表明：通常，机车每行驶105km其轮缘磨损量在2.0mm至4.0mm范围内；在山区或曲线区段较多的线路上，机车每行驶105km其轮缘磨损量在4.0mm至8.0mm范围内。依据2014年新版《铁路技术管理规程》有关机车轮缘厚度的规定，往往在行驶不足105km或机车中修期限之前，就必须对机车车轮进行旋修作业。
第二，机车轮对旋修实践证明，1个轮对在正常使用状态下平均进行三次旋削维护后，其车轮轮缘厚度等尺寸已经超过规定的极限数值，即轮对必须更换轮箍或报废。对于组合式车轮的机车而言，每次轮对旋修的材料化费是一笔不小的维修成本开支；对于整体式车轮的机车而言，经三次旋削维护后其轮对就要彻底报废，目前整体式车轮机车逐步替代组合式车轮机车已成为主流，其更换轮对的成本支出则更加可观。
第三，据工务系统换轨统计数据分析，我国铁路有20%~30%的线路区段钢轨磨损率数据超过国外严重磨损率水平，大约有60%的曲线区段钢轨因车轮冲压磨擦造成钢轨顶面波磨及侧磨严重损伤，钢轨日常维护和换轨不啻是一笔巨大的成本开支。
第四，因机车车轮轮缘磨损需要进行落轮旋修，而造成的机车停运除了会降低机车的正常使用效率之外，也会带来诸如机车配备、调用、交路计划等额外的间接经济损失；同样，运行线路钢轨磨损维护检修和换轨作业，除了会影响到正常线路的运行效率，也会影响到维修检测“天窗”计划的安排、人员、设备和器材的调用，不可避免地会带来人、财、物的损失。
第五，机车车轮轮缘和线路钢轨的磨损在一定程度上给客、货运列车运行带来了安全上的隐患，严重时甚至会引发重大的安全安全事故。在这方面，无论是我国铁路系统还是国外铁路先进发达国家都曾经有过沉重惨痛的事故教训。1998年，发生在德国的ICE高速列车脱轨事故，造成旅客和乘务人员死亡101名、重伤84名，直接经济损失约1亿欧元；2000年，在英国一列从伦敦驶往利兹的快速列车，因一段曲线区段外侧钢轨严重磨损，列车通过时发生断裂而脱轨；在国内，近10年至少发生过12起列车脱轨重大大事故，其中不乏有因机车车轮轮缘或钢轨严重磨损而引发的列车脱轨重大大事故。

2 轮轨润滑减磨技术及其装置
2.1 轮轨润滑减磨技术
纵观世界各国轮轨减磨技术，主要表现在轮轨制造和运行维护两个方面。一个方面是在车轮和钢轨生产制造中采取各种技术举措，来提高其抗磨性能，例如，改进车轮和钢轨制造原材料的成份配方或品种；又如；改进车轮和钢轨的制造工艺方案；再如，改进车轮轮缘、踏面和钢轨外形截面几何尺寸等设计方案，等等。
另一个方面是在机车车轮和线路钢轨运行过程中采取各种减磨技术和维护措施，来延缓车轮和钢轨磨损的程度，例如，改进道岔结构采用可动心轨的辙叉，以最大限度消除车轮对心轨的垂直冲击，从而降低车轮和钢轨的磨损程度；又如，对运行线路钢轨和道岔进行定期打磨作业，对运行机车车轮进行定期旋削作业，以消除磨损所造成的形状变化，尽可能让车轮和钢轨技术参数保持在技术标准的规定范围之内；再如，对运行线路钢轨和机车车轮轮缘涂覆润滑油脂、乳胶状润滑剂或固体润滑薄膜，以降低钢轨和车轮间的摩擦系数，从而达到线路钢轨和机车车轮轮缘的减磨效果。
国内外铁路线路和机车的运行实践证明：从各种轮轨减磨技术的研制周期、成本投入和实施难易等角度出发，绝大多数国家铁路部门普遍积极采用轮轨润滑减磨技术，也就是说，在运行机车上安装各种轮缘润滑器(装置)，对钢轨则采用自动或人工方式涂覆润滑油、润滑脂或固体润滑薄膜。这种轮轨润滑减磨技术简单可行，减磨效果比较明显，投入成本不高，设施运行维护十分便利，深受用户欢迎。
2.2 轮轨润滑装置概述
2.2.1 钢轨油脂润滑装置
通常，工务维护部门采用在短途客车上安装钢轨涂油装置和每天指派专职涂油工随车作业。通过涂油装置的油管将润滑油脂喷涂在钢轨侧面。

(1)手动涂油方式
手动涂油装置由预压力储油罐、手动喷射泵、油管和喷油嘴等部件组成。使用时，将油脂装入储油罐内，通过打气筒给储油罐加压，油脂在压力作用下进入手动喷射泵，人工往复压动喷射泵杠杆便可将油脂喷射到钢轨润滑面上。
(2) 电动涂油方式
电动涂油装置由储油箱、齿轮泵、电源及开关等部件组成。使用时，接通电源依靠电机驱动齿轮泵来提供油脂喷射动力。
2.2.2 钢轨固体润滑装置
(1) 溶剂型固体涂覆方式
它是一种先将树脂类润滑物质溶解后灌入装置的密闭容器，使用时通过齿轮泵和自带电源将溶解液体物质喷涂在钢轨润滑面上的润滑方式，喷涂后的物质随着溶剂的挥发，润滑物质会在钢轨表面形成一层润滑薄膜。
(2) 固-液-固涂覆方式
它是一种先将固体润滑剂预热融化到90℃以上后保温储存，使用时将其灌入喷涂装置内，接通列车电源加热喷嘴，并启动齿轮泵将润滑剂喷涂到钢轨润滑面上的润滑方式，润滑剂因遇冷而凝固，在钢轨润滑面上形成一层润滑薄膜。
(3) 固体直接涂覆方式
它是一种利用车载润滑装置润滑棒与钢轨轨距角位置接触的涂覆方式，当列车车体通过曲线区段时，润滑棒便在指定钢轨位置上进行涂覆，而在直线区段内，润滑棒不会与钢轨直接接触。
(4) 固-液-固智能涂覆方式
它是一种利用GPS远程监控的车载智能钢轨润滑装置，其车载主控制单元可以根据收到的控制数据指令，自动识别需要喷涂润滑剂的轨道区段，对钢轨实施涂覆润滑剂的作业。
2.2.3 机车轮缘润滑装置
机车轮缘润滑装置主要有油脂润滑和固体润滑两大类。
机车轮缘油脂润滑装置的工作原理与钢轨油脂润滑装置基本相同，所不同的是它安装在机车的转向架上，并利用机车风压喷涂石墨润滑脂，油脂喷出后呈雾化状态，附着在轮缘表面起到润滑减磨作用。
机车轮缘固体润滑装置的工作原理主要是使用固体的以石墨材料为主的润滑棒(块)，通过安装在机车转向架部位的安装装置在机车轮缘上涂覆一层石墨薄膜，以达到轮缘润滑减磨效果。根据润滑棒(块)安装装置的结构、涂覆作用力等方式的不同，目前机车轮缘固体润滑装置种类繁多，常见的有外弹式、内弹式、重力式、复合式、二元式等几种轮缘润滑装置。
2.3 轮轨润滑技术对比解析
近几年来，我国铁路工务和机务部门已经从试验轮轨润滑减磨技术、小批量应用轮轨润滑装置阶段向逐步推广应用阶段发展，与此同时，工务、机务相关部门及现场人员在使用轮轨润滑装置实践中也取得了许多宝贵技术数据和运用经验。
从国内采用轮轨润滑减磨技术的发展过程来看，从上世纪八十年代开始，率先引进了油脂润滑技术的减磨方式，并经历了人工手动涂油到自动喷油的发展阶段，取得了一定的成效。由于油脂润滑技术存在着其固有的缺陷，即油脂涂覆性、流动性、润滑性不仅受到油脂自身的化学物理特性的制约，特别是轮缘处油膜在高达4000MPa的应力下很难长时间保持，而且还会受到气候、列车运行振动等环境条件的影响，同时，在进行油脂涂覆过程中不可避免地会产生飞溅和甩带现象，造成踏面及周边环境污染，严重时甚至会造成因机车牵引失效的列车中断事故。另外，人工手动涂油方式还存在着劳动强度大，涂覆均匀性、稳定性和完整性难以控制，作业效率不高等不足；自动涂油方式通常其装置结构较为复杂、维护工作困难，特别是随着铁路机车运行速度的提高，润滑油或半流质润滑脂在列车行驶气流影响下，其飞溅和甩带现象更为严重，非但会影响其润滑效果，而且还增加了管控的难度，一旦润滑剂进入机车电机电器装置还会降低其绝缘性能。
实践证明，固体润滑技术不存在油脂润滑装置复杂、涂覆层不匀、油脂飞散、污染环境等缺陷，容易形成一层均匀的润滑薄膜，从而实现轮轨全线润滑减磨的目的。需要指出的是，其润滑减磨效果主要取决于固体润滑棒(块)的化学物理性能，其中关键的要素是固体润滑棒(块)应具有良好的粘附能力、较强的转移能力和较长的保护时间。与此同时，针对不同型号的客、货机车，应依据其机车结构和性能设计和采用不同的安装装置，以满足实际使用的需求。

3 经济效益分析
据铁路工务部门统计，仅在“十五”期间内，每年用于既有线路大修和维修所消耗的钢轨约为70万t，其中因严重磨损而更换的钢轨每年约50万余t。据2003年铁路安全部门调查数据表明：全路因钢轨损伤而更换所需的材料及人工费用约为50亿元，其中，因钢轨压溃、侧磨、波磨等损伤占钢轨损伤总量的80%以上。通过工务部门现场使用钢轨润滑技术的实际效果，经科研人员测算，采用钢轨润滑技术每年可以减少更换钢轨三分之二以上，节省换轨材料及人工费用数十亿元。
目前，我国铁路客、货机车保有量大约为1.6万台，全路机务段每年维修和更换车轮的工作量和费用开支是一个十分可观的数字。以下通过丰台、杭州等机务段对DF4型机车车轮轮缘旋修和换轮统计数据加以说明。
一台机车车轮旋轮费用约为6.9万元，其中，停运2天损失3.6万元，旋修6个轮对费用为3万元，他费用0.3万元。一台机车车轮换轮费用约为46万元，其中，停运2天损失3.6万元，1个整体式轮对8.8万元，1个组合式轮对4.9万元，1个轮对平均费用为6.85万元，6个轮对费用为41.1万元；其他费用为0.3万元。由此可见，若按全路客、货机车保有量1.6万台计算，每年仅因机车车轮轮缘磨损进行一次旋修的费用损失就高达11亿元，这还不包括动车组的车轮旋修费用损失。通过机务部门现场使用轮缘润滑技术的跟踪统计，经科研人员测算，采用轮缘润滑技术后机车车轮使用寿命可延长1倍左右，一台机车每年可以减少落轮旋修4～6个轮对，除去机车轮缘润滑材料的费用支出，全路每年至少可以节省7.4亿旋轮维修费用。
除此之外，采取有效的轮轨润滑技术不仅可提高线路运输能力，而且还可以降低列车运行能源消耗25%～35%，在当前能源紧张、价格上升的情况下，有利于降低运输成本。

4 未来的发展趋势
随着高分子材料新科技的迅猛发展，固体润滑材料越来越彰显出其润滑性能的特点和优越性，固体润滑材料替代液体润滑油已成为今后轮轨润滑技术的发展方向，这一点在国外先进铁路国家的实践中也得到了证实。
通过现场运行试验检测统计数据样本表明：机车轮缘润滑油减磨方式其最大磨耗速度为4.28mm/105km，而固体润滑减磨方式其最大磨耗速度为1.08mm/105km，可见两者的磨耗速度数值差为3.2mm/105km，也就是说，润滑油润滑方式的机车车轮轮缘磨耗速度是固体润滑方式的3.96倍。由此可见，固体润滑方式不仅能够更有效地降低机车车轮轮缘磨损程度，延长机车车轮的使用寿命，而且还可以提高列车的行驶速度和载重能力。
运行实践证明，固体润滑的减磨效果主要取决于固体润滑棒(块)的性能，目前，国产固体润滑棒(块)的技术性能参差不齐，还有进一步改进提高的余地。据北京局科委技术审定资料披露，浙江宝晟铁路新材料科技有限公司生产的固体润滑器性能优良，其中固体润滑棒(块)更是异军突起，采用先进的特殊材料配方，拥有8项技术专利，其减磨性能及性价比在国内处于领先地位，各项技术指标能与国外著名Kelsan公司产品并驾齐驱。据悉，该公司产品已在北京、呼和浩特、沈阳、乌鲁木齐等铁路局和青藏铁路公司等单位试验和投入运用，部分产品已出口到波兰、美国等铁路系统。
有关专家预测，固体润滑方式是未来的发展方向，在钢轨润滑领域中，山区、曲线以及客货运量巨大的区段将会成为固体润滑的重点：在机车车轮轮缘润滑领域中，在近几年内一段时间内，固体润滑(干式润滑)方式与润滑油(湿式润滑)方式仍会共存一段时间，但最终将是固体润滑方式的一统天下。