機車輪緣干式減磨新技術(shù)的應(yīng)用研究

汪忠平，許海東

（北京鐵路局 豐臺機務(wù)段，北京100071）

近年來，隨著中國鐵路機車牽引速度和噸位的不斷增加，機車輪緣磨損也逐漸加劇，成為制約機車運用效率的瓶頸之一。以北京鐵路局豐臺機務(wù)段為例，主力牽引車型“和諧”系列的電力、內(nèi)燃機車輪緣普遍存在著磨耗過快的問題。有案例表明，一副設(shè)計壽命為120萬km的HXD3B型機車輪對僅走行50萬km左右就因旋修后輪徑到限而報廢。在較為頻繁的旋輪、調(diào)換轉(zhuǎn)向架、換輪的循環(huán)中，機車運用效率受到影響，檢修成本增加。因此，降低機車輪緣磨損率是迫切需要解決的問題。

影響機車輪緣磨損的因素很多，包括輪緣材質(zhì)、軸重、輪軌外形的匹配度、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)、行車速度、潤滑措施等［1］，是個復(fù)雜的摩擦學(xué)工程問題。處在機車運用一線的機務(wù)段，普遍采用的是車載輪緣減磨技術(shù)——如向輪緣噴油、脂的濕式潤滑與采用棒材的干式潤滑［2］方法予以緩解。多年應(yīng)用表明，這種基于輪軌潤滑機理的減磨方式已取得效果，得到認可。但面對值機（值班機車）山區(qū)線路機車輪緣十分嚴(yán)重的磨損形勢，尋求新的減磨材料和技術(shù)以提高輪緣的耐磨性已迫在眉睫。為此，北京鐵路局科委已立項開展新型機車輪緣減磨技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用研究，至今取得積極的成果。豐臺機務(wù)段自2011年初，試用了以“金屬減摩修復(fù)技術(shù)”為理論基礎(chǔ)的新型機車輪緣減磨干式產(chǎn)品，經(jīng)過一年多的跟蹤測試，取得了顯著的降低輪緣磨損率的效果。

1 技術(shù)原理

傳統(tǒng)的輪緣減磨技術(shù)都是建立在輪緣潤滑機理上。濕式潤滑方式取得減磨效果但依賴于結(jié)構(gòu)較為精密、維修復(fù)雜的潤滑劑噴射裝置。但在4 000 MPa［3］的作用應(yīng)力下輪軌間油膜已被刺穿，失去潤滑效果。更為重要的是濕式潤滑方式存在著將潤滑劑噴射到軌面上的風(fēng)險，影響機車牽引力，甚至引發(fā)行車事故。干式潤滑通過壓力給進裝置將固體棒材準(zhǔn)確涂覆到輪緣位置，棒料供給與機車運行同步，維護簡便，受到機務(wù)段的歡迎。但多年應(yīng)用經(jīng)驗表明，傳統(tǒng)的以石墨為潤滑材料、以熱塑性材料為基材的減磨棒（以下簡稱為“碳棒”），在低速、低載荷的情況下能起到一定緩解輪緣磨損作用。但在高速、重載情況下，由于石墨承載力不足、高溫潤滑能力差，輪緣減磨效果常常未能達到預(yù)期要求。同時也存在熱變拉絲、斷裂掉塊和電絕緣性能較差的缺點。

采用兼?zhèn)錅p摩和修復(fù)功能的“摩安（MORUN）”新型機車輪緣干式減磨新技術(shù)是一種金屬摩擦表面原位改性強化技術(shù)，屬于表面工程范疇，根本有別于依據(jù)潤滑工程理論的傳統(tǒng)技術(shù)。其工作原理是以Mg6Si4O10（OH）8為主要成分天然礦物功能材料介入到金屬摩擦副后，利用既有的摩擦學(xué)微觀環(huán)境，功能材料與金屬表面發(fā)生機械、物理和化學(xué)的綜合作用，使金屬摩擦表面金相結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、表面形貌得到改變，形成具有類陶瓷性質(zhì)的高硬度、低摩擦系數(shù)、耐腐蝕、耐高溫的新表面層。其宏觀表現(xiàn)就是提高了表面的耐磨性。

鐵道部運輸局裝備部在哈密機務(wù)段對這項新技術(shù)組織了為期5年的機車柴油機專項試驗，取得了節(jié)油2.2%、延長氣缸套、活塞壽命3倍的效果［5］。部分鐵路局如廣鐵集團的龍川機務(wù)段在鐵道部運輸局專門發(fā)文（運裝機檢［2004］229號）下已全面推廣應(yīng)用。機車柴油機主要運動部件的可靠性增加，全鐵路機務(wù)段連續(xù)3年保持每10萬km為0.03件以下的機破率，柴油機氣缸套的使用壽命增加到原來的4倍［6］。因此，將這項新技術(shù)延拓于輪緣減磨領(lǐng)域的應(yīng)用，有著充分的理論依據(jù)和扎實的實踐基礎(chǔ)。

2 技術(shù)指標(biāo)

試用的是“摩安（MORUN）”新型機車輪緣干式減磨系列產(chǎn)品中的Ⅰ型與Ⅲ型產(chǎn)品，經(jīng)X射線衍射分析，不存在雜質(zhì)礦物和石棉。兩型產(chǎn)品的具體技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 新型干式減磨產(chǎn)品的基本技術(shù)指標(biāo)

3 應(yīng)用研究結(jié)果

3.1 模擬比對試驗

在試驗室內(nèi)模擬“碳棒”和新型干式減磨產(chǎn)品與輪緣對摩，以比較減磨材料與輪緣的附著程度，見圖1。經(jīng)過同一載荷、同一轉(zhuǎn)速和同一時間段的對磨，由圖1所見，傳統(tǒng)“碳棒”在試樣表面上已留下熱變脫落絲狀物。而新型干式減磨產(chǎn)品在試樣表面上留下較大面積細膩、均勻的減磨材料涂敷層。

試驗室的模擬對比結(jié)果在實車應(yīng)用中得到證實。由圖2可見，輪緣外邊緣部位有一條涂有棒料的綠色條帶，由于該部位與鋼軌不接觸，故棒料膜層得以保留。而棒材接觸的輪緣部位非常光滑，無任何疲勞剝落跡象。良好的附著力是實現(xiàn)新材料減磨修復(fù)過程的前提。

圖1 模擬對磨的試樣表面照片（（a）對磨前；（b）“碳棒”對磨；（c）新技術(shù)產(chǎn)品）

圖2 新型干式減磨產(chǎn)品在輪緣表面的粘附條帶

3.2 應(yīng)用研究方法

在新造HXN5型機車上開展應(yīng)用試驗。試驗線路為京原線豐臺至靈丘段，每一折返約500 km，其中500 m曲線半徑1處，600 m曲線半徑34處，坡道的坡度最高達12‰，機車輪緣磨損非常嚴(yán)重。選擇此區(qū)段作為試驗線路，更利于考核產(chǎn)品的輪緣減磨性能。

應(yīng)用研究采用橫向?qū)Ρ鹊姆椒ǎ丛囼灆C車與同等數(shù)量、隨機抽取的同型號即用＂碳棒＂潤滑機車，在相同運用條件下作輪緣平均磨損率和最大磨損率的對比。

3.3 應(yīng)用結(jié)果觀察

在歷經(jīng)一年的試驗過程中，5臺試驗機車?yán)鄯e走行約30萬km，兩型產(chǎn)品經(jīng)受了冬夏兩季的氣候變化，跟蹤觀察結(jié)果表明棒體沒有出現(xiàn)過斷裂、掉塊、拉絲、粘接、融化等異常現(xiàn)象，棒體磨料與輪緣粘附良好，不污染車身、車輪踏面。棒材清潔，不污手，添加更換簡便。其中Ⅰ型產(chǎn)品每根（270 mm）使用里程在3萬km左右，Ⅲ型產(chǎn)品每根（270 mm）使用里程為5 000～8 000 km。

3.4 應(yīng)用結(jié)果分析

應(yīng)用研究結(jié)果見表2和表3。采用新型機車輪緣干式減磨系列產(chǎn)品的試驗車與采用“碳棒”的對比車相比，Ⅰ型產(chǎn)品的輪緣平均磨耗率、最大磨耗率分別降低8.1%和8.2%；Ⅲ型產(chǎn)品的輪緣平均磨耗率、最大磨耗率的降低幅度分別為44.0%和40.7%。Ⅰ型產(chǎn)品的特點是使用周期長，為即用“碳棒”的4～5倍，更適合應(yīng)用于在平直長大交路運用的機車。Ⅲ型產(chǎn)品的輪緣減磨效果突出，適用緩解在小曲線半徑較多線路上運用機車的輪緣磨損。新型干式產(chǎn)品的減磨效果在廣鐵集團廣州機務(wù)段、龍川機務(wù)段也得到了驗證。

表2 Ⅰ型產(chǎn)品的輪緣減磨損效果

表3 Ⅲ型產(chǎn)品的輪緣減磨效果

4 結(jié) 論

（1）在北京鐵路局豐臺機務(wù)段進行的應(yīng)用研究結(jié)果表明：以表面工程理論為基礎(chǔ)的“摩安（MORUN）”新型機車輪緣干式減磨新技術(shù)是安全、適用和有效的。兩種適用于不同線路產(chǎn)品的減磨效果，較即用產(chǎn)品分別提高了8%和40%以上。新型機車輪緣干式減磨修復(fù)新技術(shù)的采用會產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟和安全效益。

（2）應(yīng)用研究過程發(fā)現(xiàn)HXN5型機車輪緣磨損存在以下規(guī)律：1軸與4軸最為嚴(yán)重、2軸與5軸次之、3軸與6軸基本不磨。機務(wù)段常采用調(diào)整轉(zhuǎn)向架方向的方式平衡輪緣磨損、延長輪對使用周期。這種狀況對改進新型機車輪對設(shè)計具有一定參考價值。

（3）機車輪緣干式減磨的技術(shù)路線，相對濕式減磨方法具有使用安全、簡捷的優(yōu)點。新型的干式減磨修復(fù)材料的使用會大幅提升干式減磨技術(shù)的效能，彌補其不足。這對全國鐵路有關(guān)輪緣減磨技術(shù)的優(yōu)選決策，有著現(xiàn)實的參考意義。

［1］陳建平，臧建崗.改善輪緣磨耗延長輪對壽命［J］.機車車輛工藝，2004，（5）：43－44.

［2］張 念.我國鐵路潤滑技術(shù)的發(fā)展［J］.中國鐵路，2009，（9）：38－43.

［3］張 念.我國鐵路機車輪軌的潤滑［J］.合成潤滑材料，2009，36（1）：21－23.

［4］周平安.金屬磨損自修復(fù)材料的功能特點和應(yīng)用前景［J］.中國表面工程，2004，（1）：39－41.

［5］楊其明，白志民.超細蛇紋石粉體的材料特性、摩擦學(xué)介入行為及其工業(yè)應(yīng)用［J］.潤滑與密封，2010，（9）：98－101.

［6］賴建華，黃武彪.金屬減摩修復(fù)技術(shù)在鐵路機車柴油機上的應(yīng)用［J］.潤滑與密封，2010，35（12）：127－129.