道岔尖軌減磨劑涂覆裝置的研究與設計

郭宏偉 李學鵬

（1.沈陽鐵路局科學技術研究所，遼寧 沈陽 110013；2.沈陽鐵路局沈陽供電段，遼寧 沈陽 110000）

1 概述

道岔是一種使機車車輛從一股道轉入另一股道的線路連接設備，通常在車站、編組站大量鋪設。由于道岔具有數量多、構造復雜、使用壽命短、限制列車速度、行車安全性低、養護維修投入大等特點，與曲線、接頭并稱為軌道的三大薄弱環節。因此道岔的技術性能和質量關系到列車行車速度、平穩性及運輸安全。道岔尖軌作為道岔中最薄弱的環節，尖軌使用壽命直接關系到道岔的壽命。當列車通過道岔側向時，對尖軌的縱向和橫向造成沖擊，導致尖軌側面磨損；尤其是重載列車通過道岔時，會加劇道岔尖軌的磨損程度，嚴重影響道岔的使用壽命，造成鐵路運行成本增加。因此，減緩道岔尖軌的磨損，延長道岔使用壽命，對于節約運行成本，提高鐵路運營效益具有重要作用。

目前，實用性較好、比較有效減緩道岔尖軌磨耗的方法是在尖軌側面涂覆減磨劑。實際運用證明，涂覆尖軌減磨劑能延長尖軌使用壽命達2個周期。但是，現有的尖軌減磨劑涂覆作業方式主要采用手工涂覆或簡單機具涂覆，隨著鐵路運量的增大以及貨運列車行車密度的加大，現有的尖軌減磨劑涂覆作業方式，已不能滿足重載鐵路道岔曲尖軌的減磨需求，影響了尖軌減磨劑的實際作用效果。為了解決此問題，研制了一種道岔尖軌減磨劑的涂覆裝置，該裝置具有涂覆過程穩定，涂覆位置準確，涂覆流量可調等特點，為提高尖軌減磨劑實際作用效果提供了技術支持。

2 尖軌減磨劑涂覆方案的選擇

道岔與一般線路的區別不僅在于復雜的軌線布置和走行線路轉換，而且在于其多變的輪。

岔接觸幾何關系。當車輪對從基本軌過渡到尖軌時（圖1），車輪輪緣與尖軌作用邊接觸點上的壓強很大，當壓強超過尖軌的屈服應力，接觸點頂部就發生塑性變形；同時車輪滾動時，輪緣在尖軌側面產生滑動，使接觸點的塑性部分和彈性部分的過渡區間出現變形，形成了曲尖軌的側面磨耗。

圖1 轉輒區輪軌接觸狀態

通過對重載運輸條件下道岔尖軌磨耗原理進行分析可知，輪軌之間的潤滑屬于邊界潤滑，它通過第三介質的作用，在輪軌表面形成邊界潤滑膜，使其摩擦過程主要發生在邊界膜內，以降低輪軌之間的磨損。因此邊界潤滑膜的結構，形式與性能，決定潤滑效果的優劣。

由于尖軌減磨劑屬于固態減磨劑，可以直接將其涂抹于尖軌側面，但這種涂覆方式形成的潤滑膜較薄，達不到良好的減磨效果。因此，為了達到尖軌減磨的最佳效果，設計的尖軌減磨劑涂覆方案為在規定的工作溫度下將熱熔后的液態尖軌潤滑減磨劑連續地噴涂到尖軌的側面，讓液態的尖軌潤滑減磨劑在尖軌側面凝固并形成一層均勻的、連續的干式潤滑膜；在列車經過時，尖軌潤滑減磨劑轉移到列車輪緣上，對輪緣進行潤滑，從而達到最佳的減磨效果。

3 涂覆裝置的組成及工作原理

尖軌減磨涂覆裝置由電熱儲料單元、電熱輸料單元、控制系統和供電電源組成，其組成結構如圖2所示

圖2 尖軌減磨涂覆裝置組成結構圖

電熱儲料單元由儲料器和電熱元件組成，采用在儲料器的外表面纏繞自控溫電加熱帶作為儲料單元的加熱方式為其進行供熱。電熱輸料單元由輸油機構和電熱元件組成，采用PTC半導體電熱元件和碳纖維電阻絲相結合的加熱方式為整個輸料單元進行加熱，輸油機構由直流電機和齒輪泵組成，通過直流電機驅動齒輪泵進行輸油作業。控制系統是對整個涂覆裝置的作業過程進行控制。供電電源是對涂覆裝置進行供電，涂覆裝置是在戶外使用，而且使用過程中均處于移動狀態，在滿足供電容量需求的情況下要保證供電裝置的便攜性和輕便性，因此采用鋰電池作為涂覆裝置的供電電源。

涂覆裝置的工作原理為首先將熱熔后的液態尖軌減磨劑注入到電熱儲料單元中，同時開啟加熱控制開關，對整個涂覆裝置進行加熱，待涂覆裝置加熱到規定作業溫度后，開啟涂覆作業控制開關進行涂覆作業，在涂覆作業過程中可根據現場尖軌的實際磨損情況，適當調整尖軌減磨劑的涂覆流量以滿足尖軌減磨的要求。

4 涂覆裝置的結構設計

4.1 外形設計

通過分析涂覆作業過程可知，由于涂覆位置位于尖軌側面，為了保證涂覆位置準確和現場涂覆作業良好的操控性能，涂覆裝置應能在單股軌道上平穩走行。根據涂覆裝置現場使用環境可知，涂覆裝置應屬于戶外作業設備，而且經常與鋼軌接觸不可避免與鋼軌發生碰撞，涂覆裝置應具有一定的強度和較長的使用壽命。涂覆裝置的結構設計為手推式并且能夠在單股鋼軌上行走的小車，其結構如圖3所示。

圖3 涂覆裝置組成結構示意圖

4.2 輸油噴嘴的設計

輸油噴嘴是涂覆裝置的關鍵部件，其決定涂覆作業的效果。由于輪軌接觸時，車輪踏面與鋼軌頂面接觸需要保持較高的粘著系數，而車輪輪緣與尖軌內側圓角接觸需要潤滑減磨，潤滑材料只能涂抹于輪緣與鋼軌內側圓角上。由于輸油噴嘴始終與鋼軌保持接觸，要求輸油噴嘴應具有一定的耐磨性能。

因此，將輸油噴嘴設計成雙層結構，里層為不銹鋼輸油管，外層位尼龍護套，同時將噴嘴結構依據尖軌的軌頭形狀設計成圓弧形，其外形結構如圖4所示。

在整個涂覆過程中尖軌頂面逐漸變窄，輸油噴嘴要始終與尖軌側面保持貼密，因此采用彈簧將輸油噴嘴與涂覆裝置進行連接，通過改變彈簧的拉伸尺寸，來保證輸油噴嘴與尖軌側面的貼密性。

圖4 輸油噴嘴結構示意圖

5 控制系統的設計

涂覆裝置的控制系統由涂覆裝置加熱單元、涂覆流量調節單元、定溫涂覆作業單元和裝置顯示單元組成，控制系統的組成結構如圖5所示。

圖5 涂覆裝置控制單元組成結構圖

5.1 系統控制方案

在涂覆裝置的控制系統中，涂覆裝置加熱單元采用無觸點式電子開關對電熱元件的導通和停止進行控制。涂覆流量調節單元采用脈沖寬度調制技術對直流電機進行調速，通過改變直流電動機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速。定溫涂覆作業單元采用在電機的控制電路中加入電子溫控開關，從而限制電機啟動的溫度，以達到保護電機的目的。涂覆裝置的顯示單元采用電壓電流表和數字溫度表對涂覆裝置的工作參數進行實時顯示，便于涂覆專業人員對涂覆裝置的狀態進行監控。

5.2 涂覆流調節單元的設計

5.2.1 原理分析

涂覆裝置執行機構采用直流電機驅動齒輪泵進行輸油工作，因此通過改變直流電機的轉數可實現齒輪泵流量的調節。采用脈沖寬度調制（PWM）技術來對直流電機進行調速，與一般直流調速相比，既減少了對電源的污染，而且使控制過程更簡單方便，其控制的示意圖如圖6所示。可控開關S以一定的時間間隔重復地接通和斷開，當S接通時，供電電源US通過開關S施加到電動機兩端，電源向電機提供能量，電動機儲能；當開關S斷開時，中斷了供電電源US向電動機電流繼續流通。

圖6 PWM控制示意圖

這樣，電動機得到的電壓平均值Uas為：

式（1）中，ton為開關每次接通的時間，T為開關通斷的工作周期，（即開關接通時間ton和關斷時間toff之和），α為占空比，α= ton/T。

5.2.2 設計方案

設計的涂覆流調節單元采用脈沖控制模塊和驅動模塊組成一個單極性驅動直流電機的控制系統。驅動模塊采用LMD18200，該芯片內部集成了四個DMOS管，組成一個標準的H型驅動橋。脈沖控制模塊主要用于產生PWM控制信號，通過調整輸入PWM信號的占空比，來調整電機轉數，電機驅動內部結構如圖7 所示。

圖7 電機驅動內部結構

6 現場運用

該道岔尖軌減磨涂覆裝置在阜新工務段和沈陽工務段進行了現場使用，現場試驗證明該裝置機械結構穩定能夠平滑地在軌面上行走，在進行涂覆作業時，噴涂流量穩定無堵塞，涂覆位置準確，涂覆效率高，同時該裝置操作簡便，便于掌握。

圖8 現場涂覆作業

圖9 涂覆效果

結語

本文通過分析重載鐵路運輸條件下道岔尖軌的磨耗原理以及目前尖軌潤滑減磨劑涂覆方式存在的弊端，制定了尖軌潤滑減磨劑的涂覆方案，設計了適應重載運輸條件下尖軌潤滑減磨劑的涂覆裝置，該裝置已通過沈陽鐵路局科技成果鑒定。現場運用證明，利用減磨涂覆裝置進行涂覆作業，降低了作業強度，提高了作業效率，為提高尖軌減磨劑實際作用效果提供了技術支持，對降低鐵路運營成本，保證鐵路運輸安全具有重要意義。

[1]金學松，劉啟躍.輪軌摩擦學[M]. 北京：中國鐵道出版社，2004.