現(xiàn)代低地板有軌電車輪緣潤滑裝置

申 灝，楊興寬，王冬冬，楊延峰，宋宏智，劉穎鑫

（中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京 100081）

現(xiàn)代低地板有軌電車以其編組靈活、節(jié)能環(huán)保、安全舒適和建設(shè)成本低等優(yōu)點在國內(nèi)外城市中得到廣泛應(yīng)用，以解決日益擁堵的城市交通問題[1-3]。與其他軌道交通車輛相同，現(xiàn)代低地板有軌電車在運行中，尤其是過彎道時，車輪輪緣與鋼軌會發(fā)生摩擦磨損。使用輪緣潤滑裝置適當(dāng)?shù)貪櫥囕嗇喚壓弯撥壾壘嘟强梢愿纳戚嗆壍慕佑|狀態(tài)，能夠延長車輪和鋼軌的使用壽命，并減少輪軌噪聲[4-5]。

1 技術(shù)背景

軌道交通車輛的輪緣潤滑裝置一般使用壓縮空氣驅(qū)動潤滑劑的噴射[6-8]，壓縮空氣由軌道交通車輛提供，而現(xiàn)代低地板有軌電車不設(shè)置壓縮空氣系統(tǒng)，其輪緣潤滑裝置需要采用其他動力源驅(qū)動潤滑劑噴射，或者自帶壓縮空氣系統(tǒng)以驅(qū)動潤滑劑噴射。

不利用壓縮空氣驅(qū)動潤滑劑噴射的輪緣潤滑裝置，通過電動泵將潤滑劑泵送至車輪附近，然后利用帶有加熱功能的噴射泵進行潤滑劑的噴射，噴射泵與噴嘴一同安裝在轉(zhuǎn)向架側(cè)梁端部，同時需要向噴射泵提供電源，從而實現(xiàn)加熱和噴射潤滑劑的功能。但是有軌電車在運行過程中，轉(zhuǎn)向架承受較高的沖擊振動，在轉(zhuǎn)向架上安裝部件承受的振動是在車體內(nèi)部安裝部件的?4～6?倍，承受的沖擊更是達到?6～10?倍。而帶有加熱功能的噴射泵屬于精密的電氣和機械部件，在高振動和沖擊的工況下，容易失效而導(dǎo)致輪緣潤滑裝置不能正常工作。

自帶壓縮空氣系統(tǒng)的輪緣潤滑裝置一般將小型空氣壓縮機和風(fēng)缸安裝在有軌電車乘客室的座椅下部，用來為輪緣潤滑裝置提供壓縮空氣，油箱安裝在車體底架下部，用來存儲和輸送潤滑劑，噴嘴通過支架安裝在轉(zhuǎn)向架側(cè)梁端部，位于車輪前方，用于向輪緣根部噴射潤滑劑。這種設(shè)計造成輪緣潤滑裝置的?3?個單元之間距離過長，壓縮空氣通過連接管路傳輸?shù)倪^程中，壓力損失較大。而受限于電氣功率和安裝空間，專用于輪緣潤滑裝置的空氣壓縮機功率較小，風(fēng)缸容量也較小，傳輸壓力損失過大會造成潤滑劑噴射的壓力不足，過長的傳輸管路也會降低輪緣潤滑裝置的響應(yīng)速度。

根據(jù)現(xiàn)代低地板有軌電車的車輛特點，研究了一種自帶風(fēng)源系統(tǒng)的集成安裝型輪緣潤滑裝置，除噴嘴和橡膠軟管外，全部集中布置在一起，形成集成單元。集成安裝的型式不僅接口簡單、占用空間小、便于安裝和維護，而且結(jié)構(gòu)緊湊，不需要過多的管路傳輸壓縮空氣，壓力損失小。另外，安裝在轉(zhuǎn)向架上的噴嘴內(nèi)部不存在機械運動，更沒有電氣元件，在沖擊振動的工況下工作可靠，不會因失效而影響輪緣潤滑裝置的工作。

2 輪緣潤滑裝置的組成及工作原理

自帶風(fēng)源系統(tǒng)的集成安裝型輪緣潤滑裝置包括車上（司機室）安裝的集成單元和轉(zhuǎn)向架上安裝的噴嘴和橡膠軟管，集成單元由電控系統(tǒng)、風(fēng)源系統(tǒng)、氣動執(zhí)行機構(gòu)和儲脂罐集中布置組成（圖?1）。

車輛通過電控系統(tǒng)為輪緣潤滑裝置供電并傳輸信號，電控系統(tǒng)監(jiān)測輪緣潤滑裝置各部分狀態(tài)，并根據(jù)車輛提供的信號及檢測到的車輛運行狀態(tài)輸出潤滑策略，控制輪緣潤滑裝置工作；風(fēng)源系統(tǒng)根據(jù)電控系統(tǒng)的指令產(chǎn)生并存儲用于驅(qū)動潤滑劑噴射的壓縮空氣；氣動執(zhí)行機構(gòu)根據(jù)電控系統(tǒng)輸出的潤滑策略開啟或關(guān)閉相應(yīng)的氣路，從而控制潤滑劑的噴射；儲脂罐內(nèi)置氣動泵并存儲潤滑劑，氣動泵在壓縮空氣的作用下將定量輸出的潤滑劑與壓縮空氣混合；混合了潤滑劑的壓縮空氣通過管路輸送到噴嘴，噴嘴將潤滑劑進一步霧化并高速噴射至輪緣根部。

圖1 自帶風(fēng)源系統(tǒng)的集成安裝型輪緣潤滑裝置系統(tǒng)圖

3 輪緣潤滑裝置的控制模式

輪緣潤滑裝置具備?2?種控制模式：定時加彎道識別的潤滑控制模式和輪緣磨損工況識別的潤滑控制模式。

3.1 定時加彎道識別的潤滑控制模式

在定時加彎道識別的潤滑控制模式下，當(dāng)車輛達到一定運行速度時（根據(jù)車輛設(shè)計要求而定，一般情況下為速度≥5??km/h），車輛給出一個包含方向識別功能的啟動信號，輪緣潤滑裝置開始按照設(shè)定的時間間隔工作。即在車輛直線運行狀態(tài)下，每間隔一定時間，輪緣潤滑裝置噴射1次潤滑劑，同時輪緣潤滑裝置根據(jù)車輛的橫向加速度檢測車輛是否進入彎道，若進入彎道，則按設(shè)定的彎道狀態(tài)時間間隔噴射潤滑劑。在彎道狀態(tài)下，車輛只有一側(cè)的車輪輪緣與鋼軌發(fā)生磨損，另一側(cè)的車輪輪緣與鋼軌不會接觸，故輪緣潤滑裝置能夠根據(jù)檢測的彎道方向，只對磨損側(cè)的車輪輪緣進行潤滑，從而避免潤滑劑的浪費和車輪輪緣過度潤滑。當(dāng)車輛運行速度小于一定值時（根據(jù)車輛設(shè)計要求而定，一般情況下為速度≤5??km/h），車輛給出停止信號，輪緣潤滑裝置停止工作。直線狀態(tài)和彎道狀態(tài)的潤滑間隔時間可在電控系統(tǒng)中分別設(shè)定和更改。定時加彎道識別控制模式的工作流程如圖?2?所示。

圖2 定時加彎道識別控制模式工作流程

3.2 輪緣磨損工況識別的潤滑控制模式

在輪緣磨損工況識別的潤滑控制模式下，當(dāng)車輛達到一定運行速度時（根據(jù)車輛設(shè)計要求而定，一般情況下為速度≥5??km/h），車輛給出一個包含方向識別功能的啟動信號，輪緣潤滑裝置開始按照工況識別的模式工作。即輪緣潤滑裝置通過檢測和計算車輛橫向振動幅值和頻率特征，判斷輪軌接觸位置，進而判斷輪軌磨損狀態(tài)，通過自適應(yīng)算法，對輪緣與鋼軌磨損的工況進行實時監(jiān)測[9]，并根據(jù)輪緣磨損工況，自動輸出最優(yōu)的潤滑策略，對磨損側(cè)輪緣進行潤滑。當(dāng)車輛運行速度小于一定值時（根據(jù)車輛設(shè)計要求而定，一般情況下為速度≤5??km/h），車輛給出停止信號，輪緣潤滑裝置停止工作。磨損工況判斷的門檻值可根據(jù)車輛及線路的情況進行設(shè)定。輪緣磨損工況識別控制模式的工作流程如圖?3?所示。

圖3 輪緣磨損工況識別控制模式工作流程

4 輪緣潤滑裝置的部件設(shè)計

4.1 集成單元

集成單元設(shè)計為立式結(jié)構(gòu)，通過安裝板和支架將不同功能區(qū)集中設(shè)置在一起。儲脂罐和風(fēng)源系統(tǒng)中用于存儲壓縮空氣的拉桿式氣容重量最大，布置在集成單元下部，實現(xiàn)可靠固定；集成單元中部設(shè)置風(fēng)源系統(tǒng)的其他部件和氣動執(zhí)行機構(gòu)；電控系統(tǒng)設(shè)置在集成單元最上方，方便與車輛的供電和信號連接。

4.1.1 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)包括電源控制器、系統(tǒng)電控器、高壓電連接器、低壓電連接器和連接線纜。車輛通過高壓電連接器為輪緣潤滑裝置供電，通過低壓電連接器與輪緣潤滑裝置進行通信，供電和通信分離設(shè)置避免了高壓電源對低壓信號產(chǎn)生干擾。

電源控制器可根據(jù)需要對車輛提供的電源制式進行轉(zhuǎn)換，然后為輪緣潤滑裝置的電氣部件供電。由于不同技術(shù)的車輛提供的供電制式有區(qū)別，電源控制器簡化了輪緣潤滑裝置與車輛間的電源接口，既可以使輪緣潤滑裝置內(nèi)部電氣元件選型統(tǒng)一，形成模塊化設(shè)計，又可以簡化車輛制造廠的電源設(shè)計，不需要為輪緣潤滑裝置單獨設(shè)計電源。

系統(tǒng)電控器與車輛進行通信，通過內(nèi)置的加速度傳感器檢測車輛運行狀態(tài)（彎道識別或工況識別）。系統(tǒng)電控器根據(jù)車輛運行信號以及車輛運行狀態(tài)，輸出潤滑策略，控制輪緣潤滑裝置工作。系統(tǒng)電控器具有顯示屏和調(diào)節(jié)按鈕，可以方便地查看和設(shè)置輪緣潤滑裝置的工作參數(shù)。

4.1.2 風(fēng)源系統(tǒng)

風(fēng)源系統(tǒng)由空壓機、拉桿式氣容、壓力傳感器、單向閥、安全閥、排氣閥和管路線纜組成。空壓機采用具有軌道交通產(chǎn)品資質(zhì)認證的直流無油空氣壓縮機，其設(shè)計制造符合軌道交通運用工況和標準要求，同時具有節(jié)能環(huán)保、維護費用低等特點，符合現(xiàn)代低地板有軌電車設(shè)計特點。拉桿式氣容用于儲存壓縮空氣，其外形為立方體，下平面直接通過螺栓連接固定在集成單元的底板上，安裝穩(wěn)定可靠；上平面加工安裝接口，布置空壓機、壓力傳感器、單向閥、安全閥等相關(guān)零件，無需任何轉(zhuǎn)接裝置，結(jié)構(gòu)緊湊；氣容底部設(shè)置排水口。

風(fēng)源系統(tǒng)的工作模式為：當(dāng)壓力傳感器檢測氣容內(nèi)氣壓值低于設(shè)定的壓力下限時，向系統(tǒng)電控器發(fā)出信號，系統(tǒng)電控器啟動空壓機，產(chǎn)生壓縮空氣并通過管路及單向閥輸入到氣容中，單向閥保證空壓機停止工作后，氣容內(nèi)的壓縮空氣不會反向進入管路及空壓機中。當(dāng)壓力傳感器檢測氣容內(nèi)的氣壓值達到設(shè)定的壓力上限后，向系統(tǒng)電控器發(fā)出信號，系統(tǒng)電控器關(guān)閉空壓機并打開排氣閥，排氣閥將空壓機和管路內(nèi)殘余的壓縮空氣排出，以保證下一次空壓機啟動時處于常壓狀態(tài)，有利于延長空壓機的使用壽命。若壓力傳感器發(fā)生故障，不能正確向系統(tǒng)電控器發(fā)出關(guān)閉空壓機的信號，當(dāng)氣容內(nèi)的壓力超過安全閥的設(shè)定值時，安全閥向外排氣，保證系統(tǒng)不會過載。

4.1.3 氣動執(zhí)行機構(gòu)

氣動執(zhí)行機構(gòu)由閥板、電磁閥和空氣過濾器組成，電磁閥和空氣過濾器安裝在閥板上。閥板內(nèi)部設(shè)置前后2?層氣路，2?層氣路互不相通，后層氣路為三通結(jié)構(gòu)，連接空壓機、單向閥和排氣閥，用于向氣容內(nèi)輸入壓縮空氣；前層氣路用于連接空氣過濾器、電磁閥和儲脂罐，用于輸出壓縮空氣驅(qū)動噴射潤滑劑。空氣過濾器下部的排水口和氣容底部的排水口均設(shè)置電磁排水閥，按下集成單元的排水按鈕，2?個電磁排水閥打開，可將空氣過濾器和氣容內(nèi)部的積水通過排水管路排出。

4.1.4 儲脂罐

儲脂罐內(nèi)部設(shè)置氣動泵。氣動泵每次工作泵送出定量的潤滑脂，其工作過程為：電控系統(tǒng)發(fā)出潤滑指令后，壓縮空氣從進氣口進入氣動泵，其中1路向上到達活塞腔，推動大活塞向下移動，將儲脂腔與氣路接通，潤滑劑與壓縮空氣混合后，經(jīng)過傳輸管道從噴嘴噴射向輪緣。系統(tǒng)潤滑指令結(jié)束后，停止供應(yīng)壓縮空氣，氣動泵內(nèi)氣壓下降，大活塞在復(fù)位彈簧的作用下向上移動，儲脂腔形成負壓，潤滑劑在負壓的作用下吸入儲脂腔，為下一次噴射做好準備。

4.2 噴嘴及橡膠軟管

安裝在轉(zhuǎn)向架上的噴嘴外部型式根據(jù)車輛制造單位的要求進行設(shè)計。噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)借助漸縮漸擴管原理，并根據(jù)可壓縮氣體流體動力學(xué)規(guī)律，設(shè)計為有利于潤滑劑霧化及高速噴出的結(jié)構(gòu)，有限元分析顯示其出口處噴射速度達到?300??m/s?以上（圖?4）。標準結(jié)構(gòu)的噴嘴搭配不同的外部安裝型式，可方便地適用于不同車輛的安裝要求。

橡膠軟管的作用是在硬質(zhì)傳輸管路和噴嘴之間形成適當(dāng)長度的柔性連接，從而方便調(diào)整噴射方向以及噴嘴到輪緣的距離。橡膠軟管性能符合?EN?854?:?1997《橡膠軟管和軟管組件—紡織品增強的液壓用類型—規(guī)范》要求，并且防火阻燃性能滿足?DIN?5510-2?:?2009《軌道車輛防火措施—第?2?部分：材料和構(gòu)件的燃燒特性和燃燒并發(fā)現(xiàn)象—分類、要求和測試方法》要求，橡膠軟管的內(nèi)部設(shè)置聚氨酯軟管，以增加內(nèi)部光潔度，有利于潤滑劑的噴射。

5 輪緣潤滑裝置的性能驗證

抗沖擊振動性能和電磁兼容性能是衡量軌道交通車輛機電設(shè)備可靠性和安全性的重要指標，滿足這?2?個性能要求的設(shè)備才能在軌道交通車輛上可靠工作，不會對其他設(shè)備產(chǎn)生影響且不會對檢修人員造成傷害。

按照?GB/T?21563-2008《軌道交通?機車車輛設(shè)備?沖擊和振動試驗》的要求對輪緣潤滑裝置進行沖擊振動性能檢測，在功能性隨機試驗中，輪緣潤滑裝置可在標準規(guī)定量級的振動環(huán)境下正常工作；在標準規(guī)定量級的模擬長壽命試驗和沖擊試驗后，輪緣潤滑裝置沒有發(fā)生任何機械損傷，各項功能正常。

按照?EN?50121-3-2?:?2006《鐵路應(yīng)用—電磁兼容性—第?3-2?部分：機車車輛—設(shè)備》的要求對輪緣潤滑裝置進行電磁兼容性檢測，結(jié)果如表1?所示，各項指標均滿足標準要求。

檢測結(jié)果表明，輪緣潤滑裝置抗沖擊振動性能和電磁兼容性能滿足軌道交通產(chǎn)品相關(guān)標準的要求，裝置能夠安全可靠地在現(xiàn)代低地板有軌電車上工作。

圖4 噴嘴噴射速度有限元分析

表1 輪緣潤滑裝置電磁兼容性測試項目及結(jié)果

6 總結(jié)

現(xiàn)代低地板有軌電車采用自帶風(fēng)源系統(tǒng)的集成安裝型輪緣潤滑裝置，除噴嘴和橡膠軟管外，全部集中布置在一起，形成集成單元，安裝在有軌電車司機室內(nèi)。集成單元的型式不僅便于裝置的安裝和維護，接口簡單，占用空間小，而且結(jié)構(gòu)緊湊，不需要過多的管路傳輸壓縮空氣，壓力損失小。輪緣潤滑裝置可根據(jù)需要對車輛提供的電源制式進行轉(zhuǎn)換，簡化了裝置與車輛間的電源接口，既可以使裝置內(nèi)部電氣元件選型統(tǒng)一，形成模塊化設(shè)計，又可以簡化車輛制造廠的電源設(shè)計，不需要為輪緣潤滑裝置單獨設(shè)計電源。目前，自帶風(fēng)源系統(tǒng)的集成安裝型輪緣潤滑裝置已成功運用于國內(nèi)?100%?低地板有軌電車項目。

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