城軌列車輪緣固態潤滑系統設計與應用*

彭育強，呂孟海

（1.廣東交通職業技術學院軌道交通學院，廣州 510650；2.廣州市威來材料科技有限公司，廣州 510812）

0 引言

在現代軌道交通運輸領域中，輪軌摩擦與潤滑關系到行車安全、牽引能量消耗、輪軌材料磨損及維修成本等諸多問題，因此受到各軌道交通相關企業部門的高度重視。為了更好地適應軌道交通高速、重載、安全運輸的需要，輪軌潤滑方式在各相關行業研究人員的共同努力下不斷更新發展。20世紀60年代就已經出現在軌道線路上進行曲線涂油的措施，由巡道人員手工在曲線外股鋼軌上涂上潤滑油。盡管涂油質量不甚理想，但對延長鋼軌和輪對使用壽命還是起到了相當大的作用[1]。中國的輪軌潤滑模式主要使用的方法是國內鐵道科學研究院金屬及化學研究所研制的HB型、HLP型系列輪緣潤滑裝置[2]。然而，無論是HB型還是HLP型輪緣潤滑裝置均為油液式潤滑，通過在輪緣根部噴油形成油膜來降低輪軌之間的磨耗。這種方法在輪緣根部承受高負荷及高溫時，液體油膜會遭到破壞，從而喪失潤滑能力。此外，在實際運用中，經常出現噴油嘴堵塞、噴油控制盒故障等問題，造成輪緣噴油器不噴油，或者將油脂噴到輪對踏面上，使輪軌黏著系數下降，存在導致機車輪對空轉以及走行部和線路污染等問題[3-4]。

1 固態潤滑塊材料及裝置

針對現有輪緣油液潤滑存在的問題，為了實現在輪緣潤滑時達到潤滑膜穩定、干燥阻燃、清潔高效等要求，采用一種由高分子材料做基材和超細粒徑的固態潤滑材料復合而成的材料配方。配方材料主要由硫化鎢、六方氮化硼、氟化鈣、二硫化鉬等高溫潤滑材料組成。確定該特殊配方后，采用固體體系優化工藝控制，有效保證了潤滑體磨耗層在輪軌上的黏附力、潤滑品質等要求。高分子聚合物的特性使得潤滑膜較為穩定，避免了液態潤滑劑的非預想遷移，如遷移到軌道上部等。當潤滑點位置控制精確時，即對高磨耗部位進行重點潤滑，可達到環保、干燥、干凈、清潔的效果，并具有阻燃、安全性、簡便易維護、無需電力和壓縮空氣等一系列優點。

在輪緣固態潤滑塊機構設計方面，基于輪軌直線運行時摩擦因數小、曲線彎道摩擦因數大的運行特點[5]，設計采用磁力控制恒力彈簧機構作為固態潤

滑塊推進機構，如圖1所示。結合轉向架的結構特點將推進機構安裝于轉向架側梁處，由潤滑塊控制器對其進行推進控制。待列車運行至曲線位置時，推進機構將固態潤滑塊推至輪軌踏面處，從而起到潤滑效果。

圖1 列車輪緣固態潤滑機構結構圖

2 固態潤滑塊控制器

潤滑塊推進控制器基于輪軌直線運行時摩擦因數小、曲線彎道摩擦因數大的運行特點，為保證潤滑塊取得最好的輪緣潤滑效果，采用基于曲線信息的曲率匹配算法確定軌道線路曲線信息及列車實際位置，實現軌道列車運行至曲線位置時進行固態潤滑塊的推進控制，從而起到對輪軌磨損嚴重位置進行重點潤滑的作用。

列車運行過程中需測量列車的轉向角度、運行速度等信息與列車線路數據庫中的曲率信息進行對比，通過該方式可以確定列車在線路中的實際絕對位置。在此使用加速度計、陀螺儀傳感器得到列車位置信息，并對該兩個傳感器信息進行數據融合，得到更為精確的列車定位信息[6]。

2.1 控制系統平臺總體方案

潤滑控制系統平臺采用STM32作為核心控制器，控制系統平臺如圖2所示。結合加速度計、陀螺儀傳感器得到列車的地理位置信息、運行狀態等，包括列車的速度、位置、加速度等相關信息，并結合多種傳感器，采用融合算法將得到的多種傳感器信息數據進行融合，獲得更加精確的位置信息。核心控制器將多個傳感器融合后的位置信息結合車載主機的控制命令控制潤滑機構的動作，從而實現列車在線路彎道處實現對輪緣的潤滑控制。

圖2 系統平臺結構圖

系統方案中，列車信息采集的傳感器主要設計使用有加速度計、陀螺儀傳感器、速度傳感器3種，除此之外還結合RFID技術采集列車線路應答器信息，從而獲得列車在線路中的絕對位置信息。

2.2 控制系統硬件方案

根據控制系統總體設計方案可知，核心控制器需要跟多個傳感器、車載主機、傳輸模塊以及電源管理模塊等進行連接，需要進行信息采集處理、傳感器數據融合處理、無線信息傳輸處理、潤滑模塊控制處理等。因此，需要選用功能性價比較高的芯片作為該系統的核心控制器。選用ST公司生產的STM32F103RBT6芯片作為處理器，其具有IO接口、CAN通信接口、2個ADC轉換器和SPI串行接口、3個USART串口等功能[7]。

圖3 系統控制方案結構圖

本文將STM32F103RBT6芯片通過ⅡC串行接口與加速度、陀螺儀傳感器連接，使用I/O口實現對固態潤滑塊機構的控制，采用USART串口實現與車載主機和無線通信模塊的通信，具體結構如圖3所示。

2.3 曲線段定位算法與系統軟件應用

針對軌道線路中存在的每一條線路對應的曲線是唯一的、不變的特點，測量出線路中位置點對應的曲率信息，將每一條線路的曲率信息數據存儲為對應的線路曲率信息數據庫。在此，使用系統中設計采用的速度傳感器、加速度計、陀螺儀等測出列車行駛過程中采集形成的列車的轉向角、運行速度等信息，通過對傳感器數據進行計算處理與數據庫存儲的線路曲率信息進行匹配對比，從而得到列車運行過程所在線路中的實際位置，結合STM32控制系統實現對固態潤滑模塊在曲線中的推進控制[8]。

假設k時刻列車的角速度為ωn（k），陀螺儀測得列車實際角速度為ω（k），列車震動引起的角度測量誤差為ω0（k），溫度漂移、零點漂移、安裝位置等引起的誤差為ωδ（k），則：

假設在k時刻列車速度傳感器檢測得到的速度為vn（k），輪徑引起的測量誤差為vd（k），噪聲干擾誤差為v0（k），空轉滑行誤差為vp（k），曲線半徑為r（k），則：

軌道線路的曲線曲率為：

綜上，利用傳感器定位信息確定列車實際物理位置，并結合軌道線路曲線曲率進行匹配，從而判定列車在軌道線路中的實際位置，利用該位置信息即可實現對固態潤滑控制機構的實時控制。

3 潤滑性能測試

通過對固態潤滑材料配方的研究，生產出試驗樣品采用設計的固態潤滑控制機構對潤滑塊進行控制試驗。在珠三角某地鐵公司3號線正線上選取3種系列樣品進行環塊式磨損試驗，測試程序參照GB/T 2411-2008塑料和硬橡膠使用硬度計測定壓痕硬度（邵氏硬度）規定的程序進行[9]，設備為TH210邵氏硬度計，結果如表1所示。

表1 固體潤滑塊邵氏硬度試驗結果

3.1 試驗步驟

（1）試驗前，磨塊及潤滑塊經狀態調節后稱量其質量、測試硬度；

（2）用乙醇、丙酮等不與塑料起作用的溶劑清除磨塊和圓環上的油污，清理后保持磨塊和圓環表面清潔；

（3）試驗時，列車未行駛至曲線位置時，磨輪處于空轉狀態，待列車進入曲線位置時，潤滑控制器施加力使固體潤滑塊與其接觸，固態潤滑機構恒力彈簧保持在500 N的負荷讓磨輪與模塊對磨，在試驗過程中，固體潤滑塊受潤滑控制器曲線位置的檢測與磨輪進行接觸與分離控制，控制過程使磨輪與磨塊界面始終保持一層固體潤滑膜；

（4）每件樣品進行一運營里程200 km后停機卸負荷，取下磨塊和圓環，磨塊經乙醇超聲清洗吹干后，用分析天平稱重并用JC10讀數顯微鏡測量磨痕寬度，同時稱量固體潤滑塊質量[10]；

（5）總對試驗里程1 000 km，并按以下頻率在試驗過程中測量及記錄摩擦力矩、磨塊磨痕寬度、固體潤滑塊失重的數據，摩擦力矩100 r/次，磨塊磨痕寬度100 km/次，固體潤滑塊失重100 km/次。

3.2 試驗結果分析

3種樣品固體潤滑塊的邵氏硬度相差不大，隨著試驗里程的增加，磨損時間延長，摩擦因數、磨塊磨痕寬度及損失質量、潤滑塊的損失質量發生了不同程度的變化。摩擦因數在整個過程中均有波動，但可以看出，3#潤滑塊波動稍小，說明該樣塊整體比較均勻，如圖4所示；從其整體走勢可以看出，2#最小、3#次之、1#最大，計算其平均值分別為0.13、0.17、0.18，由其磨塊磨痕寬度可知，耐磨性2#最好、1#次之，3#最差，如圖5所示；磨塊損失質量較小，小于10 mg，且出現小于0的情況，這主要是由于在磨損過程中潤滑塊有轉移，如圖6所示；1#和2#的潤滑塊損失質量較小，小于60 mg，如圖7所示，而3#的損失質量超過了200 mg，這與其邵氏硬度的變化規律類似。固體潤滑塊磨損后表面狀態如圖8所示，磨塊磨損前后表面狀態如圖9所示。

圖4 隨轉數增加摩擦因數變化曲線

圖5 隨轉數增加磨塊磨痕寬度變化曲線

圖6 隨轉數增加磨塊損失質量變化曲線

圖7 隨轉數增加潤滑塊損失質量變化曲線

圖8 固體潤滑塊磨損后表面狀態

圖9 磨塊磨損前后表面狀態

從表2～4可以看出，1#、2#潤滑塊摩擦后的磨塊質量損失率只有0.002 6%、0.001 8%（為1 000 km的質量損失率，以下均同），潤滑塊質量損失率只有0.046%、0.039%，相比3#潤滑塊摩擦后的磨塊質量損失率0.009 5%，潤滑塊質量損失率0.155%較小。綜合以上檢測結果，2#固體潤滑塊樣品的耐磨性較好且用量少。

表2 1#固體潤滑塊潤滑環-塊式磨損試驗結果

表3 3#固體潤滑塊潤滑環-塊式磨損試驗結果

表4 2#固體潤滑塊潤滑環-塊式磨損試驗結果

4 結束語

本文提出一種輪緣固態潤滑方案。通過運行驗證，該系統承載能力強、耐高溫、涂覆效果良好，解決了軌道交通輪軌材料磨損及維修成本問題；消除了傳統油脂因產生油楔作用而加速輪軌疲勞裂紋擴展的缺陷。采用固態潤滑模塊減輕了軌道線路中潤滑油液污染問題，控制系統穩定、準確，實現了一種理想的地面鋼軌潤滑材料及控制系統。