HB－3型輪軌潤滑裝置及其應用

劉穎鑫，武小鵬，楊興寬

（中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京100081）

近年來鐵路運輸不斷發展，提速重載機車逐漸成為貨運主力，隨著軸重增加，運行速度穩步提高，行車密度加大，機車運用效率不斷提高，其輪緣磨耗也日益突出。部分鐵路局機務段的輪緣磨耗率達到0.3～1.5mm／104km，頻繁的旋輪整形作業既造成嚴重的資源浪費又影響了機車的運用效率。目前機車輪對逐漸以整體輪為主，輪緣磨耗到限旋修3～4次就會因輪徑到限而報廢，使維修成本也大幅提高，這就要求機車配備更為高效合理的輪軌潤滑裝置。HB－3型輪軌潤滑裝置就是針對這一要求設計的，它使輪軌潤滑實現了智能化，大幅提高了潤滑系統的工作效率，改善了潤滑效果。

通過分析提速重載機車輪緣磨耗加劇的原因，提出了合理的輪軌潤滑解決方案，并介紹了符合該方案要求的HB－3型輪軌潤滑裝置，及其現場應用效果。

1 提速重載機車的輪緣磨耗

1.1 提速重載機車輪緣磨耗加劇的原因

隨著新線建設和既有線改造，貨運列車速度也隨之顯著提高。有些以貨運為主的區段，列車提速之前機車輪緣磨耗并不突出，但隨著大軸重的提速重載機車投入運用，輪緣磨耗又趨于嚴重，主要原因如下：

（1）機車運行于曲線路段時，內軌側輪軌之間只有一點接觸，其輪緣與軌距角脫離開，不發生磨損；而外軌側導向輪與鋼軌形成兩點接觸，其輪緣與軌距角形成滾動摩擦與滑動摩擦混合的運行狀態，造成外軌側輪緣磨損。提速重載機車通過曲線時，軸重增加導向力加大［1］，導向力加大會使側面輪軌接觸應力加大，單位面積上產生的摩擦功相應增大，導致磨耗加速［1］，這種狀況在欠超高狀態下尤其嚴重。

（2）機車車輛進入曲線時運行方向必然會發生變化，所以此時在輪緣與鋼軌間會出現最大的壓力，產生最大的磨耗［2］。提速重載列車在駛入直緩點時，外軌側導向輪緣與軌距角接觸形成的初始導向沖擊更大，輪緣磨損程度也更大。

（3）輪軌游隙相同的情況下，提速重載機車在直線路段會產生更劇烈的蛇行擺動，造成嚴重的波狀磨耗，加劇產生軌道不平順，從而增加輪緣接觸軌距角的幾率，造成直線路段機車輪緣磨損加劇，路況不同磨損程度也不同。

（4）輪緣磨耗使輪軌游隙也隨之增大，使列車提速運行時產生更大的沖擊振動，在曲線段又會形成更大的沖角，從而使車輪與鋼軌之間的接觸條件更趨于嚴酷。

1.2 提速重載機車的輪緣磨耗控制需求

目前各鐵路局機務段的輪緣磨耗旋修下限均控制在23mm［3］，應用最為普遍的JM3型踏面輪緣初始厚度為34mm，旋修后可恢復到32～33mm。提速重載區段一般輪緣磨耗率均在0.5mm／104km左右，機車每運行約20萬km就進行旋修，磨耗更嚴重的路段每7萬km就需要旋修一次，大量的旋修工作嚴重影響機車的運用效率，并增加鐵路局機務段的運營成本。因此機車運用單位期望將輪緣磨耗控制到一個中修期（約40萬km）不旋輪，即輪緣磨耗率在0.25mm／104km或以下。

1.3 提速重載機車輪軌潤滑的合理解決方案

根據提速重載機車輪緣磨耗加劇的原因提出輪軌潤滑的合理解決方案。

（1）區分直線、曲線，根據不同的磨損程度分別采取不同的噴脂頻率。

（2）直線地段適量噴脂，噴脂頻率可由使用單位根據路況自行調節。

（3）提前識別曲線，自動加快噴脂頻率，并在進入曲線直緩點前就充分形成潤滑膜。

（4）識別左右曲線，根據線路狀況靈活改變噴脂模式，機車通過曲線以欠超高為主時外軌側噴脂，以過超高為主時外軌側導向輪和內軌側尾輪成對角噴脂。

2 機車輪軌潤滑裝置的發展現狀

隨著機車輪軌潤滑技術的發展，潤滑裝置（含潤滑劑）的種類不斷增多。按使用的潤滑劑不同可分為稀油、脂（半流體）和固體潤滑裝置；按潤滑劑涂覆方式不同可分為機械式的連續潤滑裝置、自動控制的定時／定距潤滑裝置和直線—曲線區別對待的智能潤滑裝置。按裝置是否直接與車輪接觸可分為接觸式潤滑和非接觸式潤滑。經過多年的現場運用，目前國內干線機車上占主導地位的是采用半流體脂作為潤滑劑的定距、非接觸式自動控制裝置，應用廣泛的HB－2型輪軌潤滑裝置就是其中之一。

曲線識別（預識別）一直以來是輪軌潤滑技術追求的目標。20世紀80年代國外開發的曲線識別技術，是通過加速度傳感器或陀螺儀感受機車進入曲線直緩點后的信號變化判別線路狀況，給出彎道信號，不足之處是加量噴脂點滯后于緩直點。近年通過GPS技術可以實現曲線預識別，但其受到成本和準確度方面的限制也未能得到廣泛運用。

3 HB－3型輪軌潤滑裝置介紹

HB－3型輪軌潤滑裝置的工作方式符合提速重載機車輪軌潤滑技術的合理解決方案，是針對其輪緣磨耗特點設計的，它延用了在現場具有優良表現的自動控制定距噴脂的潤滑方式，并在此基礎上通過曲線預識別技術實現了直線—曲線區別對待的智能化輪軌潤滑。

3.1 HB－3型輪軌潤滑裝置的組成及功能

HB－3型輪軌潤滑裝置的系統標準配置如圖1所示，由電氣控制機構、氣動控制機構和氣動執行機構3部分組成。

為方便對曲線預識別的敘述，特給出輪噴彎道的定義：在曲線直緩點前設定預識別提前量，以此為起點，以曲線的緩直點為終點，如圖2。

電氣控制機構包括線路斷面識別插件（簡稱插件）和輪軌潤滑電子控制器（簡稱電控器）。插件位于機車TAX2箱內，實時讀取線路公里標與預存線路縱斷面數據做對比。當機車速度大于5km／h時，給出運行信號；當機車運行至輪噴彎道的起點時發出彎道、左彎道、右彎道信號。電控器接收到信號后按照預先設定好的3種噴脂模式之一給出電空閥動作指令，以保證機車進入直緩點前輪緣上就已經形成充分的潤滑膜。HB－3型輪軌潤滑裝置的工作流程如圖3所示。

圖1 HB－3型輪軌潤滑裝置系統標準配置圖

圖2 輪噴彎道示意圖

氣動控制機構主要包括截斷塞門、分水濾氣器、調壓閥和兩位三通電磁換向閥（以下簡稱電空閥）4種氣動元件，負責向氣動執行機構提供潔凈、充足的氣體。分水濾氣器、調壓閥和電空閥集成在氣路板上，節省空間，安裝簡便。核心元件電空閥是精密氣動件，與普通電空閥工況不同，需要動作頻率高、使用壽命長、氣源壓力穩定且過濾精度達到25μm以上。該套裝置的氣路系統由截斷塞門起始，入口直接接總風缸風路，氣源壓力在7.5～9.5kPa范圍內波動，過濾精度一般為75μm，因此分水濾氣器和調壓閥就成為系統的必備配置，以使電空閥能可靠工作。

氣動執行機構由油脂罐和噴頭組成，油脂罐內儲存有一定量的潤滑脂，并能保壓，潤滑脂在壓力作用下進入噴頭的定量儲脂槽。電空閥每次通斷都會有700kPa的高壓氣體補充進油脂罐，并驅動噴頭柱塞動作一次，高壓氣體和儲脂槽內的潤滑脂混合霧化后噴出。HB－3型噴頭與HB－2型噴頭相比結構更加合理，使用壽命更長，對潤滑劑的霧化效果也更好，使之可以形成均勻的潤滑膜粘附在輪緣表面，達到良好的減磨效果。

圖3 HB－3型輪軌潤滑裝置的工作流程圖

3.2 HB－3型輪軌潤滑裝置的技術特點

3.2.1 曲線識別（預識別）

HB－3型輪軌潤滑裝置是借助國內機車特有的監控裝置發出的實時線路公里標和裝置本身預存的線路縱斷面數據，提前判定即將到達的曲線，實現了低成本、高準確度的曲線預識別。

曲線識別（預識別）的意義在于：

（1）能在輪噴彎道的起點給出噴脂信號，同時加快噴脂頻率，使輪緣在進入直緩點之前就形成充足的潤滑膜，對減緩提速重載機車劇烈的初始導向磨損更有利。

（2）曲線路段充分的潤滑可以有效降低輪緣與軌距角間的摩擦系數。降低這一摩擦系數有利于提高脫軌系數的界限值，即對防止車輪爬軌有好處，有利于車輛的運行安全 。

（3）不同路段給出不同的潤滑劑噴射頻率，從而避免了直線曲線潤滑劑噴射頻率相同造成的曲線路段潤滑不足或直線路段潤滑劑使用過量的問題。

（4）直線路段的適量潤滑還可以避免潤滑劑過度累積造成的踏面污染和油脂甩濺。

（5）曲線識別、直線曲線分別對待可顯著降低潤滑劑用量。

3.2.2 靈活多變的噴脂模式

HB－3型輪軌潤滑裝置的噴脂模式可分為前后、左右和對角3種。

前后噴脂模式下該裝置在直線路段適量噴脂，當到達輪噴彎道時控制機車第一軸的2組噴頭同時加快噴脂頻率。與不能識別曲線的系統相比減緩了機車進入緩和曲線的初始導向沖擊，曲線段的潤滑更充分，而且直線段又不會造成油脂累積，在節約油脂方面有很大提高。但由于第一軸輪對外軌側導向，內軌側輪緣不與鋼軌接觸，所以前后噴脂模式在彎道內軌側還有油脂浪費現象產生。

左右噴脂模式下該裝置在直線路段適量噴脂，當到達左、右輪噴彎道時控制外軌側導向輪和尾輪的2組噴頭同時加快噴脂頻率。該種噴脂模式適合機車的欠超高運行狀態，此時機車的外軌側尾輪與鋼軌接觸。

對角噴脂模式下該裝置在直線地段適量噴脂，當到達左、右輪噴彎道時控制外軌側導向輪的1組噴頭和內軌側尾輪的1組噴頭同時加快噴脂頻率。該種噴脂模式適合機車的過超高運行狀態，此時機車內軌側尾輪與鋼軌接觸。

左右或對角噴脂模式在取得比前后噴脂模式更好的潤滑效果（外軌側尾輪或內軌側尾輪）的同時，還進一步解決了曲線地段內軌側油脂累積的問題，更加節約油脂，有利于行車安全。

3.2.3 潤滑方式

HB－3型輪軌潤滑裝置采用了非接觸式潤滑，噴頭裝于轉向架上，不與車輪直接接觸，與輪緣之間保持約40mm的距離，噴射角度大約40°（以踏面為基準）。它繼承了非接觸式潤滑受沖擊振動影響小的優點，能夠保持潤滑劑霧化后噴涂于輪緣上的連續性和均勻性，保證了潤滑效果。

3.2.4 配套潤滑劑性能優越

輪緣涂覆潤滑劑后與軌距角間的摩擦系數降低程度取決于潤滑劑的性能，性能優良的潤滑劑在保證有效潤滑當前輪緣的同時還可以實現由軌距角到后續輪緣（包括機車和車輛）的2次轉移。

HB－3型輪軌潤滑裝置采用了JH－1型輪軌潤滑脂或環保型鐵路輪軌潤滑脂作為配套潤滑劑。它們是以石墨為主要潤滑成分的半流體潤滑劑，在擠壓作用下，石墨貼附于輪緣與鋼軌的基體表層，形成固體潤滑膜。石墨脂潤滑的減磨效果好，具有長效性和優異的二次轉移性。使用該裝置的區段，曲線地段鋼軌軌距角和車輛輪緣上均形成了可觀測到的潤滑膜。

輪緣（包括機車和車輛）與鋼軌是一對摩擦副，不能孤立地看待輪緣磨耗，鋼軌與車輛的狀態都直接對機車輪緣磨耗造成影響，潤滑劑的二次轉移性既能夠保證機車輪緣磨耗率控制在合理范圍內，又能對鋼軌及車輛輪緣的減磨起到積極作用，使這對摩擦副整體處于良好狀態。

與該裝置配套的環保型鐵路輪軌潤滑脂具有良好的可生物降解性、防腐蝕性、抗水性、高溫穩定性和低溫泵送性，該脂可適用于環境溫度－30～120℃ 的條件［5］。輪軌潤滑屬于開放式潤滑，大量潤滑劑直接排放于自然界，減少潤滑劑的使用量并采用環保型潤滑脂對于有環保要求的鐵路干線非常重要。

4 HB－3型輪軌潤滑裝置的應用

HB－3型輪軌潤滑裝置研制完成后在2個機務段的4臺機車上進行了5個月的現場試運用考核，取得了良好的減磨效果，安裝前后的輪緣磨耗量見圖4，輪緣磨耗率下降在22.5%～50%之間，同時節約油脂約50%。

圖4 HB－3的現場試運用考核結果

該裝置簡化配置在西寧機務段、西安機務段等輪緣磨耗嚴重的DF4D、DF11G機車上試運用都取得了理想的使用效果。西寧機務段的2臺DF4D全懸掛機車試安裝，采用了前后噴脂模式，直線段400m、曲線段50m的噴射頻率，減磨效果顯著，萬公里磨耗量下降比率達44.9%，運用數據如圖5。從圖中可以看出機車的原有狀態是2、5軸磨耗突出，而當2、5軸率先磨耗到限旋修時為保證輪徑一致必須旋修全部輪對，試安裝潤滑裝置后使各輪對的輪緣磨耗率更接近，從而降低了大量不必要的旋修成本。

圖5 西寧機務段的運用效果

HB－3型輪軌潤滑裝置取得了上述現場運用效果后又憑借其技術特點成功應用于HXD3B出廠機車、安康機務段的HXD3機車、神華集團的SS4機車等，實現了前后、左右或對角噴脂模式可選。

5 結束語

HB－3型輪軌潤滑裝置由電氣控制機構、氣動控制機構和氣動執行機構組成，自動化程度高，結構緊湊，使用壽命長。

該裝置具備先進的曲線預識別技術，保證了機車輪緣在整個曲線路段（包括緩和曲線段）的充分潤滑，并以此為核心設置了3種噴脂模式。它能夠有的放矢地噴射潤滑劑，并根據不同工況高效合理地潤滑輪緣，在取得良好減磨效果的同時節約潤滑劑。

在多個鐵路局機務段不同車型上的實際應用表明減磨效果良好。

該裝置的推廣應用能夠有效解決提速重載機車輪緣磨耗加劇的問題，利于提高行車安全性，符合節能降耗和環保的發展趨勢，應用前景廣闊。

［1］段固敏.軸重和摩擦系數對鋼軌側磨影響的研究［J］.蘭州鐵道學院學報，1994，13（3）：11－12.

［2］卡爾·薩克斯.電傳動機車轉向架結構與原理（第1版）［M］.北京：中國鐵道出版社，1988.

［3］中華人民共和國鐵道部.鐵路技術管理規程（第10版）［M］.北京：中國鐵道出版社，2006.

［4］俞展猷.輪軌磨耗機理與輪軌潤滑［J］.鐵道機車車輛，2000，20（5）：11－14.

［5］劉曉峰.環保型鐵路輪軌潤滑脂的開發研制［J］.中國鐵道科學，2009，30（4）：140－144.