機車輪緣干式減磨新技術的應用研究

汪忠平，許海東

（北京鐵路局 豐臺機務段，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段為例，主力牽引車型“和諧”系列的電力、內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、調換轉向架、換輪的循環中，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、軸重、輪軌外形的匹配度、轉向架結構、行車速度、潤滑措施等［1］，是個復雜的摩擦學工程問題。處在機車運用一線的機務段，普遍采用的是車載輪緣減磨技術——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）山區線路機車輪緣十分嚴重的磨損形勢，尋求新的減磨材料和技術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的開發與應用研究，至今取得積極的成果。豐臺機務段自2011年初，試用了以“金屬減摩修復技術”為理論基礎的新型機車輪緣減磨干式產品，經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 技術原理

傳統的輪緣減磨技術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構較為精密、維修復雜的潤滑劑噴射裝置。但在4 000 MPa［3］的作用應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險，影響機車牽引力，甚至引發行車事故。干式潤滑通過壓力給進裝置將固體棒材準確涂覆到輪緣位置，棒料供給與機車運行同步，維護簡便，受到機務段的歡迎。但多年應用經驗表明，傳統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。

采用兼備減摩和修復功能的“摩安（MORUN）”新型機車輪緣干式減磨新技術是一種金屬摩擦表面原位改性強化技術，屬于表面工程范疇，根本有別于依據潤滑工程理論的傳統技術。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，利用既有的摩擦學微觀環境，功能材料與金屬表面發生機械、物理和化學的綜合作用，使金屬摩擦表面金相結構、化學成分、表面形貌得到改變，形成具有類陶瓷性質的高硬度、低摩擦系數、耐腐蝕、耐高溫的新表面層。其宏觀表現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段對這項新技術組織了為期5年的機車柴油機專項試驗，取得了節油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段在鐵道部運輸局專門發文（運裝機檢［2004］229號）下已全面推廣應用。機車柴油機主要運動部件的可靠性增加，全鐵路機務段連續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，將這項新技術延拓于輪緣減磨領域的應用，有著充分的理論依據和扎實的實踐基礎。

2 技術指標

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

表1 新型干式減磨產品的基本技術指標

3 應用研究結果

3.1 模擬比對試驗

在試驗室內模擬“碳棒”和新型干式減磨產品與輪緣對摩，以比較減磨材料與輪緣的附著程度，見圖1。經過同一載荷、同一轉速和同一時間段的對磨，由圖1所見，傳統“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果在實車應用中得到證實。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新材料減磨修復過程的前提。

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

圖2 新型干式減磨產品在輪緣表面的粘附條帶

3.2 應用研究方法

在新造HXN5型機車上開展應用試驗。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重。選擇此區段作為試驗線路，更利于考核產品的輪緣減磨性能。

應用研究采用橫向對比的方法，即試驗機車與同等數量、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 應用結果觀察

在歷經一年的試驗過程中，5臺試驗機車累積走行約30萬km，兩型產品經受了冬夏兩季的氣候變化，跟蹤觀察結果表明棒體沒有出現過斷裂、掉塊、拉絲、粘接、融化等異常現象，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型產品每根（270 mm）使用里程在3萬km左右，Ⅲ型產品每根（270 mm）使用里程為5 000～8 000 km。

3.4 應用結果分析

應用研究結果見表2和表3。采用新型機車輪緣干式減磨系列產品的試驗車與采用“碳棒”的對比車相比，Ⅰ型產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型產品的特點是使用周期長，為即用“碳棒”的4～5倍，更適合應用于在平直長大交路運用的機車。Ⅲ型產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。新型干式產品的減磨效果在廣鐵集團廣州機務段、龍川機務段也得到了驗證。

表2 Ⅰ型產品的輪緣減磨損效果

表3 Ⅲ型產品的輪緣減磨效果

4 結 論

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

（2）應用研究過程發現HXN5型機車輪緣磨損存在以下規律：1軸與4軸最為嚴重、2軸與5軸次之、3軸與6軸基本不磨。機務段常采用調整轉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計具有一定參考價值。

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

［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.我國鐵路潤滑技術的發展［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.金屬磨損自修復材料的功能特點和應用前景［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、摩擦學介入行為及其工業應用［J］.潤滑與密封，2010，（9）：98－101.

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