鐵路行業(yè)減振器及用油的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

張遂心,梁依經(jīng),糜莉萍,牛志勇,于海,梁云龍,姬建華

(中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，甘肅 蘭州 730060)

鐵路行業(yè)減振器及用油的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

張遂心,梁依經(jīng),糜莉萍,牛志勇,于海,梁云龍,姬建華

(中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心，甘肅 蘭州 730060)

摘要：通過鐵路行業(yè)在用減振器基本結(jié)構(gòu)、工作原理及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的調(diào)研，總結(jié)了國內(nèi)鐵路行業(yè)減振器的使用現(xiàn)狀；文章主要結(jié)合鐵路行業(yè)減振器的特殊工況、用油現(xiàn)狀以及實際使用中出現(xiàn)的故障，闡述了國內(nèi)鐵路行業(yè)減振器油的性能需求、發(fā)展現(xiàn)狀、評價方法及國內(nèi)外差距，提出了國內(nèi)開展鐵路行業(yè)減振器油研發(fā)的必要性及建議和展望。

關(guān)鍵詞：鐵路行業(yè)；油壓減振器；減振器油；發(fā)展現(xiàn)狀

中圖分類號：TE626.3

文獻標識碼：A

Development Status on Damper and Oil Used in Railway Industry at Home and Abroad

ZHANG Sui-xin, LIANG Yi-jing, MI Li-ping, NIU Zhi-yong, YU Hai, LIANG Yun-long, JI Jian-hua

(PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R&D Institute, Lanzhou 730060, China)

Abstract:Through the investigation on the basic structure，working principle，domestic and foreign development situation of the damper in the railway industry, the present situation of damper used in domestic railway industry was summarized. Combined with the special working conditions, oil consumption status and failures in actual use on the railway damper, the performance demand, development status, evaluation methods and the gap of the damper oil in domestic railway industry were reviewed. The necessity of study, some suggestions and prospection of the damper oil in railway industry of our country were put forward.

Key words:railway industry; hydraulic damper; damper oil; development status

DOI:10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2018.05.001

文章編號：1002-3119(2018)05-0001-05

0 引言

對整個鐵路行業(yè)而言，無論是機車車輛(內(nèi)燃機車、電力機車)、地鐵車輛、城市輕軌車輛還是高速列車，油壓減振器是鐵路行業(yè)機車車輛上的一個重要部件。由于鐵路行業(yè)車輛的車輪與鋼軌面之間是鋼對鋼的接觸，因此，車輪表面的不規(guī)則和軌道的不平順都直接經(jīng)車輪傳到懸掛部件，使車輛各部分高頻和低頻振動。如果這種振動不經(jīng)過減振器來衰減，就會降低機械部件的結(jié)構(gòu)強度和使用壽命，惡化運行品質(zhì)。現(xiàn)在人們對車輛行駛時的舒適度、穩(wěn)定性、制動時的平穩(wěn)性等性能要求越來越高，油壓減振器其性能優(yōu)劣直接影響到行車的安全性、舒適性和穩(wěn)定性，沒有減振器，車輛就無法運行。近年來我國鐵路進入一個飛速發(fā)展時期，特別是在鐵路跨越式發(fā)展政策的指引下，“高速重載”是鐵路營運的發(fā)展方向，隨著列車提速進程的加快，車輛運營中出現(xiàn)了很多前所未有的問題[1]，因此，在車輛運行過程當(dāng)中必須確保減振器能夠保持其性能的可靠性和穩(wěn)定性，凸顯出對高性能減振器油的需求。

1 鐵路行業(yè)油壓減振器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 鐵路車輛油壓減振器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

鐵路車輛通常由車身、轉(zhuǎn)向架、軸箱三部分組成，油壓減振器是鐵路車輛轉(zhuǎn)向架的重要組成部分，目前，國內(nèi)外鐵路車輛均用新型油壓減振器，根據(jù)機車車輛減振器的振動類型及在振動中所起的作用，新型油壓減振器包括5種：一系懸掛用垂向油壓減振器，二系懸掛用垂向、橫向和抗蛇行油壓減振器，以及用于連接車體并驅(qū)動制動單元的耦合減振器。這些減振器共同的作用是為了衰減車體的點頭運動、浮沉運動、橫擺運動、側(cè)滾運動以及搖頭運動[2-3]，如果這些運動不加以控制，會導(dǎo)致輪對之間增減載嚴重，構(gòu)架上的各個零部件的磨損加劇，嚴重情況下還會導(dǎo)致脫軌，不利于行車安全。

減振器和彈簧構(gòu)成列車轉(zhuǎn)向架隔振系統(tǒng)，在列車的行駛過程中，彈簧在振動系統(tǒng)中吸收振動能量并立即釋放振動能量，起緩沖振動的作用，而油壓減振器是減緩振動的核心，它能使產(chǎn)生的振動熱能被吸收掉，將其轉(zhuǎn)化為熱能，使油及自身的鋼結(jié)構(gòu)部件溫度升高，從而將熱能釋放到周圍大氣中,使振動能量減少,表現(xiàn)為衰減振動系統(tǒng)的振幅，抑制系統(tǒng)的振動，改善動系統(tǒng)的動力學(xué)性能，從而提高車輛在運行中的安全可靠性、平穩(wěn)性和舒適性[4]。五種減振器的工作原理基本一致，依靠拉伸、壓縮活塞桿往返運動形成液壓阻尼力達到減振的目的，根據(jù)減振器油品的流動方式，分為單向循環(huán)的油壓減振器和往復(fù)循環(huán)的油壓減振器[5]，目前國內(nèi)外鐵路機車大多數(shù)用單向循環(huán)油壓減振器，在高頻率振動下，油品始終單方向流動，自身產(chǎn)生的熱量少，傳導(dǎo)熱量均勻，油品不易發(fā)生乳化，可防止油溫度升高過大變質(zhì)，避免了因油質(zhì)變化加速油封等橡膠件的磨損和老化等問題。往復(fù)循環(huán)油壓減振器油品瞬時反復(fù)變化，易造成脈沖振動、局部高溫，從而縮短其使用壽命。

1.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

目前世界上比較先進的減振器主要來自于荷蘭柯尼(KONI)減振器、法國迪斯潘(DISPEN)減振器以及德國薩克斯(SACHS)減振器。荷蘭柯尼是以生產(chǎn)減振器聞名于世的公司，1932年就開始第一代摩擦式減振器的設(shè)計與生產(chǎn)[6]，柯尼減振器目前遍布各個行業(yè)，不管是汽車、鐵路機車、機車車輛、軍用車輛、坦克等，均能滿足其要求[7]，型號迄今已有2500多種。我國在機車提速后的一段時間內(nèi)，由于國內(nèi)減振器性能跟不上，首先引進的就是柯尼減振器，它不僅結(jié)構(gòu)牢固，使用壽命長，而且還能適應(yīng)各種艱苦的工作環(huán)境，可在10×105km內(nèi)無須檢修。柯尼減振器主要以單向循環(huán)減振器為主，它的特征是具有多個阻尼閥，使阻尼力可以調(diào)節(jié)到所需的阻尼力，使減振器工作時具有完善的阻尼性能。法國迪斯潘距今已有150多年的歷史，其主要致力于車輛轉(zhuǎn)向架以及鐵路配套裝備的生產(chǎn)，主要特點是其獨特的密封裝置，減振器失效的主要形式是其活塞桿上的密封裝置失效，導(dǎo)致減振器阻尼性能下降，迪斯潘減振器采用折疊式密封裝置，這不僅使迪斯潘減振器具有良好的減振效果，同時也使得整個結(jié)構(gòu)簡化，可安裝在任意方向上使用。德國薩克斯減振器公司生產(chǎn)的減振器遍布全球，年產(chǎn)量三千萬套，廣泛用于各類汽車上，1953年開始運用于鐵路機車上，薩克斯減振器以型號多、規(guī)模大、使用壽命長、做工精細、容易維修等諸多優(yōu)點聞名于世，我國在20世紀90年代才開始引進薩克斯減振器。除此之外，還有美國的蒙諾減振器、俄羅斯的KB3型、日本的托基柯和日立、瑞典的ASEA等。

1.3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)在上個世紀50年代才開始油壓減振器的研制和生產(chǎn)。青島四方機車車輛廠最早開始研究國產(chǎn)油壓減振器，于1961-1965年成功設(shè)計出了能符合普遍性能要求的SFKl型減振器，這也是國產(chǎn)減振器發(fā)展史上的第一個型號；1972年，在 SFKl的基礎(chǔ)上又發(fā)展設(shè)計出便于拆裝的SFKl3型減振器，在眉山車輛廠進行批量生產(chǎn)后，正式命名為MSP602型減振器；隨后四方車輛廠與眉山工廠在SFKl3以及MSP602的基礎(chǔ)上，先后研制出了SLK27型減振器與MSP601型減振器，并于1986年設(shè)計研究出了各項穩(wěn)定性均較好的MSP603型減振器；1998-1999年，四方車輛研究所在以往減振器研究的基礎(chǔ)上，生產(chǎn)開發(fā)的3A2型油壓減振器不僅大大降低了體積和質(zhì)量，而且性能和結(jié)構(gòu)也更加穩(wěn)定和完善。20世紀80年代末至90年代初，株洲電力機車研究所研究開發(fā)出了ZS8型減振器以符合時代進步的需要，該型減振器至今仍然有少量繼續(xù)生產(chǎn)和使用。1999年1月，戚墅堰機車車輛工藝研究所開發(fā)研制的QY型減振器實現(xiàn)了120 km/h的最高運行速度。此外深圳業(yè)成公司TYG型減振器則是在消化吸收了國外迪斯潘減振器技術(shù)的基礎(chǔ)上自主研究開發(fā)的[8]。但是隨著機車運行速度越來越快，對減振器的性能要求也越來越高，在運行5萬公里左右后，國內(nèi)大部分減振器出現(xiàn)漏油現(xiàn)象,這是由于隨著車輛速度的增加，車輛振動加劇，對減振器的性能要求提高，這就要求減振器具有優(yōu)良的密封性能、強度以及阻尼等[9]。

綜上所述不難看出，國內(nèi)油壓減振器開發(fā)制造起步較晚，存在種類少、壽命和檢修周期短、故障率高、性能不穩(wěn)定[10]，與國外同類產(chǎn)品相比還有一定的差距。減振器的質(zhì)量和技術(shù)直接影響鐵路車輛的提速，減振是提速和高速列車目前亟須解決的一大問題，出于國產(chǎn)油壓減振器不能滿足提速和高速列車的性能要求，我國高速動車組全部使用的是進口油壓減振器，以柯尼、迪斯潘和薩克斯三大減振器為主，普通客車組部分使用的進口，部分使用國產(chǎn)研發(fā)的減振器，這樣不僅增加生產(chǎn)成本，而且受到國外技術(shù)的制約。因此，應(yīng)加快高性能油壓減振器自主創(chuàng)新進程，早日實現(xiàn)高速列車新型油壓減振器國產(chǎn)化替代。

2 鐵路行業(yè)減振器油品的性能要求和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 減振器油品的特殊工況和性能需求

從減振器結(jié)構(gòu)與使用條件對比來看，汽車和摩托車大多使用孔隙節(jié)流式單一阻尼，而鐵路行業(yè)多使用復(fù)合式阻尼，構(gòu)造更為復(fù)雜，同時鐵路機行業(yè)減振器油的使用工況更為苛刻，在重負荷、長周期條件下運行，振動頻率高、行程范圍大、運動阻尼大，在黏溫性能、低溫性能、抗氧化性能、極壓抗磨性及橡膠相容性等性能上要求更為苛刻[11]。根據(jù)鐵路機車減振器的工作原理及使用環(huán)境，對鐵路行業(yè)減振器油主要有以下性能要求：

(1)優(yōu)異的黏溫性能。這是減振器油的重要工作性能，因為減振器油不斷升溫降溫，黏度也隨之升高降低，若黏度變化太大，油通過小孔的阻力也忽高忽低，使減振很不平穩(wěn)，即減振衰減大，因而要求減振器油有好的黏溫性能。

(2)較好的低溫流動性。由于車輛的地理流動性大，放置在室外的情況較多，同時考慮到北方冬天的寒冷天氣，要求減振器油傾點低于-40 ℃。

(3)優(yōu)異的極壓抗磨性能。在減振器工作時能有效潤滑，保護減振器各工作部件，延長使用壽命。

(4)較強的抗氧化性能。在路況較差時減振器油動作強烈，這時行駛慢迎面風(fēng)流速度低，減振器油溫會升高達150 ℃以上，油溫時升時降，氧化較苛刻。實際操作中往往因減振器損壞需拆卸減振器時才順便更換減振器油，極少會專為換油而拆卸減振器，因而要求減振器油有較長的使用壽命。

(5)良好的抗腐蝕性能及防銹性能。與減振器接觸的金屬有鋼、銅、鉻、粉末冶金以及鋅、鋁合金等，減振器油接觸這些材料，首先不應(yīng)使其腐蝕生銹。

(6)良好的橡膠相容性。防止由于密封材料與油品性能不匹配及易老化的原因造成油品滲漏和泄漏。

(7)優(yōu)良的抗泡性及抗乳化性。油品的乳化使阻尼特性降低，也是使節(jié)流閥和卸荷閥損壞的主要原因，油中含有空氣也是乳化的前提條件。

2.2 國內(nèi)外減振器油品的使用現(xiàn)狀和市場需求

目前我國鐵路行業(yè)減振器主要依賴進口，國外在用減振器油是引進油品和減振器一起試驗、改進、最后定型的，有相應(yīng)的減振器油產(chǎn)品與其相配套。但是國內(nèi)相應(yīng)的減振器油品研發(fā)空白，尚無專用的油品，國內(nèi)外沒有統(tǒng)一的標準遵循，檢修部門大多使用通用液壓油，由于鐵路行業(yè)減振器的特殊工況，普通的液壓油已不能滿足鐵路行業(yè)減振器的運行要求，造成減振器漏油量大、氧化變質(zhì)時間短、缸內(nèi)磨損嚴重等現(xiàn)狀[12]。國內(nèi)正在使用的進口減振器油產(chǎn)品的典型數(shù)據(jù)見表1，對比國外三種減振器油的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，針對不同的工況、不同的車型和不同型號的減振器，使用的減振器油黏度、黏度指數(shù)及低溫性能的要求不同，可以根據(jù)實際使用工況選擇合適的減振器油產(chǎn)品。

表1 國外減振器油產(chǎn)品的典型數(shù)據(jù)

表1(續(xù))

鐵路機車車輛每節(jié)車廂有兩個轉(zhuǎn)向架，每個轉(zhuǎn)向架有4個一系懸掛垂向減振器，2個二系懸掛垂向減振器，2個二系懸掛橫向減振器，2個抗蛇形減振器，表2列出了國內(nèi)的幾個機車車型減振器的用油量。每個一系垂向減振器用油量大概為750 mL，二系垂向減振器用油量平均為1000 mL，二系橫向減振器平均為900 mL，二系抗蛇形減振器平均為1500 mL,每個轉(zhuǎn)向架需要減振器油9.8 L左右，每節(jié)車廂大概用油19.6 L，以動車組16節(jié)車廂為例，每列動車大概需要313.6 L減振器油。

表2 國內(nèi)幾種機車常用油壓減振器用油量 mL

2.3 評價方法

減振器性能的可靠和穩(wěn)定，需要通過試驗臺架來檢驗，目前國內(nèi)對減振器油沒有單獨的評價方法，只能將裝有減振器油的減振器進行整體評價，國內(nèi)鐵路行業(yè)減振器的臺架試驗主要有：中國鐵道科學(xué)研究院的J95型試驗臺、FTS試驗臺；同濟大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院的J05試驗臺；株洲聯(lián)誠集團減振器有限責(zé)任公司的JS30試驗臺；南昌鐵路局的TNJ-2008型試驗臺等，目前油壓減振器性能試驗臺領(lǐng)域較為混亂：A企業(yè)生產(chǎn)的試驗臺檢驗合格的減振器在B企業(yè)的試驗臺檢驗，結(jié)果為不合格；C企業(yè)生產(chǎn)的試驗臺能夠檢驗垂向減振器、橫向減振器、抗蛇行減振器等，而D企業(yè)生產(chǎn)的試驗臺只能檢測某一類減振器或者某類減振器中的某些型號減振器等問題[13]。隨著試驗臺技術(shù)的進步和減振器性能要求的提高，出現(xiàn)了許多新型試驗臺，如液壓伺服式試驗臺、伺服電機式試驗臺等[14]，并且也對試驗臺精密度和功能進一步的提升。目前國內(nèi)檢測機車車輛油壓減振器執(zhí)行的最新標準為TB/T 1491-2015[15-16],機車車輛油壓減振器試驗臺標準為TB/T 2229-2004[17]，減振器在正式安裝在機車上使用之前，必須按照標準對減振器進行各項指標的檢驗，這些試驗臺主要是對油壓減振器高低溫性能、阻尼性能、耐久疲勞性能及強度等進行檢測。當(dāng)所有的試驗均符合標準之后，減振器才會被安裝車輛上使用。

結(jié)合以上鐵路行業(yè)減振器及用油的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)研，國外在減振器及油品的研發(fā)技術(shù)上已經(jīng)很成熟，而我國起步較晚，市場主要以進口為主，目前國內(nèi)幾大車輛研究所雖然自主研發(fā)減振器，但是國內(nèi)相應(yīng)的減振器油品研發(fā)空白，尚無專用的油品，國內(nèi)市場存在用油與實際需求不同步，從而導(dǎo)致減振器出現(xiàn)故障率高、壽命短的缺陷。因此，無論從技術(shù)需求還是市場需求，都應(yīng)該研發(fā)出相配套的鐵路行業(yè)減振器油。

3 建議與展望

隨著我國旅客列車運行速度的不斷提高，尤其是動車組及高速列車的大量運用，為了更好地迎合國內(nèi)自主研發(fā)的鐵路機車減振器，提高鐵路機車運行的可靠性和延長保養(yǎng)周期，開展鐵路行業(yè)減振器專用油國產(chǎn)化的研發(fā)，具有一定的經(jīng)濟效益和社會效益。為此提出以下建議與展望：

(1)加快高性能油壓減振器油國產(chǎn)化的步伐和自主創(chuàng)新進程，早日為鐵路行業(yè)提供滿足各種工況需求有競爭力的國產(chǎn)化鐵路行業(yè)減振器油系列產(chǎn)品。

(2)與國內(nèi)減振器OEM公司建立合作，收集相關(guān)減振器油產(chǎn)品，針對OEM公司提出的不同性能需求，研發(fā)相應(yīng)的減振器油產(chǎn)品。由于我國南北溫度差異大，針對不同的區(qū)域、不同的車型和不同的工況，研發(fā)不同級別的減振器油系列產(chǎn)品，避免選油不當(dāng)造成不必要的經(jīng)濟損失。

(3)應(yīng)加快解決減振器及用油的技術(shù)瓶頸，盡快制定相應(yīng)油品的國內(nèi)規(guī)范標準，以確保鐵路車輛安全可靠穩(wěn)定運行。

收稿日期:2017-11-16。

作者簡介:張遂心,工程師,碩士學(xué)位,2011年畢業(yè)于西北師范大學(xué)高分子化學(xué)與物理專業(yè),現(xiàn)從事工業(yè)潤滑油油品的研究開發(fā)工作。E-mail:zhangsuixin_rhy@petrochina.com.cn