郭向前

(中國鐵路武漢局集團公司 工務處，湖北 武漢 430072)

道岔和曲線鋼軌是鐵路軌道設備的薄弱處所。近年來，隨著鐵路通過總重及運行速度的逐年增加，列車通過道岔以及曲線鋼軌時輪軌磨耗日益嚴重，直接影響了軌道設備的壽命和列車的安全運行[1-2]。為了適應鐵路運輸發(fā)展的要求，延長道岔和曲線鋼軌更換的周期，減少養(yǎng)護維修的工作量，降低工務維修成本，保證站段內線路設備行車安全，特針對武漢北編組站進行軌道全面摩擦控制系統(tǒng)研究。

1 全面摩擦控制系統(tǒng)原理及構成

1.1 全面摩擦控制技術

輪軌界面的全面摩擦控制技術是在鋼軌頂面和車輪踏面之間以及鋼軌軌距面與車輪輪緣之間2個部位同時進行摩擦管理，從而控制輪軌接觸界面的摩擦系數(shù)處于目標水平內，降低因輪軌波浪形磨耗以及滾動接觸而造成的金屬損耗。這項技術包括同時在軌頂采取摩擦控制并在軌距面涂覆優(yōu)質潤滑油。該技術已經在北美、南美和歐洲的諸多客、貨運鐵路上得到驗證并大規(guī)模地進行了商業(yè)化推廣。這些鐵路在采用全面摩擦控制技術后一般能達到軌道橫向力降低30%和鋼軌磨耗降低 60%的效果。

1.2 全面摩擦控制原理

在曲線位置，由于曲線上股存在比較大的接觸壓強(由橫向力導致)和相對運動(滑動或者所謂的蠕滑)，從而導致顯著的能量消耗與散失，并通過溫度升高、噪聲、鋼軌和車輪的磨耗等形式表現(xiàn)出來[3-4]。通過降低輪軌接觸表面的摩擦系數(shù)，就能顯著降低能量的消耗和散失，減少鋼軌的磨耗。在曲線上應該保持曲線上股軌距面和軌距角的摩擦系數(shù)盡可能<0.2，并且整條曲線上均要維持這一較低的摩擦水平；在曲線和直線上，軌頂?shù)哪Σ料禂?shù)均應維持在0.3～0.4。

1.3 摩擦調節(jié)劑性能

軌頂摩擦控制是通過使用KELTRACK摩擦調節(jié)劑來實現(xiàn)的。這種摩擦調節(jié)劑采用干式薄膜技術在輪軌界面上建立中等的摩擦系數(shù)。中等摩擦系數(shù)能夠維持列車制動和機車黏著所需要的充足的摩擦水平，避免影響列車的運行性能；在此基礎上，通過降低輪軌界面的能量散失來達到降低磨耗的效果。減小軌頂和車輪踏面之間的摩擦系數(shù)不僅能夠直接降低上股與下股的垂直磨耗，而且能夠通過降低車輛通過彎道時的橫向作用力，改善轉向架的轉向調節(jié)性能，降低上股在軌距面和軌距角的磨耗[5]。一般液體潤滑劑的摩擦控制效果依賴于其在輪軌界面上所形成的介質層的厚度，因此在實際應用中難以有效地控制軌頂?shù)哪Σ料禂?shù)。相比之下，基于干式薄膜技術的KELTRACK摩擦調節(jié)劑依賴其固有的材料特性，通過在輪軌界面形成的介質薄膜來控制摩擦特性，與其厚度無關，從而可在輪軌界面形成可靠、有效和安全的摩擦控制介質[6-7]。

1)波磨控制。摩擦調節(jié)劑通過控制軌頂摩擦水平，能夠降低波磨產生機制中的磨耗因素。同時，摩擦調節(jié)劑具備的正摩擦特性(摩擦系數(shù)隨蠕滑率的增長而升高)可以抑制轉向架上2個輪對與鋼軌接觸點處的橫向或縱向黏滑振蕩，從而減緩波磨生成。

2)滾動接觸疲勞控制。根據(jù)安定理論，滾動接觸疲勞裂紋的產生和增長與輪軌界面的高壓強和高摩擦系數(shù)有密切關系?？梢酝ㄟ^優(yōu)化輪、軌型面來降低接觸壓強極值并采用有效的打磨程序來維持這種優(yōu)化過的型面，或者可以通過提高鋼軌的屈服強度，從而實現(xiàn)對滾動接觸疲勞的控制。另外，在輪軌界面涂覆干性KELTRACK摩擦調節(jié)劑，可降低界面上的摩擦力，從而降低滾動接觸疲勞[8-9]。

1.4 全面摩擦控制系統(tǒng)構成

全面摩擦控制系統(tǒng)由車輪計數(shù)器、電控裝置、動力裝置、油泵、管路、涂覆設備和摩擦調節(jié)劑構成。電控裝置根據(jù)車輪計數(shù)器數(shù)值設置噴涂間隔、噴涂流量和噴涂時間，油泵經過管路控制涂覆設備向鋼軌實施噴涂。涂覆設備包括太陽能供電板、內含儲罐和控制系統(tǒng)的設備箱、車輪傳感器以及安裝在鋼軌上的涂覆板。

1)道旁軌頂涂覆設備

在每個軌頂涂覆點安裝1套PROTECTOR Ⅳ道旁軌頂涂覆設備，設備還包含2只TOR ML涂覆板(每根鋼軌各安裝1只)。軌頂涂覆設備使用360 L (95美加侖)型儲罐來儲存摩擦調節(jié)劑，采用太陽能直流供電。圖1為摩擦管理試驗中使用的道旁軌頂涂覆設備的組成部件。

每套PROTECTOR Ⅳ道旁軌頂涂覆設備均安裝有數(shù)字控制裝置，使用可編控設置可將摩擦調節(jié)劑精確地輸送到相應鋼軌位置，泵送時間按每0.05 s 1次進行調節(jié)，泵啟動間隔依據(jù)通過車軸的數(shù)量予以調節(jié)。

圖1 道旁軌頂涂覆設備的組成部件

2)道旁軌距面涂覆設備

軌距面潤滑采用PROTECTOR Ⅳ道旁軌距面涂覆設備，設備還包含2只MC-4XL 16孔GreaseGuideTM涂覆板(每根鋼軌各安裝1只)。軌距面涂覆設備使用360 L (95美加侖) 型儲罐來儲存潤滑脂，采用太陽能直流供電。圖2展示了摩擦管理試驗中使用的道旁軌距面涂覆設備的組成部件。

圖2 道旁軌距面涂覆設備的組成部件

每套PROTECTOR Ⅳ道旁軌距面涂覆設備均安裝有數(shù)字控制裝置，使用可編控設置可將潤滑脂精確地輸送到相應鋼軌位置，泵送時間按每0.05 s 1次進行調節(jié)，泵啟動間隔依據(jù)通過車軸的數(shù)量予以調節(jié)。

2 武漢北編組站涂覆設備應用實例

2.1 武漢北編組站涂覆設備安裝概況

武漢北編組站位于湖北省武漢市黃陂區(qū)橫店街道，是亞洲規(guī)模最大的編組站之一，為武漢鐵路局下轄的特等站。武漢北編組站按雙向三級七場規(guī)模建設。該站俯瞰外形大致呈葫蘆狀，平均寬度為800～1 000 m，占地縱深約5 km，共有站線112條，總長約222 km。經過現(xiàn)場勘查以及與武漢北線路車間交流討論后，武漢北三場于2015年9月7日安裝了1臺軌距面涂覆設備(2016年11月在武漢北一場安裝軌距面、軌頂涂覆設備各1臺)，采用ProCurveTM 特級潤滑脂來潤滑保護鋼軌和道岔?，F(xiàn)以武漢北三場軌距面涂覆設備為例進行跟蹤分析，設備安裝于武漢北三場3001岔前100 m處。設備主要覆蓋區(qū)域見圖3中的黑體部分。

圖3 武漢北三場南北岔區(qū)平面示意

2.2 設備日常管理

1)工區(qū)日常巡查

為保證設備運轉正常，要求責任工區(qū)日常巡查，巡查至少每周1次。遇巡查周期申報日常作業(yè)計劃時，派工單作業(yè)地點需含涂覆板安裝地點。巡查中使用3G手機拍照并上傳，若發(fā)現(xiàn)異常，應做好記錄并通知包保人，工區(qū)填寫巡查表并留存?zhèn)洳椤?/p>

2)線路車間日常管理

每月責任車間主管材料副主任對各工區(qū)所有固定涂覆設備檢查2遍，如實填寫設備檢查表，并督促工區(qū)做好日常巡查。車間材料副主任每月對油缸油料進行檢查，使用卷尺對油料至油缸頂部的距離進行測量，油量警戒線為500 mm,低于警戒線必須加裝油料。當進行線路維修且施工作業(yè)會影響設備正常使用時，聯(lián)系廠家對線上設備(涂覆板、傳感器、聯(lián)結閥門、輸油管路、電信號傳輸線等)進行拆除與還原。

3 經濟效益分析

分析和對比武漢北三場進場線的10組道岔和曲線鋼軌(分別為3001，3003，3067，3019，3115，3117，3039，3119，3127，3121號道岔以及岔間連接線路、曲線渡線等)，在安裝1臺軌距面涂覆設備前后的耗材費用和人工費用。

3.1 設備安裝前換軌費用

根據(jù)武漢北線路車間提供的設備安裝前更換軌件統(tǒng)計表，計算得出從2014年1月初至2014年12月底，上述10組道岔和曲線鋼軌區(qū)域消耗軌件費用(見表1)和人工費用(見表2)。

表1 設備安裝前消耗軌件費用

表2 設備安裝前人工費用

則2014年更換軌件費用總計為45.06萬元+25.03萬元=70.09萬元。

3.2 設備安裝后換軌費用

武漢北三場于2015年9月7日安裝了1臺軌距面涂覆設備。根據(jù)武漢北線路車間提供的設備安裝后的更換軌件統(tǒng)計表，計算得出從2016年1月初至2016年12月底，上述10組道岔和曲線鋼軌區(qū)域消耗軌件費用(見表3)和人工費用(見表4)。

表3 設備安裝后消耗軌件費用

表4 設備安裝后人工費用

則2016年更換軌件費用總計為23.12萬元 +12.51萬元=35.63萬元。

3.3 涂覆設備消耗材料成本

武漢北三場軌距面涂覆設備所覆蓋線路每天通車量為31列，則每年通車總量約為31列/d×365 d=11 315列。以平均每列車55節(jié)車廂計算，設備覆蓋線路年通車總軸數(shù)為 11 315×55× 4=2 489 300軸。

輪距面涂覆設備消耗的潤滑脂為0.25 L/1 000軸，故1臺設備年消耗潤滑脂為622.3 L。潤滑脂單價為122元/L,則潤滑脂年消耗費用為75 924元。

1臺軌距面涂覆設備的價格為 240 000元,假設設備使用壽命為15年，則每年平均設備費用為1.6萬元。則平均每年1臺軌距面涂覆設備消耗總費用為 75 924元+16 000元=9.19萬元。

以上為工務專業(yè)各類消耗，并未考慮機車及車輛的損耗。

3.4 經濟效益計算

設備使用前2014年更換軌件總費用為70.09萬元，設備使用后2016年更換軌件總費用為35.63萬元，使用摩擦控制技術每年消耗總費用為9.19萬元。則使用1臺軌距面涂覆設備后每年節(jié)約總成本為70.09萬元-35.63萬元-9.19萬元 = 25.27萬元。

實施全面摩擦控制技術后，實際帶來的經濟效益不止于此，如減少了機車、車輛等養(yǎng)護修理次數(shù)。此外，還使得工務人員維護周期延長，減少上道作業(yè)次數(shù)，降低行車、人身安全隱患,帶來了良好的社會效益。

4 結語

武漢北編組站安裝全面摩擦控制系統(tǒng)后，減緩了道岔及曲線鋼軌磨耗，抑制了波磨的增長，減小了滾動接觸疲勞，同時有效地減小了軌道橫向力，從而降低了脫軌風險。根據(jù)武漢北線路車間更換軌件統(tǒng)計表，對比設備安裝前后的換軌記錄，可知設備安裝后相同時長內更換軌件減少近1/2，說明采用軌距面涂覆設備可延長道岔和曲線鋼軌使用壽命近1倍。通過經濟效益分析發(fā)現(xiàn)，采用軌距面涂覆設備后，節(jié)約了超過1/3的換軌成本，經濟及社會效益良好。

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