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铁道机车车辆轮轨的摩擦磨损与节能降耗摘要:阐述了铁道机车车辆轮轨摩擦磨损的现状;研究了内燃机车车轮、闸瓦和钢轨的消耗数量及相应的维修费用;指出了采用适当的新技术之后,在节能降耗方面会产生显著的经济效益。关键词:车轮;轮缘;钢轨;摩擦磨损;铁道机车车辆;节能;降耗众所周知,铁路运输是基于轮轨相互作用产生的黏着牵引力和黏着制动力以实现列车运行的,轮轨间因摩擦磨损在铁路运输中消耗的能量和能源很多,耗资也很大。随着铁路运输向高速、重载发展,因摩擦磨损所致的事故风险也在增加。轮轨接触面形成的各种损伤,不但缩短了轮轨的使用寿命,在严重磨损后还会导致轮对和钢轨失效,危及行车安全。在这方面,即使在高速铁路成功应用的国家,也曾付出过惨重代价。例如:1998年,由于轮轴的疲劳断裂而导致德国ICE高速列车脱轨,造成101人死亡,84人重伤,直接经济损失约2亿马克。与此同时,合理利用资源,实行节能降耗,是我国的一项基本战略决策。为了节约能源,降低铁路运输成本和机车车辆的制造与修理费用,对机车车辆轮轨的摩擦磨损状况,需引起高度的重视。应当采取相应的技术措施,努力将这种磨损造成的损失降低到最小程度,以达到降耗增效的目的。1铁路钢轨的磨耗据铁路工务部门统计,我国铁路有20%~30%的路段钢轨磨损率大于国外严重磨损率指标,有60%的曲线段钢轨因波磨造成严重损伤。摩擦磨损带来的损失很大。钢轨损伤的形态铁路轮轨作用关系复杂,钢轨磨耗损伤的形态主要有钢轨的压溃、侧磨、波磨、剥离等,这些占钢轨总损伤量的80%以上。随着铁路机车车辆的重载与高速化,轮轨间的摩擦磨损也日趋严重,如钢轨的压溃与波磨迅速增长,且发生较为普遍(参见图1)。钢轨的年消耗量据资料记载:“十五”期间,我国铁路钢轨用材每年基本维持在110万t左右,除新线建设之外,其中用于既有线路大修和维修消耗的钢材约为70~80万t/年。据铁道部安检司调查,2003年因钢轨损伤而更换所需的材料及人工费用约为50亿元。其中,因钢轨压溃、侧磨、波磨等导致的损伤,占钢轨总损伤量的80%以上,即40亿元左右。2机车车辆车轮的磨损车轮是铁路机车车辆的重要走行部件。在列车运行中,车轮滚动会使车轮踏面和轮缘发生磨耗,而车轮在钢轨上滑动也会造成踏面损伤。车轮损伤的形态据失效分析统计,铁道机车车辆车轮损伤的主要类型有轮缘磨耗、轮辋疲劳裂纹、热损伤、车轮踏面剥离和崩裂等(参见表1和图2)。因磨耗造成车轮部件失效的主要原因是轮轨接触应力集中、制动热应力疲劳、累积塑性流动变形、夹杂物应力集中、内部缺陷应力集中等。车轮的消耗目前,我国铁路机车、客车和货车约有500万个车轮在运营中。这里所讲的车轮消耗,主要是指磨损后车轮的维修和更换以2006年为例,全路的机车、客车和货车就消耗新轮63·1万只,平均以0·5万元/只计算,所需费用约为31·55亿元。在为完成中国工程院下达的“摩擦磨损与工程应用咨询项目”时,笔者曾于2006年11月赴北京铁路局丰台机务段进行过“铁路机车车辆关键零部件摩擦磨损”的现场调研。从丰台机务段调查了解到:以DF4型机车为例,由于车轮维修或全部更换,该段平均每台机车每年所需人工费和材料费分别为3·3万元和42·4万元,这尚不包括因修理或更换时机车的停运损失。有关该段DF4型机车的旋轮与换轮费用参见表2和表3;若按2005年全路机车保有量17 500台推算,仅机车车轮的维修费用就近5·8亿元。制动闸瓦的消耗在机车车辆制动系统的摩擦制动中,主要有踏面闸瓦制动和盘形制动。我国目前除新造的提速客车和厂修改造的25型客车采用盘形制动外,其他的机车车辆都是采用踏面制动,这对车轮的磨耗是比较严重的。铸铁闸瓦相比合成闸瓦,可以获得较高的黏着系数且摩擦系数稳定,但是磨耗快,成本较高。以丰台机务段DF4、DF4D型机车为例,在1个大修期内,每台DF4型机车需更换闸瓦8次,DF4D型机车需更换闸瓦10次。因此,每台机车的换瓦费用分别为1·2万元和1·5万元。按该段现有DF4型机车35台和DF4D型机车23台计算,这些机车在1个大修期内换瓦的总费用为76·5万3降低轮轨磨耗的技术措施我国《铁路节能技术政策》第11·1条指出:“应注意抗磨减阻材料的推广使用。在全世界生产的能量中,约有30%~40%的能量是消耗在与摩擦有关的场合;我国与摩擦有关的能源消耗约占1/3 ~1/2。任何减轻摩擦、降低磨损的措施,都会直接或间接地节约能源。”针对目前机车车辆轮轨摩擦磨损严重、修理费用高的现象,如果进一步推广应用淬火钢轨、轨面打磨、磨耗型车轮、径向转向架和安装轮轨润滑装置等现有的成熟技术,不但可以明显改善轮轨摩擦磨损的现状,而且可以节约能源和原材料,大大降低消耗,取得显著的经济效益。采用淬火钢轨与维护钢轨波磨问题是轮轨相互作用过程中极其复杂的系统问题,根据不同的线路或区段,合理地选择钢轨,有助于预防钢轨的波磨。例如:淬火钢轨就很少发生波磨,因为它有较高的强度和硬度。因此,建议在轨道波磨区段采用屈服强度较高的钢轨。此外,轨面打磨也是主要防护手段,轨面打磨可减小车体的振动和车轮对钢轨冲击力所造成的磨损。实践表明,它可延长波磨轨寿命50%以上。从调查得知,若采用淬火钢轨、侧面涂油和适时的钢轨打磨等技术,仅钢轨材料一项每年就可节约费用20亿元左右,因减磨而节约的能耗费用也是很大的。采用磨耗型车轮踏面车轮磨损失效的形式主要有踏面磨耗到限和轮缘磨耗到限。铁道部对机车车辆车轮踏面的使用与维修都有相应的标准,如《DF4型内燃机车段修规程》第3·11·6·8条中规定:踏面磨耗深度不大于7 mm;而采用轮缘高度为25 mm的磨耗型踏面时,踏面磨耗深度不大于10 mm。磨耗达到或超过这些标准,就会危及行车安全。早期的车轮踏面为锥型踏面。锥型踏面在使用初期磨损很快,当磨损到一定程度后,磨损速率开始减缓,踏面形状趋于稳定。通过长期观察和试验发现,如果在车轮踏面设计时就采用磨耗型的车轮踏面廓形,可有效地减轻轮轨接触应力,迅速降低轮轨磨耗,有效延长轮轨使用寿命。四方车辆研究所在对北京、广州、济南等铁路局的机车车轮外形轮廓实测的基础上,设计了小半径曲线区段使用的JM磨耗型车轮踏面。长期的运用结果表明,应用该外形设计后,与原锥型踏面车轮相比,轮缘减磨可达30%~70%.一些铁路局根据各自所管辖线路的特点,也分别研制了多种形式的车轮踏面。如上海铁路局研发的ST系列磨耗型踏面,就取得了很好的减磨效果(参见表5)。表5上海铁路局DF11型0072号机车车轮磨耗数据对比由表5可知,采用ST-2型踏面后,机车每万公里的轮缘磨耗率从0·304 mm降至0·190 mm,降低了38%,车轮踏面剥离的故障也明显减少。据有关资料分析:机车车辆若采用磨耗型车轮踏面,每台机车每年可节约费用1·5万元。采用径向转向架传统的机车转向架,因传递牵引力和保证直线上走行性能的需要,各轴基本上是被约束成相互平行的。在通过曲线时,这种刚性定位的轮对与钢轨之间会形成明显的冲角,从而使轮、轨都产生严重的磨耗。曲线半径越小,磨耗越严重。为降低轮、轨的磨耗,近年来国内外开展了机车径向转向架研究,并取得了很好的效果。两种不同转向架通过曲线时的运行示意图见图3。再举几个例子,以说明装用径向转向架后轮缘的磨耗情况。戚墅堰机车有限公司生产的首台装用径向转向架的DF8B型7001号机车,在上海铁路局进行的线路运用考核结果表明:与同轴重、装有传统转向架且带轮轨润滑装置的DF8B型机车相比,前者的轮缘磨耗仅为16%。【下转第8页】【上接第4页】资阳机车有限公司对径向转向架机车与传统转向架机车在曲线上的冲角也进行了对比测试。测试结果表明:仅就径向转向架冲角减少的程度而言,轮缘磨耗至少降低了45%。大连机车车辆有限公司生产的DF4D型径向转向架机车,在柳州至怀化区段的客、货运牵引数据表明,与装用传统转向架相比,机车车轮的轮缘磨耗下降了74%。据有关资料分析:若采用径向转向架技术,每台机车每年可节约费用5·8万元。安装轮轨润滑装置润滑对减磨起着十分重要的作用。我国《铁路节能技术政策》第3·6条强调指出:“内燃机车和电力机车要加装新型轮轨自动润滑装置,减少磨耗和阻力,降低机车能耗。”以丰台机务段为例,安装轮轨自动润滑装置取得了较好的效果。该段有118台机车在安装了铁道科学研究院研制的华宝2号轮轨润滑装置后,使每台机车的旋轮公里数由10万km延长至18万km,车轮寿命由30万km延长至80万km。除机车因车轮寿命延长产生的巨大社会效益和经济效益之外,每台机车每年可节省旋轮(或换轮)费用1万元。丰台机务段的118台机车,每年可直接节省旋轮(或换轮)费用118万元。按全路17 500台机车推算,每年可直接节省旋轮(或换轮)费用1·75亿元。其投入产出比为1∶20。事实说明:通过安装轮轨自动润滑装置,对轮轨进行润滑后,不但可以减缓轮缘的磨耗,而且经济效益十分可观。4结语综上所述,在铁路运输中,机车车辆轮轨的摩擦磨损已成为相当严重的问题。大量的钢轨与车轮磨损,不但增加了材料的消耗,提高了修理成本而且降低了运输的效率,增加了能源的消耗。为此提出以下建议。(1)从设计、制造到运输、修理,所有与此相关的人员,对机车车辆轮轨的摩擦磨损状况,都应当高度重视,并采取相应的对策。(2)对目前已被证实具有良好减磨效果的措施,应进一步加大推广应用力度。例如:对钢轨进行适当的热处理和打磨,开发新型闸瓦,扩大磨耗型踏面车轮、径向转向架和轮轨润滑装置的装车应用等。(3)在今后的技术引进或产品自主创新的研发中,应更加重视对产品的摩擦副及磨损件标准的研究。与此同时,应寻求和开发更适应轮轨摩擦副的新材料、新技术、新工艺,以延长关键摩擦磨损件的使用寿命,进而达到节能、降耗和增效的目的。

铁路工务技术是铁路提高综合能力、运输效益的重要基础，是确保运输安全、提升服务质量的关键环节之一。我整理了铁路工务技术论文，欢迎阅读!

浅述铁路工务大机施工作业方法

摘要：我国铁路工务线路大修中的清筛捣固以前基本以小型机具养护捣鼓为主，难以保证线路

开通时列车速度限速条件。为了实现开通时速限速要求，提高生产力，我国铁路逐渐发展成了利用

大型清筛捣固机进行捣固的主要作业方法，保证了线路的安全运营，提高了施工质量，取得了较好

的经济效益和社会效益。

关键词：铁路;工务;线路大修;清筛捣固;列车速度;限速条件;方法

中图分类号：F53文献标识码：A

一.利用大机捣固作业施工特点

1.施工简便、工艺程序清晰易懂，减少了以往小型机具及人工施工的人山人海现场，管理者易

于管理;

2.施工速度快，施工精度高，起道精度横向水平差±2mm，前后高低差10m弦量不超过4mm，拨

道精度10m弦量正矢差±2mm，这些都是人工作业很难达到的;

3.清筛干净、废料集中;

4.整道后、道床稳定性好，减少了后期巡道养护工作量;

5.开通时速可达60km/h以上。

二、施工适用范围

1.本工法适用于轨矩为1435mm新建铁路的抄平、起道、拨道、捣固作业和既有线路的维修作业;

2.宽枕线路、整体道床和无碴桥面线路均不能使用本施工工法。

三、施工工艺

1.大型清筛机工作原理

大型清筛机由挖掘电机通过减速装置带动链轮，使挖掘链进行运转，对道床进行挖掘，并由连续

运动的扒板将污碴输入清筛机构。清筛机由电机带动运转，对挖掘机构送来的污碴进行离心筛分。污

土经刮板运送，由污土清扫机构抛到路肩以外。筛网上的净碴由筛带以同等的线速度飞落到回填输送

带上，由回填电机驱动的回填输送带不断地将筛分过的净碴经分碴板分流，均匀地回填到道床。由走

行机构和筛分机构不断的运转前行，使清筛道床作业连续进行。

2.大型捣固机工作原理

大型捣固机通过对各物理量(高低、水平、正矢等)的检测，转换为电信号放大后，控制执行机

构作业，执行机构的动作使原检测的物理量发生变化，反馈给计算机，再操纵执行机构作业，一直达

到预先给定的数值，电信号消失，作业停止。

(1).比例抄平和起道系统

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用于测量和修正轨道几何形状，横向抄平实现要求的超高，纵向抄平实现轨道纵向水平。

(2).拨道原理

为了保证线路的方向在作业后能达到规定范围，设置了一个闭环控制系统，只要输入理论要求，

它就能自动完成线路的拨道。

(3).捣固原理

根据钢轨类型，算定适当的捣固深度，在捣固电路的控制下，液压系统使捣固装置偏心振动轴高

速旋转，使所有镐头在道床中产生同等的压力。各对镐头独立工作，一旦一对镐头达到预定的压力值，

便自动停下来，其余镐头继续工作，直到各对镐头都达到预定压力值为止。

(4).捣固机二号位操作手输入由技术人员提供的起道量、拨道量、曲线要素等数据后由大型捣

固机的操作系统GVA装置按照线路要求自动完成抄平、起道、拨道、捣固和夯实等任务。

四、施工技术

施工前，必须编制详细的施工组织计划，召开各施工协调专题会议，统一布置施工配合、行车组

织等具体事宜。同时，要保证“天窗”时间，这是大机施工的必要条件。

1.大机施工的要求

(1).查清楚道床下是否埋有隐藏物或电缆，道床板结等不可或不利于清筛的地段，并加以标记，

大机清筛时绕过或加强警惕。

(2).轨道高程应低于设计高程10~30mm，距曲线起终点25m范围内的线路不能有拨道量和超高

设计高程的点。轨缝、轨矩、轨枕间距，轨枕方正符合《铁路轨道工程质量评定验收标准》，同时应

补齐配件，拧紧扣件。

(3).道床、道碴应补足、补均匀，使道碴与轨枕面平齐。桥上道床厚度应达到15cm以上。

(4).由于捣固车只能起道不能落道，所以对轨面超过设计高程的点要提前进行处理。

(5).技术人员应在清筛后，将所测量的拨道量，起道量的数据，用红油漆(或红粉笔)顺捣固机

作业前进方向，每5m一个点，标注在左恻轨枕斜坡上，曲线地段只标注起道量，在曲线的起点轨枕

面上标出曲线要素(曲线半径R、曲线全长L、缓和曲线长I、超高值H)并标出ZH(直缓点)、HY(缓

圆点)、YH(圆缓点)、HZ(缓直点)的准确位置。

(6).钢轨接头处和起道量超过50mm的地段，在钢轨内侧‖标记，需加强捣固。道床下埋有隐

藏物或电缆、道床板结，不能捣固地段用红色粉笔画“△”符号标明。

(7).应提前一天拆除桥上的护轮轨和平交道口铺面板、护轨，拆除加强设备如防爬器、轨矩拉

杆、钢筋混泥土防爬支撑和挡墙地段单侧护轨等。

(8).整道作业过程中，技术人员和测量工随捣固机检查标写在轨枕上的数据，并对钢轨进行编

号，验收整道线路，并将测量和验收结果汇集成表以便核对，经过验收合格当班交接，若不合格应及

时提出，立即返工，直到验收合格为止。

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2.清筛作业

(1).办理区间要点封闭手续，并确认区间封闭调度命令后，将清筛机开进作业地点;

(2).在大机前后各800m设置流动防护员进行防护，防护员随清筛机作业前进而移动。

3.整道作业

(1).作业开始前，到达作业地点后停车挂泵，启动柴油机，打开主作业开关。液压阀及气动阀

按正确顺序依次接通，再将各测量小车及弦线放置到位，最后打开左右夹持振动。依据实际情况选定

作业方法，各号位人员相互联络，确认准备工作就绪。

(2).捣固作业

一号位确认拨道表指针回红区内方可接通自动拨道开关，否则，需前后移动捣固机找拨道零点，

并对准镐窝。据线路情况正确选定镐头张开宽度、捣固装置下降速度和夹持时间。作业开始时二号位

应按1‰的比率顺坡至起拨道量。各号位人员随时联系。施工时，一号位监视水平表及指示灯的变化

情况;号位监视各显示仪表、前方线路情况、记录仪等，并进行安全监视;三、四号位监视捣固装置、

夯拍器、起拨道装置是否正常，有无异响，管道有无泄露，来回巡视检查各测量小车夹钳滚轮的位置。

(3).注意事项

①.起道量在501mm以下时捣固1遍，50mm以上时捣固2遍;

②.在变更曲线超高地段，里股轨起道量大于20mm的，分2次进行起道作业;

③.捣固机捣固频率不超过20次�Mmin;

④.对一次拨道量大的区段分次拨道;

⑤.对线路方向严重不良的地段，先用捣固机进行初拨道，然后再进行精拨道;

五、质量要求

1.质量控制

(1).大型捣固机每次前移、下插镐头、抱住轨枕，要求比较准确，以免影响整道质量。

(2).测量数据标注准确，道碴匀实。

(3).捣固机定期进行标定。

(4).捣固机操作人员必须掌握机械的结构原理及性能，了解线路状态及行车规则，严格执行操

作规程和各项规章制度，操作时要准确，熟练后再逐渐提高捣固速度。

2.质量标准

捣固作业必须严格执行《线路大、中修验收标准》

(1).轨距：误差+6，-2mm;变化率不大于2‰;

(2).水平：误差不超过4mm;

(3).轨向：①直线远视顺直，用10m弦量，误差不超过4mm;②曲线方向圆顺，用20m弦量，

现场正矢与计算正矢之差不超过4mm;③曲线始、终端不得有反弯或“鹅头”;

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(4).高低：①目视平顺、前后高低差用10m弦量不超过4mm;②轨顶符合设计标高，误差不大

于±20mm;

(5).三角坑误差不超过4mm。

六、安全措施

1.大机作业范围大，工种多，施工人员多，操作人员必须严格培训，持证上岗，按照安全操作规

程作业。

2.作业地段两端设置安全防护员。

3.作业期间，所有车下作业人员与捣固机的距离不得小于5m，严禁紧跟。

4.捣固机作业时，人员不能随意上下车。

5.对机械经常进行保养维修，严格交接制度，确保捣固机安全运转。

七、效益分析

利用大型养路机械明显比小机具及人工清筛整道效率高，大大减少了作业人员的数量，清筛整道

作业后，道床明显洁净整齐。行车速度在60km/h以上。一次作业合格率达100%，优良率95%以上。

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