论文：运用惯性法测量波磨的实践及应用
【摘 要】 基于当前检测方法，弦测法的传递函数不恒等于1，不能正确反应轨道的不平顺性，惯性基准法受速度影响较大，低速时加速度信号比较微弱，信燥比低，要做积分运算，且低频信号容易引起积分饱和，考虑积分稳定性问题，误差较大。因此当前检测方法还有许多不足之处。随着光电技术的发展，在弦测法和惯性基准法基础上需开发一种采用光电位移计或光电摄像技术获得位移信号的检测方式，检测精度会大大提高。本文在朔黄铁路应用波磨检测系统基础上，指导钢轨铣磨，探索铣磨周期。
【关键词】 波磨 RMS值 铣磨
波磨是出现于铁路线路钢轨顶面呈波浪型的磨耗，轨面光带忽明忽暗。它有波长和谷深两种属性。波长是相邻的两波峰之间的纵向距离，谷深是相邻的波峰与波谷间的垂直距离。
1 钢轨波磨对列车运行的影响
1.1 增加工务部门的维修费用，破坏轨道
（1）加速石砟粉碎。当轨道受垂向作用力加大后，石砟受挤压，换砟及补砟工作增多。
（2）空吊、泛白接头、翻浆冒泥的增多。接头空吊会使白色底砟翻到轨道表面，是空吊的典型特征，长期空吊加上自然灾害的影响会使轨道形成翻浆冒泥。（3）枕木裂纹、失效增多。在波磨地段，波峰对枕木载荷和垂向作用力加大，对轨道压溃增加，多处枕木会形成裂纹、甚至失效。
2 组成及功能
波磨检测系统由软件和硬件两部分组成，硬件主要包括左右轴箱加速度计、实时采集计算机、前置预处理装置、波磨波形机等。软件主要包括钢轨波磨实时检测软件、数据接收软件、超限编辑和报表生成软件以及波形分析软件。
2.1 系统各部件功能
（2）前置预处理装置。前置预处理装置由±15V和±5V集成一体化稳压电源、左（L）右（R）加速度处理板组成。前面板设有调试和检测孔，可在此监视各路传感器的原始信号及经过处理板进入A/D采集板的信号。左（L）右（R）加速度信号处理板分别对左右加速度信号进行预处理，包括调零点、调增益、抗混叠滤波等。
（3）波磨实时处理计算机。波磨实时处理计算机是波磨系统的核心和大脑，在波磨实时处理平台下实现对原始加速度信号的等距离采用、显示、存储，同时通过数字处理、积分滤波等技术，计算钢轨顶面相对于轴箱的位移，输出钢轨波磨幅值。开启工控机后需在该界面正确设置检测信息。
实时处理界面在采集前应正确设置检测线路、方向、起始里程、状态，界面自上至下共显示3组波形，依次为波磨峰值波形图、波磨RMS值波形、原始触发信号波形，并将数据实时传递给波形机。
（4）波磨波形机。波磨波形机位于车内波磨实时处理计算机下方，主要功能是数据存储和波形显示，并能对波形进行历史数据对比、实时输出超限报表，可对数据进行编辑、统计、打印。
（5）超限报表包含超限位置、类型、峰值大小、长度、等级、速度、检测标准。
（6）波形图包含实时检测速度和里程、左右股原始触发信号、左右股原始值波形、左右股RMS值波形，浏览波形图可以纵观轨面波动情况及趋势，点击缩放功能，放大波形图，点击测量，可以获取任意点的波磨原始峰值、任意区段波磨的均方根值，还可以通过波形历史数据对比，预见病害发展趋势，指导钢轨维护和评价轨道维护质量。
2.2 检测原理
钢轨波浪磨耗检测系统是一个对钢轨顶面波浪磨耗进行动态在线检测的系统。它采用惯性基准法，在QNX实时操作系统平台下实现对原始加速度信号的等距离采样、显示和存储，由计算机对原始触发信号进行二次积分和滤波处理，计算出钢轨顶面相对于轴箱的位移，从而得到波磨幅值。
2.3 实践及应用
因为波磨病害主要发生在曲线下股，当前波磨检测系统指导钢轨打磨，主要依靠曲线下股RMS均值进行降序排列，从而制定铣磨或打磨计划（如表1所示）。
（2）评价轨道维护质量。不论是铣磨作业还是打磨作业，利用波磨检测系统可以利用波形图对施工前后的作业质量进行评价。利用波形图的`缩放及测量功能，可以读取具体数值，灰色波形代表铣磨前轨面波磨幅值，蓝色波形代表铣磨后波磨幅值，通过对比发现铣磨后波磨幅值明显下降。
（3）建立波磨观测台账。波磨为轨面主要病害，为了探索线路打磨（铣磨）周期，研究重载铁路延长钢轨使用寿命的综合技术措施，因此需要现场验证来研究综合技术措施的有效性和实用性。基于此，我们采取对铣磨地段建立观测台账的方式，来探究打磨（铣磨）周期。如表2所示。
如表2中，4月代表铣磨前波磨情况，5、6、7、8、9月代表铣磨后波磨的发展情况，明显看出，铣磨后较铣磨前波磨明显下降，随着时间推移波磨幅值逐月上升。通过追踪观察，当波磨幅值与铣磨前相等时，即得到铣磨周期。
3 结语
基于当前检测方法，弦测法的传递函数不恒等于1，不能正确反应轨道的不平顺性，惯性基准法受速度影响较大，低速时加速度信号比较微弱，信燥比低，要做积分运算，且低频信号容易引起积分饱和，考虑积分稳定性问题，误差较大。因此当前检测方法还有许多不足之处。
随着光电技术的发展，在弦测法和惯性基准法基础上需开发一种采用光电位移计或光电摄像技术获得位移信号的检测方式，检测精度会大大提高。
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机械工程师职称论文篇二
机械工程研究进展与展望
摘要：随着社会的发展，科技的进步，我国的机械工程领域也得到了飞速的进展。我国机械工程的发展为我国的经济的建设提供了大量的创新理论和创新技术，能切实的促进经济的发展，但是我国的机械工程由于发展起步的较慢，总体上还比较落后，不能全面的促进制造业的全面进步和促进经济的长足的发展。本文就是要分析机械工程的进展和展望。
关键词：机械工程 进展 展望
我国的电石厂未来的发展趋势是更加的趋于绿色化和知识化的，因此必须大力发展机械工程，真正加强新能源的制造，促进电石厂的长足发展。随着我国的不断发展，电石厂的生产和发展是经济建设中的重要的先头力量，因此，必须大力加强机械工程的建设，保证电石厂在市场竞争的过程中，能处于不败的地位，促进我国经济的发展。
1 机械工程科学的定义
机械工程是指研究机械的系统和产品的性能方面的知识理论，能切实的对电石厂的生产和发展过程中，提供设计和制造的理论，能保障建设时有科学的方法和技术，能切实的保障机械的发展和制造科学的发展。能切实的加强用科学方式进行机械结构的设计和对机构性能的研究，能真正的保证制造系统能有序合理的运作，保证电石厂能有效的运行，切实的保证社会的进步和发展、经济的进步。
2 机械工程发展研究
电石厂的进步和发展，能切实的促进社会的发展和经济的进步，能保障成为国民经济发展的支柱产业，能切实促进社会的不断的进步和发展，因此必须加强机械工程的发展，保证能提供一个科学的技术和知识，能促进先进的技术涌入制造行业，全面推动电石产业的进步和发展，为电石产业提供一个先驱的作用，能不断的进行创新，能促进相关产业的创新和发展，保证中国的制造业能全面的得到发展。加强电石厂设备机械工程的系统性和完整性，全面按照流程进行，保证各个环节都能良好而有顺序的运行。电石厂设备运作流程如下：①摩擦学的领域。摩擦学是我国机械工程的最重要的一门学科，对轮轨波磨现象做出了重要的深入的讨论和分析，能切实的保证摩擦技术应用到各个领域中去，促进机械工程技术的发展。②机器人机构学领域。机器人机构学领域也是机械工程发展中的重要的环节，能联合综合的方式进行理论的试验，能真正的保证开发出多种结构，真正的为机械工程的发展，做出贡献。保证能更好地促进制造业的发展和进步。③机械动力学领域。在我国机械工程发展的过程中，机械动力学也在不断的进步和发展，出现微纳制造的情况，能切实的使信息科学也得到发展，保障能切实的在动力学的发展中，能促进制造领域得到长足的发展。
3 机械工程的技术发展
3.1 机构学的进步和发展
机构学是机械工程的最具有代表性的科目，只有不断的加强对机构学的研究和发展，才能使我国的机械工程得到迅速的发展，能使我国的制造业都能满足社会发展的需要，切实的促进设计理论和技术能得到空前的进步和提升，保证能切实的在电石厂的建设中提供新的机械和装备，促进得到更好地发展。在电石厂的设备运作过程中，全面的运用机械工程的标准机构模式进行建设，保证能真正的促进电石厂的生产和发展。
3.2 摩擦学的发展
加强对摩擦学的研究，促进其发展，能在很大程度在电石厂的发展过程中起到减阻的作用，能促进纳米摩擦学和生物摩擦学得到很大的成长和发展，能在很大程度上保障电石厂的发展。例如在电石厂的机械结构设计中，应用齿轮传动的方式，能在很大程度上减小机械传动中的摩擦。
3.3 机械动力学的发展
在机械工程不断发展的过程中，机械动力学的发展也是非常重要的部分，切实的加强机械动力学的发展，能更好地促进电系统动力学和故障检测系统的发展，能切实的保障对电石厂的机械进行彻底的分析和设计，能在很大程度上推动电石厂装备设施的发展和创新，能真正的推动社会经济的发展和进步。
4 机械工程的展望
机械工程的未来发展趋势是更加的注重能源的节约和环境的保护，技术上发展的更加的高端和科学，能更好的促进电石厂的发展，能更好地加速我国经济的进步。
4.1 信息制造科技的发展
信息制造科技的发展，能更好地促进量子纳米技术的发展，使得电石厂的产品更加的信息化和数字化，能从最根本上保证电石厂的全面发展。
4.2 纳米制造科技的发展
不断的加强纳米技术的创新和改革，能在很大程度上促进机械工程的技术更加的精准，能更好地促进社会的进步和发展，保证电石厂的设备装置的精度都能得到保障。
4.3 新能源制造技术
不断的加强新能源的制造技术，能不断的加强在生能源的制造，加强绿色设计和制造技术，加强产品再造技术，保障电石厂的进步和发展，能在很大程度上，使经济发展的更加迅速。
4.4 先进技术的不断发展
先进技术的不断发展和创新，机械传动学科的发展，能在很大程度上减少金属的使用，仿生机械和生物制造的发展，能切实的在电石厂的发展中，为生产的机械起到减阻的作用，加强电子制造的技术，能切实的保证加强电石厂的生产技术的速度和精度，加强数字制造的发展，能切实的建立数字控制平台，对生产和发展起到集中的控制作用。
5 结束语
社会的发展，科技的进步，机械工程也取得了巨大的进展和突破。不断促进机械工程技术的创新和改革，能在很大程度上使电石厂设备高速运转，促进电石厂的发展和改革，能真正的使我国的制造业大进步大繁荣，使我国的经济得到迅猛的发展。
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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。
1.1 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)。
1.2 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。
2.1 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。
2.2 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。
2.3 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。
3.1 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。
3.2 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。
3.3 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。
3.4 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。 1.1 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)。 1.2 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。 2.1 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。 2.2 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。 2.3 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。 3.1 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。 3.2 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。 3.3 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。 3.4 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。
