（机械电子工程专业论文）非接触式铁路曲线钢轨地面润滑装置研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 铁路曲线线路上轮一轨之间的侧磨一直是各国铁路部门致力解决的问题。 近年来，轮轨润滑技术得到了极大发展，但是各种类型润滑装置仍然存在一 定的不足。 本论文研究了一种新型地面轮轨润滑装置，以减轻钢轨和车轮之间的磨 损。这种地面装置借助于列车通过时铁路道床产生的振动信号激励润滑系统 工作，将润滑脂通过压缩气体增压泵喷射到轨道侧缘，经轮缘将油脂带到整 个轨道曲线上实现润滑。 本文首先介绍了轮轨润滑在国内外的发展情况，分析了现有技术的不足， 提出了该装置的创新性。根据车辆蠕滑理论，分析了曲线上轮轨间接触形式、 轮对运行行为、车轮与钢轨间的相互作用力、指出了蠕滑力偶对轮轨侧磨的 影响，分析了轮轨磨损机理，提出了以润滑脂取代润滑液，并且提出了总体 设计方案。论文还分析、计算了装置各部分主要元件的参数，确定了气源、 电源和油脂源的容量机器配置，设计了各液压执行元件的几何参数及压力损 失。从工况及系统需求入手，选择了可编程控制器，编写了梯形图，确定了 电磁换向阀，实现了系统工作的自动化。以气源的选择出发，介绍了二氧化 碳气体的性质，并从环境保护的角度提出了利用好二氧化碳的设想，进行了 油源、气源及电源的匹配。最后，对油脂喷嘴进行了分析和设计。 关键词：轮轨润滑；侧磨；蠕滑；p l c 控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第f l 页 a bs t r a c t t h es i n g l e - s i d ew e a r i n ga tt h ec u r v er a i l w a yi st h eq u e s t i o nw h i c hh a sb e e n d e v o t e dm u c he f f o r tt os o l v i n gi nm a n yc o u n t r i e s i nr e c e n ty e a r s ，t h et e c h n o l o g y o fw h e e l - r a i ll u b r i c a t i o nd e v i c ed e v e l o p e ds or a p i d l y n e v e r t h e l e s s ，t h e r ee x i s t c e r t a i nd e f i c i e n c i e si nm a n yt y p e so fl u b r i c a t i o nd e v i c e s an e wd e v i c ed e s i g n e dt or e l e a s et h ew h e e l - r a i lw e a ri si n t r o d u c e di nt h i s t h e s i s ag r o u n dw h e e l - r a i ll u b r i c a t i o nd e v i c e ，t h a ti sa r o u s e db yo s c i l l a t i n gs i g n a l o fr a i l w a yb e dw h i l et r a i np a s s e sb y ，j e t sl u b r i c a t i o ng r e a s eo nt h er a i li n n e rs i d e f a c eb ya i n c r e a s i n gp r e s s u r ep u m pw i t hp r e s s u r ea i r ，a n dt h e nt h er u n n i n gw h e e l s b r i n gt h eg r e a s eo nw h o l ec u r v er a i ls u r f a c e ，s o 廿1 a tt h ew h e e l - r a i lc a l lb e l u b r i c a t e d f i r s t l y ，t h ed e v e l o p i n gs i t u a t i o no ft h ew h e e l r a i ll u b r i c a t i o nb o ma th o m e a n da b r o a di si n t r o d u c e d ，t h ed r a w b a c ko fe x i s t i n gt e c h n o l o g yi sa n a l y z e da n dt h e i n n o v a t i o n si sp o i n t e do u t t h e n ，b a s e do nt h ec r e e pt h e o r y ，t h ec o n t a c tf o r m a t i o n o ft h ew h e e l r a i l ，t h eo p e r a t i o na c t i o na n di n t e r a c t i o nf o r c e so ft h er a i lw h e e l s e ti s a n a l y z e d i ti n d i c a t e st h a tt h ec r e e pc o u p l em a d et h ee f f o r t so nt h ew h e e l - r a i lw e a r t h er a i l w h e e la b r a s i o nm e c h a n i s mi s a n a l y z e da n dt h ep o i i l to fv i e wu s i n g l u b r i c a t i o ng r e a s ei n s t e a do fo i li sg i v e no u t o v e r a l lp l a no ft h el u b r i c a t i o nd e v i c e i se x t r a c t e da n dt h ed e v i c ei sd e s i g n e d i nt h er e s t , t h ep r e s s u r eg a ss o u r c e ， e l e c t r i c a lp o w e rs o u r c ea n dg r e a s es o u r c ea l ed i s c u s s e d t h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r s o fd e v i c em a i nc o m p o n e n t sa n dt h ep n e u m a t i c - h y d r a u l i cs y s t e mp r e s s u r el o s sa r e c a l c u l a t e d a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n sa n ds y s t e mr e q u k e m e m ，t h e p l ci ss e l e c t e dt om a k et h es y s t e mw o r k i n ga u t o m a t i c a l l y p r o g r a m m i n gt h e l a d d e rd i a g r a ma n dc h o o s i n gt h em o d e lo ft h es o l e n o i dd i r e c t i o n a lc o n t r o lv a l v e a r ef m i s h e d c a r b o nd i o x i d ea sp n e u m a t i cm e d i u mi si n t r o d u c e da n da s s u m p t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ll 页 f o rt a k i n gc a r eo fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o ni sm e n t i o n e d i nt h el a s t ，t h eg r e a s e n o z z l ew h i c hi n n e rs h a p ew a st h ec o n ea d d e dw i t hac o l u m ni ss e l e c t e da n di t s r e l a t e dp a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e d k e yw o r d s ：w h e e l - r a i ll u b r i c a t i o n ；s i n g l e s i d ew e a r ；c r e e p ；p l cc o n t r o l 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密团，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 力俄犹- 幺位鬃 沪i l - q 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 本装置为一种安装在地面而不侵入行车限界的涂油器，相对于现有 装置，这种装置不存在产生影响行车安全的隐患( 机械寿面长，也不受行车 速度或车重的影响。 ( 2 ) 在该装置中，使用了可编程控制器作为系统控制单元，通过程序语 言的编写，可以实现装置开始工作的条件及工作时间的调控，从而实现自动 化。自动化的实现，避免了铁路工务、机务等部门的多头管理，让轨轮润滑 工作交由一个部门专门管理，减轻了工作强度，提高了工作效率。 ( 3 ) 根据车辆运行蠕滑理论，分析了曲线轮轨间接触形式及轮对的运行 行为，找出了轮轨磨耗产生的原因。 ( 4 ) 选择了压缩二氧化碳气源。充分利用了二氧化碳稳定、临界温度值 低、来源广泛的特点，从环境保护的角度提出合理利用二氧化碳。 筹 1如。c i 1i 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 论文研究背景及实际意义 一、轮一轨磨损现状 随着我国铁路运输向着重载、高速化发展，列车运行中轮一轨接触的情况 变得越来越复杂，接触的条件变得越来越恶化。车轮与钢轨之间的磨损加剧， 轮对与钢轨使用寿命缩短。如不及时更换，容易造成脱轨事故。加之我国幅 员辽阔，地理环境复杂，铁路线上半径小于3 0 0m 的曲线钢轨有5 0 0 0 多公里。 我国的西部电气化铁路( 宝成线、襄渝线、成渝线、兰新线等) 建成时间较 早，多在小曲线大坡道的山区，机车轮轨的工作条件十分恶劣。由于铁路弯 道处的轮一轨侧磨很严重，润滑条件有限，钢轨的使用寿命一般仅为1 - 2 年， 有些困难路段的曲线轨道仅能使用1 1 个月就磨损到限而必须更换。据统计， 因磨损而报废的轮轨可达总报废数的5 5 。 图卜1 钢轨磨损示意图 “十一五 期间，我国将建设铁路新线1 9 8 万公里，其中客运专线9 8 0 0 公里，投资规模将达1 2 5 万亿元。既有线增建二线8 0 0 0 公里，既有线电气化 改造1 5 万公里。2 0 1 0 年全国铁路营业里程达到9 5 万公里，复线和电气化比 例分别达至u 4 5 以上。届时，我国铁路东西南北中之间货运将实现大出大入， 长期制约我国经济发展的铁路瓶颈问题将基本得到解决。2 0 0 7 年4 月1 8 日，全 国铁路实施了第六次大面积提速。提速后，全国铁路客运能力预计增加1 8 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 货运能力预计增力f 1 1 2 。我国铁路逐渐朝着高速化、重载化发展是一种趋势。 机车的车轮与铁轨之间的摩擦力是列车能够在铁轨上行驶到牵引力n 1 。 众所周知，摩擦力的作用有好有坏。人们在利用摩擦力时希望摩擦力大，反 之就希望摩擦力小。列车前进的动力由轮一轨的摩擦力提供，此时的摩擦力为 有益的。但在线路为曲线小半径时，轮一轨之间的摩擦就会变成有害摩擦。 晋城煤业集团铁运处机车经过近年的运行，因机车运行方向单一，且专 用线大多为顺时针方向的曲线，所以机车左侧车轮磨耗严重，3 1 3 0 号、3 1 3 9 号、3 1 4 0 号机车先后出现了轮缘垂直磨耗超限的情况乜3 。铁路技术规程规定： 车轮轮缘垂直磨耗高度必须小于1 8 m m ，若接近该限度，机车不得投入运行。 因为磨耗严重时，会使轮缘外形与钢轨内测面形状相一致，并使两者的接触 面极大增加。这样不但增大了阻力，而且使钢轨与轮缘加速磨耗。轮缘垂直 磨耗过大，易于扎伤尖轨或爬上尖轨时造成机车脱轨，所以必须对到限车论 进行镟削处理，镟轮费用为6 万元次。2 0 0 7 年全年，重庆机务段内江检修车 间镟轮达3 0 0 余对。 车轮、钢轨的磨损问题在世界很多国家普遍存在。在美国，从芝加哥到 洛杉矶重载牵引一个往返，轮轨磨屑量约达0 7 5 吨。有关资料表明，轮轨磨 损在美国的经济损失约为2 0 亿美元。从车轮钢轨的报废原因分析，磨损造成 的报废占极大比例，见下表1 - 1 口1 表1 一l 各种钢轨报废原因比率 报废原因所占比率 自然老化( 正常报废) 1 5 破损报废 1 5 磨损报废 5 5 表面磨坏 腐蚀报废 1 5 随着列车牵引重量、运行速度和机车轴重的提高，节能和减少轮轨磨损 成了国内外铁路部门日益关注的问题。减轻轮轨磨耗的方法很多，以下列举 了6 种途径。 ( 1 ) 轮缘涂油润滑 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 2 ) 钢轨轨头内侧缘涂油润滑 ( 3 ) 对轮轨轮缘向接触部位的摩擦表面，通过各种理化处理提高其抗磨 性。如对轮缘和轨头内侧面，刷涂一种能对被涂表面起理化结合作用的金属 涂层固体润滑剂。 ( 4 ) 采用轮轨理想接触的新型轮箍外形 ( 5 ) 从机车转向架结构上考虑，适当增加轮轴的自由恒动量和降低轮轴 的横向刚度及转向架的回转阻力矩。 ( 6 ) 为适应线路曲线结构要求，调整机车在曲线上的运行速度 美、加、英、法、德、日本和前苏联等国和我国多年的理论和实践证明。 科学的轮轨润滑、轨道结构几何参数的调整、磨耗型踏面的推行和钢轨强度 的提高等都是解决这些问题的有效手段。其中，轮轨润滑为最有效的手段之 一h 1 。首先，它能节约牵引能量。据有关部门计算，做好润滑的研究和管理 工作，我国铁路每年可以节约能源4 亿元以上。美国铁路协会实验中心 ( 从e t t c ) 于1 9 8 3 年至1 9 8 4 年间在其八公里长的环形道上试验表明，轨道润 滑可以节约燃料3 2 。另一方面，轮轨润滑能减少轮对和钢轨的过早报废。据 统计，因磨损而报废的轮轨占报废总数的5 5 。仅此一项，美国每年的损失高 达2 2 亿美元，英国损失也高达1 8 5 亿英镑。据美国有关部门的综合估算，试 试轮轨润滑后，全美国的铁路每年可以节约5 3 0 0 0 - 6 7 0 0 0 万美元凸1 。见下表 1 2 ： 表i - 2 美国铁路采用轨道润滑后年度经济效益预测表( 单位：万美元) 项目全轨道润滑只润滑曲线部分 能源节约 3 0 0 0 0 4 4 0 0 0 9 0 0 0 15 0 0 0 轨道磨损减少 2 4 5 0 0 2 4 5 0 0 轮缘磨损减少5 5 0 05 0 0 0 轨道润滑成本 7 0 0 01 5 0 0 年度纯节约共计 5 3 0 0 0 6 7 0 0 037 0 0 0 4 3 0 0 0 总之，不论从国内还是国外情况来看，钢轨的严重磨损都给铁路部门带 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 来极大的经济损失。更因随着铁路向重载的发展( 轴重的提高) ，轮轨的磨 损将急剧增加；列车运行速度的提高，轮轨磨损量也会成倍增加，所以这一 问题的研究将有助于我国铁路运输事业的进一步发展，不仅提高效益，还能 保证安全，给国民经济带来极大的好处。 本文主要论述在请他工况不变的情况下，如何利用润滑( 涂油) 装置， 达到磨损降低的目的。 二、曲线侧面磨损产生原因粗析 本世纪3 0 年代以来，轮轨润滑问题日益得到重视。为了给轮轨润滑技术 的发展寻找理论依据。专家学者对轮轨磨损机理作了深入的研究1 。其中对 于钢轨磨损认识到了塑性变形磨损、疲劳磨损和切削磨损等三种机理。在不 同性质的轨道上，磨损的类型是各不相同的。在直线轨道上，主要是塑性变 形和疲劳磨损本文主要研究的曲线磨损主要是以切削磨损为主。 机车车辆在曲线上行使时，导向轮( i 、动轴外轮) 往往存在两点接触， 除踏面接触外，外轮缘与外轨在轨距测量点处相互贴靠，导向轮就在这一点 上冲击钢轨，钢轨也在该点产生对车轮的导向力；同时，轮轨接触点上的轮 对运行方向与轨距线的切线方向形成一个冲角，轮轨之间导向力和冲击角是 曲线钢轨侧磨的主要原因盯1 。 图i - i 轮一轨接触受力 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 轮在脱轨临界状态时的静力平衡关系( 如图1 所示) ，此时轮轨接触点的静 力平衡关系为随3 ： n = p c o s c r + q s i n 口 ( 1 1 ) 式中，n 为法向力，p 为垂向力，q 为横向力，口为轮轨共同接触平面与 水平面的夹角称为轮缘角，为轮缘与钢轨间的有效摩擦系数。 当轮轨之间存在导向力时，轮缘与钢轨轨头侧面接触点上的压力很大， 当压力超过钢轨的屈服应力时，接触点顶部就发生塑性变形。若此时轮缘与 钢轨轨头侧面之间不存在表面膜，两表面接触点将发生粘着，同时当车轮滚 动时轮缘在钢轨轨头侧面产生滑动，使接触点的塑性部分和弹性部分的过渡 区间出现变形，导致了钢轨与轮对之间的相互切割，形成了钢轨轨头侧面切 削磨耗。 1 2 国内外研究现状 在2 0 世纪5 0 年代就开始出现曲线涂油的措施，由巡道工手工在曲线外股 钢轨上涂油。尽管涂油质量不甚理想，但对延长钢轨和轮对使用寿命，还是 起到了相当大的作用。随后，轮轨润滑技术得到了迅速的发展。目前，不少 国家都已研制开发了行之有效的轮轨润滑装置及相应的润滑剂。按润滑装置 的工作形式，大致可以分为人工涂油小车，固定在路肩或轨道间( 固定式) 轮 轨润滑器，安装在机车上( 车载式) 润滑装置和钢轨润滑车等几类；按使用的 润滑剂类型，又可分为使用润滑油，润滑脂和固态润滑剂3 种嘲。以下按前一 种分类方式，介绍目前国内外应用的几种较先进的轮轨润滑装置，并简介其 配套的润滑剂。 1 2 1 国内研究现状 1 人工涂油小车 人工涂油小车是最早应用于轮轨润滑的润滑装置，存在不少缺陷，例如： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 涂油不均，储油量少，人工劳动负荷大，只适用于曲线路段等。尽管如此， 但因为它具有结构简单，使用方便，便宜及适用性强等优点，可以用作其他 润滑装置的辅助设备，直到现阶段还有广泛应用。该装置所使用的润滑剂受 限于运行速度等因素，多为润滑油。 2 车载式润滑装置 车载式润滑装置是目前应用得最广的一类轮轨润滑装置，也是品种最多 的一类。按照涂油脂的位置又可细分为向机车轮对轮缘涂油，向轨道侧面涂 油和两者兼而有之三种口0 | 。 3h b 型轮轨润滑装置 我国铁道部科学研究院金属及化学研究所研制的h b 型系列轮轨润滑装 置( 其中h b 2 型主要技术参数见表1 - 3 ) 口，现普遍应用于国内运行机车上。该 装置具有机构及控制系统简单，能定距定量喷脂，且全程润滑，油脂无毒阻 燃等优点。运用结果表明：减磨效果十分显著，能延长机车镟轮周期2 一l o 倍， 还有效减少脱轨倾向，降低机车车辆通过曲线时的噪声，对于延长机车车辆 轮轨使用寿命，提高列车安全性、舒适性和保护环境起到了良好作用n 2 。但 也存在不少缺陷，比如：运行中，前后轮缘喷脂器电控阀同时工作，造成油 脂浪费，加重机车保养成本负担；一次喷脂量过大，而增大喷脂间隔会使润 滑不均，缩小喷脂间隔又污染机车等口朝。不过总的来说，这种根据我国运行 机车特点设计制作的轮轨润滑装置还是有着较好的发展前景的，尤其在各路 段运用中，工作人员依据实际工况对其进行了改进，使得它正在不断走向成 熟和完善。 表1 - 3h b 2 型轮轨润滑装置主要技术参数 船一2 型电控器 运用列车速度范围k m h0 2 4 0 工作电压vd c 7 5 ，1 1 0 速度传感器频率范围h z o 4 0 6 0 油脂喷射间距m1 0 0 - - - 4 5 0 2 0 0 - - 9 0 0 ( 均8 档可调) 喷射时间s 2 0 3 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 最大输出功率v a 2 5 电控阀( s r 3 6 1 一r s 4 s d ) 起动时间s o 0 5 工作介质清洁、干燥压缩空气 工作风压k p a4 0 0 9 0 0 工作电压vd c 7 5 ，l l o 抗振抗冲击大于1 g 3 g 抽样试验寿命万次 10 0 0 油脂罐 内部不置活塞容量l 4 每罐可运行1 万k m 油脂消耗 ( 速度1 2 0k m h ，喷射间距1 0 0m ) 专用j h 型油脂牙膏型软包装，每筒lk g 喷头 工作风压k p a5 0 0 8 0 0 单个喷头每次喷脂量g o 0 6 o 0 2 1 2 2 国外研究现状 1 向机车轮对轮缘涂油润滑装置 俄罗斯产afc 1 0 型轮缘润滑器( 主要技术参数见文献 1 4 ) 即属于该类。 它可以用在各种系列的机车、电动车组和内燃车组上，向机车轮对轮缘定量 施加液体或粘稠润滑剂，以降低钢轨和轮缘接触面的磨损强度，减小运行阻 力进而降低能源消耗。该润滑器应用了电子控制组件，并加装未被吸收侧向 加速度的传感器以连接电线束( 接通电控系统元件) 的管系，使得工作非常简 单，且性能稳定。 2 悬挂型组件式钢轨润滑器 由俄罗斯内燃机车和养路机械科学研究院开发的悬挂型组件式钢轨润滑 器属于该类型，它目前在俄罗斯联邦交通部得到广泛应用。它为润滑脂设置 了两个容器，装满润滑脂一次性足够润滑4 0 0 k m 线路。由非接触式喷嘴向钢轨 侧表面喷涂一层位置比车轮踏面低6 - - 一8 m m ，宽度为1 2 , - - 1 5 m m 的密布润滑脂， 其最合理的润滑工况是在机车速度5 0 k m h 时。它采用沃斯克列信斯克化工厂 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 生产的p c 6 型润滑脂，该润滑脂的运用温度范围为5 0 0 c n 劓。 应用该润滑器进行一次作业，结果表明，机车用于牵引列车的能源消耗 较使用前下降了4 9 ，机车车辆轮缘使用寿命延长约一倍，曲线段钢轨 侧磨减小达7 5 。不仅提高了运行安全性，大大减小了道路非生产性消耗， 还节约了燃料能源，具有明显的优越性。 3 车载式新型轮轨润滑系统 美国t r a n e g y 公司与海湾油品国际性组织、德士古研究中心联合研制开发 的车载式新型轮轨润滑系统s e n t r a e n2 0 0 0 ( 系统方框图见图) 属于此类 型n5 1 。s e n t r a e n2 0 0 0 采用两种配套专用润滑油：轨顶润滑油( t o r 油) 和轨距 ( 角) 侧润滑油( g f o r 油) 。两种润滑油作用各异，相辅相成。( 本项研究成果仍 处于实验阶段，上述油品有无甩溅情况，粘附性如何都有待观察) 。 速度传感 曲线传感 微处 理程 序 运行方向输 运行方向输 牵引单位输卜jl叫温度、下雨传感器及其他 电控器h液压系统卜叫润滑油速度控制 图1 - 2s e n t r a e n2 0 0 0 新型轮轨润滑系统框图 4 钢轨润滑车 俄罗斯研制生产的p c m l 型钢轨润滑车主要技术参数见文献 1 6 ) 是一种 用来向钢轨内缘涂刷润滑油的内燃动车。它既可用作牵引车来牵引总质量为 3 4 t 的平车，也可用来运送旅客。其两轴走行部采用卷簧悬挂系统，对车体的 垂直向和水平向振动有良好的减振效果，使得该车有良好的运行动力学性能； 双面闸瓦的直接作用式制动机保证其在区间运行和调车作业时的安全可靠 性；车体为车厢型设计，内部结构能保证乘务人员良好的工作条件。 p c m l 型钢轨润滑车在区段上行驶一次，能使轮轨侧磨减轻7 5 ，使列车 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 燃油消耗降低达1 0 ，其优越性显而易见，但造价较高，工作也欠缺机动灵 活性。 1 3 论文的主要内容 本文分析了铁路曲线线路上钢轨磨损机理，设计了一种新型的地面润滑装 置。根据蠕滑理论，在既有的涂覆技术上分析了轮对的运行行为提出了总体 设计。后面部分是该装置各元件和气源选取以及相关器件的设计。 本文内容安排如下： 第二章首先用车辆运行蠕滑理论分析曲线上轮一轨侧磨的机理，根据轮对 的运行行为线路探讨曲线半径上钢轨侧磨的受力分析，为润滑装置的设计提 供系统需求。其次，描述润滑装置的总体设计构想，介绍了系统功能实现的 过程及主要器元器件。 第三章主要根据系统需求计算增压缸、喷嘴的内径及壁厚，计算沿程压 力损失和局部压力损失。在本章最后，设计增压缸增加缸的活塞杆，较侧重 讨论了密封方式。 第四章主要讨论自动化控制如何实现。首先通过对比选取p l c 作为系统的 自动化控制单元，编写梯形图介绍了程序实现的过程。在第二节中，主要是 电磁换向阀的选用，根据使用现场的工况确定v 1 1 4 a n c - 6 电磁阀作为本装置电 控阀。 第五章探讨了气源的选取，首先从压缩空气作为电源的条件入手，初步 选定二氧化碳压缩气体作为电源，再将二氧化碳的物化特性与其他气体作比 较，列出优势。最后从环境角度考虑，提出科学合理使用二氧化碳的建议， 计算气源、油源、电源的匹配。 第六章首先从三种不同类型的喷嘴中选择出了圆锥带图柱出口段型喷嘴 使用于本系统中。在第二节中，根据使用要求及加工条件对喷嘴的孔径、收 缩角、外径等几何参数进行确定。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第二章曲线上钢轨侧磨机理分析及系统总体设计 2 1 曲线上钢轨侧磨机理的分析 2 1 1 曲线上轮轨间接触形式 列车正常运行时，轮轨间接触形式有两种：单点接触和两点接触。单点接 触是钢轨项面与车轮踏面的接触，如图2 1 所示，单点接触时可以认为车轮全 部荷载作用于同一点。但在运行中，由于轮对的蛇形运动，有时钢轨的侧面会 被轮缘贴靠，形成两点接触如图2 2 所示。 图2 一l单点接触示意图 轨角接触斑 轨侧接 图2 - 2两点接触示意图 车轮在进入曲线后，车辆第一轮对的外侧轮缘与外轨有一个冲击角并与 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 钢轨侧面接触，形成两点接触，轮缘与钢轨侧面接触形成的导向力迫使转向架 转向。从轮轨接触条件看，轮轨的冲击角和两点接触是导致曲线钢轨侧磨的主 要因素。这一点，在本文绪论中有简单介绍。 2 1 2 曲线上轮对的运行行为 轮对在曲线上运行时，外轮沿外轨所走距离大于内轮沿内轨所走距离。 由于内外轮固装在同一车轴上，如果两轮的踏面为圆柱形，则势必引起内外 轮的滑行。实际踏面具有斜度，当轮对在曲线上运行时，由于轮缘与钢轨之 间有间隙，随着轮对向外偏移，外轮与外轨接触的直径大于内轮与内轨接触 的直径，与外轨和内轨的不同长度相匹配，就能显著减少车轮的滑行。对于 锥形踏面，由于车轮自适应调整n7 1 ，内外轮与钢轨接触点到轮对中心的半径 不一样，即滚动半径不一样。一般来讲，内轮半径小于外轮半径， r o 。下 面建立一个简单的数学公式，说明两者之间的异同。 外轮实际走行弧长n 钔： l o = 2 a t o ( 2 1 ) 内轮实际走行弧长： 三f = 2 a t , ( 2 2 ) 弧长差按如下公式计算： a l = l o - l 。 ( 2 3 ) 联立( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 三式可得： a l = 2 ；r ( r o 一) = 2 ；t a r ( 2 4 ) 轮对可调整的半径差： a r = r o 一 ( 2 5 ) 内外轮实际走行的弧长差址的计算公式： a l = 2 7 出( 2 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 轮对在曲线上运行时，外轮沿外轨所走距离大于内轮沿内轨所走距离。 车轮通过曲线时，其真实的前进速度并不是其纯滚动的前进速度，相对于钢轨 会产生蠕滑，如图2 - 3 示，列车以一定速度运行，匕为各轮对外轮实际运行半 径，只、只为外轮蠕滑力( 因蠕滑方向不同，力的方向不同) ，。为同一 圆心角对应的外轨弧长，为各轮对内轮实际运行半径，e 、只为内轮 蠕滑力( 因蠕滑方向不同，力的方向不同) ，厶为同一圆心角对应的内轨弧 长。轮对在曲线上运行时，由于轨道上内轨与外轨几乎为一同心圆，一定时间 内列车围绕同心圆圆心转动，外圆弧长显然大于内圆弧长。 图2 - 3曲线上轮对的运行行为 如果曲线半径为刀，假设内轮走行一周时间里走行的弧长为厶，则外轮需 要走行的长度为n 8 | ： , ：刍! 墨竺2 ( 2 7 ) o r 外轮与内轮走行的长度差为： 缸= l o l f a l = ：l , a r p ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 a r 为轮对的两个车轮与钢轨面接触点之间的距离，一般为固定值( 一般 为1 4 3 5 ! 哪) 。可以看出，监、工，都是一定的，内、外轮走行一周的弧长 差与线路曲线半径成反比关系。 综合址的计算公式，轮对在曲线上滚动的条件是： l , a r ：2 刀缸 一= z 刀7 、rr ( 2 - 1 0 ) 从式( 2 一1 0 ) 可以看出：做、s ，、2 z 都是常数，曲线半径刀、轮对可调 整的半径差，是可变的。因此，轮对可调整的半径差，可以适应一定范围的 曲线半径r 。在曲线上，内轮与外轮发生纯滚动而不发生蠕滑避免磨损的前提 是式( 2 - 1 0 ) 成立，轮径差导致车轮行程差等于曲线内外轨弧线差。也就是说， 轮对的锥度越大，相应的，越大，适应不同曲线半径的能力越强。 轮对偏离中央位置时，两轮以不同的半径滚动，形成轮对的蛇行运动， 轮对向中央位置复原，在轮对蛇行运动的过程中自动对中。这种特性能防止 在直道上轮缘与钢轨接触而形成轮缘偏磨。但是随着机车速度的提高，轮对 的蛇行运动会引起机车横向振动加剧，使机车运行品质恶化。踏面斜度愈大， 蛇行运动愈剧烈，因此要合理控制踏面斜度。 当曲线半径较小时，根据式( 2 9 ) ，车轮走行一周对应的内外轨弧线差 较大，轮径差使内、外轮行程差难以平衡内外轨弧线差，这时，由于轮对锥形踏 面的自动调整特性，轮对相对于线路中心线发生横移量达到最大，外轮实际滚 动半径达到最大，但仍小于纯滚动所需的半径，滚动一周所走行的距离相对于 纯滚动时的位置是滞后的，此时，外轮必将向前滑动，蠕滑力向后：内轮实际滚 动半径达到最小，但大于纯滚动所需的半径，滚动一周所走行的距离相对于纯 滚动时的位置是超前的，内轮必将向后滑动，蠕滑力向前。外轮向后的蠕滑力 与内轮向前的蠕滑力形成一个与列车转向方向相反的蠕滑力偶( 如图2 - 4 ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 轮晦前蟮滑 蟮潜力 图2 4 蠕滑力偶 这个与列车转向方向相反的蠕滑力偶，导致轮轨两点接触作用加大，加剧 了轮缘对于钢轨侧面的摩擦和切削如图2 2 ，致使钢轨侧面产生塑性变形，反 复作用下发生断裂而脱离钢轨母材，就形成了钢轨轨头侧面的磨耗。 2 2 润滑系统装置总体设计 本设计为一种用于铁路工务部门以减轻曲线钢轨内侧面磨耗的曲线钢轨 涂油装置。现有的地面曲线钢轨涂油器是一种安装在曲线钢轨旁，其传动装 置直接与过往列车车轮直接接触的涂油器，其缺点在于由于工作时传动装置 直接与列车车轮接触，列车强大的运行动力产生的冲击使机械传动装置的寿 命变短，很难适应高速重载列车行车的要求。同时，由于其触发装置侵入列 车限界以内，它又是行车的一个不安全因素。另外，它的润滑效果还受行车 速度的影响，供油量被动不可调。 本装置设计目的在于提供一种安装在地面而不侵入行车限界，不增加行 车负担，不影响行车安全，机械寿命长，不受行车速度影响的非接触式曲线 钢轨涂油器。 由振动触发器、电源、p l c 、油脂瓶、压缩气瓶、减压器、喷射装置、安 装支架、喷射装置调节螺栓和电线、油管、气管所组成的地面非接触式曲线 钢轨自动涂油器，安装在需要润滑的铁路区段的行车限界以外，由于列车通 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 过时产生的路基振动使振动触发器启动p l c 工作，p l c 按所需时间间隔给喷 射装置的电磁阀供电，电磁阀使喷射装置供气而由喷射装置把控制柜中送来 的油脂喷射在钢轨内侧表面上。 喷射装置由电磁阀、连接螺杆、调节螺母、喷射泵、喷嘴和防护罩等组 成，通过调节调节螺母可根据需要调节喷油量。 振动触发器由质量块、导电螺钉、弹簧片、导电板、调节螺钉、导线和 绝缘块等组成。调节弹簧片的悬臂长度，可以调节该装置的谐振频率：调节 导电螺钉与导电板之间的距离可使该装置有一定的灵敏度，确保该装置只有 在该条铁道上有车通过时才触发供油，而邻道通过列车或其他误干扰时不会 触发供油。 为增加涂油效果，喷射装置的喷嘴的两个喷射孔的中心线成9 0 0 - 1 5 0 0 的 夹角，喷嘴后面有连接调节螺母，可用于保证喷嘴的两个喷嘴的两个喷孔处 在钢轨轨面平行的一条直线上。 与现有技术相比，本装置有如下优点： 1 、安装在地面而不是安装在列车上，所以不增加行车负担 2 、供油量按需可调，润滑效果不受行车速度影响，节约油脂 3 、所有机械装置安装在限界以外，不想影响行车安全 4 、适用于各种行车速度和各种载重量的列车轨道润滑 5 、安装与维修方便 如图2 - 5 所示，喷射装置3 由支架4 安装在钢轨上，调节螺栓6 可 调节喷射装置喷射角度，使油脂喷射在钢轨内侧表面的位置，p l c 、电源、 油脂瓶、压缩气瓶装入控制柜1 中，控制柜1 由地脚螺栓7 安装在铁道 旁，或由弧形螺栓1 6 固定在立柱1 7 上或道旁电线杆上。控制柜中的油、 气、电路通过金属导管2 与喷射装置连通。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 图2 - 5 安装示意图 图2 - 6 装置工作原理图 图2 6 表示了本装置工作原理，当振动触发器1 3 接收到行车振动信号后 即启动p l c l 2 工作，p l c l 2 按所需时间使电磁阀1 4 通电，从而将气路导通， 气瓶中的压缩气体经减压器9 减压后一路送往电磁阀1 4 ，另一路送入油脂瓶 1 0 ，将l o 中的油脂送向喷射装置，通过电磁阀1 4 的压缩二氧化碳气体，将 喷射装置的喷射泵1 5 向前推动，将油脂从喷嘴5 向钢轨内侧表面。p l c 关闭 电源后，气路关闭，喷射泵1 5 的活塞通过弹簧复位，此时即完成一次喷油， 每通过一次列车所需供油的次数可以用p l c l 2 事先按需要设定。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 图2 - 7 装置的震动触发器的结构图 图2 7 所示为本装置振动触发器的结构。它由质量块2 0 ，导电螺钉2 1 、 弹簧片2 2 、导电板2 3 、调节螺钉2 4 ，导线2 5 和绝缘块2 6 等组成。当列车 通过时产生的道床振动激发质量块2 0 和弹簧片2 2 组成的振动装置振动，导 电螺钉2 l 与导电板2 3 的接触产生的电脉冲由p l c 的入口电路接收而开始工 作。拧松调节螺钉2 4 ，可调节弹簧片2 2 的悬臂长度，以调节该装置的谐振 频率，调节导电螺钉2 1 可调整导电螺钉与导电板2 3 之间的距离，使该装置 有一定的灵敏度，确保该装置只有在该条铁道上有列车通过时才出触发供油， 而邻道通过车或其他干扰信号不会触发装置工作。 图2 - 8 喷射装置的结构图 图2 8 描述了本装置中喷射装置的结构。它由电磁阀1 4 ，连接螺杆2 7 ， 调节螺母2 8 ，喷射泵2 3 ，喷嘴5 和防护罩等组成。调整调节螺母2 3 ，可控 制喷射泵的活塞3 1 每次的运动行程，进而控制喷射装置每次喷出的油脂量， 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 在与进油管3 5 的连接部和喷嘴5 的末端均设有单向阀( 3 3 ，3 4 ) ，以保证涂 油器不工作时，油脂瓶送来的油不会流出。 图2 - 9 喷嘴结构示意图 图2 - 9 所示为喷嘴结构示意图。图中两个喷射孔3 7 中心线成1 2 0 0 夹角， 以保证同时射在钢轨侧面上的两团油脂之间有一定的距离，在喷嘴后端设有 连接调节螺母3 8 ，既作连接用，也用于调节喷嘴5 的两个喷射孔处在钢轨轨 面平行的一条直线上。 地面非接触式曲线钢轨自动涂油器由振动触发器、喷射装置、油脂瓶、 压缩气瓶、可编程控制器、电源等组成，安装在需要润滑的铁路区段的行车 限界以外，由于列车通过时产生的路基振动使振动触发器启动可编程控制器 ( p l c ) 工作，p l c 按所需的时间间隔给喷射装置的电磁阀供电，电磁阀使喷 射装置供气而由喷射装置把油脂瓶送来的油脂喷射在钢轨内侧表面上。从理 论上，该装置不增加行车负担，不影响行车安全。 地面非接触式曲线钢轨自动涂油器的特征在于它由振动触发器1 3 、电源 1 1 、可编程控制器1 2 、油脂瓶1 0 、压缩气瓶8 、减压器9 、喷射装置3 、安 装支架4 、喷射装置调节装置螺栓6 和电线、油管、气管所组成，振动触发器 1 3 和喷射装置3 通过支架4 安装在钢轨上，p l c l 2 、油脂瓶1 0 、压缩气瓶8 、 电源1 l 装入控制柜中，控制柜1 由地脚螺栓安装在铁道旁，或由弧形螺栓 1 6 固定在立柱1 7 或道旁电线杆上，控制柜中的油、气、电路通过金属导管2 与喷射装置连通。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 喷射装置由电磁阀1 4 、连接螺杆2 7 、调节螺母2 8 、喷射泵2 9 、喷嘴5 、 单向阀( 3 3 ，3 4 ) 和防护罩所组成，电磁阀1 4 通过连接螺杆2 7 ，调节螺母 2 8 与喷射泵活塞腔后腔相连，压缩气体通过电磁阀1 4 ，连接螺杆2 7 进入喷 射泵活塞腔，进油管3 5 设在喷射泵2 9 的前端侧面，使油脂进入活塞前端的 空腔内，喷嘴5 通过螺纹连接于喷射泵2 5 的前端，与活塞3 1 前端的空腔相 连。 喷嘴5 的两个喷射孔的中心线夹角为9 0 , - - - , 1 5 0 0 。 振动触发器1 3 由质量块2 0 ，导电螺钉2 1 ，弹簧片2 2 ，导电板2 3 ，调节 螺钉2 4 ，导线2 5 和绝缘块2 6 所组成，弹簧片2 2 与导电板2 3 平行安装于调 节座和绝缘块2 6 上，质量块2 0 和调节导电螺钉安装于弹簧片2 0 的悬臂端。 2 3 本章小结 本章首先用车辆运行蠕滑理论分析了曲线上轮一轨侧磨的机理，根据轮对 的运行行为线路探讨了曲线半径钢轨侧磨的受力分析，为润滑装置的设计提 供了系统需求。其次，描述了润滑装置的总体设计构想，介绍了系统功能实 现的过程及主要器元器件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第三章主要元件的参数计算 增压缸利用液体的不可压缩性和力的平衡原理，可在小活塞端输出 高压的液体乜们。本章第一节主要是做增压缸及喷嘴相关参数计算。 3 1 各元件计算 为了保证行车安全，润滑脂喷嘴与钢轨间必须保持行车限界所需距离日 用于车轮通过。由于油脂粘性远大于润滑液，因此必须在足够压力下，润滑 脂形成一定的初速度方能飞射一段h 距离准确地到达钢轨的侧沿。 图3 一l 喷射泵参数示意图 如图3 - 1 所示，在气压力励作用下，经增压活塞可获得皿。根据增压原理， 根据流体力学相关理论乜钔 根据抛射体轨道方程协幻 p c = x ：p 见：譬+ p ， 见2 _ + ， ( 3 - 1 ) ( 3 - 2 ) y 2 增汐x 一互可硒g x 2( 3 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 联解( 3 - 1 ) ，( 3 - 2 ) ，( 3 - 3 ) 式，得： k ：l t 型+ ( 3 4 ) 4 ( t 9 3 x - y ) c o s 2 | 9p p 一 式中： p , i - 供气压力【尸口】， p - 喷射压力【尸口】， k ：兰：( 宰) z 一增压比，p 一油脂密度【堙m 3 】， a c l a g = 9 8 1 m s 2 一重力加速度， v 。一喷射速度 肌s 】， p 。一喷嘴压力损失 p a 】， 1 9 一喷射角。 将供气压力p = o 5 m p a ( 气体减压器调节压力) ，x = h = 0 3 m ( 限界 水平距离即喷射距离) ，y = 0 0 5 m ( 限界垂向距离，即喷嘴低于轨面高度) ， 汐= 2 5 。( 喷射泵仰角) ，润滑脂密度p = 4 ，o o o k g m 3 带入，适当考虑相关阻 力损失，即可求得增压比k = 1 6 。 根据分析和实验每次喷射量为( 0 2 o 5 ) c 礅为合适，如果每次喷射 量太大，会造成不必要的浪费。喷射量过小，润滑效果不理想。确定增压泵 小活塞直径以= 8 r a m , 即可求得增压泵的冲程仁( 4 - - - 1 0 ) 脚。 由增压比知道： d a = j - k - d o ( 3 5 ) 所以，增压缸大活塞直径以= 3 2 m m 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 3 2 各部分流速及流量计算