便携式高铁轮轨固体润滑涂敷机的研究设计

1前言
1.1 研究设计的背景
随着经济的快速发展以及铁路交通运输发展的蒸蒸日上，铁路交通运输的速度和运量也随之增加。

从而钢轨将产生各种损伤，尤其是铁轨磨损问题日益突出，其中铁路繁忙干线钢轨侧磨现象呈大幅度上升的趋势，并且一直是制约铁路交通运输安全生产的重要问题之一。

众所周知，铁路干线中存在大量的曲线区段，在这些区段中铁轨因受圆周力而产生磨损。

因此在曲线半径小、坡度大较为困难的区段，以及新建成的或新更新的线路上，经常会出现铁轨及轮缘道德非正常磨损。

通常情况下，铁路列车运营所引起的钢轨磨损远远大于自然环境对铁路轨道的侵蚀作用，特别是处于小半径曲线上的钢轨。

曲线钢轨对列车轮对具有导向作用,车轮与钢轨之间产生相互的粘着和滑动,从而使轮轨的磨耗和损伤十分严重，其具体表现是曲线区段钢轨侧磨加剧，致使导轨的几何形状发生改变，有效截面积减少，因而影响铁路交通运输的安全性，所以就必须在铁路钢轨磨损达到一定限度时更换新的铁轨，以保证安全运营。

由此可知铁路轨道的非正常磨损不但增加了检修费用以及机务检修的工作量，而且影响列车的正常运营；同时，铁轨的更换会造成巨大的经济浪费，并且铁轨维护费用的消耗更是超出想象。

因此要解决铁路钢轨侧磨的问题，以便使铁路交通运输更为经济。

1.2 研究设计的现状
铁路交通运输中铁轨的磨损造成巨大的经济浪费，因此对减少或在一定程度上减轻铁轨的磨损成为各国急需解决的问题，以便在资源日益减少的时代走可持续发展的道路。

影响钢轨磨损的因素很多，但最为主要的因素也就是一直研究的如下的几个因素。

在铁路交通运输中列车的运行是通过轮轨相互作用产生的牵引力和制动粘着力来实现的，其中粘着力就是摩擦力，在运行中如果没有粘着力也就是摩擦力，列车将会原地不动，而列车的空转就会擦伤铁轨；但是如果粘着力过大，那么列车车轮抱闸在铁轨上滑行，就会在车轮上产生偏疤。

铁路轮轨的纵向牵引粘着力推动列车运行，同时还存在横向的牵引粘着力，两者共同影响铁路钢轨的磨损。

铁路钢轨的侧磨机理如下：机车在曲线上行使时,导向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,钢轨也在该点对车轮产生导向力；同时, 轨距线的切线方向与轮轨接触点上的轮对运行方向形成一个冲角,轮轨之间的导向力和冲击角是曲线钢轨侧磨的主要原因。

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强很大,当压强超过钢轨的屈服应力极限时,接触点顶部就会发生塑性变形,若此时轮缘与钢轨轨头侧面之间不存在润滑表面膜,那么在两表面接触点处将发生粘着,同时在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以及弹性部分的过渡区间出现变形,从而形成了钢轨轨头侧面磨耗。

轮缘与铁轨的接触如下图所示：
图1.1 轮缘与铁轨接触图
针对不可避免的铁路轮轨磨损，不同的国家从不同的角度采取了不同的减少磨损的方法，例如有通过增加铁路钢轨重量和提高钢轨技术性能两方面来提高铁轨塑性变形极限来减少磨损的；有通过将铁路曲线段的普通铁轨更换为强度更高的铁轨来提高铁轨寿命以达到节约钢材的目的；有从轮轨相互关系入手的，利用轮轨间的蠕滑力导向作用来改善轮轨间的接触条件和摩擦条件，以期望轮轨的磨损减少到可以控制的程度；有采用改善曲线钢轨结构（如曲线钢轨不对称面打磨技术）以减缓侧磨发生的；于此同时还有采用轮轨润滑技术来降低轮轨磨损的。

通过对轮轨磨损的研究发现轮轨润滑能够有效地减少轮轨磨损，所以国内外都对轮轨的润滑进行了深入的研究。

研究发现合理有效地轮轨润滑可以在一定程度上减少铁路轮轨的磨损，能有效地提高机车牵引效率和环保节能，与此同时还可以提高列车运行的安全性。

轮轨润滑的研究发现机车车轮与铁道钢轨之间的摩擦非常的复杂，不但有机车车轮与铁轨踏面之间的滚动摩擦，还有轮缘与轨道侧面的滑动摩擦，对于轮轨润滑来讲，其关键的技术是能够准确地将润滑剂喷涂到指定部位以减少轮轨的磨损，尤其是在曲线区段要把一定量的润滑剂喷涂到轮轨指定部位。

目前关于轮轨润滑技术的研究方向大概分为对轮缘润滑的车载式轮缘润滑系统、对铁路轨道润滑的车载式钢轨润滑系统和地面钢轨润滑系统、以及车载式轮缘固体润滑技术。

对钢轨侧面润滑的装置有人工涂油小车、轨道滑车、地面钢轨润滑器以及车载式内侧润滑装置等；
而对轮缘喷涂润滑剂的装置有车载式轮缘涂覆装置等。

就目前研究以及发展的现状来说，为减少轮轨磨损所主要采用的方式是利用车载式钢轨润滑涂敷机向轮轨顶侧面喷涂润滑剂，以保证润滑剂对钢轨顶部或车轮踏面不产生污染。

润滑涂覆装置喷涂润滑剂的方式有溶剂型、固-液-固润滑、固体直接涂覆和智能涂覆的润滑方式。

1.3 设计内容及意义
1.3.1 设计内容
（1）设计内容
对行车轨道进行润滑可减少车轮和轨道之间的磨损，节省备件及维修费用，降低行车的运行成本，延长车轮和轨道的使用寿命。

由于减少了车轮和轨道之间的摩擦，因此可降低行车运行时产生的噪音。

设计一种便于使用维护的机车干式轮轨润滑装置。

以机车速度为控制信号，自动控制地周期推动喷头的柱塞，驱使油脂以定量雾化形态，连续、均匀地喷出，并能准确地喷到轮轨内缘上，达到全自动控制地进行轮轨润滑作业，实现铁路全线的轮轨润滑。

保证油膜不向轨顶扩散，不污染道床和轨道结构。

包括加热系统设计、喷涂系统设计和整体结构设计。

（2）设计要求
油脂罐容量：30公斤，可供润滑距离约1000公里；
油脂罐喷头安装在构架上能使喷出的雾状油脂喷在轮缘的根部位置上即：喷嘴中心线与轮对水平中心线成45度角，轮对在构架中心位置时喷嘴与轮缘之间距离在40～45 mm内，喷嘴与车轮踏面之间垂直距离在28～32 mm内。

工作环境温度: -50 ℃～+70 ℃；
额定工作电压: 45 V；
油脂消耗量: 30克/公里；
加热保温温度：130 ℃；
轮轨间距：1435 毫米。

每个喷嘴组合都位于机车底盘的外面,由计量器计量活塞、喷嘴和防护外壳以及架设硬件所组成。

所有的组件经设计可以抵御严峻的环境暴露。

喷嘴能以每秒三个周期喷射润滑脂并且能独立地控制给机车处于曲线时对轮轨喷涂。

1.3.2 设计意义
通过使用设计的铁路润滑涂敷机对铁路行车轨道进行润滑，从而减少车轮和轨道之间的磨损，节省备件及维修费用，降低行车的运行成本，延长车轮和轨道的使用寿命。

与此同时由于减少了车轮和轨道之间的摩擦，因此可降低行车运行时产生的噪音。

2 设计原理及方案
2.1 设计原理
便携式高铁轮轨固体润滑涂敷机的设计原理是采用“固-液-固”的润滑方式通过涂敷机将润滑剂喷涂到铁轮轨道指定的部位，以期达到润滑轮轨减少磨损的目的。

具体的过程是首先将固体润滑剂在地面预热融化，然后将其装入具有保温作用的涂敷机的桶体内以保持液态状态携带到列车上，在需要喷涂润滑剂时利用列车上的电能通过液压泵将液态的润滑剂喷涂到轨道上。

喷涂到轨道钢轨表面上的液态润滑剂遇冷凝固，冷凝到铁轨的表面达到润滑的效果，并且不会对轨道及车轮造成污染。

喷涂装置中需要加热的装置还有喷嘴，应使其能够保温在130℃以上，使其能够在气温低下环境恶劣的情况下仍能喷涂润滑剂。

喷嘴固定在未经减震的轴箱簧座上，减少了喷嘴的纵横向的摆动，提高了喷涂润滑剂的准确性。

其工作原理示意图为：
图2.1 工作原理示意图
2.2 设计方案
在减缓铁路曲线区段钢轨磨损磨耗各项措施中，钢轨润滑是一种操作方便、效果明显、行之有效的技术措施。

在对钢轨涂覆润滑剂时有多种不同点的方式，例如人工涂油、涂油小车以及地面涂油器等，这些方式均以油脂作为润滑材料，虽然在铁路运行中对钢轨磨损磨耗有一定的减缓作用，但在减磨效果、污染道床、长期性以及加速钢剥离等方面均存在一定的不足。

与此同时，钢轨干式润滑剂与油脂相比较，具有抗极压性强、减磨效果突出、长效性强、不产生油楔作用、不会因为润滑而加速钢轨剥离掉块和不污染道床等优点，同时对减缓小半径曲线钢轨磨耗效果明显，经济效益显
著。

但是干式润滑剂在常温下为固态，对润滑剂的直接喷涂造成困难，从而对车载式的应用带来了一定的困难。

从上面的叙述可以了解到对润滑剂直接喷涂时技术的不足之处，为了克服其不足之处才有了便携式固体润滑涂敷机的研究设计。

便携式固体润滑涂敷机具有不同于以往涂敷机的诸多优点，其结构简单，操作方便，工作安全可靠性高，并且能够代替人工涂覆的车载式曲线钢轨干式润滑涂覆装置，因此可以节约资源，降低铁道部门的运营成本。

设计方案是在采用“固-液-固”涂覆技术之上而进行研究设计的。

设计研究的方案是：便携式固体润滑涂敷机有几个相互关联的部件组成，部件之间良好的相互关联性保证了涂敷机正常的工作状态，涂敷机包括的部件是车架、固定在车架上的涂覆设备、与涂覆设备相连接的喷嘴以及喷嘴的定位系统，其上所述的涂覆设备包括固定在车架上的加热保温桶、置于桶内的搅拌器总成、油泵总成以及内有管道；而在加热保温桶之外有连接在内油管道上的保温输料管、固定在加热保温桶上盖上的搅拌器手柄以及喷油嘴。

便携式固体润滑涂敷机的加热保温桶的内部为柱状腔体，其桶体以及桶体盖均为内层与外层结构，在内层和外层之间设有保温层，在沿桶体的内腔面和底面设有加热器总成，位于加热保温桶内腔中心设有搅拌器总成，搅拌器总成的底端设有U型搅拌爪，油泵总成设置在加热保温桶内腔中心外侧，在桶内腔中有一对内有管道分别连接在相应的油泵总成之上；内油管、搅拌器总成、油泵总成全部固定在桶体盖上；在加热保温桶之外，内油管连接保温输料管，搅拌器总成上设置搅动的手动手柄，同时桶盖上固定的油泵总成上端分别通过油泵皮带轮、0型皮带连接伺服电机；加料口与加料口盖以及输料口均设置在加热保温桶的上盖上，同时固定的上罩位于油泵总成、保温输料管的上方，而搅动手柄突出与上罩之外，输料管通过油泵总成的管道将桶内的润滑剂输送到喷嘴，加料口由管道通过桶体盖后与桶体内腔相通；在保温输料管内设置有电热丝，以便其再温度低的恶劣的环境下仍能够正常工作，保温输料管连接喷嘴总成，喷嘴总成的喷嘴内部也设有电热丝，并且喷嘴与铁道钢轨的内侧相对应；固定于保温桶外部的电控箱、伺服电机均以及电加热总成与列车36V的电源相连接以便其能正常工作。

油脂罐喷头安装在构架上能使喷出的雾状油脂喷在轮缘的根部位置上即：喷嘴中心线与轮对水平中心线成45度角，轮对在构架中心位置时喷嘴与轮缘之间距离在40～45 mm内，喷嘴与车轮踏面之间垂直距离在28～32 mm内。

每个喷嘴组合都位于机车底盘的外面,由计量器计量活塞、喷嘴和防护外壳以及架设硬件所组成。

所有的组件经设计可以抵御严峻的环境暴露。

喷嘴能以每秒三个周期喷射润滑脂并且能独立地控制给机车处于曲线时对轮轨喷涂。

为了达到便携的目的，在焊接的车架低装上两对车轮并且在车架上焊接前后两个车把，四个车轮分别位于车架的四个角，使车能够稳定的行走，同时为了便于控制小车的行走与静止，在后车轮的两个轴上分别设有车轮锁紧机构。

方案中保温输料管是由耐温胶管、保温层以及位于耐温胶管管腔中的电热丝组成，其能在温度较低的环境中输送润滑剂。

所设计方案的工作过程是：将在地面加热装置融化的液态干式润滑剂加入到涂覆装置中的保温桶内，在列车运行时在需要屠夫的路段开启涂覆装置的开关，干式润滑剂经过液压泵的加压通过保温加热管道输送到喷嘴，在通过喷嘴的喷雾功能将干式润滑剂以雾状的形态喷涂到指定的部位，当液态雾状的润滑剂接触到轨道铁轨内侧时遇冷凝固成固态，再经过车轮的碾压在钢轨需要保护的位置形成一层连续的干式润滑薄膜，减少钢轨的磨损磨耗。

图2.2 便携式高铁固体润滑涂敷机外观图
涂敷机的喷嘴固定在车轮轴弹簧座上，其固定形式如下图所示：
图2.3 喷嘴固定图
3 零部件的选择
3.1 加热器的选择
加热器的选择有铸铝加热器和PTC型陶瓷加热器。

这两者均有各自的优点，铸铝加热器的优点是：铸铝电加热器是以管状电热元件为发热体，用优质铝合金材料为外壳经压铸成型的电加热器，其使用温度一般在摄氏150～450度之间可广泛应用于塑料机械、模头、电缆机械、化工、橡胶、石油等设备上。

铸铝电加热器是一种高效热分部均匀的加热器，热导性极佳的金属合金，确保热面温度均匀，消除了设备的热点及冷点。

具有长寿命、保温性能好、机械性能强、耐腐蚀、抗磁场等优点。

将外散热面增加保温装置，内散热面烧结红外线这样可节约用电35%。

表面负荷可达到3-5.0W/cm²。

同时在加热器外部增加保温层，热效率更高，可以节约用电20%左右。

而PTC型陶瓷加热器的优点是：PTC加热器有热阻小，换热效率高的优点，是一种恒温省电的电加热器，它的一大突出优点在于安全性能上，任何情况下均不会产生如电热管类加热器的表面“发红”现象，从而引起烫伤，火灾等安全隐患。

其显著特点是:省成本，长寿命；安全，绿色环保；节约电能。

但是PTC型陶瓷加热器的缺点是其多用于小型的电热电器中，不适合用在大型的电加热器中。

由设计方案中可以了解到所采用的方案，之所以采用铸铝加热器有诸多原因，其原因不但表明采用铸铝加热器的意图也说明了其优点。

在设计方案中加热保温桶体所采用的材料是铸铝加热器，其形状为桶装，能够很好的贴合到设计的桶体，应为该铸铝加热器桶体的大小可以根据所设计的桶体的大小来加工，其不但能够起到加热润滑剂的作用，还能在一定程度上阻止热量的散失，其外形如下图所示：
图3.1 铸铝加热器
3.2 输料管的选择
输料管的选用有耐温胶管、尼龙管、以及钢管。

耐温胶管的特点是耐高温寿命高；尼龙管具有价格低廉，弯曲方便等特点，但是寿命较短，多用于低压系统替代铜管使用；钢管的特点是：承压能力强，价格低廉，强度高、刚度好，但是装配和弯曲较为困难，并且散热能力强。

输料管采用耐温胶管，而不采用尼龙管与钢管，这是因为钢管散热能力强不具有保温能力，而尼龙管寿命低不具有经济效益。

输料管采用聚四氟乙烯材料制造而成的耐温胶管，应为聚四氟乙烯的应用范围广并具有足多优点，能够很好的适合便携式固体润滑涂覆机的要求。

其特点是：外观组织细密，无机械杂质且强度高，具有优良的化学稳定性，耐腐蚀、密封性、自润滑不粘性、电绝缘性和优良的抗老化能力，可在-60℃～250℃的环境下长期使用，具有可靠优良的耐腐蚀性，可用于输送高温下的强腐蚀介质，并可加工成复杂的形状，而且质量有保证。

由于采用特制高档聚四氟乙烯软管和耐高温编织网，该耐温胶管适用于高温、腐蚀、高压的特殊环境。

同时在3kg/cm ²的气压下软管内部可以承受250℃高温蒸汽，同时表皮温度不超过60℃，保证作业安全，并在10kg/cm²蒸汽压力下能够正常使用。

该耐温胶管经特殊装配处理，全长2m(包括两端接头)的软管仅重500克。

大大减轻操作人员的工作强度，同时柔软度强，可自由弯曲，绝对不打死褶阻碍通气。

由于采用先进技术可以承受180kg的拉力，正常使用过程中绝无损坏，所以其具有抗破坏性能强的优点，并且经久耐用。

由以上的特点可知选用聚四氟乙烯耐温胶管可以长时间使用不必进行更换，极大降低使用成本，提高使用效率，经济实用，特别适合在铁路上恶劣的环境下工作。

耐温胶管如下图所示：
图3.2 耐温胶管
搅拌器的选择类型有涡轮式搅拌器、桨式搅拌器以及锚式搅拌器。

桨式搅拌器有平桨式和斜桨式两种，平桨式搅拌器由两片平直桨叶构成，桨叶直径与高度之比为4～10,圆周速度为1.5～3m/s，所产生的径向液流速度较小；斜桨式搅拌器的两叶相反折转45°或60°，因而产生轴向液流。

桨式搅拌器结构简单，常用于低粘度液体的混合以及固体微粒的溶解和悬浮。

涡轮式搅拌器由在水平圆盘上安装2～4片平直的或弯曲的叶片所构成。

桨叶的外径、宽度与高度的比例一般为20:5:4，圆周速度一般为 3～8m/s。

涡轮在旋转时造成高度湍动的径向流动，适用于气体及不互溶液体的分散和液液相反应过程，被搅拌液体的粘度一般不超过25Pa•s。

锚式搅拌器桨叶外缘形状与搅拌槽内壁要一致，其间仅有很小间隙,可清除附在槽壁上的粘性反应产物或堆积于槽底的固体物，保持较好的传热效果。

桨叶外缘的圆周速度为0.5～1.5m/s,可用于搅拌粘度高达200Pa·s的牛顿型流体和拟塑性流体。

综上所述选用锚式搅拌器，因为其叶外缘形状可以作成与加热保温桶体内壁一致，能够清除桶壁上粘着的润滑剂，使搅拌器不但可以搅拌润滑剂使其保持较好的传热效果，而且可以清洁加热保温桶壁。

锚式搅拌器如下图所示：
图3.3 锚式搅拌器
钢管的选择有冷轧钢管与热轧钢管，冷轧钢管与热轧钢管分别具有各自的特点。

热轧的优点:在其内部破坏钢锭的铸造组织，钢材的晶粒得到细化，并消除显微组织的缺陷，从而使钢材组织密实，力学性能得到改善。

这种改善主要体现在沿轧制方向上，钢材在一定程度上不再是各向同性体；在高温和压力作用下浇注时形成的气泡、裂纹和疏松也可以被焊合。

其缺点是:钢管经过热轧之后，硫化物、氧化物以及硅酸盐等存在于钢材内部的非金属夹杂物被压成薄片，从而在钢管内出现分层（夹层）现象，钢材沿厚度方向受拉的性能因为分层现象的发生而大大恶化，并且有可能在焊缝收缩时出现层间撕裂，焊缝收缩诱发的局部应变时常达到屈服点应变的数倍，比载荷引起的应变大得多；同时在热轧后不均匀冷却造成残余应力，残余应力是在没有外力作用下内部自相平衡的应力，这类残余应力存在于各种截面的热轧型钢，一般型钢截面尺寸越大，残余应力也越大。

残余应力虽然是自相平衡的，但对钢构件在外力作用下的性能还是有一定影响，例如对变形、稳定性、抗疲劳等方面都可能产生不利的影响。

再者热轧的钢材产品，对于厚度和边宽这方面不好控制。

对于大号的钢材，对于钢材的边宽、厚度、长度，角度，以及边线都没法要求太精确。

冷轧是指在常温的环境下，钢板或钢带经过冷拉、冷弯、冷拔等冷加工工序被加工成各种型式的钢材。

冷轧的优点是钢材的成型速度快产量高，而且不会对涂层造成损伤，还可以将钢材作成各种截面形式，以便其适应设计使用的要求；钢材在冷轧后会产生很大的塑性变形，因此是钢材的屈服极限的到提升。

冷轧的缺点是：在冷轧的成型的过程中虽然没有经过热态塑性压缩，但在成型的钢材内仍然存在残余应力，并对刚才的整体和局部弯曲的特性产生影响；冷轧型钢一般为开口截面的样式，使得截面的自由扭转度降低，冷轧钢材在受弯曲应力时容易出现扭转，在受压应力是易出现弯曲，总之冷轧钢的抗扭性能较差；冷轧成型钢壁厚较小，在板件衔接的转角处没有加厚，使其承受局部性的集中载荷的能力减弱。

热轧和冷轧的主要区别是：冷轧成型钢允许截面出现局部弯曲，从而可以充分利用杆件弯曲后的承载力；而热轧型钢不允许截面发生局部弯曲。

热轧型钢和冷轧型钢残余应力的产生原因不同，所以在截面上的应力分布也有很大差异。

冷弯薄壁型钢截面上的残余应力分布是弯曲型的，而热扎型钢或焊接型钢截面上残余应力分布是薄膜型，冷弯薄壁型钢在受残余应力方面更具优势。

热轧型钢的自由扭转刚度比冷轧型钢高，所以热轧型钢的抗扭性能要优于冷轧型钢。

综上所述选用冷轧钢，因为涂覆小车主要承受压应力与弯曲应力，冷轧薄壁钢管能够在其应力极限范围内负载小车的总载荷，并且冷轧薄壁钢管的质量较轻，减少润滑涂覆机得总总量，使其便于搬运。

冷轧钢管如下图所示：。