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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 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)。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。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 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。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。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。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 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。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。 
遵守交通法规，我与安全同行近年来，随着科技的发展，社会的进步，交通运输日益发达，人们的出行方式也日趋多元化。然而，这一现象的背后，也隐藏着不容忽视的一个重大问题——交通安全问题。 也许会有同学说：“交通安全有什么，只要在过马路和骑车时注意车辆、行人和红绿灯不就行了吗？”这样的说法过于片面。也许就是因为疏忽了某一个细微的缝隙，就会带来终生的遗憾。我们常常在电视和报纸上看到许多有关报道，正是因为忽视交通安全，才酿成了这一个个悲剧。前不久，在我县就发生了一起交通事故，造成一人当场死亡。这一事件再次为我们敲响了警钟：安全问题不容忽视。 据了解，2006年全国共发生道路交通事故378781起，比上年下降9%。自2000年以来，道路交通事故死亡人数首次回落到9万人以下，共造成89455人死亡，比上年下降4%。 据公安部有关负责人介绍，其中发生一次死亡10人以上特大交通事故38起，是1991年以来的历史最低点，造成558人死亡，比2005年下降 9%。2006年发生的道路交通事故中，机动车驾驶人交通违法违规导致死亡人数明显下降。共造成76350人死亡，下降2%。其中，因超速行驶、疲劳驾驶、酒后驾驶导致死亡人数分别下降3%、6%和21%。此外，小型客车、重型货车事故导致死亡人数也分别有所下降。 虽然情况已有所改善，但我们仍不能掉以轻心。每年的3月是中小学生安全教育月。也许有同学觉得烦，认为这是老生常谈，根本没什么用。那么，为什么每年的交通事故中，还有那么多的中小学生死伤呢？之所以一遍又一遍重申安全问题，就是为了尽量避免此类事件的发生。生命对于每个人来说都只有一次，因此必须加倍珍惜它、爱护他。 也许有人会说：“我也违反过交通规则，但没什么事啊！”那是侥幸心理，是在和自己的生命开玩笑。人们一般会以上班时间紧或不了解交通规则为理由违反交通。这样虽然情有可原，但付出的代价也大了些，简直是拿生命作赌注啊！看来，要从根本上减少交通事故的发生，就要在群众中积极普及《中华人民共和国道路交通安全法》，要让每位公民知法、懂法、用法，成为交通法的受益者。 “高高兴兴上学去，平平安安回家来”是每个学校老师和学生家长对学生的一个共同心愿。青少年是祖国的花朵，社会主义的接班人，在学好科学文化知识的同时，更应该学习如何保护自己。在交通日益繁忙，生活节奏日益加快的今天，遵守交通规则更是刻不容缓，这样才为我们前进的路上了护栏。遵守交通法规，人人有责。人人遵守交通规则，珍视生命，才能保证社会安定。 同学们，你能准守交通法规吗？你想过不遵守交通法规的后果吗？你想象的到出事后的家人伤心欲绝的场面吗？2002年9月8日11时许，广西东县黄某驾驶桂L21276大货车将横穿公路的一名6岁男童碾压致死。2004年4月16日9时许，广西宜州龙头乡韦某驾驶D13013号厢大货车，载45吨煤炭（核载6吨）从贵州省出发驶往广西来宾市，行至国道210线2672公里加100米处因严重超载，车辆失控与前方大客车追尾后又与对面小汽车刮蹭，导致2人死亡，48人受伤 。2004年7月19日9时许，黑龙江成套局王某驾驶辽D74087号客车，载14人，由镜泊湖驶往缓芬市，行至过道301线85公里加100米处，因超速行驶，在超线超越一辆面包车时又与对面驶来的一辆大客车相撞，导致7人死亡，14人受伤。一幕幕血淋淋的场面令人震惊，为了让安全与我们成长相伴，请同学们做到一下几点要求： 一、 在马路上不骑飞车。 二、 骑车时要一心一意，专心致志，不要一边听录音和MP3。 三、 骑车时不能逆向行驶，也不能闯红灯。 四、 自行车不能骑到机动车道或人行道上，不要抢道占道。 五、 过马路时要一看二慢三通过，千万不可以一口气冲到马路对面。 六、 过马路时不能吃东西或看书。 七、 不要在马路上追逐打闹，以防祸从天降。 八、 过马路要走斑马线或过街天桥。 九、 不要乘坐超载车辆。以上几点希望同学们一定要遵守，不要让惨不忍睹的一幕发生我们身边。让这快乐、美好、平安充满我们这个和谐的世界！中学时代是人生最灿烂的季节，在尽情享受青春的欢乐时，也不要忘了，再美好的时光是需要生命去享受的，拥有健康的生命是拥有一切的前提。你的生命是你自己的，但也同时牵动着父母、老师和朋友的心。珍爱生命，从我做起；遵守交通，让生命之花尽情 绽放！
