铁道车辆中专毕业论文

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。

机车车辆整车可靠性指标的探讨摘要：通过对机车车辆整车的可靠性指标进行探讨，提出了MDBF、MDBFF和上线率作为机车车辆制造企业产品可靠性指标的建议，为制造企业进一步满足用户要求、开展产品可靠性的研究奠定基础。关键词：机车车辆；可靠性指标；平均故障间隔距离；平均功能故障间隔距离；基本可靠性；任务可靠性0引言随着我国国民经济的快速发展，交通、物流与日俱增。铁路运输担负了全国货运总量的70%和客运总量的60%。作为承担铁路运输的装备———机车车辆运用的安全准点，是保证铁路运输的关键因素之一。因此要求机车车辆具有很高的可靠性。最新的国际铁路行业标准IRIS更是明确提出了对RAMS（可靠性、可用性、可维护性和安全性）的要求。因此提高产品的可靠性，已是铁路装备制造企业参与国际竞争的关键因素。由于我国对机车车辆整车可靠性的相关研究还处于初步阶段，目前只能参照其他系统的可靠性标准，凭经验及大致的统计数据来提出可靠性的要求，尚未建立成熟的可靠性指标和验收体系，使得机车车辆整车可靠性管理不尽人意。因此开展机车车辆可靠性要求的研究，建立科学规范的机车车辆可靠性指标和验收体系对于机车车辆制造企业具有深刻的意义。由于机车车辆整车的可靠性指标及其验证方法极为复杂，本文仅对其可靠性指标的建立进行探讨，并提出建议。1机车车辆整车可靠性指标现状目前从机车车辆整车的技术文件中可以看到，涉及到的可靠性指标基本上为机破率、临修率和碎修率。然而，在具体使用机破率、临修率和碎修率来考核机车车辆整车的可靠性时将存在着一些问题。根据IEC60050（191）的定义，可靠性是“产品在规定的条件下和规定的时间区间（t1，t）2内完成规定功能的能力”，它的定量化指标———可靠度，就是“产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定的功能的概率”。因此，实际上讨论可靠性就是讨论故障概率。机车车辆机破率，是以在用机车车辆总运行公里数除以从时间t=0至时间t=t1的累计机破故障数量而得到的比率。机车车辆临修率，是以在用机车车辆总运行公里数除以从时间t=0至时间t=t1的累计机车非修程入库检修的故障数量而得到的比率。机车车辆碎修率，是以在用机车车辆总运行公里数除以从时间t=0至时间t=t1的累计机车非修程不入库检修的故障数量而得到的比率。这都是一种累积故障概率（F（）t）。首先，由于这种累积故障概率考核的是所有在用的特定机型的机车车辆，那么在用的机车车辆的运行公里数的大小对累积故障概率的影响很大。运行公里数越大，累积故障概率越小。同时由于每一台（批）机车车辆投入运用的时间不同，按照产品故障浴盆曲线的原理，出现的故障类型和概率是不同的。而我们就特定时间统计所有机车车辆的运用，就可能出现故障类型和概率的偏差。其次，可靠性分为固有可靠性和使用可靠性，也可分为基本可靠性和任务可靠性。机破率、临修率和碎修率，考核的是固有可靠性、基本可靠性，还是考核使用可靠性、任务可靠性，必须加以说明，否则容易对可靠性产生不同的理解，从而采取不同的可靠性保证方案。第三，机破率的统计，以导致任一列车晚点5 min（以京广线为例）的设备故障为机破故障。然而，在实际运行中，当设备故障后，影响列车晚点的因素是多方面的，它不仅与故障类型、系统的可维修性有关，还与司乘人员的技术水平、产品设计的冗余等有密切关系。如：机车运行途中硅机组因电容击穿显示主接地故障，司乘人员隔离部分电机维持运行，正点到达，未造成机破，但实际上产品出现了故障；有时，也可能因培训不到位，司乘人员对产品不熟悉，可能操作不当，使得列车晚点而导致机破，但产品本身却未出现故障。从上述分析可以看出，机破率、临修率和碎修率难以真实、全面的反映产品的可靠性，对推动制造企业提高产品可靠性的作用有限。因此，有必要对机车车辆整车的可靠性指标加以研究与探讨。2机车车辆整车可靠性指标国际电工委员会（IEC）、欧洲标准（EN）均针对轨道交通制定了可靠性要求，即IEC 62278、EN 50126、EN50128、EN 50129等。但这些标准仅给出了轨道交通适用的可靠性典型参数示例，不具有实际的操作指导意义。通过对比IEEE有关标准和机车车辆实际运行经验，在考虑机车车辆整车可靠性指标时，建议使用平均功能故障间隔距离（Mean Distance Between Functional Failure，MDBFF）、平均故障间隔距离（Mean Distance Between Fail-ure，MDBF）以及机车车辆上线率（On Line Service Rate）三个指标来综合衡量机车车辆整车的可靠性。MDBF作为机车车辆整车基本可靠性的特征量，可以反映出整车运用对维修人员、维修时间、维修费用、备品备件需求的要求。一个系统基本可靠度低，即使能够满足任务可靠度的要求，也会导致系统维护成本高。或者说通过设备冗余的保证，虽然能够满足任务可靠度，但其后发生的维修成本也是不可忽视的，由此带来的系统复杂程度增加，系统基本可靠性也会降低。从国际轨道交通装备制造企业设立的质量指标来看，有6项指标属于MDBF要衡量的范围。具体如下：1）零公里故障：产品到段尚未正式投入运用阶段出现的故障。2）早期故障：产品投入运用至定义的最短修程阶段出现的故障。3）运行故障：产品在正常运行中出现故障但能到达目的地。4）非定期检修：不在规定的修程时间所进行入库检修和不入库检修。5）停机故障：产品在运行中突然停机，但因重联或连挂的原因能够被牵引到达目的地。6）使命故障：产品在运行中故障而不能到达目的地。MDBFF作为机车车辆整车任务可靠性的特征量，可以反映出整车在规定的时间段内或任务段内完成规定功能的能力。这个特征量与我们现行通用的机破率有近似之处，但量纲不同。作为制造企业，为了保证整车的任务可靠，不得不在整车设计中考虑一定的设备冗余，同时又得兼顾系统的简化，这是一对矛盾。MDBF和MDBFF两项可靠性指标反映的是机车车辆在承担运输任务过程中的质量状况，它们均不能反映机车车辆不承担运输任务时的质量状况。有时，上线运行的机车车辆质量状况良好，没有出现故障，但在段备用的机车车辆质量状况却不佳，甚至不能上线运行。虽然MDBF和MDBFF两项可靠性指标能满足要求，但备用机车车辆的质量状况却无法满足用户的要求。因此，国际铁路行业引入了上线率这一指标。机车车辆上线率的定义是上线运行的机车车辆数与良好的备用机车车辆数之和除以总机车车辆数。上线率指标客观地反映了制造企业的服务质量、产品的可维护性和可用性水平，也影响了用户运输的可靠性，是用户目前关注的焦点之一。因此，机车车辆整车上线率也应当作为可靠性的指标。综上所述，可以将MDBF作为基本可靠性指标，衡量机车车辆整车对维修人员、维修时间、维修费用、备品备件需求的要求。将MDBFF作为任务可靠性指标，衡量机车车辆整车完成规定功能的能力。上线率作为整车可靠性的关联指标。3 MDBF和MDBFF的测算由于机车车辆是大型机电产品，不能简单以电子零部件或机械零部件来测算可靠性数据。虽然零部件本身故障模式的种类并不多，但成为整机产品后，需考虑的因素就比较多了，如各零部件所具有的故障模式的组合，由于零部件的组合而组成的（不是来自零部件的故障）故障模式的复合。因此从整机来看，形成大量近似函数的复合，其形式变得复杂。实际测算中，可以用威布尔概率纸测算故障概率直线的斜率，以获得形状参数m来确定故障的性质（m=1，偶然性故障；m>1，耗损性故障）。用指数分布来概算故障率λs，系统的每个单元都服从指数分布，则单元可靠度R（i）t=e-λit系统可靠度R（st）=e-λ1te-λ2te-λ3t……e-λnt=e-λst系统故障率λs=λi平均故障间隔时间MTBF=1/λs考虑到传统上机车车辆故障是按照运行公里数进行统计，加之机车车辆在段备用的时间对平均故障间隔时间将产生影响，因此建议采用平均无故障间隔距离（MDBF）来代替平均故障间隔时间进行可靠性的概算，仍然要统计1/λs。以配属三个机务段的某车型某年十月份的故障统计，来测算该车的MDBF和MDBFF，可以看出其与机破、临修的差异，如表1和表2所示。通时，RC回路中的冲击电流过大（为电容器最大工作电流的倍），使电容器加速老化，出现降级或损坏。电阻的功率为最大工作功率的倍，不能满足电阻的工作要求。2）采用改造后参数（R=Ω，C=18μF），在整流桥90°开放，晶闸管导通时，电容的放电电流的峰值只为改造前取值的1/3，电阻的功率也比改造前参数取值下降100 W左右。晶闸管关断时，电容器的放电电流峰值为改造前的1/2，更好地改善了整流元件的工作条件。3）改造后，在整流桥90°导通时，电容器的极限工作电流值只为最大工作电流的倍，电阻的极限工作功率为最大工作功率的倍。考虑到整流桥90°换向为瞬时发热，电阻有一定的散热时间，电阻出现烧损的可能性较小。4结语2007年底在新乡机务段和准格尔机务段，按照上述改造方案各试改了5台SS4改型机车，运行至今没有再次出现RC回路电阻和电容烧损击穿问题。说明该改造方案能解决SS4改型机车RC回路电阻和电容烧损击穿故障。并且该改造方案简单，改造成本低，适合在其他SS4改型机车进行批量改造。参考文献：[1]张有松，朱龙驹.韶山4型电力机车[M].北京：中国铁道出版社，[2]2001.[2]蒋家久.电力机车牵引绕组阻尼电路参数匹配对设备安全的影响[2][J].铁道机车车辆，2005（4）.