輪軌潤滑降低重載貨車輪軌磨耗作用的研究

李亨利，潘樹平，王愛民，周張義，2，王 璞

（1 南車集團公司 眉山車輛有限公司，四川眉山620032；2 西南交通大學 機械工程學院，四川成都610031）

嚴重的輪軌磨耗一方面導致輪軌配合狀態不良，使車輪不能實現正確導向和對中，產生較大的輪軌作用力，加劇車輛振動和部件間相互作用力，從而降低車輛的動力學性能和運用可靠性；另一方面，不正確的輪對排列和輪緣磨耗還將進一步導致金屬疲勞和褶皺變形，使缺陷維修量和輪軌更換量加大，顯著增大列車的燃料消耗。車輪和鋼軌是重載鐵路運輸的主要成本支出之一，無論是加工恢復輪軌外形還是更換新輪軌都將顯著影響重載運輸的經濟性。

目前我國重載線半徑600m及以下的曲線，鋼軌鋪設1年后側磨即達15mm而需換軌，重載貨車車輪段修時的旋修比率超過90%，車輪平均壽命較短。若在既有線路上實施重載運輸，大量存在的中小半徑曲線不可避免，從而產生更為嚴重的輪軌磨耗。因此，隨著我國重載運輸的發展，輪軌磨耗尤其是曲線上的車輪與鋼軌磨耗將愈趨劇烈，減輕重載貨車的輪軌磨耗是我國重載運輸的核心技術問題。

解決輪軌磨耗的措施從車輛方面最根本的措施是改進轉向架結構，降低輪軌動力作用，消除輪緣和鋼軌的直接接觸，如采用徑向轉向架。從運用減磨方面則應進行有效的輪軌界面管理和摩擦控制，如鋼軌打磨和輪軌潤滑。國內外的實踐經驗表明，輪軌潤滑是減緩曲線車輪和鋼軌磨耗的有效措施之一，該技術可有效減小車輛曲線通過作用力，改善重載鐵路的運營條件。為預測潤滑減輕重載車輛輪軌磨耗的效果和規律，本文運用多體動力學方法對潤滑條件下不同模式轉向架的輪軌磨耗進行了研究。

1 磨耗動力學計算模型及評價指標

利用多剛體動力學方法建立了C80B型運煤專用敞車在時域內的動力學計算模型，各參數取新車重車下的狀態值。轉向架為轉K7型徑向轉向架和轉K6型交叉支撐轉向架。輪軌配合為新LM型磨耗型踏面和60 kg／m鋼軌，軌道不平順采用AAR5級線路譜。

根據潤滑理論，理想潤滑需要輪緣和軌頭側面保持低摩擦系數，車輪踏面和鋼軌頭頂面上保持中等摩擦系數。為模擬這一情況，計算模型采用了多點接觸的輪軌模型，設置專門的輪緣接觸單元、踏面接觸單元和變化的輪軌摩擦系數，如圖1所示。按國際重載協會推薦的數值，潤滑工況下車輪踏面和鋼軌頭頂面摩擦系數設置為0.40，輪緣與鋼軌內側面摩擦系數取為0.09［2］。考慮潤滑時實際摩擦系數并無絕對的分界線，且為避免數值積分奇異，輪緣和踏面分界線附近設置寬度3mm的摩擦系數線性過渡區。

滾動接觸力學研究表明，輪軌接觸面之間所耗散的摩擦功率基本能反映輪軌磨耗的大小，其定義為接觸斑內蠕滑力和蠕滑率的數量積。若輪緣接觸點已經開始滑動，此時摩擦功率定義為輪軌相對滑動速率和滑動的切向力的乘積。摩擦功率反映了瞬態輪軌磨耗的程度，對其在仿真時間內進行積分，可得到車輛運行特定里程所積累的摩擦功，從而應用于輪軌磨耗的評定。

圖1 輪軌接觸模型及摩擦系數的設置

2 潤滑降低曲線輪軌磨耗的作用

為考察輪軌潤滑對曲線輪軌磨耗的影響，計算了車輛通過不同曲線時輪軌磨耗指標。計算時曲線的欠超高均設置為20mm，緩和曲線長75m，曲線總長600m。圖2繪出了車輛導向輪對外側車輪的相關結果。

圖2 車輛通過不同曲線半徑時輪軌潤滑的效果

由圖2（a）和圖2（b）可見，較小半徑曲線上的輪軌潤滑可大幅度降低交叉支撐轉向架的車輪磨耗，尤其是輪緣磨耗，曲線半徑越小，減磨效果越明顯。曲線半徑300m時，潤滑前后交叉支撐轉向架車輪磨耗功分別約為77 349N·m和49 118N·m，較干燥軌面降低了約36.5%，輪緣接觸點磨耗功分別為59 415N·m和17 557N·m，較干燥軌面降低了約70%。曲線半徑增大到600m以上時，潤滑對輪軌的減磨作用逐漸消失，曲線半徑大于800m后基本無降低輪軌磨耗的效果。然而，輪軌潤滑對降低徑向轉向架輪軌磨耗僅在極小半徑曲線下有微弱的改善，在曲線半徑大于400m時幾乎無作用。但由于徑向轉向架具有優良的曲線通過性能，在所計算的工況下，輪軌磨耗功較交叉支撐轉向架實施潤滑后還小，輪緣磨耗功在通過半徑為600m以上曲線時已趨近于零，充分說明了徑向轉向架降低輪軌磨耗的效果。

輪軌潤滑后車輪踏面的磨耗功反而有所上升，尤其是曲線半徑小于400m時最為顯著，如圖2（c）所示。此現象的原因是當輪緣部分摩擦系數降低后，在同等大小的輪對橫移時，車輪的縱向蠕滑力必然降低，從而導致輪對的導向能力不足，宏觀上表現為輪對沖角變大，如圖2（d）所示，微觀上則表現為踏面接觸點蠕滑率增大，滑動增加。當曲線半徑很小時，交叉支撐轉向架在通過干燥軌道的情形下，在線路隨機不平順的激勵下，車輪接觸點更多的分布于輪緣部分，從而輪緣接觸點的磨耗功隨曲線半徑的減小大幅增加，從而車輪踏面磨耗功反而下降。若實施軌道潤滑后，即使接觸點分布于輪緣，但摩擦系數很低，產生滑動的摩擦力較小，導致輪緣磨耗功下降。同樣，由于通過特殊的裝置增強了輪對的導向作用，徑向轉向架通過曲線時輪對沖角和踏面磨耗功均較小。

計算結果還表明，輪軌潤滑具有降低輪緣橫向蠕滑力的作用，且在較大半徑的曲線上仍十分明顯。圖2（e）所示為輪緣橫向蠕滑力的峰值，各工況下輪軌潤滑后均減小了25%以上，且該力的均方值潤滑時僅為干燥軌面的40%左右。同時，潤滑后車輪橫向蠕滑力也小于干燥軌面，使得鋼軌對輪對的約束作用減弱，導致輪對搖頭和橫移振動增大，從而輪軌橫向力增大，如圖2（f）所示。

需要指出的是輪軌橫向力增大后脫軌系數會相應增大。但國內外的研究和實踐均認為，輪軌潤滑不會增大車輛脫軌的危險，其主要原因是一方面由于摩擦系數降低后，根據Nadal公式計算的脫軌系數限度值也將相應增大，如圖3所示。另一方面，輪軌潤滑后車輪爬軌的摩擦力變小。因此，即使輪軌橫向力有所增大，但脫軌安全性反而有所提高［1］。

圖3 輪軌接觸模型及摩擦系數的設置

3 結論

通過計算研究不同工況下輪軌潤滑降低輪軌磨耗的作用規律，可得出如下結論：

（1）輪軌潤滑在曲線半徑小于600m時，可顯著降低配裝交叉支撐轉向架貨車的輪軌磨耗，曲線半徑大于800m時降低輪軌磨耗的效果不明顯。

（2）配裝交叉支撐轉向架車輛通過曲線時，輪軌潤滑可有效地降低輪緣橫向力，同時會增大輪對沖角、輪軌橫向力和踏面磨耗，但不會降低車輛脫軌安全性。

（3）配裝徑向轉向架車輛通過曲線時，輪軌潤滑幾乎不起改善輪軌磨耗的作用，但其輪軌磨耗較潤滑后的交叉支撐轉向架還小，采用徑向轉向架是降低輪軌磨耗的根本措施。

輪軌潤滑條件下的動力學分析結論，已經為大量實測試驗所證實。我國大秦鐵路和部分鐵路局已經開始了輪軌潤滑技術的運用與研究［6－8］，取得了良好的減磨效果。為使潤滑技術更好的服務于鐵路重載運輸，進行潤滑方法研究，潤滑減磨節能效果實測，潤滑條件下的機車操縱及輪軌磨損機理實驗室試驗等一系列綜合研究具有現實的需求。

［1］王衛東，曾宇清，于衛東，等.輪軌潤滑對脫軌安全性及車橋耦合振動的影響［J］.中國鐵道科學，2001，22（1）：40－46.

［2］International Heavy Haul Association.Guidlines To Best Practices For Heavy Haul Railway Operations——Infratructure Construction and Maintenance Issues［M］.2009，642－657.

［3］沈志云.輪軌磨損的動力學預測及減少輪軌磨損的措施［J］.鐵道學報，1992，14（2），64－70.

［4］В.С.ЧЕРНЫЙИ等（俄）.輪軌潤滑技術新進展［J］.國外鐵道車輛，2000，37（5）：36－37.

［5］顧懋梁.鐵路重載運輸輪軌潤滑技術的新動向［J］.內燃機車，1992，218（4）：1－5.

［6］孟新科.運用鋼軌干式潤滑技術減少鋼軌側磨［J］.鐵道技術監督，2008，37（4）：15－16.

［7］劉樹旺.延長大秦重載鐵路鋼軌使用壽命措施的研究［J］.中國鐵路，2009，（1）：41－43.

［8］羅國偉.李偉.重載鐵路鋼軌潤滑及摩擦控制研究［J］.鐵道建筑，2011，（4）：114－118.

［9］周清躍，習年生，王衛東，等.大秦重載鐵路鋼軌的傷損及對策研究［R］.中國鐵道科學研究院研究報告，2007.