控制輪軌接觸面摩擦 延長鋼軌壽命

■ 凱文·歐德勞 陸鑫

由于每年用于鋼軌更換的費用相當大，因而，如果鋼軌需要提前更換，對相應的資金安排產生巨大的壓力。同時換軌作業須耗費大量時間和人力，占用寶貴的線路運行時間，從而直接影響著鐵路運營，對于線路運能的影響將是直接、即時和顯著的。盡可能地在鋼軌必須更換之前延長其工作壽命，對于鐵路的經濟效益和運營操作都有著顯著的影響。

輪軌接觸面的摩擦管理是在鋼軌軌距面（側面）及鋼軌頂面兩個部位同時進行摩擦控制，通過多年實踐證明，可有效延長鋼軌使用壽命。

1 鋼軌軌距面的潤滑

高性能的潤滑介質（油脂或固體潤滑材料）涂覆在鋼軌軌距面與車輪輪緣間的接觸面，能降低摩擦。接觸面的磨損幾乎全部發生在彎道的高軌上，因為輪軌之間存在較高的接觸壓力和相對運動（滑動或蠕滑），導致能量顯著消耗與散失。這些能量是通過溫度升高和噪聲，以及鋼軌與車輪磨耗等形式表現出來。因此，降低輪軌接觸面的摩擦系數，消耗的能量（相應的磨耗）可顯著降低。

在鋼軌軌距面與車輪輪緣間涂覆潤滑劑，可采用道旁地面形式或車載形式。現代電子控制的道旁地面涂覆設備通常采用車輪感應式傳感器探測通過的列車，其數字控制系統將精確數量的液體潤滑劑通過涂覆板輸送到鋼軌側面。形狀如扁平“刀片”的涂覆板安裝在鋼軌內側并緊靠軌距面。 安裝在中國重載線路上的PROTECTOR?第四代道旁軌距面涂覆裝置見圖1，其由太陽能供電。

圖1 PROTECTOR?第四代道旁軌距面涂覆裝置

車載LCF固塊潤滑器

控制軌距面與車輪輪緣間的摩擦系數可采用固體潤滑塊。裝有固體潤滑塊的涂覆器安裝在車輛轉向架上，通過彈簧作用在車輪輪緣部位，輪緣和鋼軌接觸將潤滑劑轉移到鋼軌上，鋼軌又將潤滑劑二次轉移給下一個車輪。這種車載涂覆方式已被廣泛使用，尤其是在城市軌道交通的封閉線路上，潤滑劑的涂覆轉移更容易實現飽和。

在鋼軌軌距面與車輪踏面上涂覆潤滑劑，作為保護輪軌的方法已使用數十年，如何采用潤滑技術延長鐵路設備壽命的效果最大化和對此效果進行定量化評估的研究工作從未停止。加拿大國家研究委員會（Canadian National Research Council）下屬的地面運輸技術中心 （Centre for Surface Transportation Technology）在加拿大太平洋鐵路公司（Canadian Pacific Railway）開展了摩擦管理項目研究。在加拿大太平洋鐵路Thompson工區內的80 km線路上，通過鋼軌軌距面潤滑有效降低了87%的鋼軌側磨，第一年節省費用60萬美元，整個工區4年預期節省費用160萬美元。通過改進設備維護和提高設備效率及油脂利用率，采用現代潤滑涂覆設備和優質油脂實現每年節省資金10.5萬美元。

2 軌頂摩擦調節劑

輪軌接觸面摩擦管理最新的發展是在鋼軌頂面和車輪踏面間采用干式薄膜技術，使其之間為中等摩擦系數。與干燥條件下的輪軌鋼-鋼接觸相比，中等摩擦系數能夠滿足列車制動和黏著力的需要，不會影響列車運行性能。在此基礎上，通過降低輪軌接觸面的能量散失達到降低磨耗效果。

液體潤滑劑的摩擦控制效果取決于其在輪軌接觸面上形成的介質層厚度，在實際應用中很難將鋼軌頂面的摩擦系數有效控制在合理水平。干式薄膜技術的摩擦調節劑取決于固有的材料特性，通過在輪軌接觸面間形成薄膜控制摩擦，與其厚度無關，從而使得在輪軌接觸面上可靠、有效和安全引入這種摩擦控制介質材料成為可能。

鋼軌頂面涂覆可采用道旁地面形式或車載形式控制摩擦。道旁地面涂覆裝置的涂覆板安裝在兩根鋼軌軌頭外側，水基摩擦調節劑通過涂覆板輸送到鋼軌頂面，由通過的車輪攜帶，轉移到控制摩擦區段。在此過程中，水基摩擦調節劑迅速失去水分，并在輪軌接觸面上形成一層固體薄膜。

封閉的線路可采用車載固體車輪踏面摩擦控制系統。更加靈活的鋼軌頂面摩擦控制方式是采用液體摩擦調節劑車載涂覆裝置。其將液體摩擦調節劑霧化后噴涂到鋼軌頂面，與道旁地面軌距面涂覆裝置一樣。噴涂水基材料，涂覆后在輪軌接觸面迅速干燥形成薄膜。液體摩擦調節劑車載涂覆裝置一般采用GPS控制，自動噴涂作業，摩擦調節劑噴涂準確、高效和靈活。AutoPilotTM車載涂覆裝置（見圖2）采用模塊設計，可安裝在貨車和機車上，自動對鋼軌頂面噴涂摩擦調節劑。

近年來，鐵路運營商、供應商和研究院校的科研人員對輪軌接觸面的摩擦控制技術開展了廣泛的研究。研究課題涉及鋼軌和車輪磨損、滾動接觸疲勞、波浪磨損、彎道噪聲、軌道結構傷損和機車能耗等。

國外經驗表明，不管是使用木枕還是混凝土軌枕的線路均可通過鋼軌頂面摩擦控制（單獨或與鋼軌軌距面潤滑共同使用）降低鋼軌磨損。一般可降低垂直磨耗和側面磨耗達40%～60%。2010年在中國一條54 km長的重載運煤專線試驗段進行了10個月的摩擦管理跟蹤試驗，采用道旁地面涂覆設備對鋼軌頂面和軌距面進行摩擦控制。試驗結果表明，摩擦控制使高軌軌距角和軌距面磨耗，以及低軌垂直磨耗降低約50%；摩擦控制在降低軌道橫向力與滾動接觸疲勞等方面也有顯著效果。

安裝在鋼軌外側的鋼軌頂面涂覆板

圖2 AutoPilotTM車載涂覆裝置

3 全面的系統考量

研討鋼軌壽命應將輪軌接觸面看成一個綜合系統。鋼軌壽命作為鐵路運營中的一個重要指標，諸多因素和技術對其有著直接或間接影響。鋼軌材質的選擇和鋼軌型面的維護（如打磨）也是決定鋼軌壽命的重要因素，與摩擦管理相互制約和相互促進。

鋼軌壽命不只是取決于鋼軌的磨損，滾動接觸疲勞（RCF）引起裂紋生成和增長也是決定鋼軌壽命因素之一。接觸壓力和蠕滑率造成材料棘輪效應，使材料在循環載荷作用下的塑性變形逐漸積累增大，最終超過其展延極限形成RCF疲勞裂紋。這些裂紋在輪軌接觸面作用力和表面摩擦力作用下增長進入鋼軌內部或形成表面缺陷，例如剝離掉塊、橫向傷損。橫向裂紋發展最終造成鋼軌斷裂，因此在裂紋加速增長期前，采用鋼軌打磨加以去除。

優質鋼軌與摩擦控制可同時采用，以延緩鋼軌的磨損和RCF裂紋的增長。優質鋼軌具備更高的硬度和剪切屈服強度，使其耐磨性能更佳，能夠降低鋼軌對高接觸壓力的敏感性。摩擦管理可降低鋼軌表面摩擦力和相應的能量散失，有助于提高鋼軌抗磨損和抗疲勞性能。摩擦管理可同時降低鋼軌磨損和RCF裂紋的增長速度，有利于延長預防性鋼軌打磨的間隔時間，一般最低達到15%～25%。鋼軌壽命因磨損降低和打磨減少而最終延長。

[1] Sroba P，Roney M，Dashko R，et al.（2001）Canadian Pacific Railway’s 100% Effective Lubrication Initiative[C]. Presentation for AREMA 2001 Conference & Exhibition，Chicago，Illinois，2001

[2] Sroba P，Oldknow K，Dashko R，et al. （2005）Canadian Pacific Railway 100% Effective Friction Management Strategy[C]. Proceedings of the IHHA Conference，Rio de Janeiro，Brazil，2005

[3] Eadie D，Vidler B，Hooper N，et al.（2003） Top of Rail Friction Control：Lateral Force and Rail Wear Reduction in a Freight Application[C]. Proceedings of the International Heavy Haul Association，Fort Worth，Texas，2003

[4] Eadie D，Maglalang L，Vidler B，et al.（2005）Trackside Top of Rail Friction Control at CN[C].Proceedings of the IHHA Conference，Rio de Janeiro，Brazil，2005

[5] Reiff R，Makowsky T，Gearhart M.（2005）Implementation Demonstration of Wayside Based TOR Friction Control[R]. Union Pacific Railroad-Walong，CA，TTCI Technology Digest TD-05-018，2005

[6] Reiff R.（2007）Wayside-Based Top of Rail Friction Control：95 MGT Update[R]. TTCI Technology Digest TD-07-019，2007

[7] Lu X，Makowsky T，Eadie D，et al.（2012）Friction management on a Chinese heavy haul coal line[J].Proc. IMechE，Part F：J. Rail and Rapid Transit，2012，226(6)：630-640

[8] Eadie D，Elvidge D，Oldknow K，et al.（2009）The Effects of Top of Rail Friction Modifier on Wear and Rolling Contact Fatigue：Full Scale Rail-Wheel Test Rig Evaluation[J]. Analysis and Modelling，Wear，vol. 265，Issue 9-10，1222-1230

[9] Stock R，Eadie D，Elvidge D，et al.（2009）Influencing rolling contact fatigue through top of rail friction modifier application–a full scale wheel-rail test rig study[C]. Proceedings of the 8th International Conference on Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel Systems（CM2009），Firenze，Italy，2009

[10] Reiff R.（2007）Top of Rail Friction Control on Rail Surface Performance and Grinding[R]. TTCI Technology Digest TD-07-039，2007