基于道旁的軌頂和軌距面摩擦控制技術(shù)在神朔鐵路應(yīng)用研究

常曉東

（中國神華神朔鐵路分公司，陜西省神木縣，719316）

神朔鐵路北接包神鐵路、南連神延鐵路、東貫朔黃鐵路，自毛烏素沙漠邊緣的陜西神木縣，途徑陜西、山西兩省七縣 （市），跨越黃河，向東蜿蜒曲折266km 至山西朔州與北同蒲線接軌。神朔線全部為山區(qū)鐵路，自然環(huán)境惡劣，地形地貌復(fù)雜，不少地段高山峻嶺相連，峽谷河道不斷。橋隧占線路總延長的近30%，其中橋梁249座，500m 以上特大橋10 座，隧道61 座，最大牽引坡度12‰，最小曲線半徑400 m，是國家I級電氣化重載鐵路，也是我國繼大秦鐵路之后的第二條西煤東運(yùn)大通道，主要承擔(dān)神府、東勝煤田的煤炭外運(yùn)任務(wù)。神朔鐵路示意圖如圖1所示。

圖1 神朔鐵路示意圖

1 試驗(yàn)背景

自2006 年2 月開始，隨著運(yùn)量的顯著增長，在神朔鐵路眾多小半徑曲線上發(fā)現(xiàn)日益嚴(yán)重的鋼軌磨耗和滾動接觸疲勞 （RCF）傷損。這些鋼軌傷損嚴(yán)重影響行車安全，需要采取合理有效的措施，來減緩這些病害的發(fā)生，延長鋼軌的壽命。

摩擦控制技術(shù)是將輪軌界面 （軌頂和輪緣部位）的摩擦系數(shù)控制在預(yù)先設(shè)定的水平。大量實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐已經(jīng)證明這樣的摩擦水平能夠在不影響列車牽引或制動性能的情況下，達(dá)到降低鋼軌磨損和橫向力的最佳效果。在類似于神朔鐵路的線路上，在采用摩擦控制技術(shù)后，測試數(shù)據(jù)表明可實(shí)現(xiàn)降低橫向力和降低鋼軌磨損的良好效果。

為了推廣摩擦控制技術(shù)在神朔鐵路的使用，量化神朔鐵路上使用軌頂加軌距面摩擦控制的效益，需要選擇曲線地段進(jìn)行全面摩擦控制試驗(yàn)并進(jìn)行對比，同時開展試驗(yàn)區(qū)段和試驗(yàn)期間全面評估，以檢驗(yàn)?zāi)Σ量刂萍夹g(shù)在神朔鐵路的使用效果。

2 試驗(yàn)計劃

2.1 試驗(yàn)段情況

摩擦控制試驗(yàn)段位于大柳塔煤礦至神池南（221km）的線路上。此區(qū)段工況復(fù)雜，包含各種坡道 （-12‰至+12‰）和不同半徑曲線 （半徑400m 至5000m）。在此區(qū)間內(nèi)有192個曲線，曲線總長度達(dá)到了90.62km。73%曲線 （131 個曲線，總曲線長66.5km）的半徑小于800m。重車線采用75kg／m 的無縫鋼軌和III混凝土軌枕。

此次試驗(yàn)設(shè)置在重車線上，試驗(yàn)區(qū)域分為兩段，一段為無摩擦控制的對比段，另一段為使用軌頂和軌距的全面摩擦控制區(qū)段 （簡稱摩控段）。兩個區(qū)段之間有9km 的 “緩沖”距離。對比段和全面摩擦控制段位置見圖2。

圖2 對比段和全面摩擦控制段位置

2.1 曲線地段選擇

試驗(yàn)段區(qū)段分對比段和摩控段，線路信息如圖3。在這些區(qū)段選擇曲線半徑的時候，按照半徑大小相近、坡度最具有可比性的原則來選取，保證試驗(yàn)的環(huán)境和線路情況基本相同，以提供有意義且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)對比。對比段和摩擦控制區(qū)段線路信息見圖3。

圖3 對比段和摩擦控制區(qū)段線路信息

根據(jù)以上原則，在對比段和磨控段分別選擇了六個曲線作為試驗(yàn)曲線，為防止摩擦控制劑或者潤滑劑對對比段的影響，對比段設(shè)置在磨控段之前。選擇曲線的信息見表1和表2。

表1 對比段 （無TOR／GF）內(nèi)的曲線信息

實(shí)驗(yàn)將每一條選中的曲線進(jìn)行更加詳盡的現(xiàn)場調(diào)查來確認(rèn)是否符合試驗(yàn)所需的條件，并對對比段和摩擦控制段內(nèi)6個相同類型的曲線進(jìn)行監(jiān)控。

2.2 涂覆設(shè)備

摩擦控制區(qū)段采用14 套軌頂摩擦控制設(shè)備（TOR）和6套軌距潤滑設(shè)備 （GF），見表3。在每個TOR 安裝地點(diǎn)，將會使用一套Protector?IV TOR 軌頂涂敷器連同2根MC4-TOR ML 涂敷板 （每根鋼軌各安裝一根涂敷板），以提供道旁軌頂摩擦控制。軌距潤滑則會采用Protector?IV GF 軌距涂敷器以及2根MC4-XL的16孔涂覆板（每根鋼軌各安裝一根涂覆板）。每根軌距潤滑涂抹板會加裝GreaseGuide TM 部件以確保潤滑脂轉(zhuǎn)移到輪緣／涂覆板界面達(dá)到最佳效果。所有TOR／GF涂敷器使用360升型儲罐，供電方式可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際配電情況采用太陽能直流供電或交流供電。

表2 磨控段 （TOR+GF）內(nèi)的曲線信息

每套軌頂和軌距面Protector?IV 涂敷器都配備一個可以精確調(diào)節(jié)摩擦調(diào)節(jié)劑和潤滑劑分配量的數(shù)字控制器，從而優(yōu)化設(shè)備的使用效果。泵送時間可按每0.05秒調(diào)節(jié)，泵啟動間隔也可依據(jù)通過車軸數(shù)量予以調(diào)節(jié)。這兩個泵參數(shù)的調(diào)節(jié)可以使設(shè)備產(chǎn)生不同的涂覆率以適應(yīng)不同的車輛運(yùn)行情況。

2.3 摩擦控制劑

2.3.1 軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑

本次試驗(yàn)將使用兩種摩擦調(diào)節(jié)劑產(chǎn)品。

（1）KELTRACK ?道旁貨運(yùn)夏季型：適用于氣溫≥-6℃。

（2）KELTRACK ?道旁貨運(yùn)冬季型：適用于氣溫≥-15℃。

試驗(yàn)區(qū)中使用的TOR Protector IV 軌頂設(shè)備的涂敷量設(shè)置，在上坡摩擦控制區(qū)段為每通過12軸泵送一次摩擦調(diào)節(jié)劑，在下坡摩擦控制區(qū)段為每通過8軸泵送一次摩擦調(diào)節(jié)劑。

2.3.2 軌距潤滑脂

本次試驗(yàn)所用的LBF-FM 鐵路曲線優(yōu)質(zhì)軌距潤滑脂適合全年氣候。

表3 摩擦控制區(qū)段 （K85～K117）軌頂和軌距涂覆器安裝位置

在全面摩擦控制試驗(yàn)區(qū)的軌距潤滑GF Protector?設(shè)備的油脂涂敷用量，按照每通過16車軸泵送一次潤滑脂來設(shè)計。

2.4 數(shù)據(jù)采集

分別對試驗(yàn)區(qū)內(nèi)對比段 （無TOR／GF）和摩控段 （有TOR／GF）的鋼軌磨耗、橫向力以及滾動接觸疲勞增長的降低程度、鋼軌摩擦系數(shù)、試驗(yàn)點(diǎn)例行檢查記錄、以及線路的月通過總重等數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，由此評價使用軌頂和軌距設(shè)備后的摩擦控制效果。

（1）鋼軌磨耗。鋼軌磨耗數(shù)據(jù)使用Greenwood 公司生產(chǎn)的MiniProf鋼軌輪廓曲線儀來測量，根據(jù)每個測試曲線長度布置測量點(diǎn)，每個測量點(diǎn)都包含上股和下股兩個位置。試驗(yàn)過程中將對測量點(diǎn)進(jìn)行周期性測量。并經(jīng)過對所有曲線測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理得出每個區(qū)域的平均磨耗率。在試驗(yàn)之前，將對所有用于鋼軌磨耗監(jiān)測的目標(biāo)曲線全部更新，以確保最后測量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

（2）橫向力測試。橫向力測量設(shè)備安裝于摩擦控制試驗(yàn)區(qū)的K112+391處550m 半徑右旋曲線的中心上，至少需要兩個測試斷面來評測橫向力降低效果。

在選定的曲線位置安裝橫向力測量設(shè)備后，需要有一段2～4周間隔的標(biāo)準(zhǔn)基線監(jiān)測期（即：不使用TOR／GF），隨后啟動TOR 和GF設(shè)備，持續(xù)監(jiān)測因采用摩擦控制后橫向力降低狀況。記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^濾以區(qū)分首軸、車重、車長等數(shù)據(jù)，以便利于進(jìn)行有效的分析。

（3）滾動接觸疲勞。在對比段和摩控段內(nèi)的每個磨耗測量點(diǎn)使用MiniProf收集鋼軌磨耗數(shù)據(jù)的同時，檢查鋼軌表面以確定是否有滾動接觸疲勞（RCF）及變化 （例如軌頭開裂，掉塊，剝離等）。所有被監(jiān)測的曲線／鋼軌在試驗(yàn)前施行廓形打磨。如果打磨無法進(jìn)行，存在明顯RCF 的鋼軌應(yīng)該在試驗(yàn)開始之前進(jìn)行更換。

若試驗(yàn)期間，發(fā)現(xiàn)RCF 有變化，采用照相和染料滲透的方法加以記錄。現(xiàn)場以及附近可能影響輪軌界面的相關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)也需要記錄下來。如果可能，將使用SigmaScan圖像分析軟件對數(shù)碼圖像進(jìn)行研究分析，以準(zhǔn)確地確定RCF 增長的密度、范圍和構(gòu)成的變化。

（4）月通過總重。記錄每月通過測試區(qū)間所有列車的總重。

3 實(shí)驗(yàn)預(yù)期效果

摩擦控制技術(shù)是將鋼軌軌頂和軌距角部位的摩擦系數(shù)控制在預(yù)先設(shè)定的水平。大量的實(shí)踐已經(jīng)證明這樣的摩擦控制，能夠在不影響列車牽引或制動性能的情況下，達(dá)到降低鋼軌磨耗和橫向力的效果。此次測試通過對在試驗(yàn)段與未進(jìn)行摩擦控制的對比區(qū)段實(shí)施全面摩擦管理后的各種潛在效果進(jìn)行評估比較，量化神朔鐵路上使用軌頂加軌距面摩擦控制的效益。本試驗(yàn)預(yù)期效果是：

（1）外軌的側(cè)面磨耗和內(nèi)軌的垂直磨耗率下降30%～60%；

（2）橫向力降低20%～40%；

（3）延長鋼軌使用壽命30%；

（4）具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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