輪軌摩擦控制技術(shù)對輪軌相互作用影響分析

常曉東 中國神華能源股份有限公司神朔鐵路分公司

輪軌摩擦控制技術(shù)對輪軌相互作用影響分析

常曉東 中國神華能源股份有限公司神朔鐵路分公司

隨著鐵路運輸向著高速、重載方向發(fā)展，輪軌相互作用增強，輪軌壽命縮短、車輛和軌道結(jié)構(gòu)破壞、環(huán)境噪音污染等問題越來越嚴(yán)重。為解決以上問題，鐵路研究人員采用致力于優(yōu)化輪軌接觸界面、控制輪軌摩擦和粘著的新技術(shù)——全面摩擦控制。通過介紹輪軌全面摩擦控制的內(nèi)容和手段，分析全面摩擦控制對于輪軌粘著和磨耗、轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向能力、振動和噪音、運行耗能等問題的影響，并對輪軌全面摩擦控制未來的研究進行展望。

全面摩擦控制；輪軌磨耗；導(dǎo)向能力；振動和噪音；能耗

高速、重載、大密度已成為現(xiàn)代鐵路網(wǎng)絡(luò)的共同特點，最大的軸重為40 t，列車總重高達100 000 t，車輛數(shù)量最多達682節(jié)（澳大利亞）。與此同時，鋼軌的磨耗、軌道結(jié)構(gòu)的傷損也在加劇。尤其是在小半徑曲線、長大坡道地段，輪軌相互作用越來越大，鋼軌磨損嚴(yán)重，軌道部件的損壞、道床殘余變形的積累，嚴(yán)重影響行車安全，加大了線路養(yǎng)護與維修的工作量，縮短了鋼軌換軌周期。此外，小半徑曲線上的輪軌嘯叫聲和嚴(yán)重的波磨影響了旅客列車的舒適性并會造成列車和軌道部件的損傷。所以旨在降低輪軌磨耗和輪軌相互作用的輪軌潤滑技術(shù)被提出并逐漸發(fā)展為輪軌全面摩擦控制技術(shù)。

1 全面摩擦控制

全面摩擦控制是在輪軌界面上有目的地引入第三介質(zhì)（如潤滑劑或摩擦調(diào)節(jié)劑），使之生成潤滑膜，把干摩擦變?yōu)闈櫥瑒┑姆肿觾?nèi)摩擦，以降低磨損和輪軌噪音、優(yōu)化列車及軌道的動力學(xué)性能、增加列車通過能力和降低能耗。全面摩擦控制強調(diào)同時實施軌頂面摩擦控制和軌距角潤滑。摩擦控制劑包括固態(tài)和液態(tài)兩種。其中軌距角潤滑一般為輪緣潤滑和軌側(cè)潤滑，其目的是盡可能的降低輪緣和軌距角摩擦系數(shù)。軌頂面摩擦控制不是簡單的通過油脂等潤滑降低摩擦系數(shù)，一定要在不影響列車牽引和制動的前提下，摩擦系數(shù)控制在0.3～0.4。

1.1 軌距角潤滑

軌距角潤滑是利用車載設(shè)備或者道旁潤滑設(shè)備噴涂油脂等，將軌距角摩擦系數(shù)降低到一個盡可能低的值，可以達到減緩輪緣和軌距角之間的磨耗，延長鋼軌壽命、減弱輪緣與鋼軌嘯叫聲，并能減低爬軌危險，增加列車運行安全系數(shù)、降低列車動力損耗，節(jié)約能源。軌距角潤滑也有其固有的缺點，會造成輪軌橫向力的增大、輪對沖角的變大，造成軌道損傷。

軌距角潤滑已經(jīng)廣泛的推廣使用，早在1976年美國就開始在試驗線和部分運營線上試驗軌距角潤滑，考察潤滑對減緩鋼軌和輪緣的磨耗及延長使用壽命的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過適量潤滑后鋼軌和車輪磨耗量降低為無潤滑的1/17，燃料用量下降40%。在城市軌道交通中軌距角潤滑最初目的是用來降低輪軌噪音，現(xiàn)在已經(jīng)推廣并在控制輪軌側(cè)磨上起到了很好的作用。重載鐵路的軌距角潤滑等已經(jīng)在美國、加拿大、南非等國家使用。

1.2 軌頂面摩擦控制

軌頂面摩擦控制一直以來都是傳統(tǒng)油脂潤滑的禁區(qū)，一直沒有大范圍的應(yīng)用。首先傳統(tǒng)的油脂如果污染了軌頂面，會導(dǎo)致輪軌粘著的急劇降低，將影響機車牽引和列車制動；其次，軌頂面磨耗一般較小，不能完全磨掉鋼軌頂面裂紋，如果軌頂面被油脂污染，會引起嚴(yán)重的油楔效應(yīng)，加速鋼軌的剝離掉塊，嚴(yán)重影響行車安全性并縮短了鋼軌的壽命。所以降低軌頂面摩擦系數(shù)不能依靠傳統(tǒng)的油脂潤滑，需要引入固體摩擦控制劑。

輪軌接觸表面微觀上凹凸不平，固體摩擦控制劑含有一定的固體潤滑顆粒，這些小顆粒充填在金屬的凹坑中或支撐兩個表面并在水平力作用下滾動，顆粒數(shù)量決定著輪軌界面相對移動所需能量，宏觀上表現(xiàn)為對摩擦系數(shù)的控制。軌頂面的摩擦系數(shù)降低能大大降低作用在鋼軌上的橫向力，提高軌道構(gòu)件的使用壽命，并在一定程度上降低鋼軌波磨和輪軌噪音。日本東京地鐵和部分通勤線、澳大利亞的昆士蘭、新南威爾士、以及南澳大利亞鐵路線路上在進行軌頂面摩擦控制對于減磨和降噪的試驗。RTRI、中國神華集團、加拿大Kalsen公司、法國等國家機構(gòu)對于軌頂面摩擦控制對輪軌動力作用進行了一系列實驗，發(fā)現(xiàn)采用軌頂面摩擦控制之后以輪軌橫向力和導(dǎo)向輪沖角為表征的轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向能力的提高。

2 摩擦控制對輪軌相互作用的影響

摩擦控制是通過認(rèn)為引入油脂或者摩擦控制劑等到輪軌之間的界面上，自然狀態(tài)下輪軌之間存在著鐵的氧化物、油污、水、砂等物質(zhì)，稱為第三介質(zhì)層。摩擦控制歸根到底是對摩擦系數(shù)和輪軌粘著系數(shù)的控制。

2.1 摩擦和粘著

2.1.1 摩擦系數(shù)

摩擦在輪軌磨耗和滾動接觸疲勞以及其他相關(guān)的問題中扮演著重要的角色。摩擦系數(shù)的大小受到第三介質(zhì)層的組成和流變特性的影響。主要是由摩擦控制劑和氧化物及其他物質(zhì)的比例決定，摩擦控制劑的比例增加，摩擦系數(shù)會降低。自然的第三介質(zhì)層包括鐵的氧化物、油脂、砂、水等組成。其中鐵的氧化物中的 Fe2O3導(dǎo)致摩擦系數(shù)的上升，F(xiàn)e3O4會抑制摩擦系數(shù)的增長。使用油脂可以降低摩擦控制膜在鋼軌表面的附著和降低摩擦控制劑膜的抗剪強度從而降低摩擦系數(shù)。Kalsen公司的研究發(fā)現(xiàn)，即使存在輕度油脂的情況下，也會增加滑動速率1.38～63.4μm/s。當(dāng)溫度低于露點的時候空氣中的水會凝結(jié)在鋼軌表面形成一種液態(tài)薄膜，引起摩擦系數(shù)的下降。

2.1.2 輪軌粘著

粘著系數(shù)為機車動輪不空轉(zhuǎn)時的最大輪周牽引力與粘著重量的比值即相對速度趨于零時的滑動摩擦系數(shù)，一般情況下粘著系數(shù)比靜摩擦系數(shù)小。粘著系數(shù)的大小受到許多因素的影響，如滾動速度、蠕滑率、接觸荷載、表面粗糙度和水溫、曲線半徑等。一般常用沙子作為增粘劑來改善列車的牽引和制動性能，其他的如礬土（日本高速鐵路）或者固體潤滑棒也會被采用。

滾動速度的加大、蠕滑率的上升、接觸荷載降低、粗糙度降低和水溫的降低都會使輪軌粘著降低落葉等也會導(dǎo)致輪軌粘著降到一個極低的數(shù)值上，甚至比油脂污染情況還要低，使用沙子做增粘劑，可以使粘著系數(shù)上升至沒有落葉的水平。但是無論是沙子還是落葉，謝菲爾德大學(xué)的專家發(fā)現(xiàn)均會對鋼軌造成一定程度的鋼軌損傷，用沙子做增粘劑甚至檢測到了鋼軌次表層的塑性變形。所以應(yīng)該盡量減少用沙子做增粘劑，以免造成輪軌損傷。

2.2 輪軌磨耗

輪軌磨耗可以分為黏著磨損、磨料磨損、表面疲勞磨損、微動磨損和腐蝕磨損等。減緩輪軌磨耗可以保持軌距，減少換軌、撥道、改道工作量，提高線路的平順性。輪軌間導(dǎo)向力和沖角是造成磨耗的主要原因，導(dǎo)向力和沖角的存在在接觸點形成較大的壓強，超過鋼軌屈服應(yīng)力之后引起接觸點的塑性變形，同時當(dāng)車輪滾動時輪軌之間發(fā)生滑動，使接觸點的塑性部分和彈性部分的過渡區(qū)間出現(xiàn)變形，形成了鋼軌磨耗。一般采用降低輪軌摩擦系數(shù)的方式來降低磨耗。摩擦系數(shù)的降低導(dǎo)致磨耗功的降低，直接減小了輪軌的磨耗。根據(jù)德國HY-power公司研究成果，實施踏面摩擦控制可使得鋼軌磨耗減少2/3。并且摩擦系數(shù)的改變，降低了曲線段輪軌的沖擊，使得列車平順的通過曲線，從而減緩波磨的產(chǎn)生和發(fā)展，在試驗段鋼軌的輪軌接觸光帶變窄，說明輪軌接觸狀態(tài)得到很大改善。

2.3 轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向能力

轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向能力以輪軌橫向力和導(dǎo)向輪沖角為表征。軌距角潤滑降低了軌距角的摩擦系數(shù)，在降低了輪軌磨耗的同時增大了輪軌橫向力和導(dǎo)向輪沖角，降低了轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向能力。鐵道車輛在小半徑曲線上運行時，在各轉(zhuǎn)向架的前軸上產(chǎn)生的橫向作用力是發(fā)生內(nèi)軌波磨、曲線外軌側(cè)磨、車輪輪緣磨耗及表面剝離、龜裂等損傷的直接原因。并會誘發(fā)車輛爬軌脫軌、車輛與鋼軌間產(chǎn)生刺耳的尖嘯聲、運行阻力增大等現(xiàn)象。軌頂面摩擦控制在軌頂面和車輪踏面之間施加一層摩擦控制薄膜，在不影響列車牽引和制動的基礎(chǔ)上，將軌頂面摩擦系數(shù)降低到0.3～0.4，使得輪軌橫向力有所降低、輪對沖角也減小。增強了轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)向能力。

這點在北美重載貨運鐵路如BC鐵路、伯靈頓北方·圣達菲鐵路、中國神朔鐵路、中國朔黃鐵路和日本RTRI的試驗線上進行的試驗所證實。這些試驗顯示,對軌面摩擦的有效控制能夠減少50%的側(cè)向力而不會影響牽引力或制動能力。日本的RTRI測量了施加全面摩擦控制之后的輪軌橫向力和導(dǎo)向輪沖角。使用現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)驗證過的仿真模型，進行輪軌相互作用的角度進行分析。分析了動摩擦因數(shù)和轉(zhuǎn)向架導(dǎo)向能力（橫向力、沖角）的關(guān)系。證明摩擦控制對于改善輪軌動態(tài)響應(yīng)有很好的效果。

2.4 振動與噪音

2.4.1 輪軌噪音

輪軌噪音問題是困擾城市軌道交通的很大的問題，直接影響乘客的舒適性。輪軌接觸包含兩個摩擦副：輪緣和軌距角、車輪踏面和鋼軌頂面。輪軌噪聲主要是從兩對摩擦副發(fā)出。車輛經(jīng)過曲線時，由于內(nèi)外軌長度不同，導(dǎo)致最少一側(cè)車輪沿鋼軌蠕滑，當(dāng)與車輪自振頻率相同時，在車輪上發(fā)生諧波共振，發(fā)出刺耳的尖嘯聲。

實施軌頂摩擦控制和軌距角潤滑之后，降低軌距角和軌頂面的摩擦系數(shù)，可以降低輪軌噪音的水平。日本在Toei’s Arakawa輕軌線上使用摩擦控制劑，將輪軌噪聲水平從最初的72.6 dB降至63.1 dB，輪軌橫向力也降低了一半左右。日本東京地鐵和部分通勤線路曾用水作為潤滑劑來降噪，起到了一定的效果，但是也帶來了排水問題，并造成下部結(jié)構(gòu)的腐蝕，試用油脂潤滑發(fā)現(xiàn)造成了嚴(yán)重的油楔效應(yīng)，引起了鋼軌嚴(yán)重的損傷。最終采用摩擦控制劑，取得了良好的效果。澳大利亞目前正在昆士蘭、新南威爾士、以及南澳大利亞鐵路線路上進行試驗；Kalsen公司實測對比分析了施加摩擦控制和未施加摩擦控制下的輪軌噪音，并進行了頻譜分析，發(fā)現(xiàn)摩擦控制劑有效地降低了軌頂面嘯叫聲所涉及到的噪音的頻率。降低了低頻的振動（低至30Hz）和高頻粘滑運動的振蕩頻率。

2.4.2 輪軌振動

實施摩擦控制降低了輪軌間摩擦系數(shù)，使得輪軌更容易發(fā)生相對滑動。從而減少了低頻大振幅的振動。由于輪軌施加摩擦控制，摩擦系數(shù)降低，使蠕滑振蕩過程中“低頻率高振幅”的部分沖擊波完全被消除，轉(zhuǎn)變成為“高頻率低振幅”沖擊，從而降低了輪軌間的沖擊負荷有效值，減小了輪軌接觸應(yīng)力。

大秦線上摩擦控制試驗證明，實施摩擦控制的鋼軌無論橫向還是垂向表面的沖擊加速度均降低了50%。輪軌之間危害最大的高振幅低頻率沖擊被完全消除，這部分沖擊峰值降低約80%，輪軌間接觸應(yīng)力振幅也相應(yīng)大幅降低，延緩了鋼軌疲勞裂紋萌生和 擴展，延長了重載鋼軌使用壽命。在美國進行的車載設(shè)備和軌側(cè)設(shè)備的摩擦控制也得到了相同的結(jié)果。

2.5 列車運行節(jié)能：

對輪軌實行摩擦控制，降低輪軌間的摩擦系數(shù)有利于降低輪軌磨損，降低列車曲線上運行阻力，這也減少了列車運行能源消耗。Friction Management Services LLC利用Track Glide的摩擦調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行軌頂面摩擦控制試驗，試驗發(fā)現(xiàn)鐵路燃料效率平均增加約10%，降低了因車軸與軌道間打滑而造成的能源需求量。美國鐵路協(xié)會(AAR)對輪軌潤滑的研究發(fā)現(xiàn)不但在曲線區(qū)段，就是在直線區(qū)段實行輪軌潤滑，減少輪軌的磨損,同樣能節(jié)約機車動能10%～15%。

3 總結(jié)與展望

輪軌接觸是鐵路運輸研究的關(guān)鍵問題，在材料科學(xué)尚未取得重大突破的今天，更好地優(yōu)化優(yōu)化輪軌接觸界面，使得車輛和軌道所受的損害最小，環(huán)境受到的影響更小是一個非常有價值的工作。輪軌全面摩擦控制就是致力于優(yōu)化輪軌接觸界面，通過引入摩擦控制劑或者油脂等物質(zhì)，作用于第三介質(zhì)層，在不影響列車運行的同時，將輪軌相互作用導(dǎo)致的破壞降低到最小。通過輪軌全面摩擦控制技術(shù)可以利用有限的投入換來更長的輪軌壽命、減小車輛和軌道由于振動和作用力而造成的破壞、提高車輛運行的安全系數(shù)。從而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。然而全面摩擦控制不僅僅是將油脂等噴涂到軌道上那么簡單，輪軌摩擦控制尚有許多問題需要研究，如何評估軌頂面摩擦控制的影響、如何處理軌頂面和軌距角摩擦控制相互之間的影響、如何精確的計算摩擦控制劑的需求量和準(zhǔn)確的噴涂、沿鋼軌的摩擦控制器的布置、等都需要進一步的發(fā)展和完善，相信在未來隨著輪軌界面優(yōu)化作業(yè)的完善再加上新的輪軌材料的發(fā)展，能夠使得鐵路運輸以更小的成本為我們生活做更大的貢獻。

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責(zé)任編輯：許耀元 宋立成

來稿日期：2015-12-15