輪軌潤(rùn)滑對(duì)地鐵小半徑曲線段外軌磨耗影響*

羅信偉 張 斌 汪龍洋 馮青松

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,510010,廣州;2.華東交通大學(xué)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施性能監(jiān)測(cè)與保障國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,330013,南昌)

由于受到地鐵線路的地形制約,地鐵線路中小半徑曲線段的占比較高。在地鐵實(shí)際運(yùn)營(yíng)中,小半徑曲線段的鋼軌損耗較大,而更換鋼軌的決定因素是外股鋼軌側(cè)面磨耗超限。目前,通過(guò)潤(rùn)滑改變輪軌接觸區(qū)的摩擦因數(shù)是降低鋼軌磨耗最普遍的方法[1]。已有文獻(xiàn)研究表明,輪軌潤(rùn)滑是緩解鋼軌磨耗最有效的辦法之一[2]。文獻(xiàn)[3-4]的研究結(jié)果表明,在潤(rùn)滑狀態(tài)下,鋼軌的減磨效果可達(dá)2～10倍,且不同摩擦因數(shù)條件下,車(chē)輛的曲線通過(guò)性能差異性明顯。由于設(shè)備的局限性,目前還無(wú)法較為直接地獲得輪軌潤(rùn)滑與鋼軌磨耗之間的影響關(guān)系。因此研究人員基于仿真技術(shù)對(duì)鋼軌的潤(rùn)滑減磨效果開(kāi)展研究。

針對(duì)地鐵小半徑曲線段的輪軌潤(rùn)滑問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從試驗(yàn)和仿真角度出發(fā),文獻(xiàn)[5-6]通過(guò)輪軌減磨試驗(yàn),以及長(zhǎng)期的鋼軌和車(chē)輪廓形變化的跟蹤監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),潤(rùn)滑后的小半徑曲線段在鋼軌及車(chē)輪磨耗方面的改善較為顯著。文獻(xiàn)[7-9]通過(guò)建立車(chē)輛-軌道動(dòng)力學(xué)模型,研究小半徑曲線段的鋼軌磨耗及減磨措施,并對(duì)小半徑曲線段外軌軌側(cè)潤(rùn)滑的減磨效果進(jìn)行了預(yù)測(cè),研究結(jié)果表明,軌側(cè)潤(rùn)滑對(duì)小半徑曲線段的鋼軌軌側(cè)減磨效果顯著。

目前,輪軌潤(rùn)滑仿真計(jì)算主要用于研究摩擦因數(shù)與鋼軌磨耗之間的規(guī)律,而對(duì)于輪軌潤(rùn)滑涂敷周期對(duì)磨耗控制效果的研究較少。基于此,本文利用動(dòng)力學(xué)軟件Universal Mechanism建立地鐵B型列車(chē)模型,基于Kalker輪軌滾動(dòng)接觸理論,采用Archard磨損模型,研究輪軌潤(rùn)滑涂敷周期與外軌側(cè)磨量之間的規(guī)律,分析輪軌潤(rùn)滑涂敷周期的合理性與有效性。本文研究對(duì)地鐵線路的軌道養(yǎng)護(hù)及維修具有指導(dǎo)作用。

1 潤(rùn)滑減磨理論及側(cè)磨預(yù)測(cè)模型

1.1 潤(rùn)滑減磨理論

鋼軌與車(chē)輪之間的摩擦一般分為軌頂和軌側(cè)兩個(gè)摩擦區(qū)域。潤(rùn)滑減磨作用是通過(guò)在接觸面上形成表面吸附分子來(lái)減輕摩擦的,其能夠在鋼軌側(cè)面形成一層均勻的、連續(xù)的潤(rùn)滑層,當(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)鋼軌時(shí),輪緣與鋼軌側(cè)面之間的摩擦能夠獲得有效緩解,從而達(dá)到減磨效果。

在新軌上線初期,由于輪軌尚未磨合,曲線外軌極易出現(xiàn)輪軌兩點(diǎn)接觸的情況(第一接觸點(diǎn)為軌頂面與車(chē)輪踏面接觸;第二接觸點(diǎn)為軌距角與車(chē)輪輪緣接觸),兩點(diǎn)接觸的局部接觸應(yīng)力較大,容易產(chǎn)生滾動(dòng)接觸疲勞。根據(jù)潤(rùn)滑減磨理論,理想的潤(rùn)滑狀態(tài)是在第一接觸點(diǎn)保持中等摩擦因數(shù)(摩擦因數(shù)約為0.4),在第二接觸點(diǎn)保持低摩擦因數(shù)(摩擦因數(shù)約為0.1)。為模擬這一情況,本文的計(jì)算模型采用多點(diǎn)接觸輪軌模型,設(shè)置了踏面接觸區(qū)、輪緣接觸區(qū)等輪軌摩擦因數(shù)分區(qū),并設(shè)置了3 mm的摩擦因數(shù)過(guò)渡區(qū)。外軌潤(rùn)滑減磨分區(qū)示意圖如圖1所示。

圖1 外軌潤(rùn)滑減磨分區(qū)示意圖

1.2 側(cè)磨預(yù)測(cè)模型

利用動(dòng)力學(xué)軟件Universal Mechanism建立地鐵鋼軌磨耗預(yù)測(cè)模型。其中,地鐵B型列車(chē)模型包括車(chē)體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)、懸掛系統(tǒng)、減振器和橫向止擋等部件,編組形式為三動(dòng)三拖。列車(chē)運(yùn)行速度為60 km/h,踏面為L(zhǎng)M型,鋼軌為CHN60型,軌道模型選取小半徑曲線段,曲線半徑為300 m,緩和曲線長(zhǎng)度為55 m,超高為120 mm,軌道不平順采用美國(guó)六級(jí)譜。引入量綱一的權(quán)重因子分配于AW0—AW3載荷狀態(tài)(AW0表示空載;AW1表示滿座;AW2表示滿座+6人/m2,額定載荷;AW3表示滿座+9人/m2,超常載荷),以綜合評(píng)價(jià)不同車(chē)輛條件和運(yùn)營(yíng)實(shí)際因素對(duì)鋼軌磨耗演變的貢獻(xiàn)。輪軌接觸模型采用Kalker輪軌滾動(dòng)接觸理論進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)鋼軌廓形變化和磨耗速率反映小半徑曲線段鋼軌磨耗的劇烈程度。磨耗模型采用Archard模型,可以表示為:

(1)

式中:

V——磨耗體積;

k——磨耗指數(shù);

N——法向接觸力;

l——滑動(dòng)距離;

H——Vickers硬度指數(shù)。

式(1)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為:

V=kvA

(2)

式中:

kv——體積磨耗系數(shù),其只與材料的特性有關(guān),取kv=1×10-13m3/J;

A——磨耗功。

仿真模型通過(guò)迭代計(jì)算的方法模擬鋼軌磨耗的演變過(guò)程。在每一步迭代步中,當(dāng)鋼軌累積磨耗深度峰值達(dá)到固定限值(磨耗深度限值為0.1 mm)時(shí),當(dāng)前迭代步終止。對(duì)磨耗鋼軌型面進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑更新,再利用更新后的磨耗鋼軌型面作為下一步迭代步的計(jì)算初始型面。

2 潤(rùn)滑減磨仿真結(jié)果對(duì)比

2.1 計(jì)算工況

為預(yù)測(cè)輪軌潤(rùn)滑涂敷周期對(duì)鋼軌側(cè)磨的影響,根據(jù)不同潤(rùn)滑工況對(duì)鋼軌的涂敷情況進(jìn)行仿真計(jì)算,對(duì)比不同潤(rùn)滑狀態(tài)下鋼軌廓形側(cè)磨情況的發(fā)展規(guī)律。將鋼軌廓形側(cè)磨分為3個(gè)階段,第1階段的鋼軌側(cè)磨量為0～5 mm,第2階段的鋼軌側(cè)磨量為5～10 mm,第3階段的鋼軌側(cè)磨量為10～15 mm。仿真計(jì)算分為5種工況:① 工況1——無(wú)潤(rùn)滑且無(wú)涂敷;② 工況2——潤(rùn)滑且全過(guò)程涂敷;③ 工況3——潤(rùn)滑、在鋼軌出現(xiàn)側(cè)磨后進(jìn)行涂敷;④ 工況4——潤(rùn)滑、在工況3的第2階段、第3階段停止涂敷;⑤ 工況5——鋼軌無(wú)磨耗。

2.2 側(cè)磨第1階段

側(cè)磨第1階段的鋼軌磨耗及廓形變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知:① 在鋼軌上道初期,鋼軌側(cè)磨大致分為2個(gè)過(guò)程:鋼軌出現(xiàn)側(cè)磨前;鋼軌側(cè)磨量達(dá)到5 mm(運(yùn)營(yíng)時(shí)間約為5個(gè)月)后。② 對(duì)于第1個(gè)過(guò)程,各工況的側(cè)磨積累速度大致相同,均屬于輕微磨損,即新鋼軌鋪設(shè)初期的磨損速度較慢,潤(rùn)滑涂敷效果不顯著。③ 對(duì)于第2個(gè)過(guò)程,相比于工況1,工況2和工況3約延后了3個(gè)月才達(dá)到側(cè)磨量5 mm的限值,這說(shuō)明在鋼軌側(cè)磨出現(xiàn)后,潤(rùn)滑涂敷起到了關(guān)鍵性作用,能夠及時(shí)降低鋼軌側(cè)磨的磨耗速度;工況2和工況3在達(dá)到側(cè)磨量5 mm時(shí)的運(yùn)營(yíng)時(shí)間基本一致,這說(shuō)明在出現(xiàn)鋼軌側(cè)磨后,涂敷時(shí)間點(diǎn)對(duì)潤(rùn)滑效果無(wú)明顯改善。

a) 側(cè)磨值隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間的變化規(guī)律

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可知,在鋼軌上道初期,對(duì)曲線外鋼軌進(jìn)行全過(guò)程涂敷,雖然在一定程度上減緩了鋼軌磨耗速度,但不利于輪軌自然磨耗形成共形接觸。此外,新軌上線初期的輪軌接觸應(yīng)力較為集中,易出現(xiàn)塑性累積。因此,建議鋼軌潤(rùn)滑涂敷時(shí)間可以延后至鋼軌出現(xiàn)側(cè)磨后再進(jìn)行潤(rùn)滑涂敷作業(yè)。

2.3 側(cè)磨第2階段

側(cè)磨第2階段的鋼軌磨耗及廓形變化規(guī)律如圖3所示。由于軌距增加、輪軌沖擊增大等因素,第2階段的側(cè)磨速度明顯加快。第2階段的鋼軌側(cè)磨量約在運(yùn)營(yíng)時(shí)間為10～12個(gè)月時(shí)達(dá)到10 mm,而第1階段的鋼軌側(cè)磨量約在運(yùn)營(yíng)時(shí)間為17個(gè)月時(shí)達(dá)到5 mm。相同鋼軌側(cè)磨量下,第2階段比第1階段縮短了5～6個(gè)月。在側(cè)磨第2階段,工況1的側(cè)磨積累速度>工況4的側(cè)磨積累速度>工況3的側(cè)磨積累速度>工況2的側(cè)磨積累速度。當(dāng)側(cè)磨量相同時(shí),各工況運(yùn)營(yíng)時(shí)間相差較為明顯,無(wú)潤(rùn)滑條件相比潤(rùn)滑條件下的運(yùn)營(yíng)時(shí)間縮短約27%,主要原因是由于潤(rùn)滑涂敷降低了輪緣與鋼軌軌頭側(cè)面之間的摩擦因數(shù),在相同導(dǎo)向力的情況下,降低了輪緣與鋼軌軌頭側(cè)面之間的摩擦力。同時(shí)在此階段,輪軌兩點(diǎn)接觸結(jié)束,接觸應(yīng)力偏于穩(wěn)定,應(yīng)力集中的鋼軌廓形已被磨掉,鋼軌廓形改變的速度加快。由此可知,在第2階段,潤(rùn)滑涂敷對(duì)延緩?fù)廛壞ズ钠鸬搅酥匾淖饔谩?/p>

a) 側(cè)磨值隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間的變化規(guī)律

2.4 側(cè)磨第3階段

側(cè)磨第3階段的鋼軌磨耗及廓形變化規(guī)律如圖4所示。由于軌頭形狀發(fā)生改變,約在運(yùn)營(yíng)時(shí)間為7個(gè)月時(shí),鋼軌磨耗就會(huì)達(dá)到15 mm。在此階段,軌距顯著變寬,輪軌接觸條件惡化,輪緣與軌側(cè)間的滾動(dòng)、滑動(dòng)現(xiàn)象并存,導(dǎo)向輪輪緣緊壓外軌頭側(cè)面,兩者接觸表面發(fā)生黏著,造成軌側(cè)劇烈磨損。

a) 側(cè)磨值隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間的變化規(guī)律

為避免計(jì)算量過(guò)大,仿真計(jì)算中當(dāng)判斷達(dá)到輪軌共形接觸狀態(tài)后程序停止。輪軌系統(tǒng)廓形示意圖如圖5所示。輪緣和鋼軌軌距角完全接觸,輪軌間的接觸應(yīng)力相對(duì)較小。

注:x為輪軌系統(tǒng)橫向坐標(biāo);y為輪軌系統(tǒng)垂向坐標(biāo)。

2.5 側(cè)磨全階段對(duì)比分析

對(duì)小半徑曲線段外軌側(cè)磨全階段的磨耗速率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如圖6所示。各工況下,第2階段的磨耗速率均比第1階段高,其中工況1第2階段的磨耗速率比第1階段高出近一倍。第3階段的磨耗速率相對(duì)于第2階段有所緩和。全階段中,工況1的鋼軌平均磨耗速率積累速度>工況4的鋼軌平均磨耗速率積累速度>工況2的鋼軌平均磨耗速率積累速度>工況3的鋼軌平均磨耗速率積累速度。在鋼軌側(cè)磨第2階段需重點(diǎn)涂敷,通過(guò)施加潤(rùn)滑可以使鋼軌磨耗周期延后至少3個(gè)月。同時(shí),全過(guò)程涂敷潤(rùn)滑和出現(xiàn)側(cè)磨后潤(rùn)滑的總體磨耗速率分別為0.36 mm/月和0.38 mm/月,兩者差別不大,建議涂敷周期可延后至鋼軌出現(xiàn)側(cè)磨后再進(jìn)行潤(rùn)滑涂敷作業(yè)。

圖6 全階段鋼軌磨耗速率分析

需要注意的是,以減緩?fù)廛墏?cè)磨為目的的輪緣或軌側(cè)潤(rùn)滑,對(duì)減緩波磨、鋼軌剝離是不利的,因此潤(rùn)滑需要根據(jù)鋼軌磨耗,以及軌道傷損變化與發(fā)展情況而定。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、仿真預(yù)測(cè)、周期性涂敷等綜合技術(shù)措施,達(dá)到延長(zhǎng)小半徑曲線段鋼軌使用壽命的目標(biāo)。

3 結(jié)論

1) 輪軌潤(rùn)滑對(duì)于地鐵運(yùn)營(yíng)的節(jié)能、降耗具有重要意義。有效的輪軌潤(rùn)滑可以達(dá)到減少線路養(yǎng)護(hù)維修工作量和降低運(yùn)營(yíng)成本的目的。建議在鋼軌出現(xiàn)側(cè)磨后進(jìn)行潤(rùn)滑涂敷,在側(cè)磨量為5～10 mm階段進(jìn)行重點(diǎn)涂敷,以減緩?fù)廛壞ズ摹?/p>

2) 潤(rùn)滑需要根據(jù)鋼軌磨耗,以及軌道傷損變化與發(fā)展情況而定,涂敷周期是決定鋼軌生命周期的重要因素。由于地鐵線路的特點(diǎn)各不相同,輪軌潤(rùn)滑策略需要因地制宜、不斷更新,以保證潤(rùn)滑效果滿足實(shí)際需求。

3) 涂敷周期及其與線路曲線半徑大小、軌道幾何形位、列車(chē)類型、列車(chē)通過(guò)速度及通過(guò)列車(chē)質(zhì)量之間的量化關(guān)系還有待進(jìn)一步研究和探索。