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(fèi)用相當(dāng)大，因而，如果鋼軌需要提前更換，對相應(yīng)的資金安排產(chǎn)生巨大的壓力。同時換軌作業(yè)須耗費(fèi)大量時間和人力，占用寶貴的線路運(yùn)行時間，從而直接影響著鐵路運(yùn)營，對于線路運(yùn)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(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)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(cè)面）及鋼軌頂面兩個部位同時進(jìn)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(zhì)（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(fā)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(yùn)動（滑動或蠕滑），導(dǎo)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(xiàn)出來。因此，降低輪軌接觸面的摩擦系數(shù)，消耗的能量（相應(yīng)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?，F(xiàn)代電子控制的道旁地面涂覆設(shè)備通常采用車輪感應(yīng)式傳感器探測通過的列車，其數(shù)字控制系統(tǒng)將精確數(shù)量的液體潤滑劑通過涂覆板輸送到鋼軌側(cè)面。形狀如扁平“刀片”的涂覆板安裝在鋼軌內(nèi)側(cè)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(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移到鋼軌上，鋼軌又將潤滑劑二次轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移更容易實現(xiàn)飽和。

在鋼軌軌距面與車輪踏面上涂覆潤滑劑，作為保護(hù)輪軌的方法已使用數(shù)十年，如何采用潤滑技術(shù)延長鐵路設(shè)備壽命的效果最大化和對此效果進(jìn)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(yùn)輸技術(shù)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(qū)內(nèi)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(cè)磨，第一年節(jié)省費(fèi)用60萬美元，整個工區(qū)4年預(yù)期節(jié)省費(fèi)用160萬美元。通過改進(jìn)設(shè)備維護(hù)和提高設(shè)備效率及油脂利用率，采用現(xiàn)代潤滑涂覆設(shè)備和優(yōu)質(zhì)油脂實現(xiàn)每年節(jié)省資金10.5萬美元。

2 軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑

輪軌接觸面摩擦管理最新的發(fā)展是在鋼軌頂面和車輪踏面間采用干式薄膜技術(shù)，使其之間為中等摩擦系數(shù)。與干燥條件下的輪軌鋼-鋼接觸相比，中等摩擦系數(shù)能夠滿足列車制動和黏著力的需要，不會影響列車運(yùn)行性能。在此基礎(chǔ)上，通過降低輪軌接觸面的能量散失達(dá)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(zhì)層厚度，在實際應(yīng)用中很難將鋼軌頂面的摩擦系數(shù)有效控制在合理水平。干式薄膜技術(shù)的摩擦調(diào)節(jié)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(guān)，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(zhì)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(cè)，水基摩擦調(diào)節(jié)劑通過涂覆板輸送到鋼軌頂面，由通過的車輪攜帶，轉(zhuǎn)移到控制摩擦區(qū)段。在此過程中，水基摩擦調(diào)節(jié)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(tǒng)。更加靈活的鋼軌頂面摩擦控制方式是采用液體摩擦調(diào)節(jié)劑車載涂覆裝置。其將液體摩擦調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)劑車載涂覆裝置一般采用GPS控制，自動噴涂作業(yè)，摩擦調(diào)節(jié)劑噴涂準(zhǔn)確、高效和靈活。AutoPilotTM車載涂覆裝置（見圖2）采用模塊設(shè)計，可安裝在貨車和機(jī)車上，自動對鋼軌頂面噴涂摩擦調(diào)節(jié)劑。

近年來，鐵路運(yùn)營商、供應(yīng)商和研究院校的科研人員對輪軌接觸面的摩擦控制技術(shù)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(jié)構(gòu)傷損和機(jī)車能耗等。

國外經(jīng)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(dú)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(cè)面磨耗達(dá)40%～60%。2010年在中國一條54 km長的重載運(yùn)煤專線試驗段進(jìn)行了10個月的摩擦管理跟蹤試驗，采用道旁地面涂覆設(shè)備對鋼軌頂面和軌距面進(jìn)行摩擦控制。試驗結(jié)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(cè)的鋼軌頂面涂覆板

圖2 AutoPilotTM車載涂覆裝置

3 全面的系統(tǒng)考量

研討鋼軌壽命應(yīng)將輪軌接觸面看成一個綜合系統(tǒng)。鋼軌壽命作為鐵路運(yùn)營中的一個重要指標(biāo)，諸多因素和技術(shù)對其有著直接或間接影響。鋼軌材質(zhì)的選擇和鋼軌型面的維護(hù)（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(jìn)。

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(yīng)，使材料在循環(huán)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(jìn)入鋼軌內(nèi)部或形成表面缺陷，例如剝離掉塊、橫向傷損。橫向裂紋發(fā)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(yōu)質(zhì)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(yōu)質(zhì)鋼軌具備更高的硬度和剪切屈服強(qiáng)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(yīng)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(yù)防性鋼軌打磨的間隔時間，一般最低達(dá)到15%～25%。鋼軌壽命因磨損降低和打磨減少而最終延長。

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