基于車載控制技術的輪軌摩擦管理方法研究

郭 剛，馬穎明

(中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道科學技術研究發(fā)展中心，北京 100081）

重載列車運量的顯著增加，加速了軌道結構損傷和線路狀態(tài)惡化，既有重載鐵路車輪和鋼軌磨耗加劇，特別是小半徑曲線鋼軌側磨速度增加，使更換側磨軌的頻率明顯上升。

北美鐵道協(xié)會在FAST環(huán)行線所進行的試驗表明，輪軌潤滑狀態(tài)和干摩擦狀態(tài)相比，鋼軌側磨速率迅速下降，減磨效果可達到2～10倍，輪緣磨損減磨效果可達到3～5倍[1]。美國鐵路運營實踐表明，鋼軌采用涂油潤滑技術后，機車能量消耗減少，最大可達30%，并且使重載列車的貨車和機車輪對磨削或更換數(shù)量分別減少30%和50%，線路（特別是曲線區(qū)段）鋼軌的使用年限延長50%。加拿大CP鐵路公司采用軌頂潤滑裝置5年，曲線區(qū)段鋼軌磨耗下降43%～58%，輪軌橫向力降低40%～45%[2]。北美重載鐵路輪軌摩擦控制目標是：鋼軌軌角潤滑以減小輪軌接觸的摩擦系數(shù)、磨耗和車輛通過曲線的阻力，摩擦系數(shù)控制在小于0.25以下；軌頂涂覆摩擦控制劑使軌頂摩擦系數(shù)控制在0.35～0.40之間，減小軌頂磨耗和輪軌橫向力，同時確保機車的粘著牽引力或制動力不受影響。

我國重載鐵路已認識到輪軌潤滑是解決輪軌磨耗的重要技術措施，但由于我國鐵路管理體制和既有潤滑技術上的多方面原因，使得目前我國重載鐵路摩擦控制技術研究較國外滯后。目前我國重載鐵路輪軌潤滑的效果不能令人滿意，有機車輪緣潤滑和地面或車載曲線鋼軌潤滑，后者主要用于解決曲線區(qū)段輪緣磨耗、鋼軌軌頭側磨，二者在潤滑劑材質上差異較大，甚至出現(xiàn)互相矛盾的情形，效果極不平衡，更難以進一步考慮輪軌摩擦控制。為了緩解上述現(xiàn)象，朔黃鐵路使用了摩擦控制技術和地面摩擦控制產(chǎn)品，試用后表明該技術可行、有效。為進一步使用車載摩擦控制產(chǎn)品，特別需要對摩擦控制技術進行全面深入的測試[3-5]。

1 試驗情況概述

1.1 試驗列車

（1）制動試驗

試驗用機車為SS4B型機車，該型機車為8軸貨運電力機車，是我國第3代（無級調(diào)速、交直傳動）相控機車，繼承了SS4型、SS4改型機車的經(jīng)驗并作了進一步技術改進；試驗貨車為54輛C80運煤專用敞車。

（2）軌道結構動力試驗

試驗用機車車輛為通過測試工點的摩擦控制列車，主要機車類型為SS4B，主要車輛類型有C64、C70、C80。

1.2 試驗測點和主要工況

（1）制動試驗

通過在朔黃鐵路針對摩擦控制技術和產(chǎn)品應用效果開展現(xiàn)場試驗，研究與評估摩擦系數(shù)變化對列車制動性能的影響。

制動線路和編組[6]情況如表1所示。

表1 制動測試方案

測試時，制動初速：65±2 km/h；常用全制動：最大減壓量170 kPa。

（2）軌道結構動力試驗

通過在朔黃鐵路針對摩擦控制實施措施應用效果開展現(xiàn)場試驗，選擇有代表性的工點對軌道結構動力響應進行監(jiān)測，選取的小半徑曲線測試工點如表2所示。

2 制動試驗

2.1 測試方式

（1）在采用摩擦控制技術及產(chǎn)品之前，開展原有狀態(tài)下列車制動（最大常用制動）測試，共測試4趟，采集列車制動距離。

表2 軌道動力測試工點

（2）采用摩擦控制技術及產(chǎn)品之后，對測試列車（施加摩擦控制的列車）共進行4趟制動測試（最大常用制動），采集列車制動距離。

（3）將施加摩擦控制技術前后采集的數(shù)據(jù)進行分析比對，確定其對列車制動產(chǎn)生的影響。

2.2 測試結果分析

（1）重車編組

重車編組在K172、K386處進行常用全制動，K172處為11.4‰～11.7‰坡道，具體描述，列車自制動開始至停車為止，全列車一直位于長大下坡道上；K386處為平直道，全列車均行駛到平直道上后實施制動，至全列車停止行駛為止，列車始終位于平直道上。在原有狀態(tài)下列車實施最大常用全制動，所得測試結果如表3所示。

表3 重車編組原有狀態(tài)下制動距離

采用摩擦控制技術及產(chǎn)品之后，列車實施最大常用制動，所得測試結果如表4所示。

表4 重車編組采用摩擦控制技術及產(chǎn)品之后制動距離

在原有狀態(tài)下，重車編組在K172+100處常用全制動的制動距離平均值為927 m，在K386+900處常用全制動的制動距離平均值為623.5 m；采用摩擦控制技術后，重車編組在K172+100處常用全制動的制動距離平均值為924.5 m，在K386+900處常用全制動的制動距離平均值為644.5 m。

由于制動試驗存在一定的隨機性，即使同一工況下各次的制動距離仍有差異，從以上試驗數(shù)據(jù)可得，重車編組試驗本身的誤差約在4%以內(nèi)。

對比采用摩擦控制技術及產(chǎn)品前后，各車次在K172、K386處的制動結果，其制動距離的平均值相差不超過3.4%。故采用摩擦控制技術及產(chǎn)品前后，重車編組列車制動性能基本一致。

（2）空車編組

SS4B+54×C80空車編組僅在K241+800平直道處進行常用全制動，全列車均行駛到平直道上后實施制動，至全列車停止行駛為止，列車始終位于平直道上。在原有狀態(tài)下列車實施最大常用制動，所得測試結果如表5所示。

表5 空車編組原有狀態(tài)下制動距離

采用摩擦控制技術及產(chǎn)品之后，列車實施最大常用制動，所得測試結果如表6所示。

表6 空車編組采用摩擦控制技術及產(chǎn)品之后制動距離

在原有狀態(tài)下，SS4B+54×C80空車編組在K241+800處進行常用全制動，制動距離的平均值為553 m；采用摩擦控制技術及產(chǎn)品之后，空車編組在K241+800處進行常用全制動，制動距離的平均值為573 m。

由于制動試驗存在一定的隨機性，即使同一工況下各次的制動距離仍有差異，從以上試驗數(shù)據(jù)可得，空車編組試驗本身的誤差約在6%以內(nèi)。

對比采用摩擦控制技術及產(chǎn)品前后，各車次在K241處的制動結果，其制動距離平均值相差3.6%。

3 軌道結構動力試驗

3.1 試驗方案及標準

中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道科學技術研究發(fā)展中心于2014年11月10日～11月26日在以上3個小半徑曲線地段選擇了3個里程點作為測試設備布置點，具體里程分別為K64+350、K55+500和K18+450?，F(xiàn)場測試了軌頂摩擦控制狀態(tài)（軌頂涂覆摩擦調(diào)節(jié)劑）、干燥狀態(tài)（不使用摩擦控制產(chǎn)品）運營列車通過時的軌道結構動力響應，摩擦控制列車、運營列車均以正常運營速度通過各測試地點，不做特殊限定，摩擦控制列車在2014年11月16日～11月24日每天有兩趟或3趟通過，采集到的摩擦控制列車共計14趟，車輛類型主要包括C64、C70和C80，機車車型均為韶山4B，安排為車號177、172和209的3輛裝有摩擦控制裝置的機車來完成軌頂摩擦控制涂覆任務。測試項目如下：

軌道結構安全性：輪軌垂直力、輪軌橫向力布置1個斷面；

軌頭橫移：上下股各布置1個斷面軌頭橫移測點；

鋼軌垂移：上下股各布置1個鋼軌垂向位移測點；

軌枕垂移和橫移：各布置1個軌枕斷面測量垂、橫向位移。

評判標準：根據(jù)貨車運行安全性標準和相關設計規(guī)范等，形成本次檢測的評判標準如表7所示[7-8]。

表7 軌道結構動態(tài)檢測評判標準一覽表

3.2 試驗結果分析

下面以K18+500里程點小半徑曲線動力測試結果為例，將測試結果進行分析。

（1）C64、C70、C80這3種車型在通過測點時速度很難保證完全一致，故將車速分為3個范圍：50～55 km/h、55～60 km/h、 60～65 km/h，再對車輛的脫軌系數(shù)、減載率、輪軸橫向力進行動力學分析。車輛安全性測試主要結果如圖1～圖3所示。

圖1 兩種狀態(tài)的脫軌系數(shù)、減載率對比柱形圖（C80，V=50～55 km/h）

圖2 兩種狀態(tài)的脫軌系數(shù)、減載率對比柱形圖（C70 ，V=50～55 km/h）

圖3 兩種狀態(tài)的輪軸橫向力對比柱形圖（C70 ，V=50～55 km/h）

采用輪軌摩擦控制技術，3種車型的運行安全性指標都發(fā)生了變化，其中輪軸橫向力發(fā)生了較小程度的減小，最大減少幅度為6.14%，數(shù)值從16.19 kN減少到15.20 kN，工況為C70貨車在速度50～55 km/h區(qū)間通過；內(nèi)軌輪重減載率也發(fā)生了減少但幅度不明顯，外軌輪重減載率普遍增大，最大增加幅度達到33.33%，數(shù)值從0.27增大到0.36，但最大值仍遠低于安全限值的要求；內(nèi)、外軌脫軌系數(shù)基本上都得到了減少，最大減少幅度為23.4%。

（2）根據(jù)C64、C70、C80這3種車型在50～55 km/h、55～60 km/h、 60～65 km/h車速范圍下分別通過K18+500地面測點時所測得的數(shù)據(jù)，對輪軌垂、橫向力平均值進行對比分析。主要結果如圖4～圖7所示。

圖4 兩種狀態(tài)的輪軌垂/橫向力最大值對比柱形圖（C64，V=50～55 km/h）

圖5 兩種狀態(tài)的輪軌垂/橫向力最大值對比柱形圖（C80，V=50～55 km/h）

圖6 兩種狀態(tài)的輪軌垂/橫向力最大值對比柱形圖（C70，V=55～60 km/h）

圖7 兩種狀態(tài)的輪軌垂/橫向力平均值對比柱形圖（C70，V=50～55 km/h）

采用輪軌摩擦控制技術，3種車型的輪軌垂/橫向力最大值、平均值都發(fā)生了變化，其中輪軌垂向力雖然個別數(shù)值會有小幅度的減少（這主要是由于速度、超高等綜合因素造成的），但整體趨勢上呈現(xiàn)增加趨勢，輪軌垂向力最大值、平均值最大增幅分別為7.97%、8.46%；輪軌橫向力無論最大值還是平均值趨勢均明顯呈現(xiàn)減少趨勢，橫向力最大值減幅最大為31.70%、橫向力平均值減幅最大為21.62%。

（3）根據(jù)C64、C70、C80這3種車型在50～55 km/h、55～60 km/h、 60～65 km/h車速范圍下分別通過K18+500地面測點時所測得兩種狀態(tài)下軌道結構動變形數(shù)據(jù)，每種狀態(tài)按速度范圍各取平均值進行對比分析。主要結果如圖8～圖12所示。

圖8 兩種狀態(tài)的軌道結構動變形最大值對比柱形圖（C70，速度50～55 km/h）

圖9 兩種狀態(tài)的軌道結構動變形平均值對比柱形圖（C70，速度50～55 km/h）

圖10 兩種狀態(tài)的軌道結構動變形最大值對比柱形圖（C64，速度55～60 km/h）

圖11 兩種狀態(tài)的軌道結構動變形平均值對比柱形圖（C64，速度60～65 km/h）

圖12 兩種狀態(tài)的軌道結構動變形最大值對比柱形圖（C70，速度55～60 km/h）

由以上測試結果可得，采用輪軌摩擦控制技術，三種車型的軌道結構動變形都發(fā)生了變化，鋼軌垂向變形、軌枕垂向變形基本上都呈現(xiàn)增大趨勢，鋼軌垂向變形最大值、平均值最大增加幅度分別為19.77%、32.26%，軌枕垂向變形最大值、平均值最大增加幅度分別為20.17%、11.11%；鋼軌橫向變形、軌枕橫向變形均呈現(xiàn)減少趨勢，鋼軌橫向變形最大值、平均值最大減小幅度分別為21.62%、44.82%，軌枕橫向變形最大值、平均值最大減小幅度分別為23.81%、38.71%。

（4）摩擦狀態(tài)控制作用范圍。以K18+500里程測點為例，根據(jù)朔黃鐵路公司提供的運營情況表，統(tǒng)計出涂覆摩擦調(diào)節(jié)劑列車編組車型基本上均為C80和C64兩種，通過對比以上兩種車型的輪軌垂/橫向力變化規(guī)律，分析得出軌頂摩擦控制狀態(tài)持續(xù)作用范圍。如圖13、圖14所示。

車載涂覆設備列車通過后橫向力有個漸變的過程，接下來的2～3趟車的控制摩擦和降低橫向力的效果還是具有一定效果的。

4 結束語

圖13 C80不同趟次輪軌橫向力變化均值

圖14 C80不同趟次輪軌垂向力變化均值

在干燥軌面的條件下，通過采用摩擦控制技術及產(chǎn)品前后的制動對比試驗，空重車編組制動性能基本一致，重車制動距離的平均值相差不超過3.4%，空車制動距離的平均值相差不超過3.6%。

采用輪軌摩擦控制技術，輪軌橫向力減幅程度普遍在10%～40%范圍內(nèi)波動，輪軸橫向力減幅程度普遍在5%～30%范圍內(nèi)波動；脫軌系數(shù)、輪重減載率最大數(shù)值均未超過安全限值；鋼軌、軌枕的橫向變形得到了減少，鋼軌、軌枕垂向變形則增大。

通過對鋼軌涂覆摩擦調(diào)節(jié)劑后5～6趟車輛經(jīng)過時的動力特性變化規(guī)律分析，結果表明 ，涂覆摩擦調(diào)節(jié)劑列車和后續(xù)4列車均可產(chǎn)生橫向力降低的效果。其中，涂覆列車本身車輛的輪軌橫向力降低作用效果最好，其余車次降幅效果依次遞減，第4趟列車之后的減幅效果不再明顯。

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