輪軌摩擦管理技術(shù)及其應(yīng)用研究

徐鳳生

(上海鐵路局工務(wù)處，上海 200071)

輪軌摩擦管理技術(shù)及其應(yīng)用研究

徐鳳生

(上海鐵路局工務(wù)處，上海 200071)

針對(duì)國(guó)內(nèi)外因輪軌磨耗及其引發(fā)的列車(chē)事故所造成的一系列巨大損失的問(wèn)題，提出解決該問(wèn)題的最優(yōu)辦法是保持輪緣-軌距面低摩擦系數(shù)(0.2或更低)及車(chē)輪踏面-軌頂面中等摩擦系數(shù)(0.3～0.4)。全面實(shí)施輪緣-軌距面以及車(chē)輪踏面-軌頂面摩擦管理技術(shù)，能夠有效提高列車(chē)運(yùn)行安全性、減緩輪軌磨損、降低輪軌噪音和減少機(jī)車(chē)能耗。同時(shí)對(duì)現(xiàn)有各種類(lèi)型的摩擦管理技術(shù)做出了較系統(tǒng)的介紹，分析其實(shí)際使用過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了今后改進(jìn)和提高的方向。

輪軌磨耗；列車(chē)事故；摩擦管理；安全性

軌道交通運(yùn)輸具有在相同運(yùn)量條件下節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)[1]。隨著高速、重載鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)里程的不斷擴(kuò)大、列車(chē)運(yùn)行密度的不斷提高及小半徑曲線區(qū)段的不斷增多，輪軌磨損現(xiàn)象日益加劇[2]，每年會(huì)引起數(shù)十億人民幣的直接損失[3]，同時(shí)也嚴(yán)重威脅到車(chē)輛行駛過(guò)程中的安全。由于輪軌之間的磨損導(dǎo)致的突發(fā)性列車(chē)脫軌事故，會(huì)造成無(wú)法估量的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響[4]。

為了緩解輪軌磨損以及提高列車(chē)行駛安全性，傳統(tǒng)的技術(shù)措施通常是開(kāi)展鋼軌打磨處理和車(chē)輪旋削維護(hù)、優(yōu)化輪軌材質(zhì)和配合強(qiáng)度比、加強(qiáng)軌道結(jié)構(gòu)、優(yōu)化選線方案及優(yōu)化輪軌接觸幾何特性等。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外輪軌潤(rùn)滑的分析，從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性角度出發(fā)，有效保持輪緣-軌距面低摩擦系數(shù)(0.2或更低)和車(chē)輪踏面-軌頂面中等摩擦系數(shù)(0.3～0.4)，不僅可以有效延長(zhǎng)輪軌的使用壽命，還可以有效節(jié)省人力、物力和財(cái)力，讓減緩輪軌磨損、提高列車(chē)行駛安全性變得簡(jiǎn)便有效。

1 輪軌摩擦管理技術(shù)

輪軌摩擦管理方法主要包括潤(rùn)滑材料及其配套設(shè)備的使用。根據(jù)潤(rùn)滑材料的形態(tài)，可分為液體、固體及固-液-固等幾種材料；根據(jù)配套設(shè)備的使用方式，可分為車(chē)載式潤(rùn)滑材料涂敷設(shè)備和道旁式潤(rùn)滑材料涂敷設(shè)備。不同材料需要不同的配套設(shè)備，輪軌摩擦管理方法的優(yōu)劣不僅取決于潤(rùn)滑材料性能的好壞，還取決于涂敷設(shè)備能否高效、準(zhǔn)確地將材料涂覆于需要實(shí)施摩擦管理的部位。

從理論分析出發(fā)，列車(chē)在鋼軌上運(yùn)行的過(guò)程中，車(chē)輪和鋼軌材料接觸面之間會(huì)產(chǎn)生一層介質(zhì)層，通常稱之為“第三介質(zhì)”[5]，如圖1所示。通過(guò)第三介質(zhì)可以完成輪軌間存在的較小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；與此同時(shí)，輪軌摩擦中蠕滑率與摩擦力的相互關(guān)聯(lián)取決于第三介質(zhì)中伴隨輪軌相對(duì)運(yùn)動(dòng)而隨之產(chǎn)生的剪切力的特性。由此可見(jiàn)，實(shí)施摩擦管理技術(shù)的本質(zhì)，就是選用合適的潤(rùn)滑材料并通過(guò)配套裝置將其輸送到指定的位置，以達(dá)到改善第三介質(zhì)層摩擦環(huán)境的目的。

圖1 第三介質(zhì)層原理圖

依據(jù)鐵路列車(chē)運(yùn)營(yíng)方式，輪軌摩擦系數(shù)一般可分成3種類(lèi)型：①在輪緣和軌距角接觸界面上保持低摩擦系數(shù)(0.2或更低)； ②在機(jī)車(chē)車(chē)輪踏面和鋼軌頂部接觸界面上保持中等摩擦系數(shù)(0.3～0.4)；③在機(jī)車(chē)車(chē)輪踏面和鋼軌頂部接觸界面保持高摩擦系數(shù)(0.4或更高)，增加機(jī)車(chē)粘著力，改善制動(dòng)效果[6-8]，如圖2所示。

圖2 摩擦管理技術(shù)在輪軌間的應(yīng)用

2 輪軌摩擦管理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

2.1 提高運(yùn)行安全性

列車(chē)行駛安全性與軌道之間的橫向力息息相關(guān)，列車(chē)在行駛過(guò)程中，特別是通過(guò)彎曲的軌道時(shí)，軌道會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的橫向作用力，這些作用力的存在會(huì)損壞鐵路軌道的結(jié)構(gòu)和軌道扣件，從而引起內(nèi)外軌距離的改變、軌頭形變、軌底抬高和鋼軌傾覆等，這將增大列車(chē)脫軌的幾率，嚴(yán)重威脅到列車(chē)行駛安全。

通常，軌道橫向擴(kuò)張力隨著輪軌接觸面之間摩擦系數(shù)的減小而變小，因此減小摩擦系數(shù)，不僅可以減小軌道橫向蠕滑力的大小，還會(huì)使軌道擴(kuò)張力同步減小[9]，如圖3所示。因此，將軌頂摩擦系數(shù)降低到一個(gè)恰當(dāng)?shù)乃骄褪菍?shí)施摩擦管理技術(shù)的核心所在，在該水平下不僅可以滿足列車(chē)黏著和制動(dòng)的要求，還能有效減少橫向力及輪軌磨耗。與此同時(shí)，綜合考量車(chē)輪在經(jīng)過(guò)彎道時(shí)，由于內(nèi)外軌的半徑差，會(huì)與彎道外軌軌角接觸而形成內(nèi)外輪滾動(dòng)半徑差，做好輪軌摩擦管理最佳的理念就是在實(shí)施軌頂摩擦控制(摩擦系數(shù)μ的取值大于0.3而小于0.4)的同時(shí)實(shí)施軌側(cè)潤(rùn)滑保護(hù)(摩擦系數(shù)μ小于0.2)，以有效降低軌道橫向力，保證列車(chē)運(yùn)行安全性，這已在加拿大太平洋鐵路實(shí)踐中得到證實(shí)。

圖3 轉(zhuǎn)向架通過(guò)曲線時(shí)前后輪軌接觸面上的受力狀況

圖4 曲線鋼軌波浪形磨耗

圖5 直線鋼軌波浪形磨耗

2.2 降低輪軌磨損

通常，輪軌磨損主要有車(chē)輪疲勞磨損和軌面波紋磨耗兩個(gè)部分[10]。車(chē)輪疲勞磨損重點(diǎn)表現(xiàn)為車(chē)輪踏面剝離、擦傷、輪緣磨耗等；軌面波紋磨耗(簡(jiǎn)稱“波磨”)主要表現(xiàn)為在鋼軌軌頂面形成的高低不平現(xiàn)象，如圖4和圖5所示，其將導(dǎo)致輪軌系統(tǒng)發(fā)生復(fù)雜的動(dòng)力響應(yīng)變化，嚴(yán)重干擾列車(chē)正常行駛的安全性和穩(wěn)定性，其中重載鐵路尤為嚴(yán)重。

實(shí)踐證明，摩擦管理技術(shù)在控制車(chē)輪和鋼軌的磨損上一直是行之有效的。其一，車(chē)輪輪緣/鋼軌側(cè)面之間的潤(rùn)滑薄膜的存在會(huì)降低其摩擦系數(shù)，這樣使接觸面上的能量消耗也變少，那么輪緣磨損和鋼軌側(cè)磨也就隨之減少；其二，適當(dāng)?shù)亟档蛙?chē)輪輪緣/鋼軌頂面的摩擦系數(shù)，也能達(dá)到使車(chē)輪踏面和鋼軌頂面的磨損變小的目的。與此同時(shí)，通過(guò)軌頂摩擦控制技術(shù)還可以使列車(chē)在通過(guò)曲軌時(shí)的橫向作用力變小，從另一方面使輪緣和軌側(cè)的磨損減小[11]。

2.3 降低輪軌噪音

列車(chē)運(yùn)行噪音始終是困擾人們的一個(gè)問(wèn)題，研究結(jié)果表明，車(chē)輪嘯叫噪音源于曲線段鋼軌頂面和車(chē)輪踏面的摩擦及黏滑共同作用的結(jié)果[12]。軌道摩擦管理技術(shù)采用高正摩擦控制劑，其摩擦力可隨蠕滑率的增加而增大，以達(dá)到降低或消除車(chē)輪嘯叫噪音的目的。實(shí)踐證明，使用中高正或超高正摩擦控制劑所形成的薄膜，能使輪軌間達(dá)到中等或高等摩擦系數(shù)，從而保證在不降低牽引制動(dòng)性能的情況下，大幅降低列車(chē)在曲線區(qū)段運(yùn)行時(shí)的噪音。

2.4 降低機(jī)車(chē)能耗

眾所周知，機(jī)車(chē)能耗主要表現(xiàn)在產(chǎn)生牽引力上，以克服列車(chē)運(yùn)行的阻力。列車(chē)阻力主要包括有滾動(dòng)(驅(qū)動(dòng))阻力、曲線阻力、坡道阻力和風(fēng)阻等[13]。其中，滾動(dòng)阻力和曲線阻力的大小通常受輪軌界面摩擦水平的制約。因此，通過(guò)軌道摩擦管理技術(shù)科學(xué)有效地控制輪軌界面摩擦系數(shù)，能有效減少機(jī)車(chē)用于克服滾動(dòng)阻力和曲線阻力的能源消耗，以創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 輪軌摩擦管理技術(shù)的應(yīng)用

3.1 車(chē)載軌距面固體潤(rùn)滑技術(shù)

車(chē)載軌距面固體潤(rùn)滑技術(shù)[14]，是一種直接涂覆技術(shù)。固體潤(rùn)滑棒如圖6所示，通過(guò)車(chē)載裝置，使?jié)櫥粼谄漭敵龆丝谂c軌距面得以接觸，隨著列車(chē)的運(yùn)動(dòng)，能夠使?jié)櫥敉扛苍谥付ㄎ恢?，涂覆裝置如圖7所示。同時(shí)，也可以使?jié)櫥襞c軌距面不接觸，在不需要潤(rùn)滑的直線區(qū)域就不會(huì)存在涂覆現(xiàn)象。依據(jù)線路及車(chē)速的變化，使固體潤(rùn)滑裝置的控制系統(tǒng)來(lái)控制潤(rùn)滑棒的涂覆量。

圖6 車(chē)載軌距面固體潤(rùn)滑棒

圖7 車(chē)載軌距面固體涂覆裝置

車(chē)載軌距面固體潤(rùn)滑技術(shù)同其他固體潤(rùn)滑技術(shù)一樣，對(duì)輪軌具有很好的保護(hù)作用且原材料選用的是可生物降解材料，利于環(huán)保。但是使用完畢后，需要下車(chē)進(jìn)行潤(rùn)滑棒的更換，受到停車(chē)時(shí)間的限制。且直接涂覆裝置是直接涂覆于鋼軌軌距面，受機(jī)車(chē)行駛過(guò)程中穩(wěn)定性影響較大，所以對(duì)潤(rùn)滑材料的材質(zhì)要求較高，通常采用外硬內(nèi)柔的復(fù)合型固體潤(rùn)滑棒，外層控制棒的耐磨性能，內(nèi)層保證潤(rùn)滑性能。

3.2 車(chē)載軌距面固-液-固潤(rùn)滑技術(shù)

運(yùn)用于車(chē)載軌距面的固-液-固潤(rùn)滑技術(shù)[15]首先將如圖8所示的固體潤(rùn)滑劑預(yù)熱融化，并將其裝入保溫桶，保持潤(rùn)滑劑液體狀態(tài)；遇到需要潤(rùn)滑劑的情況時(shí)，液體狀態(tài)的潤(rùn)滑劑就通過(guò)齒輪泵從噴嘴噴出，潤(rùn)滑劑就會(huì)粘覆在鋼軌軌距表面，溫度的變化使液體遇冷凝為固態(tài)，為鋼軌及后續(xù)通過(guò)的車(chē)輛提供良好的防護(hù)，涂覆裝置如圖9所示。

圖8 車(chē)載軌距面固-液-固潤(rùn)滑材料

圖9 車(chē)載軌距面固-液-固涂覆裝置

車(chē)載軌距面固-液-固潤(rùn)滑技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是其不受列車(chē)停車(chē)時(shí)間的影響，所用原料綠色環(huán)保，能夠有效減少輪軌磨損。該項(xiàng)技術(shù)的不足之處在于為了維持體系溫度，需要大功率設(shè)備來(lái)保持潤(rùn)滑劑為液態(tài)，而且潤(rùn)滑劑固態(tài)需要經(jīng)過(guò)地面預(yù)熱變?yōu)橐簯B(tài)，其操作相對(duì)比較繁雜，成本也相對(duì)較高，且潤(rùn)滑劑只具有一般的承載能力。

3.3 車(chē)載軌距面油脂潤(rùn)滑技術(shù)

車(chē)載軌距面油脂潤(rùn)滑[16]涂覆裝置如圖10所示，包括預(yù)壓力儲(chǔ)油罐、手動(dòng)噴射泵、油管和噴油嘴等部分。先將油脂裝入儲(chǔ)油罐，再使用氣筒給儲(chǔ)油罐增加壓力，在壓力下油脂進(jìn)入手動(dòng)噴射泵中從噴嘴噴出。當(dāng)預(yù)先安排的列車(chē)進(jìn)入站臺(tái)時(shí)，人為將涂油設(shè)備安裝完好。在到達(dá)需要噴涂潤(rùn)滑油脂的地方，隨行人員手動(dòng)按壓裝置噴射泵，使油脂噴射到對(duì)應(yīng)位置。完成該事項(xiàng)之后，需要進(jìn)行裝置的拆除并隨返程車(chē)輛返回。

圖10 車(chē)載軌距面油脂潤(rùn)滑涂覆裝置

車(chē)載軌距面油脂潤(rùn)滑技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是其具有較大的噴射壓力，因此基本不會(huì)發(fā)生管道堵塞現(xiàn)象，且風(fēng)力對(duì)其噴射影響較小。但具有油脂潤(rùn)滑共同的缺點(diǎn)，易出現(xiàn)甩油、漏油現(xiàn)象，產(chǎn)生油楔，加速輪軌疲勞裂紋，導(dǎo)致其剝離掉塊。同時(shí)存在壓力不恒定，操作人員能力不同導(dǎo)致的差異，且往返拆卸等存在大強(qiáng)度的勞動(dòng)。在噴涂的過(guò)程中車(chē)輛的振動(dòng)等情況都會(huì)造成噴涂位置的偏差。同時(shí)，為了使油脂不會(huì)誤噴涂到輪軌踏面，通常使噴涂位置設(shè)置偏下，但是會(huì)導(dǎo)致軌距角位置噴涂不到足量的潤(rùn)滑油脂。

圖11 道旁軌距面潤(rùn)滑裝置

圖12 道旁軌距面應(yīng)用效果

3.4 道旁軌距面潤(rùn)滑技術(shù)

道旁軌距面摩擦管理技術(shù)[17]在空曠開(kāi)闊的環(huán)境中更適合。道旁軌距面潤(rùn)滑裝置如圖11所示，包含太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、儲(chǔ)能(電池)單元、列車(chē)識(shí)別及控制單元、潤(rùn)滑劑儲(chǔ)存器、機(jī)械傳送機(jī)構(gòu)和噴嘴。通過(guò)車(chē)輪探測(cè)器可以有效探測(cè)到每一個(gè)經(jīng)過(guò)的車(chē)輪，然后將信號(hào)傳給電子控制器，控制器可以根據(jù)車(chē)輪數(shù)量設(shè)定一定的噴涂時(shí)間與噴涂量，將潤(rùn)滑材料涂于鋼軌軌距面，被車(chē)輪帶到遠(yuǎn)方，實(shí)現(xiàn)輪緣-軌距面的潤(rùn)滑保護(hù)，潤(rùn)滑效果如圖12所示。

道旁軌距面摩擦管理技術(shù)可有效減少鋼軌磨損問(wèn)題，涂覆位置較車(chē)載式更為準(zhǔn)確，且設(shè)備維護(hù)方便。但與油脂潤(rùn)滑類(lèi)似，易產(chǎn)生油楔，加速輪軌疲勞裂紋，導(dǎo)致其剝離掉塊，且污染機(jī)車(chē)和線路環(huán)境，影響環(huán)保。

3.5 車(chē)載軌頂面液體摩擦管理技術(shù)

車(chē)載軌頂面液體摩擦管理技術(shù)在封閉、復(fù)雜環(huán)境(如隧道、山區(qū))中更適合，僅需要將涂覆裝置裝于列車(chē)尾部車(chē)廂即可。涂覆裝置如圖13所示，該裝置使用GPS全球定位，得到車(chē)輛、線路等相關(guān)信息，自主挑選合適的噴涂方案。可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)噴涂，將噴涂材料涂于鋼軌軌頂，后面車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，將其帶向遠(yuǎn)方，這樣就可以實(shí)現(xiàn)全路段的摩擦控制。車(chē)載軌頂面液體摩擦管理技術(shù)適合大范圍的輪軌摩擦管理，在實(shí)際使用過(guò)程中能夠使摩擦系數(shù)維持在0.3～0.4之間，并且賦予正摩擦特性，可以有效減少鋼軌磨損，降低能耗。但是產(chǎn)品進(jìn)口費(fèi)用昂貴，設(shè)備維護(hù)繁瑣，且水性摩擦控制劑在低溫寒冷地區(qū)的使用效果不佳。

圖13 車(chē)載軌頂面液體摩擦控制涂覆裝置

3.6 道旁軌頂面摩擦管理技術(shù)

道旁軌頂面摩擦管理技術(shù)同道旁軌距面摩擦管理技術(shù)類(lèi)似，摩擦控制裝置如圖14所示。當(dāng)車(chē)輪經(jīng)過(guò)時(shí)，車(chē)輪探測(cè)器可以將信號(hào)傳給電子控制器，控制器可以設(shè)定每隔一定數(shù)量的車(chē)輪經(jīng)過(guò)時(shí)擠出一定的摩擦控制材料于鋼軌頂面上，經(jīng)過(guò)車(chē)輪的碾壓，實(shí)現(xiàn)踏面-軌頂面的摩擦控制管理。應(yīng)用效果如圖15所示，從手推摩擦計(jì)的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，干的薄膜可以被攜帶至250 m外的軌道。

圖14 道旁軌頂面摩擦控制裝置

圖15 道旁軌頂面摩擦控制應(yīng)用效果

道旁軌頂面摩擦管理技術(shù)可以有效降低噪音，抑制波磨的形成和增長(zhǎng)，降低輪軌的橫向力,從而減少鋼軌扣件裝置的疲勞現(xiàn)象，降低列車(chē)的脫軌風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)車(chē)輪和鋼軌的使用壽命。但由于該技術(shù)購(gòu)置成本較高，長(zhǎng)期維護(hù)較困難。同車(chē)載式一樣，水性摩擦控制劑在低溫寒冷地區(qū)的使用效果有待提高。

4 結(jié)論

隨著高速重載鐵路的不斷發(fā)展，小半徑曲線區(qū)段的不斷增多，有效保持輪緣-軌距面低摩擦系數(shù)(0.2或更低)以及車(chē)輪踏面-軌頂面中等摩擦系數(shù)(0.3～0.4)，能夠有效提高列車(chē)行駛的可靠性和安全性，并帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。筆者分析了全面摩擦管理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和各潤(rùn)滑技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)，為將來(lái)的研究發(fā)展提出了建議。隨著研究的深入，未來(lái)全面摩擦管理技術(shù)還需從以下幾個(gè)方面得到長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展：①輪軌摩擦控制裝置向一體化、高效化和簡(jiǎn)便化進(jìn)行轉(zhuǎn)化；②摩擦控制材料應(yīng)在綜合固體潤(rùn)滑與油脂潤(rùn)滑各自優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新開(kāi)發(fā)；③加速探究軌頂面-車(chē)輪踏面和軌距角-車(chē)輪輪緣摩擦管理等課題。總之，開(kāi)展全面摩擦管理技術(shù)及其應(yīng)用的研究具有重要的意義。

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ResearchonWheel-RailFrictionManagementTechnologyandItsApplication

XUFengsheng

Aiming at a series of huge losses caused by wheel-rail wear and train accidents at home and abroad, the author puts forward the idea of maintaining a low friction coefficient of the rail gauge (0.2 or less) and maintaining a medium friction coefficient on the top of the rail (0.3-0.4) is the best way to solve these problems The implementation of comprehensive friction management technology can effectively improve the safety of train operations, reduce the wear of wheel-rail, the noise of rail and energy consumption of locomotive. At the same time, it systematically introduced the existing various types of friction lubrication technology, analyzed the advantages and disadvantages in actual use, and put forward the direction of future improvements and enhancements.

wheel-rail wear; train accidents; friction management; safety

TH117.2

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.05.025

2095-3852(2017)05-0643-06

A

2017-04-30.

徐鳳生(1964-)，男，上海人，上海鐵路局高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檩嗆壞Σ凉芾?

XUFengshengSenior Engineer; Shanghai Railway Administration, Shanghai 200071, China.