通過(guò)控制輪軌摩擦降低重載鐵路輪軌作用力的研究

黃 鵬

（中國(guó)神華能源股份有限公司神朔鐵路分公司，陜西榆林 719316）

重載鐵路提升運(yùn)量的主要發(fā)展方向是不斷提升運(yùn)營(yíng)速度、提升單列車載重、縮短運(yùn)營(yíng)間隔。神朔鐵路的萬(wàn)噸列車運(yùn)營(yíng)已經(jīng)常態(tài)化，運(yùn)量逐年增加，同時(shí)車輪和鋼軌的磨耗、軌道構(gòu)件的更換頻率也在增加。特別是在小半徑曲線上，輪軌相互作用明顯增大，造成了鋼軌和部件損傷，列車脫軌風(fēng)險(xiǎn)增加，進(jìn)而導(dǎo)致線路養(yǎng)護(hù)與維修工作量明顯增加。

對(duì)于重載鐵路，在輪軌界面之間實(shí)施摩擦控制技術(shù)［1］已經(jīng)成為降低輪軌相互作用力的共識(shí)。本文介紹在神朔鐵路重點(diǎn)區(qū)段開(kāi)展輪軌摩擦控制技術(shù)的研究過(guò)程和測(cè)試結(jié)果，對(duì)使用摩擦控制技術(shù)降低輪軌作用力特別是橫向力進(jìn)行深入探討。

圖1 轉(zhuǎn)向架通過(guò)曲線時(shí)前后輪軌接觸面上的受力示意

1 輪軌摩擦控制方案

改善輪軌關(guān)系是解決重載鐵路輪軌作用力加大的關(guān)鍵。輪對(duì)導(dǎo)向的最佳方式是利用蠕滑力，通過(guò)全面實(shí)施軌頂面摩擦控制能夠優(yōu)化輪軌間的蠕滑力。如圖1所示，列車通過(guò)小半徑曲線時(shí)，每個(gè)轉(zhuǎn)向架的前輪對(duì)與軌道之間的沖角一般較大，在車輪踏面與鋼軌軌頂?shù)慕佑|面上產(chǎn)生橫向蠕滑，在前輪和后輪上產(chǎn)生反方向力矩。這些反方向力矩和作用力導(dǎo)致了列車通過(guò)曲線時(shí)的軌道橫向擴(kuò)張力。軌道橫向擴(kuò)張力與輪軌接觸面的摩擦因數(shù)成正比，降低摩擦因數(shù)橫向蠕滑力也將隨之減小，軌道橫向擴(kuò)張力同步減小。在車輪踏面與鋼軌軌頂之間實(shí)施摩擦控制的目的是將軌頂摩擦因數(shù)降低到合適水平，使之既可滿足列車黏著和制動(dòng)的要求，又能起到降低橫向力及輪軌磨耗等的效果。降低了橫向力以后，輪軌界面上橫向力與垂向力的比值（即脫軌系數(shù)）減小，列車脫軌風(fēng)險(xiǎn)（尤其是車輪爬軌風(fēng)險(xiǎn)）也會(huì)降低。

如果可以在輪軌2 個(gè)摩擦副上同時(shí)進(jìn)行摩擦控制，將摩擦副的摩擦因數(shù)控制在合理的范圍，在曲線段可以進(jìn)一步緩解輪軌相互作用及損傷并且降低運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)［2-3］。

全面摩擦控制系統(tǒng)包括軌頂面摩擦控制系統(tǒng)和軌距面摩擦控制系統(tǒng)。軌頂面摩擦控制系統(tǒng)通過(guò)引入摩擦控制劑等，使輪軌上存在的鐵氧化物、水、油脂、落葉等物質(zhì)一起形成固態(tài)薄膜，將輪軌間摩擦因數(shù)控制在0.3～0.4，既能達(dá)到降低輪軌間摩擦因數(shù)的效果，又能滿足列車牽引和制動(dòng)的需要。對(duì)軌距面進(jìn)行摩擦控制能夠減少輪軌間磨耗，降低輪軌損傷并改善列車曲線通過(guò)性能，將軌距角摩擦因數(shù)維持在0.2以下［4-6］。

2 試驗(yàn)概況

2.1 摩擦控制設(shè)備

神朔鐵路選用了簡(jiǎn)單易行的摩擦控制劑軌旁施加方式，采用PROTECTOR 四型涂覆設(shè)備。從施加方式來(lái)看，摩擦控制劑的施加主要分為軌頂面施加和軌距面施加，本研究中采用了這2種方式。

2.2 摩擦控制劑

使用的摩擦控制劑包括用于軌頂摩擦控制的KELTRACK 摩擦調(diào)節(jié)劑和用于軌側(cè)摩擦控制的LBFFM 優(yōu)質(zhì)鋼軌曲線潤(rùn)滑脂。KELTRACK 摩擦調(diào)節(jié)劑雖然是一種水基液體，卻能夠在輪軌界面上形成獨(dú)特的第三介質(zhì)薄膜，列車通過(guò)時(shí)這層薄膜會(huì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到車輪表面，不會(huì)出現(xiàn)油楔現(xiàn)象。KELTRACK 摩擦調(diào)節(jié)劑還有2 個(gè)特點(diǎn)：①能控制軌頂摩擦因數(shù)在一個(gè)適中的范圍（0.3～0.4）；②正摩擦特性，摩擦因數(shù)隨著蠕滑率的升高而增大。

LBF-FM 優(yōu)質(zhì)鋼軌曲線潤(rùn)滑脂的性能是建立在多年的研究和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，專門為重載貨運(yùn)鐵路設(shè)計(jì)。此產(chǎn)品設(shè)計(jì)上使用Portec Rail的PROTECTOR IV 軌側(cè)潤(rùn)滑涂敷系統(tǒng)，安裝在鐵道沿線重要的位置以保證優(yōu)異的鋼軌潤(rùn)滑保護(hù)并能有效地降低輪軌磨損。

LBF-FM 優(yōu)質(zhì)鋼軌曲線潤(rùn)滑脂組分中包含有效的石墨EP（極壓）添加劑，尤其適合在大坡度、高曲率需要很強(qiáng)的傳遞能力和磨損控制性能的地方使用。LBF-FM 優(yōu)質(zhì)鋼軌曲線潤(rùn)滑脂擁有極高的熔點(diǎn)，即使在溫度極高的車輪表面仍能提供理想的保持能力。

2.3 摩擦控制設(shè)備安裝地點(diǎn)

摩擦控制設(shè)備安裝地點(diǎn)選擇在神朔鐵路上行線K82—K117 區(qū)段。在此區(qū)段均勻設(shè)置了10 套PROTECTOR 四型涂覆設(shè)備，其中包括7套軌頂和3套軌側(cè)涂覆設(shè)備。

2.4 動(dòng)力學(xué)性能數(shù)據(jù)測(cè)試地點(diǎn)

測(cè)試地點(diǎn)位于神朔鐵路保德境內(nèi)K113+448 處的上行曲線。曲線半徑為454 m，曲線超高為95 mm。曲線長(zhǎng)度為369 m，緩和曲線長(zhǎng)度為110 m。軌道采用75 kg/m鋼軌，采用混凝土Ⅱ型軌枕。

在規(guī)定的測(cè)試位置，選擇了2處斷面作動(dòng)力測(cè)試，以便對(duì)比。測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置

2.5 試驗(yàn)過(guò)程

實(shí)施全面摩擦控制并進(jìn)行監(jiān)控的時(shí)間為2014年10月—2015年6月，分為3個(gè)階段。

第1 階段是對(duì)比階段（無(wú)摩擦控制）。從2014月10日—2015年1月，所有的涂覆設(shè)備都被關(guān)閉。因?yàn)樵?jì)劃在此期間進(jìn)行換軌作業(yè)，所以所有涂覆設(shè)備均被拆除，以等待鋼軌更換。因此將這段時(shí)間的鋼軌磨耗數(shù)據(jù)作為對(duì)比數(shù)據(jù)。

第2 階段是摩擦管理調(diào)整階段。2015年1月—2015年4月，在鋼軌軌頂進(jìn)行摩擦控制，所有的涂覆設(shè)備均開(kāi)啟，同時(shí)在鋼軌軌側(cè)實(shí)施潤(rùn)滑保護(hù)，但是為了保證運(yùn)營(yíng)安全和循序漸進(jìn)，設(shè)備并沒(méi)有完全調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)涂覆參數(shù)，而是采用了較低的參數(shù)。

第3階段是摩擦控制階段。2015年4月—2015年6月，設(shè)備調(diào)整達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，按照全面摩擦控制的情況進(jìn)行評(píng)估。

第1 階段測(cè)試120 趟列車；第2 階段測(cè)試137 趟列車；第3 階段測(cè)試102 趟列車。各階段不同車型列車數(shù)量見(jiàn)表1。列車的速度主要在40～60 km/h。

表1 各階段不同車型列車數(shù)量分布

分類統(tǒng)計(jì)方法：①根據(jù)測(cè)試地點(diǎn)列車運(yùn)行情況和環(huán)境，可按照不同車型（C64，C70，C80）進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計(jì)；②根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)信號(hào)的噪聲情況，由于2#斷面信號(hào)較為清晰，選擇2#斷面進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析；③列車通過(guò)曲線時(shí)，同一轉(zhuǎn)向架的導(dǎo)輪和從輪引起的輪軌橫向水平力不同，導(dǎo)輪產(chǎn)生的橫向水平力較大，對(duì)列車運(yùn)行安全性影響較大，因此在統(tǒng)計(jì)時(shí)只考慮導(dǎo)輪，即每個(gè)車廂的第1 輪對(duì)的數(shù)據(jù)。④以每節(jié)車廂第1 輪對(duì)的數(shù)據(jù)為單個(gè)樣本，各類車型的樣本數(shù)量為該車型車廂數(shù)量的總和。

3 安全性指標(biāo)測(cè)試結(jié)果分析

列車單輪橫向水平力、脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪對(duì)橫向力等參數(shù)是評(píng)定列車運(yùn)行安全性的指標(biāo)。對(duì)測(cè)試列車所有車廂第1輪對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.1 單輪橫向水平力

3.1.1 單輪橫向水平力分布統(tǒng)計(jì)

3個(gè)階段單輪橫向水平力概率分布見(jiàn)圖3?？梢?jiàn)：第2階段、第3階段的水平力累計(jì)概率相對(duì)第1階段收斂到100%更快；總體上第2 階段、第3 階段橫向水平力較第1階段有所下降。

圖3 各類車型不同階段橫向水平力概率分布

3.1.2 單輪橫向水平力均值

各階段不同車型的單輪橫向水平力均值見(jiàn)表2。可見(jiàn)，采用摩擦控制技術(shù)后，橫向水平力有所減少。

表2 各階段不同車型單輪橫向水平力均值 kN

將第2階段、第3階段的橫向水平力與第1階段比較，計(jì)算得其到橫向水平力降低幅度，見(jiàn)表3?？梢?jiàn)：外軌橫向水平力降低幅度約11%～30%，而內(nèi)軌橫向水平力降低幅度約20%～32%，內(nèi)軌降低幅度比外軌大且相對(duì)較為穩(wěn)定；第3階段的降低幅度比第2階段大。

表3 第2、第3階段橫向水平力降低幅度 %

3.2 脫軌系數(shù)

3.2.1 脫軌系數(shù)分布

各車型不同階段脫軌系數(shù)概率分布見(jiàn)圖4?？梢?jiàn)，第2 階段、第3 階段的脫軌系數(shù)累計(jì)概率相對(duì)第1階段收斂到100%更快；總體上第2 階段、第3 階段脫軌系數(shù)較第1階段有所下降。

圖4 各類車型不同階段脫軌系數(shù)概率分布

3.2.2 脫軌系數(shù)均值

各階段不同車型脫軌系數(shù)均值見(jiàn)表4?？梢?jiàn)，采用摩擦控制技術(shù)后脫軌系數(shù)均值有所減少。

表4 各階段不同車型脫軌系數(shù)均值

將第2 階段、第3 階段的脫軌系數(shù)與第1 階段比較，計(jì)算得其脫軌系數(shù)降低幅度，見(jiàn)表5?？梢?jiàn)：外軌脫軌系數(shù)均值降低幅度約9%～30%，而內(nèi)軌脫軌系數(shù)均值降低幅度約20%～35%，內(nèi)軌降低幅度比外軌大且相對(duì)較為穩(wěn)定；第3階段的降低幅度比第2階段大。

表5 第2、第3階段脫軌系數(shù)降低幅度 %

3.3 輪對(duì)橫向力

3.3.1 輪對(duì)橫向力分布

各階段不同車型輪對(duì)橫向力概率分布見(jiàn)圖5?？芍旱? 階段、第2 階段輪對(duì)橫向力的累計(jì)概率相對(duì)第1階段收斂到100%更快；第2階段、第3階段輪對(duì)橫向力較第1階段有所下降。

圖5 各階段不同車型輪對(duì)橫向力概率分布

3.3.2 輪對(duì)橫向力均值

各階段不同車型輪對(duì)橫向力均值見(jiàn)表6，第2、第3階段輪對(duì)橫向力降低幅度見(jiàn)表7。可知，第2階段、第3階段相對(duì)第1 階段明顯降低，C64降低幅度約42%～46%，C70降低幅度約25%～35%，C80降低約37%～43%。

表6 各階段不同車型輪對(duì)橫向力均值 kN

表7 第2、第3階段輪對(duì)橫向力降低幅度 %

4 結(jié)論與展望

對(duì)神朔鐵路山區(qū)小半徑曲線段輪軌界面間采用全面摩擦控制技術(shù)后列車單輪橫向水平力、脫軌系數(shù)和輪對(duì)橫向力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。主要結(jié)論如下：

1）第2 階段單輪橫向水平力均值較第1 階段：C64外軌、內(nèi)軌分別降低約16%，29%；C70外軌、內(nèi)軌分別降低約18%，23%；C80外軌內(nèi)軌分別降低約11%，20%。第3階段橫向力均值較第1階段：C64外軌、內(nèi)軌分別降低約21%，29%；C70外軌、內(nèi)軌分別降低約30%，32%；C80外軌、內(nèi)軌分別降低14%、24%。

2）第2階段脫軌系數(shù)均值較第1階段：C64外軌、內(nèi)軌分別降低約20%，29%；C70外軌、內(nèi)軌分別降低約21%，24%；C80外軌、內(nèi)軌分別降低約9%，20%。第3階段脫軌系數(shù)均值較第1 階段：C64外軌、內(nèi)軌分別降低約20%，29%；C70外軌、內(nèi)軌分別降低約29%，35%；C80外軌內(nèi)軌分別降低約14%，23%。

3）第2階段、第3階段輪對(duì)橫向力均值相對(duì)第1階段有明顯降低，C64降低幅度約42%～46%，C70降低幅度約25%～35%，C80降低幅度約37%～43%。

4）采用摩擦控制技術(shù)后，列車單輪橫向水平力、脫軌系數(shù)和輪對(duì)橫向力在整體上均呈下降趨勢(shì)。表明全面摩擦控制對(duì)于降低輪對(duì)橫向力、脫軌系數(shù)有明顯效果。鋼軌磨耗率也有很大幅度降低，從側(cè)面佐證了摩擦控制對(duì)降低輪軌相互作用力的效果。