重載鐵路輪軌摩擦改進(jìn)劑作用效果仿真研究

韓佩原，王聰,4，陳帥，吳磊，王衡禹*,

重載鐵路輪軌摩擦改進(jìn)劑作用效果仿真研究

韓佩原1，王聰1,4，陳帥2，吳磊3，王衡禹*,1

（1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；3.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031； 4.中國鐵路投資有限公司，北京 100097）

建立了某重載貨車的車輛－軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，仿真分析了在軌側(cè)涂油、軌頂涂摩擦改進(jìn)劑和全面摩擦控制三種摩擦控制模式下車輛通過具有標(biāo)準(zhǔn)廓形和磨耗后廓形鋼軌的曲線時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能和磨耗特性。研究結(jié)果表明，只對高軌軌側(cè)進(jìn)行潤滑會(huì)使車輛通過小半徑曲線的脫軌系數(shù)和橫向力增大，而對兩側(cè)軌頂進(jìn)行摩擦控制可以減小脫軌系數(shù)和橫向力，摩擦改進(jìn)劑對改善車輛在磨耗軌曲線通過性能的作用效果好于標(biāo)準(zhǔn)軌。不同摩擦控制模式下輪軌橫向力的變化主要由不同摩擦控制模式對橫向蠕滑力和法向力橫向分量的影響程度不同引起，磨耗軌的橫向力組成成分的變化比標(biāo)準(zhǔn)軌更明顯。三種不同的摩擦控制模式都可以減小高軌磨耗指數(shù)，其中全面摩擦控制的效果最好，且對磨耗軌的減小效果好于標(biāo)準(zhǔn)軌。只對高軌軌側(cè)涂油會(huì)使磨耗軌的低軌磨耗指數(shù)略有增大，而無論是否采取高軌軌側(cè)涂油，兩側(cè)軌頂涂敷摩擦改進(jìn)劑能明顯減小低軌磨耗指數(shù)，且對標(biāo)準(zhǔn)軌的減小效果好于磨耗軌。

重載鐵路；鋼軌磨耗；摩擦改進(jìn)劑；車輛動(dòng)力學(xué)

輪軌摩擦控制是減緩磨耗和延長鋼軌和車輪使用壽命的有效措施之一[1-2]。傳統(tǒng)的摩擦控制方式一般是在曲線高軌軌側(cè)和車輪輪緣間噴潤滑脂類潤滑劑，起到減輕軌側(cè)磨損的作用[3]，不在車輪踏面和軌頂間涂敷潤滑劑是為避免輪軌黏著系數(shù)過低影響列車正常牽引與制動(dòng)[4-5]。謝晨希[6]的研究表明曲線外軌軌側(cè)涂油可使半徑350 m曲線外軌側(cè)磨減少9%～34%。近年來，軌頂摩擦控制[7]技術(shù)得到長足發(fā)展，該技術(shù)可以在不影響列車正常牽引和制動(dòng)的前提下，通過在鋼軌軌頂和車輪踏面間涂敷摩擦改進(jìn)劑來改善輪軌間的摩擦因數(shù)特性，有效避免輪軌間的黏滑振動(dòng)，從而起到降低輪軌廓形磨耗、控制鋼軌波磨、降低噪聲等作用[8]。白東輝等[9]的試驗(yàn)結(jié)果顯示重載線路曲線鋼軌軌面涂摩擦改進(jìn)劑使鋼軌側(cè)磨量減少了54.5%。Kumar S[10]通過控制低軌軌頂?shù)哪Σ料禂?shù)減小了輪軌橫向力和曲線高軌側(cè)磨。姚雪松[11]的研究表明在重載線路的曲線軌頂涂敷摩擦改進(jìn)劑可以起到明顯的節(jié)能作用。

全面摩擦控制是一種能同時(shí)控制軌頂－踏面和軌側(cè)－輪緣兩個(gè)接觸界面的摩擦系數(shù)在不同水平的輪軌摩擦控制技術(shù)。其中兩個(gè)界面的摩擦系數(shù)與潤滑劑的類型、涂敷量和涂敷頻率等因素有關(guān)[12]。如圖1所示，兩側(cè)軌頂與踏面間涂摩擦改進(jìn)劑使摩擦系數(shù)控制在0.3～0.4，高軌軌側(cè)與輪緣間涂潤滑油使摩擦系數(shù)控制在0.05～0.2。宋靖東等[13]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)根據(jù)不同潤滑劑各自的應(yīng)用效果擇優(yōu)選取潤滑劑類型，可提升潤滑劑的工程使用價(jià)值。李亨利等[14]的研究表明，全面摩擦控制模式相對于單獨(dú)的軌頂摩擦控制和軌側(cè)摩擦控制能更大程度地降低鋼軌磨耗。

圖1 全面摩擦控制

已有的關(guān)于重載鐵路輪軌摩擦控制的研究主要針對摩擦改進(jìn)劑涂敷在標(biāo)準(zhǔn)廓形鋼軌上的作用效果。然而，輪軌摩擦控制在重載鐵路使用最多的場景是在中小半徑曲線上，而中小半徑曲線的鋼軌磨耗通常較為明顯，因此僅針對標(biāo)準(zhǔn)廓形鋼軌進(jìn)行研究不能全面反映摩擦改進(jìn)劑的作用效果。本文以在標(biāo)準(zhǔn)和磨耗后兩種鋼軌廓形的小半徑曲線線路上運(yùn)行的重載貨車為研究對象，結(jié)合車輛－軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型和摩擦功理論，并著重對比摩擦改進(jìn)劑對標(biāo)準(zhǔn)軌與磨耗軌作用效果的差異，仿真評(píng)估軌頂涂摩擦改進(jìn)劑、軌側(cè)涂油潤滑和全面摩擦控制對重載車輛曲線通過性能和輪軌磨耗特性的影響，為我國重載鐵路輪軌界面管理提供參考。

1 車輛－軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

本文根據(jù)某重載貨車的真實(shí)情況，基于SIMPACK軟件建立安裝ZK6式轉(zhuǎn)向架的某重載貨車的車輛多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。

圖2為其半車的運(yùn)動(dòng)關(guān)系拓?fù)鋱D，另一半車輛結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系與圖2對稱，共包括1個(gè)重車車體、4個(gè)輪對、4個(gè)側(cè)架、2個(gè)搖枕、8個(gè)軸箱等剛體和摩擦力元、約束關(guān)系、懸掛裝置的處理。

本文采用LM型車輪與CN60標(biāo)準(zhǔn)軌和實(shí)測磨耗軌兩種廓形鋼軌匹配，用FASTSIM算法程序?qū)嗆夐g接觸力進(jìn)行仿真計(jì)算，軌道不平順為北美重載譜。兩種鋼軌廓形如圖3所示，其中磨耗軌廓形為在某重載線路500 m半徑曲線上實(shí)測的磨耗后鋼軌廓形。對比標(biāo)準(zhǔn)軌，磨耗軌高軌側(cè)軌肩部磨損量較大，軌頂中部偏右的位置和軌側(cè)區(qū)域有少量磨損，低軌側(cè)軌頂有少量磨損量。

圖2 車輛動(dòng)力學(xué)模型運(yùn)動(dòng)關(guān)系拓?fù)鋱D

圖3 CN60標(biāo)準(zhǔn)軌和磨耗軌廓形對比

考慮到實(shí)際的摩擦控制工況中軌頂和軌側(cè)交界處區(qū)域的潤滑劑類型很難區(qū)分，同時(shí)為了避免此處的摩擦系數(shù)發(fā)生突變，在軌頂和軌側(cè)交界區(qū)域設(shè)置了3 mm線性過渡區(qū)[15]，如圖4所示。設(shè)置干態(tài)軌面摩擦系數(shù)為0.5，涂敷摩擦改進(jìn)劑后軌面摩擦系數(shù)為0.35，涂潤滑油后軌側(cè)摩擦系數(shù)為0.1。

為研究不同摩擦控制工況對兩種廓形鋼軌的作用效果，設(shè)置半徑500 m、超高85 mm的曲線線路，總線路由150 m前緩和曲線、300 m圓曲線和150 m后緩和曲線組成，方向?yàn)橛肄D(zhuǎn)向，并以此計(jì)算均衡速度為60 km/h的重載車輛的曲線通過性能和輪軌磨耗特性。

圖4 曲線高軌側(cè)軌頂和軌側(cè)摩擦區(qū)域劃分

2 不同摩擦控制工況作用效果

2.1 曲線通過性能

圖5是不同摩擦控制工況下車輛通過曲線時(shí)的脫軌系數(shù)?？梢钥闯?，在無摩擦控制的條件下，車輛通過磨耗軌時(shí)的脫軌系數(shù)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)軌；在相同摩擦控制模式下，匹配磨耗軌的輪對脫軌系數(shù)均高于標(biāo)準(zhǔn)軌。

對比圖5（a）（b）可看出，兩側(cè)軌頂摩擦狀態(tài)相同時(shí)，高軌軌側(cè)涂油使脫軌系數(shù)增大。因此，如僅采取曲線高軌軌側(cè)涂油，在獲得輪軌磨耗降低效果的同時(shí)，導(dǎo)致了曲線通過安全裕度降低。

圖5 涂敷軌頂摩擦改進(jìn)劑前后的脫軌系數(shù)

從圖5（a）可看出，相比無摩擦控制模式，兩側(cè)軌頂涂敷摩擦改進(jìn)劑使脫軌系數(shù)減?。粡膱D5（b）可看出，相比只對高軌軌側(cè)涂油模式，軌頂與軌側(cè)全面摩擦控制使脫軌系數(shù)減小。因此，相對于僅進(jìn)行曲線高軌軌側(cè)涂油，全面摩擦控制不僅使得輪軌磨耗降低，同時(shí)也保持了車輛較好的曲線通過性能。

從圖5（a）還可看出，對干態(tài)鋼軌施加兩側(cè)軌頂摩擦控制時(shí)，對磨耗軌脫軌系數(shù)的減小效果好于對標(biāo)準(zhǔn)軌的。同樣，在進(jìn)行高軌軌側(cè)涂油的同時(shí)施加兩側(cè)軌頂摩擦控制，對磨耗軌脫軌系數(shù)的減小效果也好于對標(biāo)準(zhǔn)軌的。

輪軌橫向力是車輛曲線通過性能的重要參數(shù)之一，圖6是不同摩擦控制工況車輛通過曲線時(shí)的輪軌橫向力。對比圖6和圖5可看出，兩種廓形的兩側(cè)輪軌橫向力在不同摩擦控制模式下的變化規(guī)律與其脫軌系數(shù)的變化規(guī)律相近。首先，各摩擦控制模式條件的磨耗軌的兩側(cè)輪軌橫向力均高于標(biāo)準(zhǔn)軌。同時(shí)，對比無摩擦控制模式，僅對高軌潤滑使兩側(cè)輪軌橫向力增大，兩側(cè)軌頂涂敷摩擦改進(jìn)劑可以使橫向力減小。因此，相對只對高軌軌側(cè)涂油，全面摩擦控制可以較好地減小輪軌橫向力。根據(jù)圖6各模式下輪軌橫向力的對比，可看出摩擦改進(jìn)劑對減小磨耗軌橫向力的減小效果好于對標(biāo)準(zhǔn)軌的。

圖6 各摩擦控制模式下的輪軌橫向力

輪軌橫向力主要由橫向蠕滑力與法向力橫向分量組成，如圖7所示，其中箭頭方向是鋼軌實(shí)際的受力方向，可看出在各摩擦控制模式條件下，高軌側(cè)法向力橫向分量均占主導(dǎo)且與橫向蠕滑力方向相反，低軌側(cè)均為橫向蠕滑力占主導(dǎo)且與法向力橫向分量方向相同。

由圖7中曲線高軌橫向力組成變化可以看出，對比無摩擦控制工況，單獨(dú)的軌側(cè)涂油和涂敷摩擦改進(jìn)劑都可以減小高軌法向力橫向分量和橫向蠕滑力，不同的是，軌側(cè)涂油對橫向蠕滑力的減小幅度大于法向力橫向分量而導(dǎo)致合力增大，兩側(cè)軌頂涂敷摩擦改進(jìn)劑對法向力橫向分量的減小幅度大于橫向蠕滑力而促使合力減小。

由圖7中曲線低軌橫向力組成變化可以看出，不同摩擦控制模式下低軌法向力橫向分量的變化不大，對比無摩擦控制工況，只對高軌軌側(cè)涂油會(huì)增大低軌橫向蠕滑力而導(dǎo)致合力增大，兩側(cè)軌頂涂敷摩擦改進(jìn)劑可減小低軌橫向蠕滑力而促使合力減小。

由圖7（b）可以看出，在全面摩擦控制模式中，摩擦改進(jìn)劑可以通過平衡高軌法向力橫向分量和橫向蠕滑力的大小差距而抑制軌側(cè)涂油使高軌橫向力增大的趨勢，同時(shí)還可抑制法向力對低軌橫向蠕滑力的增大效果。

對比圖7（a）（b）中兩種不同廓形橫向力組成變化，可以看出在有或無軌側(cè)涂油條件下，摩擦改進(jìn)劑對磨耗軌兩側(cè)橫向蠕滑力和高軌法向力橫向分量的影響程度均大于標(biāo)準(zhǔn)軌。

圖7 涂敷軌頂摩擦改進(jìn)劑前后的輪軌橫向力組成

2.2 輪軌磨耗特性

Elkins磨耗指數(shù)[16]是一種基于能量耗散理論的磨耗預(yù)測模型,其物理意義是車輛通過每單位距離所耗散的摩擦功，可以較好地反映輪軌磨耗程度[17]。圖8和圖9分別是在有軌側(cè)涂油和無軌側(cè)涂油條件下兩側(cè)軌頂涂敷摩擦改進(jìn)劑前后的磨耗指數(shù)變化。

由圖8和圖9可以看出，同種摩擦控制模式下高軌磨耗指數(shù)均遠(yuǎn)大于低軌磨耗指數(shù)，因此磨耗應(yīng)更關(guān)注高軌。

圖8 涂敷軌頂摩擦改進(jìn)劑前后磨耗指數(shù)（無軌側(cè)涂油）

圖9 涂敷軌頂摩擦改進(jìn)劑前后磨耗指數(shù)（有軌側(cè)涂油）

由圖8（a）和圖9（a）可以看出，同摩擦控制模式條件下磨耗軌高軌磨耗指數(shù)大于標(biāo)準(zhǔn)軌。對比無摩擦控制模式，三種摩擦控制模式都能使高軌磨耗指數(shù)減小，只對軌側(cè)涂油使磨耗軌和標(biāo)準(zhǔn)軌的高軌磨耗指數(shù)分別減少44%和20%，兩側(cè)軌頂涂敷摩擦改進(jìn)劑使其分別減小41%和33%，全面摩擦控制模式使其分別減小71%和62%。因此，曲線高軌磨耗后會(huì)有進(jìn)一步加劇磨耗的趨勢，而進(jìn)行摩擦控制后高軌磨耗速率得到有效降低，其中全面摩擦控制的效果最明顯。從摩擦控制對磨耗軌和標(biāo)準(zhǔn)軌的磨耗指數(shù)作用效果對比可以看出，摩擦控制對磨耗軌的作用效果要更顯著。

由圖8（b）和圖9（b）可以看出，在無高軌軌側(cè)涂油條件下，標(biāo)準(zhǔn)軌低軌磨耗指數(shù)大于磨耗軌；在有高軌軌側(cè)涂油條件下，磨耗軌的低軌磨耗指數(shù)大于標(biāo)準(zhǔn)軌。對比無摩擦控制模式，只對高軌軌側(cè)涂油模式使磨耗軌低軌磨耗指數(shù)增大21%、使標(biāo)準(zhǔn)軌減小31%，兩側(cè)軌頂涂敷摩擦改進(jìn)劑使磨耗軌和標(biāo)準(zhǔn)軌磨耗指數(shù)分別減小62%和64%，全面摩擦控制模式可使二者磨耗指數(shù)分別減小52%和78%。因此，對低軌采取摩擦控制時(shí)，在磨耗軌上的磨耗指數(shù)降低效果低于標(biāo)準(zhǔn)軌。無論是否采取高軌軌側(cè)涂油措施，在高低軌軌頂同時(shí)采取摩擦控制時(shí)對低軌的減磨效果明顯優(yōu)于僅高軌側(cè)涂油。

3 結(jié)論

通過分析在不同摩擦控制模式下，重載車輛通過具有標(biāo)準(zhǔn)廓形和磨耗后廓形鋼軌的半徑500 m曲線時(shí)的動(dòng)力學(xué)性能和輪軌磨耗特性，總結(jié)出以下結(jié)論。

（1）從曲線通過性能看，與只對高軌軌側(cè)涂油可能增加脫軌系數(shù)和輪軌橫向力不同，兩側(cè)軌頂摩擦控制可明顯減小車輛通過小半徑曲線的脫軌系數(shù)和橫向力。摩擦改進(jìn)劑對改善車輛在磨耗軌曲線通過性能的效果好于標(biāo)準(zhǔn)軌。

（2）橫向力變化主要由不同摩擦控制模式對橫向蠕滑力和橫向分量的影響程度不同引起，磨耗軌的橫向力組成部分在不同工況下的變化量大于標(biāo)準(zhǔn)軌。

（3）從輪軌磨耗特性看，高軌磨耗在鋼軌磨耗中占主導(dǎo)，單獨(dú)進(jìn)行軌側(cè)涂油或涂敷軌頂摩擦改進(jìn)劑都可減小高軌磨耗指數(shù)，且對磨耗軌的減小效果更好。然而，只對高軌軌側(cè)涂油會(huì)使磨耗軌的低軌磨耗指數(shù)略有增大，對標(biāo)準(zhǔn)軌低軌磨耗指數(shù)有減小效果。無論是否采取高軌軌側(cè)涂油，兩側(cè)軌頂涂敷摩擦改進(jìn)劑都能明顯減小低軌磨耗指數(shù)，且對標(biāo)準(zhǔn)軌的減小效果好于磨耗軌。

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Simulation Study on the Effects of Friction Modifier on Wheel-Rail of Heavy Haul Railway

HAN Peiyuan1，WANG Cong1,4，CHEN Shuai2，WU Lei3，WANG Hengyu1

( 1.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2.School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 4.China Railway Investment Co., Ltd., Beijing 100097, China )

A dynamic model of vehicle-track system is established for heavy haul freight vehicle. Based on the established model, vehicle dynamic performance and wheel-rail wear characteristics was simulated when the vehicle is running on standard new rails and worn rails under three friction management modes, which include rail gauge face lubrication, top-of-rail friction modification, and comprehensive friction management. The results show that derailment coefficient and wheel-rail lateral force increases with gauge face lubrication, but drops with top-of-rail friction modification. The effect of friction management is larger on worn rails than on standard new rails. The change of wheel rail lateral force is mainly due to the change in the lateral creep force and the lateral part of wheel-rail contact force. The changes are more significant on worn rails than on new rails. Wear coefficient on high rail decreases under all three friction management modes and the comprehensive friction management has the best effects. The wear coefficient of high rail drops more on worn rails than on new rails. Gauge face lubrication on high rail slightly increases wear coefficient of low rail on worn rails. Whether gauge face lubrication is turned on or not, applying friction modifier on rail top will significantly decrease wear coefficient of low rail with a better effect found on new rails.

heavy haul railway；wheel-rail wear；friction modifier；vehicle dynamics

U272

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.09.007

1006-0316 (2021) 09-0044-06

2021-01-18

國家自然科學(xué)基金（51775454）；四川省區(qū)域創(chuàng)新合作項(xiàng)目（2020YFQ0024）

韓佩原（1994－），男，山東臨沂人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檩嗆夑P(guān)系，E-mail：hanhanpeiyuan@163.com。

通訊作者：王衡禹（1979－），男，四川成都人，博士，副研究員、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檩嗆夑P(guān)系，E-mail：hengyu.wang@foxmail.com。