輪軌潤滑對地鐵小半徑曲線段外軌磨耗影響*

羅信偉 張 斌 汪龍洋 馮青松

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,510010,廣州;2.華東交通大學(xué)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施性能監(jiān)測與保障國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,330013,南昌)

由于受到地鐵線路的地形制約,地鐵線路中小半徑曲線段的占比較高。在地鐵實(shí)際運(yùn)營中,小半徑曲線段的鋼軌損耗較大,而更換鋼軌的決定因素是外股鋼軌側(cè)面磨耗超限。目前,通過潤滑改變輪軌接觸區(qū)的摩擦因數(shù)是降低鋼軌磨耗最普遍的方法[1]。已有文獻(xiàn)研究表明,輪軌潤滑是緩解鋼軌磨耗最有效的辦法之一[2]。文獻(xiàn)[3-4]的研究結(jié)果表明,在潤滑狀態(tài)下,鋼軌的減磨效果可達(dá)2～10倍,且不同摩擦因數(shù)條件下,車輛的曲線通過性能差異性明顯。由于設(shè)備的局限性,目前還無法較為直接地獲得輪軌潤滑與鋼軌磨耗之間的影響關(guān)系。因此研究人員基于仿真技術(shù)對鋼軌的潤滑減磨效果開展研究。

針對地鐵小半徑曲線段的輪軌潤滑問題,國內(nèi)外學(xué)者主要從試驗(yàn)和仿真角度出發(fā),文獻(xiàn)[5-6]通過輪軌減磨試驗(yàn),以及長期的鋼軌和車輪廓形變化的跟蹤監(jiān)測發(fā)現(xiàn),潤滑后的小半徑曲線段在鋼軌及車輪磨耗方面的改善較為顯著。文獻(xiàn)[7-9]通過建立車輛-軌道動(dòng)力學(xué)模型,研究小半徑曲線段的鋼軌磨耗及減磨措施,并對小半徑曲線段外軌軌側(cè)潤滑的減磨效果進(jìn)行了預(yù)測,研究結(jié)果表明,軌側(cè)潤滑對小半徑曲線段的鋼軌軌側(cè)減磨效果顯著。

目前,輪軌潤滑仿真計(jì)算主要用于研究摩擦因數(shù)與鋼軌磨耗之間的規(guī)律,而對于輪軌潤滑涂敷周期對磨耗控制效果的研究較少?；诖?本文利用動(dòng)力學(xué)軟件Universal Mechanism建立地鐵B型列車模型,基于Kalker輪軌滾動(dòng)接觸理論,采用Archard磨損模型,研究輪軌潤滑涂敷周期與外軌側(cè)磨量之間的規(guī)律,分析輪軌潤滑涂敷周期的合理性與有效性。本文研究對地鐵線路的軌道養(yǎng)護(hù)及維修具有指導(dǎo)作用。

1 潤滑減磨理論及側(cè)磨預(yù)測模型

1.1 潤滑減磨理論

鋼軌與車輪之間的摩擦一般分為軌頂和軌側(cè)兩個(gè)摩擦區(qū)域。潤滑減磨作用是通過在接觸面上形成表面吸附分子來減輕摩擦的,其能夠在鋼軌側(cè)面形成一層均勻的、連續(xù)的潤滑層,當(dāng)車輛經(jīng)過鋼軌時(shí),輪緣與鋼軌側(cè)面之間的摩擦能夠獲得有效緩解,從而達(dá)到減磨效果。

在新軌上線初期,由于輪軌尚未磨合,曲線外軌極易出現(xiàn)輪軌兩點(diǎn)接觸的情況(第一接觸點(diǎn)為軌頂面與車輪踏面接觸;第二接觸點(diǎn)為軌距角與車輪輪緣接觸),兩點(diǎn)接觸的局部接觸應(yīng)力較大,容易產(chǎn)生滾動(dòng)接觸疲勞。根據(jù)潤滑減磨理論,理想的潤滑狀態(tài)是在第一接觸點(diǎn)保持中等摩擦因數(shù)(摩擦因數(shù)約為0.4),在第二接觸點(diǎn)保持低摩擦因數(shù)(摩擦因數(shù)約為0.1)。為模擬這一情況,本文的計(jì)算模型采用多點(diǎn)接觸輪軌模型,設(shè)置了踏面接觸區(qū)、輪緣接觸區(qū)等輪軌摩擦因數(shù)分區(qū),并設(shè)置了3 mm的摩擦因數(shù)過渡區(qū)。外軌潤滑減磨分區(qū)示意圖如圖1所示。

圖1 外軌潤滑減磨分區(qū)示意圖

1.2 側(cè)磨預(yù)測模型

利用動(dòng)力學(xué)軟件Universal Mechanism建立地鐵鋼軌磨耗預(yù)測模型。其中,地鐵B型列車模型包括車體、轉(zhuǎn)向架、輪對、懸掛系統(tǒng)、減振器和橫向止擋等部件,編組形式為三動(dòng)三拖。列車運(yùn)行速度為60 km/h,踏面為LM型,鋼軌為CHN60型,軌道模型選取小半徑曲線段,曲線半徑為300 m,緩和曲線長度為55 m,超高為120 mm,軌道不平順采用美國六級譜。引入量綱一的權(quán)重因子分配于AW0—AW3載荷狀態(tài)(AW0表示空載;AW1表示滿座;AW2表示滿座+6人/m2,額定載荷;AW3表示滿座+9人/m2,超常載荷),以綜合評價(jià)不同車輛條件和運(yùn)營實(shí)際因素對鋼軌磨耗演變的貢獻(xiàn)。輪軌接觸模型采用Kalker輪軌滾動(dòng)接觸理論進(jìn)行計(jì)算。通過鋼軌廓形變化和磨耗速率反映小半徑曲線段鋼軌磨耗的劇烈程度。磨耗模型采用Archard模型,可以表示為:

(1)

式中:

V——磨耗體積;

k——磨耗指數(shù);

N——法向接觸力;

l——滑動(dòng)距離;

H——Vickers硬度指數(shù)。

式(1)可進(jìn)一步簡化為:

V=kvA

(2)

式中:

kv——體積磨耗系數(shù),其只與材料的特性有關(guān),取kv=1×10-13m3/J;

A——磨耗功。

仿真模型通過迭代計(jì)算的方法模擬鋼軌磨耗的演變過程。在每一步迭代步中,當(dāng)鋼軌累積磨耗深度峰值達(dá)到固定限值(磨耗深度限值為0.1 mm)時(shí),當(dāng)前迭代步終止。對磨耗鋼軌型面進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑更新,再利用更新后的磨耗鋼軌型面作為下一步迭代步的計(jì)算初始型面。

2 潤滑減磨仿真結(jié)果對比

2.1 計(jì)算工況

為預(yù)測輪軌潤滑涂敷周期對鋼軌側(cè)磨的影響,根據(jù)不同潤滑工況對鋼軌的涂敷情況進(jìn)行仿真計(jì)算,對比不同潤滑狀態(tài)下鋼軌廓形側(cè)磨情況的發(fā)展規(guī)律。將鋼軌廓形側(cè)磨分為3個(gè)階段,第1階段的鋼軌側(cè)磨量為0～5 mm,第2階段的鋼軌側(cè)磨量為5～10 mm,第3階段的鋼軌側(cè)磨量為10～15 mm。仿真計(jì)算分為5種工況:① 工況1——無潤滑且無涂敷;② 工況2——潤滑且全過程涂敷;③ 工況3——潤滑、在鋼軌出現(xiàn)側(cè)磨后進(jìn)行涂敷;④ 工況4——潤滑、在工況3的第2階段、第3階段停止涂敷;⑤ 工況5——鋼軌無磨耗。

2.2 側(cè)磨第1階段

側(cè)磨第1階段的鋼軌磨耗及廓形變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知:① 在鋼軌上道初期,鋼軌側(cè)磨大致分為2個(gè)過程:鋼軌出現(xiàn)側(cè)磨前;鋼軌側(cè)磨量達(dá)到5 mm(運(yùn)營時(shí)間約為5個(gè)月)后。② 對于第1個(gè)過程,各工況的側(cè)磨積累速度大致相同,均屬于輕微磨損,即新鋼軌鋪設(shè)初期的磨損速度較慢,潤滑涂敷效果不顯著。③ 對于第2個(gè)過程,相比于工況1,工況2和工況3約延后了3個(gè)月才達(dá)到側(cè)磨量5 mm的限值,這說明在鋼軌側(cè)磨出現(xiàn)后,潤滑涂敷起到了關(guān)鍵性作用,能夠及時(shí)降低鋼軌側(cè)磨的磨耗速度;工況2和工況3在達(dá)到側(cè)磨量5 mm時(shí)的運(yùn)營時(shí)間基本一致,這說明在出現(xiàn)鋼軌側(cè)磨后,涂敷時(shí)間點(diǎn)對潤滑效果無明顯改善。

a) 側(cè)磨值隨運(yùn)營時(shí)間的變化規(guī)律

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況可知,在鋼軌上道初期,對曲線外鋼軌進(jìn)行全過程涂敷,雖然在一定程度上減緩了鋼軌磨耗速度,但不利于輪軌自然磨耗形成共形接觸。此外,新軌上線初期的輪軌接觸應(yīng)力較為集中,易出現(xiàn)塑性累積。因此,建議鋼軌潤滑涂敷時(shí)間可以延后至鋼軌出現(xiàn)側(cè)磨后再進(jìn)行潤滑涂敷作業(yè)。

2.3 側(cè)磨第2階段

側(cè)磨第2階段的鋼軌磨耗及廓形變化規(guī)律如圖3所示。由于軌距增加、輪軌沖擊增大等因素,第2階段的側(cè)磨速度明顯加快。第2階段的鋼軌側(cè)磨量約在運(yùn)營時(shí)間為10～12個(gè)月時(shí)達(dá)到10 mm,而第1階段的鋼軌側(cè)磨量約在運(yùn)營時(shí)間為17個(gè)月時(shí)達(dá)到5 mm。相同鋼軌側(cè)磨量下,第2階段比第1階段縮短了5～6個(gè)月。在側(cè)磨第2階段,工況1的側(cè)磨積累速度>工況4的側(cè)磨積累速度>工況3的側(cè)磨積累速度>工況2的側(cè)磨積累速度。當(dāng)側(cè)磨量相同時(shí),各工況運(yùn)營時(shí)間相差較為明顯,無潤滑條件相比潤滑條件下的運(yùn)營時(shí)間縮短約27%,主要原因是由于潤滑涂敷降低了輪緣與鋼軌軌頭側(cè)面之間的摩擦因數(shù),在相同導(dǎo)向力的情況下,降低了輪緣與鋼軌軌頭側(cè)面之間的摩擦力。同時(shí)在此階段,輪軌兩點(diǎn)接觸結(jié)束,接觸應(yīng)力偏于穩(wěn)定,應(yīng)力集中的鋼軌廓形已被磨掉,鋼軌廓形改變的速度加快。由此可知,在第2階段,潤滑涂敷對延緩?fù)廛壞ズ钠鸬搅酥匾淖饔谩?/p>

a) 側(cè)磨值隨運(yùn)營時(shí)間的變化規(guī)律

2.4 側(cè)磨第3階段

側(cè)磨第3階段的鋼軌磨耗及廓形變化規(guī)律如圖4所示。由于軌頭形狀發(fā)生改變,約在運(yùn)營時(shí)間為7個(gè)月時(shí),鋼軌磨耗就會(huì)達(dá)到15 mm。在此階段,軌距顯著變寬,輪軌接觸條件惡化,輪緣與軌側(cè)間的滾動(dòng)、滑動(dòng)現(xiàn)象并存,導(dǎo)向輪輪緣緊壓外軌頭側(cè)面,兩者接觸表面發(fā)生黏著,造成軌側(cè)劇烈磨損。

a) 側(cè)磨值隨運(yùn)營時(shí)間的變化規(guī)律

為避免計(jì)算量過大,仿真計(jì)算中當(dāng)判斷達(dá)到輪軌共形接觸狀態(tài)后程序停止。輪軌系統(tǒng)廓形示意圖如圖5所示。輪緣和鋼軌軌距角完全接觸,輪軌間的接觸應(yīng)力相對較小。

注:x為輪軌系統(tǒng)橫向坐標(biāo);y為輪軌系統(tǒng)垂向坐標(biāo)。

2.5 側(cè)磨全階段對比分析

對小半徑曲線段外軌側(cè)磨全階段的磨耗速率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如圖6所示。各工況下,第2階段的磨耗速率均比第1階段高,其中工況1第2階段的磨耗速率比第1階段高出近一倍。第3階段的磨耗速率相對于第2階段有所緩和。全階段中,工況1的鋼軌平均磨耗速率積累速度>工況4的鋼軌平均磨耗速率積累速度>工況2的鋼軌平均磨耗速率積累速度>工況3的鋼軌平均磨耗速率積累速度。在鋼軌側(cè)磨第2階段需重點(diǎn)涂敷,通過施加潤滑可以使鋼軌磨耗周期延后至少3個(gè)月。同時(shí),全過程涂敷潤滑和出現(xiàn)側(cè)磨后潤滑的總體磨耗速率分別為0.36 mm/月和0.38 mm/月,兩者差別不大,建議涂敷周期可延后至鋼軌出現(xiàn)側(cè)磨后再進(jìn)行潤滑涂敷作業(yè)。

圖6 全階段鋼軌磨耗速率分析

需要注意的是,以減緩?fù)廛墏?cè)磨為目的的輪緣或軌側(cè)潤滑,對減緩波磨、鋼軌剝離是不利的,因此潤滑需要根據(jù)鋼軌磨耗,以及軌道傷損變化與發(fā)展情況而定。通過現(xiàn)場測量、仿真預(yù)測、周期性涂敷等綜合技術(shù)措施,達(dá)到延長小半徑曲線段鋼軌使用壽命的目標(biāo)。

3 結(jié)論

1) 輪軌潤滑對于地鐵運(yùn)營的節(jié)能、降耗具有重要意義。有效的輪軌潤滑可以達(dá)到減少線路養(yǎng)護(hù)維修工作量和降低運(yùn)營成本的目的。建議在鋼軌出現(xiàn)側(cè)磨后進(jìn)行潤滑涂敷,在側(cè)磨量為5～10 mm階段進(jìn)行重點(diǎn)涂敷,以減緩?fù)廛壞ズ摹?/p>

2) 潤滑需要根據(jù)鋼軌磨耗,以及軌道傷損變化與發(fā)展情況而定,涂敷周期是決定鋼軌生命周期的重要因素。由于地鐵線路的特點(diǎn)各不相同,輪軌潤滑策略需要因地制宜、不斷更新,以保證潤滑效果滿足實(shí)際需求。

3) 涂敷周期及其與線路曲線半徑大小、軌道幾何形位、列車類型、列車通過速度及通過列車質(zhì)量之間的量化關(guān)系還有待進(jìn)一步研究和探索。