地鐵小半徑曲線輪軌摩擦調(diào)節(jié)劑作用效果仿真研究

王聰 趙鑫江 王蔚 韓佩原 王衡禹

摘要：為了研究在地鐵小半徑曲線中輪軌摩擦調(diào)節(jié)劑的作用效果，建立了某地鐵車輛的車輛-軌道系統(tǒng)動力學(xué)模型，對比分析了8種摩擦控制策略下的車輛動力學(xué)性能相關(guān)指標(biāo)和磨耗指數(shù)。研究結(jié)果表明，單獨外軌軌側(cè)涂油會使車輛脫軌系數(shù)、輪重減載率、內(nèi)外軌側(cè)車輪橫向力及車體垂向平穩(wěn)性指標(biāo)增大，而兩側(cè)軌頂涂摩擦調(diào)節(jié)劑可抑制車輛脫軌系數(shù)、輪重減載率、內(nèi)外軌側(cè)車輪橫向力及車體垂向平穩(wěn)性指標(biāo)增大。摩擦調(diào)節(jié)劑可使內(nèi)外軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)減小，摩擦調(diào)節(jié)劑配合外軌軌側(cè)涂油可增加內(nèi)外軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)減小效果。綜合車輛動力學(xué)性能相關(guān)指標(biāo)和輪軌磨耗指數(shù)考慮，在車輛通過R350曲線時，內(nèi)軌軌頂涂摩擦調(diào)節(jié)劑和兩側(cè)軌頂涂摩擦調(diào)節(jié)劑不僅擁有較好的動力學(xué)性能，而且內(nèi)外軌側(cè)車輪的磨耗指數(shù)較小。

關(guān)鍵詞：地鐵；小半徑曲線；摩擦調(diào)節(jié)劑；車輛動力學(xué)

中圖分類號：U213.2????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?????????????????? doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.05.007

文章編號：1006-0316 （2024） 05-0050-06

Simulation Study on the Effect of Wheel-Rail Friction Modifier at Metro Sharp Curve

WANG Cong1，2，ZHAO Xinjiang1，WANG Wei3，HAN Peiyuan1，WANG Hengyu1

（ 1. State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China;

2. China Railway Investment Co.， Ltd.， Beijing 100097， China;

3. School of Transportation and Logistics， Southwest Jiaotong University， Chengdu 611756， China ）

Abstract：In order to study the effect of friction modifier on wheel-rail of metro sharp curve， the vehicle-rail system dynamics model of a metro vehicle was established. The relevant indexes of vehicle dynamics performance and wear index under eight friction control strategies were compared and analyzed. The research results show that applying lubricant to the outer rail side only will increase the derailment coefficient， wheel load reduction rate， lateral forces on inner and outer rail side wheels， and vertical stability of the vehicle body. Applying friction modifier to the rail tops on both sides can suppress the increase of derailment coefficient， wheel load reduction rate， lateral forces on inner and outer rail side wheels， and vertical stability of the vehicle body. The friction modifier can reduce the wear index of the inner and outer rail side wheels， and the friction modifier together with the lubricant on the outer rail side can increase the reduction effect of wheel wear index on the inner and outer rail side wheels. Considering the vehicle dynamics performance and wheel-rail wear index， when a vehicle passes the R350 curve， applying friction modifier to the inner rail top and to the rail tops on both sides not only improves dynamic performance， but also reduces the wear index of the inner and outer rail wheels sides.

Key words：metro；sharp curve；friction modifier；vehicle dynamics

地鐵作為城市軌道交通的重要組成部分，不僅能快速、安全、準(zhǔn)時地運(yùn)送旅客，而且相比普通公交汽車的單次旅客運(yùn)送數(shù)量更大。在城市地鐵線路的規(guī)劃中，為了緩和重要地點的交通壓力，地鐵線路不得不設(shè)置眾多小半徑曲線，而小半徑曲線往往會加劇曲線內(nèi)外側(cè)鋼軌的磨耗，尤其曲線外軌的側(cè)面磨耗[1-2]。小半徑曲線內(nèi)外側(cè)鋼軌磨耗達(dá)到異常范圍時，不僅影響車輛過曲線的車體平穩(wěn)性，進(jìn)而影響乘客的乘坐舒適性，而且地鐵運(yùn)營公司還需要投入人力和財力去維護(hù)此類區(qū)段的鋼軌[3]。

小半徑曲線內(nèi)外鋼軌同對應(yīng)車輪接觸所耗散的摩擦功，與輪軌磨耗量的大小基本上呈線性關(guān)系，美國AAR試驗中心發(fā)布的大量現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)便驗證了此規(guī)律[4]。當(dāng)輪軌界面處于干燥狀態(tài)時，輪軌接觸面的摩擦系數(shù)往往較高，容易產(chǎn)生較高的輪軌切向力，進(jìn)而產(chǎn)生較大的輪軌磨耗。為了降低輪軌磨耗，簡單易行的措施是在輪軌接觸面引入第3種介質(zhì)，進(jìn)而降低輪軌接觸面的摩擦系數(shù)，此類第3種介質(zhì)典型的有潤滑油和摩擦調(diào)節(jié)劑[5-6]?；谳嗆墲L動接觸理論和Archard材料磨損理論，謝晨希等[3]通過對單獨采用外軌軌側(cè)潤滑的地鐵小半徑曲線線路進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果表明曲線外軌軌側(cè)涂油可使半徑350 m的曲線外軌鋼軌磨耗面積減少9%～34%。通過在朔黃重載鐵路某R600 m曲線進(jìn)行現(xiàn)場對比試驗，白東輝等[7]對曲線外股鋼軌磨耗量進(jìn)行跟蹤測量，結(jié)果表明曲線鋼軌軌面涂摩擦調(diào)節(jié)劑可使曲線外股鋼軌側(cè)磨量減少了54.5%?；诘琅缘能夗敽蛙墏?cè)的摩擦控制技術(shù)，對曲線內(nèi)外股的軌頂和軌側(cè)進(jìn)行全面摩擦控制，常曉東[8]跟蹤測量得出外軌的側(cè)面磨耗和內(nèi)軌的垂直磨耗率下降30%～60%，內(nèi)外軌橫向力降低20%～40%。為探究油基摩擦調(diào)節(jié)劑對輪軌磨耗的減緩效果，GALAS等[9]采用球盤式摩擦計進(jìn)行對比試驗，油基摩擦改進(jìn)劑能有效控制輪軌接觸面的磨耗。

上述研究主要關(guān)于重載鐵路鋼軌潤滑的研究，對于地鐵線路鋼軌潤滑的研究較少，且多數(shù)研究是將某種摩擦控制策略下的鋼軌磨耗特性同軌面干態(tài)下的鋼軌磨耗特性進(jìn)行對比研究，而忽略輪軌摩擦控制對車輛動力學(xué)的影響。本文作者利用動力學(xué)軟件SIMPACK建立地鐵車輛-軌道動力學(xué)模型，并對內(nèi)外鋼軌的軌頂和軌側(cè)采用8種不同的摩擦控制策略，如圖1、圖2所示。

通過對比分析不同摩擦控制策略下的車輛動力學(xué)性能相關(guān)指標(biāo)和磨耗指數(shù)，最后評判摩擦調(diào)節(jié)劑的作用效果，期望能為輪軌摩擦控制技術(shù)在地鐵小半徑曲線的應(yīng)用提供依據(jù)和參考。

1 車輛－軌道系統(tǒng)動力學(xué)模型

本文根據(jù)某地鐵拖車車輛的真實參數(shù)，基于動力學(xué)軟件SIMPACK建立地鐵車輛系統(tǒng)動力學(xué)模型。圖3是地鐵車輛的運(yùn)動關(guān)系拓?fù)鋱D，整個模型共包括1個車體、2個轉(zhuǎn)向架、4個輪對和8個軸箱，圖中僅展示單個轉(zhuǎn)向架的半車運(yùn)動關(guān)系，另一半與之對稱。輪對與軸箱采用鉸接，軸箱與側(cè)架之間采用一系懸掛，側(cè)架與車體之間采用二系懸掛，一系與二系懸掛均簡化為彈簧阻尼系統(tǒng)[10]。

地鐵車輛模型的車輪廓形采用LM標(biāo)準(zhǔn)廓形，軌道模型的鋼軌廓形采用CN60，設(shè)置曲線半徑為350 m，超高120 mm，總線路由60 m前緩和曲線、200 m圓曲線和150 m后緩和直線組成，車輛以均衡速度59 km/h通過曲線，軌道不平順為美國五級譜，采用FASTSIM算法程序?qū)嗆夐g接觸力進(jìn)行仿真計算。

為了獲得不同摩擦控制策略下的車輛動力學(xué)性能相關(guān)指標(biāo)和磨耗指數(shù)，同時保證研究變量的單一性，不同摩擦控制策略僅鋼軌表面設(shè)置不同的摩擦系數(shù)。對于鋼軌表面摩擦系數(shù)的設(shè)置，本文定義鋼軌軌頂和軌側(cè)干態(tài)的摩擦系數(shù)為0.5，鋼軌軌頂涂摩擦調(diào)節(jié)劑的摩擦系數(shù)為0.35，鋼軌軌側(cè)涂潤滑油的摩擦系數(shù)為0.15。以曲線外軌軌頂涂摩擦調(diào)節(jié)劑配合外軌軌側(cè)涂油策略為例，設(shè)置摩擦調(diào)節(jié)劑的作用區(qū)間為橫向位置X：-36.5～26.0 mm，設(shè)置潤滑油的作用區(qū)間為橫向位置X：29.0～36.5 mm，考慮鋼軌摩擦控制在實際應(yīng)用中軌頭和軌側(cè)的交界處的摩擦系數(shù)存在難以區(qū)分大小，在鋼軌軌頂和軌側(cè)交界區(qū)域設(shè)置了3 mm的摩擦系數(shù)過渡區(qū)[11]，如圖4所示。

2 對車輛動力學(xué)的作用效果

參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[12]，給出摩擦調(diào)節(jié)劑對車輛動力學(xué)作用效果的評判指標(biāo)，即車輛通過R350曲線時一位輪對的內(nèi)外軌側(cè)車輪最大脫軌系數(shù)、輪重減載率、內(nèi)外軌側(cè)車輪橫向力和車體垂向平穩(wěn)性指標(biāo)。

圖5是不同摩擦控制策略下車輛通過R350曲線時一位輪對的內(nèi)外軌側(cè)車輪最大脫軌系數(shù)。由圖5可得，相比無摩擦控制的內(nèi)外軌側(cè)車輪最大脫軌系數(shù)，單獨外軌軌側(cè)涂油、外軌軌頂FM和外軌軌頂FM配合外軌軌側(cè)涂油的

內(nèi)外軌側(cè)車輪最大脫軌系數(shù)均增大，三者分別增大10%、4%和14%；而其他4種摩擦控制策略的內(nèi)外軌側(cè)車輪最大脫軌系數(shù)均小于無摩擦控制，其中內(nèi)軌軌頂FM和兩側(cè)軌頂FM的內(nèi)外軌側(cè)車輪最大脫軌系數(shù)分別減小43%和45%。

相比無軌側(cè)涂油的4種摩擦控制策略，它們的內(nèi)外軌側(cè)車輪最大脫軌系數(shù)均小于外軌軌側(cè)涂油的4種摩擦控制策略。表明當(dāng)車輛通過R350曲線時，外軌軌側(cè)涂油會增大車輛一位輪對的內(nèi)外軌側(cè)車輪最大脫軌系數(shù)。

圖6是不同摩擦控制策略下車輛通過R350曲線時一位輪對的輪重減載率。由圖6可得，相比無摩擦控制的輪重減載率，單獨外軌軌側(cè)涂油、內(nèi)軌軌頂FM配合外軌軌側(cè)涂油、外軌軌頂FM配合外軌側(cè)涂油和兩側(cè)軌頂FM配合外軌側(cè)涂油會使輪重減載率增大，其中單獨外軌軌側(cè)涂油增大8%；其他3種摩擦控制策略的輪重減載率均不同程度減小，內(nèi)軌軌頂FM和兩側(cè)軌頂FM的輪重減載率分別減小6%和2%。

相比無軌側(cè)涂油的4種摩擦控制策略，軌軌側(cè)涂油的4種摩擦控制策略的輪重減載率均偏大。表明當(dāng)車輛通過R350曲線時，外軌軌側(cè)涂油會增大車輛一位輪對的輪重減載率。

在評價車輛的曲線通過性能時，輪軌橫向力是重要參數(shù)之一[13]，圖7是不同摩擦控制策略下車輛通過R350曲線時一位輪對的內(nèi)軌側(cè)車輪橫向力。

由圖7可得，相比無摩擦控制的內(nèi)軌側(cè)車輪橫向力，單獨外軌軌側(cè)涂油、外軌軌頂FM和外軌軌頂FM配合外軌側(cè)涂油會使內(nèi)軌側(cè)車輪橫向力增大，其中單獨外軌軌側(cè)涂油增大12%；其他4種摩擦控制策略的內(nèi)軌側(cè)車輪橫向力均不同程度減小，內(nèi)軌軌頂FM和兩側(cè)軌頂FM的內(nèi)軌側(cè)車輪橫向力分別減小51%和47%。

相比無軌側(cè)涂油的4種摩擦控制策略，它們的內(nèi)軌側(cè)車輪橫向力均小于外軌軌側(cè)涂油的4種摩擦控制策略。表明當(dāng)車輛通過R350曲線時，外軌軌側(cè)涂油會增大車輛一位輪對的內(nèi)軌側(cè)車輪橫向力。

圖8是不同摩擦控制策略下車輛通過R350曲線時一位輪對的外軌側(cè)車輪橫向力。由圖8可得，相比無摩擦控制的外軌側(cè)車輪橫向力，單獨外軌軌側(cè)涂油、外軌軌頂FM和外軌軌頂FM配合外軌側(cè)涂油會使外軌側(cè)車輪橫向力增大，其中單獨外軌軌側(cè)涂油增大12%；其他4種摩擦控制策略的外軌側(cè)車輪橫向力均不同程度減小，內(nèi)軌軌頂FM和兩側(cè)軌頂FM的外軌側(cè)車輪橫向力分別減小38%和31%。

相比無軌側(cè)涂油的4種摩擦控制策略，它們的外軌側(cè)車輪橫向力均小于外軌軌側(cè)涂油的4種摩擦控制策略。表明當(dāng)車輛通過R350曲線時，外軌軌側(cè)涂油會增大車輛一位輪對的外軌側(cè)車輪橫向力。

圖9是不同摩擦控制策略下車輛通過R350曲線時車體垂向平穩(wěn)性指標(biāo)。

由圖9可得，相比無摩擦控制的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)，除兩側(cè)軌頂FM與之相等外，其他6中摩擦控制策略均會使垂向平穩(wěn)性指標(biāo)增大，其中外軌軌頂FM配合外軌側(cè)涂油增大3%。

相比無軌側(cè)涂油的4種摩擦控制策略，它們的垂向平穩(wěn)性指標(biāo)均小于外軌軌側(cè)涂油的4種摩擦控制策略。表明當(dāng)車輛通過R350曲線時，外軌軌側(cè)涂油會增大車體垂向平穩(wěn)性指標(biāo)。

3 對磨耗指數(shù)的作用效果

圖10是不同摩擦控制策略下車輛通過R350曲線時一位輪對的內(nèi)軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)。由圖10可得，相比無摩擦控制的內(nèi)軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)，其他7種摩擦控制策略的內(nèi)軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)均不同程度減小，其中單獨外軌軌側(cè)潤滑、內(nèi)軌軌頂FM和兩側(cè)軌頂FM的內(nèi)軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)分別減小6%、49%和52%。

相比無軌側(cè)涂油的4種摩擦控制策略，它們的內(nèi)軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)均大于外軌軌側(cè)涂油的4種摩擦控制策略。表明當(dāng)車輛通過R350曲線時，外軌軌側(cè)涂油會減小車輛一位輪對的內(nèi)軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)。

圖11是不同摩擦控制策略下車輛通過R350曲線時一位輪對的外軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)。由圖11可得，相比無摩擦控制的外軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)，其他7種摩擦控制策略的外軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)均不同程度減小，其中單獨外軌軌側(cè)潤滑、內(nèi)軌軌頂FM和兩側(cè)軌頂FM的外軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)分別減小55%、19%和56%。

相比無軌側(cè)涂油的4種摩擦控制策略，它們的外軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)均大于外軌軌側(cè)涂油的4種摩擦控制策略。表明當(dāng)車輛通過R350曲線時，外軌軌側(cè)涂油會減小車輛一位輪對的外軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)。

4 結(jié)論

通過分析不同摩擦控制策略下，地鐵車輛通過R350曲線時的車輛動力學(xué)性能相關(guān)指標(biāo)和磨耗指數(shù)，總結(jié)出以下結(jié)論。

（1）從車輛動力學(xué)性能相關(guān)指標(biāo)看，單獨外軌軌側(cè)涂油會使車輛脫軌系數(shù)、輪重減載率、內(nèi)外軌側(cè)車輪橫向力及車體垂向平穩(wěn)性指標(biāo)增大，而兩側(cè)軌頂FM可以抑制車輛脫軌系數(shù)、輪重減載率、內(nèi)外軌側(cè)車輪橫向力及車體垂向平穩(wěn)性指標(biāo)增大。

（2）從輪軌磨耗指數(shù)看，摩擦調(diào)節(jié)劑可以使內(nèi)外軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)減??；摩擦調(diào)節(jié)劑配合外軌軌側(cè)涂油可以增加內(nèi)外軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)減小效果；從量值上看，外軌軌側(cè)涂油對外軌軌側(cè)車輪磨耗指數(shù)的減小效果更明顯。

（3）綜合車輛動力學(xué)性能相關(guān)指標(biāo)和輪軌磨耗指數(shù)考慮，在車輛通過R350曲線時，內(nèi)軌軌頂FM和兩側(cè)軌頂FM不僅擁有較好的動力學(xué)性能，而且內(nèi)外軌側(cè)車輪的磨耗指數(shù)較小，并且節(jié)省了軌側(cè)涂油的裝備和費用。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫國瑛，劉學(xué)毅. 鋼軌側(cè)面磨耗因子[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報，1992（2）：57-64.

[2]孫國瑛，劉學(xué)毅，萬復(fù)光. 小半徑曲線上的鋼軌磨耗[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報，1994（1）：65-70.

[3]謝晨希，陶功權(quán)，陸文教，等. 地鐵小半徑曲線軌側(cè)潤滑對鋼軌的減磨效果研究[J]. 潤滑與密封，2019，44（6）：60-65.

[4]沈志云. 輪軌磨損的動力學(xué)預(yù)測及減少輪軌磨損的措施[J]. 鐵道學(xué)報，1992（2）：64-70.

[5]李亨利，李芾. 輪軌摩擦控制對重載貨車輪軌磨耗的影響[J]. 中國鐵道科學(xué)，2016，37（5）：94-101.

[6]DONALD T E，JOE K，KELVIN C C. The role of high positive friction （HPF） modifier in the control of short pitch corrugations and related phenomena[J]. Wear，2002，253（1）：185-192.

[7]白東輝，程建平，馬戰(zhàn)國，等. 朔黃重載鐵路小半徑曲線鋼軌潤滑技術(shù)試驗研究[J]. 鐵道建筑，2015（10）：160-163.

[8]常曉東. 基于道旁的軌頂和軌距面摩擦控制技術(shù)在神朔鐵路應(yīng)用研究[J]. 中國煤炭，2014，40（1）：312-314.

[9]RADOVAN G，MILAN O，IVAN K，et al. Laboratory investigation of ability of oil-based friction modifiers to control adhesion at wheel-rail interface[J]. Wear，2016，368：230-238.

[10]韓佩原. 地鐵軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑作用效果仿真研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2021.

[11]張念，張建峰，于貴武，等. 大秦鐵路重載鋼軌踏面摩擦控制試驗[J]. 中國鐵路，2011（12）：20-22.

[12]中華人民共和國鐵道部. 鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗鑒定規(guī)范：GB/T 5599－1985[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1986.

[13]韓佩原，王聰，陳帥，等. 重載鐵路輪軌摩擦改進(jìn)劑作用效果仿真研究[J]. 機(jī)械，2021，48（9）：44-49.