李亨利，潘樹平，王愛民，周張義，2，王 璞

（1 南車集團(tuán)公司 眉山車輛有限公司，四川眉山620032；2 西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031）

嚴(yán)重的輪軌磨耗一方面導(dǎo)致輪軌配合狀態(tài)不良，使車輪不能實(shí)現(xiàn)正確導(dǎo)向和對(duì)中，產(chǎn)生較大的輪軌作用力，加劇車輛振動(dòng)和部件間相互作用力，從而降低車輛的動(dòng)力學(xué)性能和運(yùn)用可靠性；另一方面，不正確的輪對(duì)排列和輪緣磨耗還將進(jìn)一步導(dǎo)致金屬疲勞和褶皺變形，使缺陷維修量和輪軌更換量加大，顯著增大列車的燃料消耗。車輪和鋼軌是重載鐵路運(yùn)輸?shù)闹饕杀局С鲋?，無論是加工恢復(fù)輪軌外形還是更換新輪軌都將顯著影響重載運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性。

目前我國(guó)重載線半徑600m及以下的曲線，鋼軌鋪設(shè)1年后側(cè)磨即達(dá)15mm而需換軌，重載貨車車輪段修時(shí)的旋修比率超過90%，車輪平均壽命較短。若在既有線路上實(shí)施重載運(yùn)輸，大量存在的中小半徑曲線不可避免，從而產(chǎn)生更為嚴(yán)重的輪軌磨耗。因此，隨著我國(guó)重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，輪軌磨耗尤其是曲線上的車輪與鋼軌磨耗將愈趨劇烈，減輕重載貨車的輪軌磨耗是我國(guó)重載運(yùn)輸?shù)暮诵募夹g(shù)問題。

解決輪軌磨耗的措施從車輛方面最根本的措施是改進(jìn)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，降低輪軌動(dòng)力作用，消除輪緣和鋼軌的直接接觸，如采用徑向轉(zhuǎn)向架。從運(yùn)用減磨方面則應(yīng)進(jìn)行有效的輪軌界面管理和摩擦控制，如鋼軌打磨和輪軌潤(rùn)滑。國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，輪軌潤(rùn)滑是減緩曲線車輪和鋼軌磨耗的有效措施之一，該技術(shù)可有效減小車輛曲線通過作用力，改善重載鐵路的運(yùn)營(yíng)條件。為預(yù)測(cè)潤(rùn)滑減輕重載車輛輪軌磨耗的效果和規(guī)律，本文運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)潤(rùn)滑條件下不同模式轉(zhuǎn)向架的輪軌磨耗進(jìn)行了研究。

1 磨耗動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型及評(píng)價(jià)指標(biāo)

利用多剛體動(dòng)力學(xué)方法建立了C80B型運(yùn)煤專用敞車在時(shí)域內(nèi)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，各參數(shù)取新車重車下的狀態(tài)值。轉(zhuǎn)向架為轉(zhuǎn)K7型徑向轉(zhuǎn)向架和轉(zhuǎn)K6型交叉支撐轉(zhuǎn)向架。輪軌配合為新LM型磨耗型踏面和60 kg／m鋼軌，軌道不平順采用AAR5級(jí)線路譜。

根據(jù)潤(rùn)滑理論，理想潤(rùn)滑需要輪緣和軌頭側(cè)面保持低摩擦系數(shù)，車輪踏面和鋼軌頭頂面上保持中等摩擦系數(shù)。為模擬這一情況，計(jì)算模型采用了多點(diǎn)接觸的輪軌模型，設(shè)置專門的輪緣接觸單元、踏面接觸單元和變化的輪軌摩擦系數(shù)，如圖1所示。按國(guó)際重載協(xié)會(huì)推薦的數(shù)值，潤(rùn)滑工況下車輪踏面和鋼軌頭頂面摩擦系數(shù)設(shè)置為0.40，輪緣與鋼軌內(nèi)側(cè)面摩擦系數(shù)取為0.09［2］?？紤]潤(rùn)滑時(shí)實(shí)際摩擦系數(shù)并無絕對(duì)的分界線，且為避免數(shù)值積分奇異，輪緣和踏面分界線附近設(shè)置寬度3mm的摩擦系數(shù)線性過渡區(qū)。

滾動(dòng)接觸力學(xué)研究表明，輪軌接觸面之間所耗散的摩擦功率基本能反映輪軌磨耗的大小，其定義為接觸斑內(nèi)蠕滑力和蠕滑率的數(shù)量積。若輪緣接觸點(diǎn)已經(jīng)開始滑動(dòng)，此時(shí)摩擦功率定義為輪軌相對(duì)滑動(dòng)速率和滑動(dòng)的切向力的乘積。摩擦功率反映了瞬態(tài)輪軌磨耗的程度，對(duì)其在仿真時(shí)間內(nèi)進(jìn)行積分，可得到車輛運(yùn)行特定里程所積累的摩擦功，從而應(yīng)用于輪軌磨耗的評(píng)定。

圖1 輪軌接觸模型及摩擦系數(shù)的設(shè)置

2 潤(rùn)滑降低曲線輪軌磨耗的作用

為考察輪軌潤(rùn)滑對(duì)曲線輪軌磨耗的影響，計(jì)算了車輛通過不同曲線時(shí)輪軌磨耗指標(biāo)。計(jì)算時(shí)曲線的欠超高均設(shè)置為20mm，緩和曲線長(zhǎng)75m，曲線總長(zhǎng)600m。圖2繪出了車輛導(dǎo)向輪對(duì)外側(cè)車輪的相關(guān)結(jié)果。

圖2 車輛通過不同曲線半徑時(shí)輪軌潤(rùn)滑的效果

由圖2（a）和圖2（b）可見，較小半徑曲線上的輪軌潤(rùn)滑可大幅度降低交叉支撐轉(zhuǎn)向架的車輪磨耗，尤其是輪緣磨耗，曲線半徑越小，減磨效果越明顯。曲線半徑300m時(shí)，潤(rùn)滑前后交叉支撐轉(zhuǎn)向架車輪磨耗功分別約為77 349N·m和49 118N·m，較干燥軌面降低了約36.5%，輪緣接觸點(diǎn)磨耗功分別為59 415N·m和17 557N·m，較干燥軌面降低了約70%。曲線半徑增大到600m以上時(shí)，潤(rùn)滑對(duì)輪軌的減磨作用逐漸消失，曲線半徑大于800m后基本無降低輪軌磨耗的效果。然而，輪軌潤(rùn)滑對(duì)降低徑向轉(zhuǎn)向架輪軌磨耗僅在極小半徑曲線下有微弱的改善，在曲線半徑大于400m時(shí)幾乎無作用。但由于徑向轉(zhuǎn)向架具有優(yōu)良的曲線通過性能，在所計(jì)算的工況下，輪軌磨耗功較交叉支撐轉(zhuǎn)向架實(shí)施潤(rùn)滑后還小，輪緣磨耗功在通過半徑為600m以上曲線時(shí)已趨近于零，充分說明了徑向轉(zhuǎn)向架降低輪軌磨耗的效果。

輪軌潤(rùn)滑后車輪踏面的磨耗功反而有所上升，尤其是曲線半徑小于400m時(shí)最為顯著，如圖2（c）所示。此現(xiàn)象的原因是當(dāng)輪緣部分摩擦系數(shù)降低后，在同等大小的輪對(duì)橫移時(shí)，車輪的縱向蠕滑力必然降低，從而導(dǎo)致輪對(duì)的導(dǎo)向能力不足，宏觀上表現(xiàn)為輪對(duì)沖角變大，如圖2（d）所示，微觀上則表現(xiàn)為踏面接觸點(diǎn)蠕滑率增大，滑動(dòng)增加。當(dāng)曲線半徑很小時(shí)，交叉支撐轉(zhuǎn)向架在通過干燥軌道的情形下，在線路隨機(jī)不平順的激勵(lì)下，車輪接觸點(diǎn)更多的分布于輪緣部分，從而輪緣接觸點(diǎn)的磨耗功隨曲線半徑的減小大幅增加，從而車輪踏面磨耗功反而下降。若實(shí)施軌道潤(rùn)滑后，即使接觸點(diǎn)分布于輪緣，但摩擦系數(shù)很低，產(chǎn)生滑動(dòng)的摩擦力較小，導(dǎo)致輪緣磨耗功下降。同樣，由于通過特殊的裝置增強(qiáng)了輪對(duì)的導(dǎo)向作用，徑向轉(zhuǎn)向架通過曲線時(shí)輪對(duì)沖角和踏面磨耗功均較小。

計(jì)算結(jié)果還表明，輪軌潤(rùn)滑具有降低輪緣橫向蠕滑力的作用，且在較大半徑的曲線上仍十分明顯。圖2（e）所示為輪緣橫向蠕滑力的峰值，各工況下輪軌潤(rùn)滑后均減小了25%以上，且該力的均方值潤(rùn)滑時(shí)僅為干燥軌面的40%左右。同時(shí)，潤(rùn)滑后車輪橫向蠕滑力也小于干燥軌面，使得鋼軌對(duì)輪對(duì)的約束作用減弱，導(dǎo)致輪對(duì)搖頭和橫移振動(dòng)增大，從而輪軌橫向力增大，如圖2（f）所示。

需要指出的是輪軌橫向力增大后脫軌系數(shù)會(huì)相應(yīng)增大。但國(guó)內(nèi)外的研究和實(shí)踐均認(rèn)為，輪軌潤(rùn)滑不會(huì)增大車輛脫軌的危險(xiǎn)，其主要原因是一方面由于摩擦系數(shù)降低后，根據(jù)Nadal公式計(jì)算的脫軌系數(shù)限度值也將相應(yīng)增大，如圖3所示。另一方面，輪軌潤(rùn)滑后車輪爬軌的摩擦力變小。因此，即使輪軌橫向力有所增大，但脫軌安全性反而有所提高［1］。

圖3 輪軌接觸模型及摩擦系數(shù)的設(shè)置

3 結(jié)論

通過計(jì)算研究不同工況下輪軌潤(rùn)滑降低輪軌磨耗的作用規(guī)律，可得出如下結(jié)論：

（1）輪軌潤(rùn)滑在曲線半徑小于600m時(shí)，可顯著降低配裝交叉支撐轉(zhuǎn)向架貨車的輪軌磨耗，曲線半徑大于800m時(shí)降低輪軌磨耗的效果不明顯。

（2）配裝交叉支撐轉(zhuǎn)向架車輛通過曲線時(shí)，輪軌潤(rùn)滑可有效地降低輪緣橫向力，同時(shí)會(huì)增大輪對(duì)沖角、輪軌橫向力和踏面磨耗，但不會(huì)降低車輛脫軌安全性。

（3）配裝徑向轉(zhuǎn)向架車輛通過曲線時(shí)，輪軌潤(rùn)滑幾乎不起改善輪軌磨耗的作用，但其輪軌磨耗較潤(rùn)滑后的交叉支撐轉(zhuǎn)向架還小，采用徑向轉(zhuǎn)向架是降低輪軌磨耗的根本措施。

輪軌潤(rùn)滑條件下的動(dòng)力學(xué)分析結(jié)論，已經(jīng)為大量實(shí)測(cè)試驗(yàn)所證實(shí)。我國(guó)大秦鐵路和部分鐵路局已經(jīng)開始了輪軌潤(rùn)滑技術(shù)的運(yùn)用與研究［6－8］，取得了良好的減磨效果。為使?jié)櫥夹g(shù)更好的服務(wù)于鐵路重載運(yùn)輸，進(jìn)行潤(rùn)滑方法研究，潤(rùn)滑減磨節(jié)能效果實(shí)測(cè)，潤(rùn)滑條件下的機(jī)車操縱及輪軌磨損機(jī)理實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)等一系列綜合研究具有現(xiàn)實(shí)的需求。

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