王文斌 范欽海 劉 力

軌面摩擦控制技術(shù)防治曲線鋼軌側(cè)面磨耗研究

王文斌 范欽海 劉 力

摘 要：曲線外軌側(cè)面磨耗是困擾地鐵建設(shè)和運(yùn)營(yíng)部門的難題。軌面摩擦控制技術(shù)可以在保證列車正常牽引和制動(dòng)的前提下，修改輪軌摩擦（粘著）曲線，降低輪軌橫向力，抑制外軌側(cè)面磨耗。國(guó)產(chǎn)軌面摩擦控制設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，軌面摩擦控制能夠在不影響列車制動(dòng)與牽引的前提下，有效地將軌面摩擦系數(shù)控制在0.35左右，外軌側(cè)磨發(fā)展速度可降低50%。此創(chuàng)新技術(shù)的推廣，可保障運(yùn)營(yíng)安全，減少運(yùn)營(yíng)單位維修養(yǎng)護(hù)工作量，提高鋼軌服務(wù)年限。

關(guān)鍵詞：輪軌磨耗；鋼軌側(cè)磨；控制裝置；控摩劑；研究

王文斌：鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，工程師，北京 100081基金項(xiàng)目：北京市科技計(jì)劃課題，Z121100007612007

0　引言

由于城市軌道交通新開(kāi)通的站點(diǎn)大部分位于城市中心區(qū)，對(duì)緩解中心城區(qū)的擁堵將起到重要作用，但在城市軌道交通線路的選擇上，由于受到規(guī)劃及建筑物的制約，使得其線形越來(lái)越復(fù)雜，曲線（特別是小半經(jīng)曲線）所占運(yùn)營(yíng)里程的比重越來(lái)越大。處于小半徑曲線上的鋼軌，由于輪軌間摩擦力不能滿足列車轉(zhuǎn)向的需求，輪緣將貼靠外軌內(nèi)側(cè)，產(chǎn)生輪軌橫向?qū)蛄Γ谶@一過(guò)程中，車輪與鋼軌存在擠壓、粘著、蠕滑和滑動(dòng)，導(dǎo)致鋼軌產(chǎn)生塑性變形和金屬磨損，由此造成了曲線外軌側(cè)面磨耗（簡(jiǎn)稱“側(cè)磨”）。

文獻(xiàn)[1]曾對(duì)北京地鐵2號(hào)線進(jìn)行側(cè)磨速率統(tǒng)計(jì)和磨耗規(guī)律研究，發(fā)現(xiàn)所有曲線外軌側(cè)磨在初上道的幾年內(nèi)側(cè)磨變化速率較?。?～2 mm之間），而在發(fā)展到一定程度（5 ～7 mm）后側(cè)磨速度明顯加快，在所統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，側(cè)磨發(fā)展最快的達(dá)5.33 mm/月。近年來(lái)，曲線外軌側(cè)磨成為困擾地鐵建設(shè)和運(yùn)營(yíng)部門的難題，北京地鐵10號(hào)線一期在運(yùn)營(yíng)不到1年的時(shí)間內(nèi)、昌平線和房山線在試運(yùn)營(yíng)3個(gè)月后就發(fā)生了嚴(yán)重的曲線外軌側(cè)磨現(xiàn)象[2]，折返線道岔和渡線3個(gè)月側(cè)磨量達(dá)到9 mm。嚴(yán)重的曲線外軌側(cè)磨減少了鋼軌的強(qiáng)度，加劇了鋼軌的傷損，縮短了鋼軌的使用壽命，增加了車輛和軌道的養(yǎng)護(hù)維修量，增加了牽引能耗，不僅浪費(fèi)大量的資金，而且還干擾運(yùn)營(yíng)任務(wù)的完成，帶來(lái)安全隱患。因此，研究曲線外軌側(cè)磨的防治措施，對(duì)延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，減少養(yǎng)護(hù)維修工作量，降低能耗和運(yùn)營(yíng)成本，保障行車安全具有重大意義。

1　軌面摩擦控制機(jī)理

以往的曲線外軌側(cè)磨控制措施研究集中在鋼軌側(cè)面涂油技術(shù)[3～4]，其所帶來(lái)的積極效果已經(jīng)被普遍認(rèn)可，可提高數(shù)倍的輪軌使用壽命。按潤(rùn)滑裝置的工作形式，大致可以分為人工涂油小車、固定式輪軌潤(rùn)滑器、車載式潤(rùn)滑裝置等幾類；按使用的潤(rùn)滑劑類型，又可分為潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂和固態(tài)潤(rùn)滑劑3種[5～6]。但由于在輪軌側(cè)面潤(rùn)滑技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，產(chǎn)生了由于車輛振動(dòng)和涂油過(guò)量而造成的線路污染；為避免油脂誤入輪軌踏面、噴嘴位置預(yù)設(shè)偏下而造成的軌距角位置不能得到足夠的潤(rùn)滑；油漬浸入鋼軌而造成的鋼軌擠壓掉塊（圖1a）；噴涂潤(rùn)滑劑時(shí)產(chǎn)生飛濺和甩帶，污染踏面造成列車牽引失效而中斷運(yùn)輸?shù)氖录▓D1b）。因此，希望找到一種新的途徑解決曲線外軌側(cè)磨問(wèn)題。

輪軌側(cè)面潤(rùn)滑可以減輕曲線外軌側(cè)磨磨耗，但無(wú)法減少曲線內(nèi)軌的偏壓和輪軌橫向力，最終導(dǎo)致維護(hù)、更換及整個(gè)壽命周期成本增加。在對(duì)輪對(duì)曲線動(dòng)力通過(guò)的研究中發(fā)現(xiàn)，內(nèi)軌頂面上的橫向摩擦力（蠕滑力）的存在是外軌內(nèi)側(cè)面磨耗和內(nèi)軌頂面磨耗的重要參量。從圖2輪對(duì)以均衡速度通過(guò)曲線時(shí)對(duì)鋼軌的作用力可以看出，在曲線超高平衡列車離心力的情況下，外軌橫向輪軌力Q1等于外軌頂面橫向摩擦力（蠕滑力）F1與內(nèi)軌頂面橫向摩擦力（蠕滑力）F2之和（Q1=F1+F2），減小F2（橫向蠕滑力）就可以降低外軌的側(cè)面壓力，從而降低外軌側(cè)面的磨耗。

1987年美國(guó)芝加哥伊利諾伊理工學(xué)院庫(kù)瑪（Kumar）教授首次提出“軌面摩擦控制（也稱為軌面潤(rùn)滑）”理論，即在保證列車牽引和制動(dòng)的前提下，控制曲線內(nèi)軌軌面摩擦系數(shù)，修改輪軌摩擦（粘著）曲線，使內(nèi)軌軌面達(dá)到優(yōu)化的摩擦系數(shù)（0 . 3～0.35）（圖3），從而實(shí)現(xiàn)在不影響列車制動(dòng)與牽引的前提下，降低輪軌橫向力，抑制曲線外軌側(cè)磨等功能。

圖1　輪軌側(cè)面潤(rùn)滑引發(fā)的問(wèn)題

2　軌旁式軌面摩擦控制設(shè)備

軌面摩擦控制設(shè)備是通過(guò)向曲線內(nèi)軌頂面噴涂“軌面摩擦控制劑”，在不影響列車制動(dòng)與牽引的前提下降低曲線輪軌橫向力與輪軌高頻振動(dòng)，達(dá)到降低曲線外軌側(cè)磨、降低曲線輪軌噪聲、減小曲線外軌外翻變形、減小列車曲線通過(guò)阻力（降低牽引能耗）等目的。軌面摩擦控制劑是一種水基液態(tài)材料[7～8]，水分蒸發(fā)后殘留的干性薄膜能夠提供一個(gè)0.30～0.35范圍之內(nèi)的中等摩擦系數(shù)。這種薄膜的摩擦特性是摩擦控制劑和其他“第三介質(zhì)”（車輪和鋼軌之間接觸層中的所有成分）反應(yīng)的結(jié)果。摩擦控制劑與“第三介質(zhì)”中的主要成分——氧化鐵發(fā)生最優(yōu)的反應(yīng)，以使其具有穩(wěn)定的耐久性，進(jìn)而盡可能地延長(zhǎng)薄膜的持續(xù)時(shí)間。

圖2　曲線軌道受力狀態(tài)

圖3　輪軌摩擦（粘著）修正

目前，國(guó)外軌面摩擦控制產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)已有成功應(yīng)用的先例，但由于其摩擦控制劑（簡(jiǎn)稱“控摩劑”）價(jià)格昂貴，造成運(yùn)營(yíng)成本高，并未產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。鑒于此，從保障安全運(yùn)營(yíng)、增加經(jīng)濟(jì)效益的角度著眼，研制了國(guó)產(chǎn)化的QBL-D型軌面摩擦控制劑、QBS-RS型軌旁式軌面控摩劑自動(dòng)涂敷設(shè)備、QBF-1型軌面摩擦系數(shù)測(cè)量?jī)x等軌面摩擦控制產(chǎn)品。軌旁式軌面摩擦控制設(shè)備由車輪信號(hào)傳感器、控制單元、輸送單元、涂敷單元、電能供給單元和控摩劑存儲(chǔ)箱等部件構(gòu)成。噴涂流程如下：車輪信號(hào)傳感器自動(dòng)感知列車的到來(lái)并將信號(hào)傳遞給控制單元；控制單元按照預(yù)先設(shè)定的程序啟動(dòng)計(jì)量泵工作，計(jì)量泵的流量可以自由調(diào)整；計(jì)量泵將控摩劑輸送到涂敷單元，涂敷單元將控摩劑涂敷到內(nèi)軌軌面；隨著車輪的通過(guò)將控摩劑攜帶到整個(gè)曲線；到達(dá)設(shè)定的時(shí)間后，控制單元停止計(jì)量泵的工作，等待下次列車的到來(lái)。軌旁式軌面摩擦控制設(shè)備在線路的安裝位置如圖4所示。

圖4　軌旁式軌面摩擦控制設(shè)備在線路的安裝位置

3　軌面摩擦控制劑摩擦性能的試驗(yàn)

為確認(rèn)QBL-D型軌面控摩劑是否會(huì)對(duì)列車的制動(dòng)產(chǎn)生不良影響，于2013年5月11日在北京地鐵8號(hào)線平西府車輛段試車線上，進(jìn)行了有、無(wú)軌面控摩劑的列車制動(dòng)對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)用列車為正常運(yùn)營(yíng)的列車。首先進(jìn)行干燥軌面的制動(dòng)試驗(yàn)，經(jīng)測(cè)試，緊急制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)減速度為1.28 m/s2；之后采用人工強(qiáng)化噴涂方式，以0.66 g/m（雙倍于正常劑量值）的劑量對(duì)軌面均勻噴涂控摩劑，測(cè)得緊急制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)減速度為1.29 m/s2。測(cè)試結(jié)果表明，QBL-D型軌面摩擦控制劑沒(méi)有對(duì)列車的制動(dòng)產(chǎn)生不良影響，噴涂控摩劑后列車制動(dòng)減速度滿足GB/T 7928-2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》中緊急制動(dòng)減速度不小于1.2 m/s2的限值。

試驗(yàn)過(guò)程中記錄了多次噴涂控磨劑前后軌面摩擦系數(shù)的變化，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示，結(jié)果表明，軌面摩擦控制能顯著改善軌面的摩擦狀態(tài)，使軌面摩擦系數(shù)趨于均勻一致，且軌面摩擦系數(shù)接近0.3～0.35的合理水平。

4　軌面摩擦控制設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為進(jìn)一步研究軌面摩擦控制設(shè)備的線上工作性能和控制側(cè)磨發(fā)展的效果，于2013年8月將QBS-RS型軌旁式軌面摩擦控制設(shè)備安裝在原京滬線上行廣渠門橋403 m曲線區(qū)段（該區(qū)段曲線超高60 mm、曲線全長(zhǎng)412 m、緩和曲線長(zhǎng)105 m）。車輪傳感器、涂敷單元、軌旁設(shè)備（太陽(yáng)能發(fā)電光板及控制單元與控摩劑箱）、列車通過(guò)時(shí)的照片如圖5所示。

為掌握實(shí)施軌面摩擦控制前后軌面摩擦系數(shù)的分布特性，于2013 年10月28日對(duì)曲線上行（實(shí)施軌面摩擦控制）、下行（未實(shí)施軌面摩擦控制）線路軌面摩擦系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，軌面摩擦系數(shù)分布如圖6所示。

表1　北京地鐵8號(hào)線車輛段試車線軌面摩擦系數(shù)

圖5　軌旁設(shè)備（左上）、傳感器（左下）、涂敷板（右上）、列車通過(guò)（右下）

從圖6可以看出，未噴涂摩擦控制劑的下行線，軌面摩擦系數(shù)約為0.75；軌面摩擦控制技術(shù)使軌面摩擦系數(shù)保持在約0.35，隨著遠(yuǎn)離噴涂點(diǎn)位置軌面摩擦系數(shù)緩慢增大。在圓曲線區(qū)域，由于較大的輪軌橫向摩擦力（蠕滑力）使得軌面控摩劑與“第三介質(zhì)”形成的薄膜被嚴(yán)重破壞，摩擦系數(shù)顯著變大（但比無(wú)控摩時(shí)還是有所降低），出曲線后薄膜被恢復(fù)，摩擦系數(shù)恢復(fù)到大約進(jìn)入曲線前的水平，并隨著距離增大緩慢增加，大約在500 m后逐漸恢復(fù)到軌面控摩前的水平，因此，軌面控摩有效距離大約為500 m。軌面摩擦控制設(shè)備使軌面摩擦系數(shù)大約降低了50%，根據(jù)輪軌蠕滑理論，軌面摩擦系數(shù)的降低會(huì)導(dǎo)致輪軌橫向力的降低，輪軌橫向力的降低會(huì)使外軌側(cè)面磨耗降低，從而可以推斷軌面摩擦控制設(shè)備至少可以使外軌側(cè)磨降低50%左右。

安裝軌面摩擦控制自動(dòng)涂敷設(shè)備前后，車間工區(qū)均按照相同的軌道維護(hù)方式進(jìn)行線路養(yǎng)護(hù)，安裝控磨設(shè)備前每季度外軌側(cè)磨磨耗量約為1 mm。安裝控磨設(shè)備前后外軌側(cè)磨測(cè)量結(jié)果如表2。從表2可以看出，實(shí)施軌面摩擦控制后外軌側(cè)磨的發(fā)展速度降低了約50%，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖6　軌面摩擦控制區(qū)段軌面摩擦系數(shù)分布

表2　軌面控摩設(shè)備安裝區(qū)段外軌側(cè)磨測(cè)量結(jié)果

5　結(jié)語(yǔ)

(1）輪軌橫向力對(duì)曲線外軌側(cè)磨的形成起到至關(guān)重要的作用，通過(guò)實(shí)施軌面摩擦控制降低輪軌橫向力及其較高頻率分量，能夠有效減輕曲線外軌側(cè)磨，延長(zhǎng)軌道維護(hù)周期，提高扣件使用壽命。

(2）軌面摩擦控制劑性能驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，Q B L - D型軌面控摩劑能夠在不影響列車制動(dòng)與牽引的前提下，有效地將軌面摩擦系數(shù)控制在0.3左右，曲線外軌側(cè)磨發(fā)展速度降低了50%。

(3）實(shí)施軌面摩擦控制措施可有效控制降低曲線外軌側(cè)磨，是一項(xiàng)簡(jiǎn)易可行的技術(shù)措施，可在曲線外軌側(cè)磨嚴(yán)重地段推廣使用。

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責(zé)任編輯 冒一平

Study on Side Wear Decrease of Curved Rail by Using Rail Surface Friction Control Technology

Wang Wenbin, Fan Qinhai, Liu Li

Abstract:The rail surface friction control technology can ensure train normal traction and braking performance, and under this premise, the technology reduces the wheel-rail lateral force, and controls the outer rail side wear. The results of the China-made rail surface friction control equipment in fi eld application show that rail surface friction control can be in the premise of not affecting train braking and traction performance, effectively control the friction coeffi cient of rail surface around 0.35, and the side wear of outer rail can be reduced by 50%.

Keywords:wheel-rail wear, rail side wear, control device, friction control agent, study

收稿日期2014-08-08

中圖分類號(hào)：U213.4+2