徐鳳生

(上海鐵路局工務(wù)處，上海 200071)

輪軌摩擦管理技術(shù)及其應(yīng)用研究

徐鳳生

(上海鐵路局工務(wù)處，上海 200071)

針對國內(nèi)外因輪軌磨耗及其引發(fā)的列車事故所造成的一系列巨大損失的問題，提出解決該問題的最優(yōu)辦法是保持輪緣-軌距面低摩擦系數(shù)(0.2或更低)及車輪踏面-軌頂面中等摩擦系數(shù)(0.3～0.4)。全面實施輪緣-軌距面以及車輪踏面-軌頂面摩擦管理技術(shù)，能夠有效提高列車運行安全性、減緩輪軌磨損、降低輪軌噪音和減少機車能耗。同時對現(xiàn)有各種類型的摩擦管理技術(shù)做出了較系統(tǒng)的介紹，分析其實際使用過程中的優(yōu)缺點，并提出了今后改進和提高的方向。

輪軌磨耗；列車事故；摩擦管理；安全性

軌道交通運輸具有在相同運量條件下節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢[1]。隨著高速、重載鐵路建設(shè)和運營里程的不斷擴大、列車運行密度的不斷提高及小半徑曲線區(qū)段的不斷增多，輪軌磨損現(xiàn)象日益加劇[2]，每年會引起數(shù)十億人民幣的直接損失[3]，同時也嚴重威脅到車輛行駛過程中的安全。由于輪軌之間的磨損導致的突發(fā)性列車脫軌事故，會造成無法估量的經(jīng)濟損失和社會影響[4]。

為了緩解輪軌磨損以及提高列車行駛安全性，傳統(tǒng)的技術(shù)措施通常是開展鋼軌打磨處理和車輪旋削維護、優(yōu)化輪軌材質(zhì)和配合強度比、加強軌道結(jié)構(gòu)、優(yōu)化選線方案及優(yōu)化輪軌接觸幾何特性等。通過對國內(nèi)外輪軌潤滑的分析，從經(jīng)濟性和實用性角度出發(fā)，有效保持輪緣-軌距面低摩擦系數(shù)(0.2或更低)和車輪踏面-軌頂面中等摩擦系數(shù)(0.3～0.4)，不僅可以有效延長輪軌的使用壽命，還可以有效節(jié)省人力、物力和財力，讓減緩輪軌磨損、提高列車行駛安全性變得簡便有效。

1 輪軌摩擦管理技術(shù)

輪軌摩擦管理方法主要包括潤滑材料及其配套設(shè)備的使用。根據(jù)潤滑材料的形態(tài)，可分為液體、固體及固-液-固等幾種材料；根據(jù)配套設(shè)備的使用方式，可分為車載式潤滑材料涂敷設(shè)備和道旁式潤滑材料涂敷設(shè)備。不同材料需要不同的配套設(shè)備，輪軌摩擦管理方法的優(yōu)劣不僅取決于潤滑材料性能的好壞，還取決于涂敷設(shè)備能否高效、準確地將材料涂覆于需要實施摩擦管理的部位。

從理論分析出發(fā)，列車在鋼軌上運行的過程中，車輪和鋼軌材料接觸面之間會產(chǎn)生一層介質(zhì)層，通常稱之為“第三介質(zhì)”[5]，如圖1所示。通過第三介質(zhì)可以完成輪軌間存在的較小的相對運動；與此同時，輪軌摩擦中蠕滑率與摩擦力的相互關(guān)聯(lián)取決于第三介質(zhì)中伴隨輪軌相對運動而隨之產(chǎn)生的剪切力的特性。由此可見，實施摩擦管理技術(shù)的本質(zhì)，就是選用合適的潤滑材料并通過配套裝置將其輸送到指定的位置，以達到改善第三介質(zhì)層摩擦環(huán)境的目的。

圖1 第三介質(zhì)層原理圖

依據(jù)鐵路列車運營方式，輪軌摩擦系數(shù)一般可分成3種類型：①在輪緣和軌距角接觸界面上保持低摩擦系數(shù)(0.2或更低)； ②在機車車輪踏面和鋼軌頂部接觸界面上保持中等摩擦系數(shù)(0.3～0.4)；③在機車車輪踏面和鋼軌頂部接觸界面保持高摩擦系數(shù)(0.4或更高)，增加機車粘著力，改善制動效果[6-8]，如圖2所示。

圖2 摩擦管理技術(shù)在輪軌間的應(yīng)用

2 輪軌摩擦管理技術(shù)的優(yōu)勢

2.1 提高運行安全性

列車行駛安全性與軌道之間的橫向力息息相關(guān)，列車在行駛過程中，特別是通過彎曲的軌道時，軌道會產(chǎn)生過大的橫向作用力，這些作用力的存在會損壞鐵路軌道的結(jié)構(gòu)和軌道扣件，從而引起內(nèi)外軌距離的改變、軌頭形變、軌底抬高和鋼軌傾覆等，這將增大列車脫軌的幾率，嚴重威脅到列車行駛安全。

通常，軌道橫向擴張力隨著輪軌接觸面之間摩擦系數(shù)的減小而變小，因此減小摩擦系數(shù)，不僅可以減小軌道橫向蠕滑力的大小，還會使軌道擴張力同步減小[9]，如圖3所示。因此，將軌頂摩擦系數(shù)降低到一個恰當?shù)乃骄褪菍嵤┠Σ凉芾砑夹g(shù)的核心所在，在該水平下不僅可以滿足列車黏著和制動的要求，還能有效減少橫向力及輪軌磨耗。與此同時，綜合考量車輪在經(jīng)過彎道時，由于內(nèi)外軌的半徑差，會與彎道外軌軌角接觸而形成內(nèi)外輪滾動半徑差，做好輪軌摩擦管理最佳的理念就是在實施軌頂摩擦控制(摩擦系數(shù)μ的取值大于0.3而小于0.4)的同時實施軌側(cè)潤滑保護(摩擦系數(shù)μ小于0.2)，以有效降低軌道橫向力，保證列車運行安全性，這已在加拿大太平洋鐵路實踐中得到證實。

圖3 轉(zhuǎn)向架通過曲線時前后輪軌接觸面上的受力狀況

圖4 曲線鋼軌波浪形磨耗

圖5 直線鋼軌波浪形磨耗

2.2 降低輪軌磨損

通常，輪軌磨損主要有車輪疲勞磨損和軌面波紋磨耗兩個部分[10]。車輪疲勞磨損重點表現(xiàn)為車輪踏面剝離、擦傷、輪緣磨耗等；軌面波紋磨耗(簡稱“波磨”)主要表現(xiàn)為在鋼軌軌頂面形成的高低不平現(xiàn)象，如圖4和圖5所示，其將導致輪軌系統(tǒng)發(fā)生復雜的動力響應(yīng)變化，嚴重干擾列車正常行駛的安全性和穩(wěn)定性，其中重載鐵路尤為嚴重。

實踐證明，摩擦管理技術(shù)在控制車輪和鋼軌的磨損上一直是行之有效的。其一，車輪輪緣/鋼軌側(cè)面之間的潤滑薄膜的存在會降低其摩擦系數(shù)，這樣使接觸面上的能量消耗也變少，那么輪緣磨損和鋼軌側(cè)磨也就隨之減少；其二，適當?shù)亟档蛙囕嗇喚?鋼軌頂面的摩擦系數(shù)，也能達到使車輪踏面和鋼軌頂面的磨損變小的目的。與此同時，通過軌頂摩擦控制技術(shù)還可以使列車在通過曲軌時的橫向作用力變小，從另一方面使輪緣和軌側(cè)的磨損減小[11]。

2.3 降低輪軌噪音

列車運行噪音始終是困擾人們的一個問題，研究結(jié)果表明，車輪嘯叫噪音源于曲線段鋼軌頂面和車輪踏面的摩擦及黏滑共同作用的結(jié)果[12]。軌道摩擦管理技術(shù)采用高正摩擦控制劑，其摩擦力可隨蠕滑率的增加而增大，以達到降低或消除車輪嘯叫噪音的目的。實踐證明，使用中高正或超高正摩擦控制劑所形成的薄膜，能使輪軌間達到中等或高等摩擦系數(shù)，從而保證在不降低牽引制動性能的情況下，大幅降低列車在曲線區(qū)段運行時的噪音。

2.4 降低機車能耗

眾所周知，機車能耗主要表現(xiàn)在產(chǎn)生牽引力上，以克服列車運行的阻力。列車阻力主要包括有滾動(驅(qū)動)阻力、曲線阻力、坡道阻力和風阻等[13]。其中，滾動阻力和曲線阻力的大小通常受輪軌界面摩擦水平的制約。因此，通過軌道摩擦管理技術(shù)科學有效地控制輪軌界面摩擦系數(shù)，能有效減少機車用于克服滾動阻力和曲線阻力的能源消耗，以創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益。

3 輪軌摩擦管理技術(shù)的應(yīng)用

3.1 車載軌距面固體潤滑技術(shù)

車載軌距面固體潤滑技術(shù)[14]，是一種直接涂覆技術(shù)。固體潤滑棒如圖6所示，通過車載裝置，使?jié)櫥粼谄漭敵龆丝谂c軌距面得以接觸，隨著列車的運動，能夠使?jié)櫥敉扛苍谥付ㄎ恢?，涂覆裝置如圖7所示。同時，也可以使?jié)櫥襞c軌距面不接觸，在不需要潤滑的直線區(qū)域就不會存在涂覆現(xiàn)象。依據(jù)線路及車速的變化，使固體潤滑裝置的控制系統(tǒng)來控制潤滑棒的涂覆量。

圖6 車載軌距面固體潤滑棒

圖7 車載軌距面固體涂覆裝置

車載軌距面固體潤滑技術(shù)同其他固體潤滑技術(shù)一樣，對輪軌具有很好的保護作用且原材料選用的是可生物降解材料，利于環(huán)保。但是使用完畢后，需要下車進行潤滑棒的更換，受到停車時間的限制。且直接涂覆裝置是直接涂覆于鋼軌軌距面，受機車行駛過程中穩(wěn)定性影響較大，所以對潤滑材料的材質(zhì)要求較高，通常采用外硬內(nèi)柔的復合型固體潤滑棒，外層控制棒的耐磨性能，內(nèi)層保證潤滑性能。

3.2 車載軌距面固-液-固潤滑技術(shù)

運用于車載軌距面的固-液-固潤滑技術(shù)[15]首先將如圖8所示的固體潤滑劑預(yù)熱融化，并將其裝入保溫桶，保持潤滑劑液體狀態(tài)；遇到需要潤滑劑的情況時，液體狀態(tài)的潤滑劑就通過齒輪泵從噴嘴噴出，潤滑劑就會粘覆在鋼軌軌距表面，溫度的變化使液體遇冷凝為固態(tài)，為鋼軌及后續(xù)通過的車輛提供良好的防護，涂覆裝置如圖9所示。

圖8 車載軌距面固-液-固潤滑材料

圖9 車載軌距面固-液-固涂覆裝置

車載軌距面固-液-固潤滑技術(shù)的優(yōu)點是其不受列車停車時間的影響，所用原料綠色環(huán)保，能夠有效減少輪軌磨損。該項技術(shù)的不足之處在于為了維持體系溫度，需要大功率設(shè)備來保持潤滑劑為液態(tài)，而且潤滑劑固態(tài)需要經(jīng)過地面預(yù)熱變?yōu)橐簯B(tài)，其操作相對比較繁雜，成本也相對較高，且潤滑劑只具有一般的承載能力。

3.3 車載軌距面油脂潤滑技術(shù)

車載軌距面油脂潤滑[16]涂覆裝置如圖10所示，包括預(yù)壓力儲油罐、手動噴射泵、油管和噴油嘴等部分。先將油脂裝入儲油罐，再使用氣筒給儲油罐增加壓力，在壓力下油脂進入手動噴射泵中從噴嘴噴出。當預(yù)先安排的列車進入站臺時，人為將涂油設(shè)備安裝完好。在到達需要噴涂潤滑油脂的地方，隨行人員手動按壓裝置噴射泵，使油脂噴射到對應(yīng)位置。完成該事項之后，需要進行裝置的拆除并隨返程車輛返回。

圖10 車載軌距面油脂潤滑涂覆裝置

車載軌距面油脂潤滑技術(shù)的優(yōu)點是其具有較大的噴射壓力，因此基本不會發(fā)生管道堵塞現(xiàn)象，且風力對其噴射影響較小。但具有油脂潤滑共同的缺點，易出現(xiàn)甩油、漏油現(xiàn)象，產(chǎn)生油楔，加速輪軌疲勞裂紋，導致其剝離掉塊。同時存在壓力不恒定，操作人員能力不同導致的差異，且往返拆卸等存在大強度的勞動。在噴涂的過程中車輛的振動等情況都會造成噴涂位置的偏差。同時，為了使油脂不會誤噴涂到輪軌踏面，通常使噴涂位置設(shè)置偏下，但是會導致軌距角位置噴涂不到足量的潤滑油脂。

圖11 道旁軌距面潤滑裝置

圖12 道旁軌距面應(yīng)用效果

3.4 道旁軌距面潤滑技術(shù)

道旁軌距面摩擦管理技術(shù)[17]在空曠開闊的環(huán)境中更適合。道旁軌距面潤滑裝置如圖11所示，包含太陽能供電系統(tǒng)、儲能(電池)單元、列車識別及控制單元、潤滑劑儲存器、機械傳送機構(gòu)和噴嘴。通過車輪探測器可以有效探測到每一個經(jīng)過的車輪，然后將信號傳給電子控制器，控制器可以根據(jù)車輪數(shù)量設(shè)定一定的噴涂時間與噴涂量，將潤滑材料涂于鋼軌軌距面，被車輪帶到遠方，實現(xiàn)輪緣-軌距面的潤滑保護，潤滑效果如圖12所示。

道旁軌距面摩擦管理技術(shù)可有效減少鋼軌磨損問題，涂覆位置較車載式更為準確，且設(shè)備維護方便。但與油脂潤滑類似，易產(chǎn)生油楔，加速輪軌疲勞裂紋，導致其剝離掉塊，且污染機車和線路環(huán)境，影響環(huán)保。

3.5 車載軌頂面液體摩擦管理技術(shù)

車載軌頂面液體摩擦管理技術(shù)在封閉、復雜環(huán)境(如隧道、山區(qū))中更適合，僅需要將涂覆裝置裝于列車尾部車廂即可。涂覆裝置如圖13所示，該裝置使用GPS全球定位，得到車輛、線路等相關(guān)信息，自主挑選合適的噴涂方案?？蓪崿F(xiàn)全自動噴涂，將噴涂材料涂于鋼軌軌頂，后面車輛經(jīng)過時，將其帶向遠方，這樣就可以實現(xiàn)全路段的摩擦控制。車載軌頂面液體摩擦管理技術(shù)適合大范圍的輪軌摩擦管理，在實際使用過程中能夠使摩擦系數(shù)維持在0.3～0.4之間，并且賦予正摩擦特性，可以有效減少鋼軌磨損，降低能耗。但是產(chǎn)品進口費用昂貴，設(shè)備維護繁瑣，且水性摩擦控制劑在低溫寒冷地區(qū)的使用效果不佳。

圖13 車載軌頂面液體摩擦控制涂覆裝置

3.6 道旁軌頂面摩擦管理技術(shù)

道旁軌頂面摩擦管理技術(shù)同道旁軌距面摩擦管理技術(shù)類似，摩擦控制裝置如圖14所示。當車輪經(jīng)過時，車輪探測器可以將信號傳給電子控制器，控制器可以設(shè)定每隔一定數(shù)量的車輪經(jīng)過時擠出一定的摩擦控制材料于鋼軌頂面上，經(jīng)過車輪的碾壓，實現(xiàn)踏面-軌頂面的摩擦控制管理。應(yīng)用效果如圖15所示，從手推摩擦計的檢測發(fā)現(xiàn)，干的薄膜可以被攜帶至250 m外的軌道。

圖14 道旁軌頂面摩擦控制裝置

圖15 道旁軌頂面摩擦控制應(yīng)用效果

道旁軌頂面摩擦管理技術(shù)可以有效降低噪音，抑制波磨的形成和增長，降低輪軌的橫向力,從而減少鋼軌扣件裝置的疲勞現(xiàn)象，降低列車的脫軌風險，延長車輪和鋼軌的使用壽命。但由于該技術(shù)購置成本較高，長期維護較困難。同車載式一樣，水性摩擦控制劑在低溫寒冷地區(qū)的使用效果有待提高。

4 結(jié)論

隨著高速重載鐵路的不斷發(fā)展，小半徑曲線區(qū)段的不斷增多，有效保持輪緣-軌距面低摩擦系數(shù)(0.2或更低)以及車輪踏面-軌頂面中等摩擦系數(shù)(0.3～0.4)，能夠有效提高列車行駛的可靠性和安全性，并帶來較大的經(jīng)濟社會效益。筆者分析了全面摩擦管理技術(shù)的優(yōu)勢和各潤滑技術(shù)在實際應(yīng)用過程中的優(yōu)缺點，為將來的研究發(fā)展提出了建議。隨著研究的深入，未來全面摩擦管理技術(shù)還需從以下幾個方面得到長足的進步和發(fā)展：①輪軌摩擦控制裝置向一體化、高效化和簡便化進行轉(zhuǎn)化；②摩擦控制材料應(yīng)在綜合固體潤滑與油脂潤滑各自優(yōu)勢的基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新開發(fā)；③加速探究軌頂面-車輪踏面和軌距角-車輪輪緣摩擦管理等課題。總之，開展全面摩擦管理技術(shù)及其應(yīng)用的研究具有重要的意義。

[1] 張念,童宗文,楊洪濱,等.輪軌踏面摩擦控制新技術(shù)[J].合成潤滑材料,2011,38(2):12-14.

[2] WANG W J,GUO J,LIU Q Y.Experimental study on wear and spalling behaviors of railway wheel[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2013，26(6):1243-1249.

[3] VUONG T T, MEEHAN P A. Wear transitions in a wear coefficient model[J].Wear,2009,266(9/10):898-906.

[4] 劉友存,韋菁,楊兆林.重載鐵路車輪磨耗和熱損傷問題綜述[J].安徽冶金,2015(3):60-64.

[5] 凱爾文·歐德勞,陸鑫.輪軌界面的優(yōu)化管理[J].中國鐵路,2014(6):102-105.

[6] SUDA Y, IWASA T, KOMINE H, et al. Development of onboard friction control[J].Wear,2005,258(7/8):1109-1114.

[7] 張信,胡萍,黃樟華,等.輪軌踏面摩擦控制劑制備及性能研究[J].華中師范大學學報(自然科學版),2016(2):253-257.

[8] LIAN R H, AMILCAR P N, RICHARD L T,et al. Modifying and managing the surface properties of polymers[J].Polymer International,2008,57(2):163-170.

[9] 凱爾文·歐德勞,陸鑫.通過輪軌界面摩擦管理降低軌道橫向力[J].中國鐵路,2014(8):93-96.

[10] 熊嘉陽,鄧永權(quán),曹亞博,等.重載鐵路輪軌磨耗及其對安全運行的影響[J].西南交通大學學報,2014(2):302-309.

[11] 陸鑫,凱爾文·歐德勞.通過輪軌界面的摩擦管理降低輪軌磨損[J].中國鐵路,2014(10):77-80.

[12] 湯明春.抑制快速列車的車輪尖嘯聲[J].國外機車車輛工藝,2006(4):35-36.

[13] 陸鑫,凱爾文·歐德勞.通過輪軌界面摩擦管理降低機車能耗[J].中國鐵路,2015(2):77-81.

[14] 侯永勝,張念.輪軌潤滑在京包鐵路線上的應(yīng)用效果[J].合成潤滑材料,2012，39(2):20-21.

[15] 徐春艷,孟憲洪.朔黃重載鐵路智能潤滑的實踐與應(yīng)用[J].神華科技,2012(6):86-89.

[16] 張念.我國鐵路輪軌潤滑技術(shù)的發(fā)展[J].中國鐵路,2009(9):38-43.

[17] 張銀花,周清躍,陳朝陽,等.北美重載鐵路鋼軌技術(shù)及發(fā)展趨勢[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督,2015，43(7):1-6.

ResearchonWheel-RailFrictionManagementTechnologyandItsApplication

XUFengsheng

Aiming at a series of huge losses caused by wheel-rail wear and train accidents at home and abroad, the author puts forward the idea of maintaining a low friction coefficient of the rail gauge (0.2 or less) and maintaining a medium friction coefficient on the top of the rail (0.3-0.4) is the best way to solve these problems The implementation of comprehensive friction management technology can effectively improve the safety of train operations, reduce the wear of wheel-rail, the noise of rail and energy consumption of locomotive. At the same time, it systematically introduced the existing various types of friction lubrication technology, analyzed the advantages and disadvantages in actual use, and put forward the direction of future improvements and enhancements.

wheel-rail wear; train accidents; friction management; safety

TH117.2

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.05.025

2095-3852(2017)05-0643-06

A

2017-04-30.

徐鳳生(1964-)，男，上海人，上海鐵路局高級工程師，主要研究方向為輪軌摩擦管理.

XUFengshengSenior Engineer; Shanghai Railway Administration, Shanghai 200071, China.