郭 剛，馬穎明

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081）

重載列車運(yùn)量的顯著增加，加速了軌道結(jié)構(gòu)損傷和線路狀態(tài)惡化，既有重載鐵路車輪和鋼軌磨耗加劇，特別是小半徑曲線鋼軌側(cè)磨速度增加，使更換側(cè)磨軌的頻率明顯上升。

北美鐵道協(xié)會(huì)在FAST環(huán)行線所進(jìn)行的試驗(yàn)表明，輪軌潤(rùn)滑狀態(tài)和干摩擦狀態(tài)相比，鋼軌側(cè)磨速率迅速下降，減磨效果可達(dá)到2～10倍，輪緣磨損減磨效果可達(dá)到3～5倍[1]。美國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)實(shí)踐表明，鋼軌采用涂油潤(rùn)滑技術(shù)后，機(jī)車能量消耗減少，最大可達(dá)30%，并且使重載列車的貨車和機(jī)車輪對(duì)磨削或更換數(shù)量分別減少30%和50%，線路（特別是曲線區(qū)段）鋼軌的使用年限延長(zhǎng)50%。加拿大CP鐵路公司采用軌頂潤(rùn)滑裝置5年，曲線區(qū)段鋼軌磨耗下降43%～58%，輪軌橫向力降低40%～45%[2]。北美重載鐵路輪軌摩擦控制目標(biāo)是：鋼軌軌角潤(rùn)滑以減小輪軌接觸的摩擦系數(shù)、磨耗和車輛通過(guò)曲線的阻力，摩擦系數(shù)控制在小于0.25以下；軌頂涂覆摩擦控制劑使軌頂摩擦系數(shù)控制在0.35～0.40之間，減小軌頂磨耗和輪軌橫向力，同時(shí)確保機(jī)車的粘著牽引力或制動(dòng)力不受影響。

我國(guó)重載鐵路已認(rèn)識(shí)到輪軌潤(rùn)滑是解決輪軌磨耗的重要技術(shù)措施，但由于我國(guó)鐵路管理體制和既有潤(rùn)滑技術(shù)上的多方面原因，使得目前我國(guó)重載鐵路摩擦控制技術(shù)研究較國(guó)外滯后。目前我國(guó)重載鐵路輪軌潤(rùn)滑的效果不能令人滿意，有機(jī)車輪緣潤(rùn)滑和地面或車載曲線鋼軌潤(rùn)滑，后者主要用于解決曲線區(qū)段輪緣磨耗、鋼軌軌頭側(cè)磨，二者在潤(rùn)滑劑材質(zhì)上差異較大，甚至出現(xiàn)互相矛盾的情形，效果極不平衡，更難以進(jìn)一步考慮輪軌摩擦控制。為了緩解上述現(xiàn)象，朔黃鐵路使用了摩擦控制技術(shù)和地面摩擦控制產(chǎn)品，試用后表明該技術(shù)可行、有效。為進(jìn)一步使用車載摩擦控制產(chǎn)品，特別需要對(duì)摩擦控制技術(shù)進(jìn)行全面深入的測(cè)試[3-5]。

1 試驗(yàn)情況概述

1.1 試驗(yàn)列車

（1）制動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)用機(jī)車為SS4B型機(jī)車，該型機(jī)車為8軸貨運(yùn)電力機(jī)車，是我國(guó)第3代（無(wú)級(jí)調(diào)速、交直傳動(dòng)）相控機(jī)車，繼承了SS4型、SS4改型機(jī)車的經(jīng)驗(yàn)并作了進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)；試驗(yàn)貨車為54輛C80運(yùn)煤專用敞車。

（2）軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)

試驗(yàn)用機(jī)車車輛為通過(guò)測(cè)試工點(diǎn)的摩擦控制列車，主要機(jī)車類型為SS4B，主要車輛類型有C64、C70、C80。

1.2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)和主要工況

（1）制動(dòng)試驗(yàn)

通過(guò)在朔黃鐵路針對(duì)摩擦控制技術(shù)和產(chǎn)品應(yīng)用效果開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究與評(píng)估摩擦系數(shù)變化對(duì)列車制動(dòng)性能的影響。

制動(dòng)線路和編組[6]情況如表1所示。

表1 制動(dòng)測(cè)試方案

測(cè)試時(shí)，制動(dòng)初速：65±2 km/h；常用全制動(dòng)：最大減壓量170 kPa。

（2）軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)

通過(guò)在朔黃鐵路針對(duì)摩擦控制實(shí)施措施應(yīng)用效果開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，選擇有代表性的工點(diǎn)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，選取的小半徑曲線測(cè)試工點(diǎn)如表2所示。

2 制動(dòng)試驗(yàn)

2.1 測(cè)試方式

（1）在采用摩擦控制技術(shù)及產(chǎn)品之前，開(kāi)展原有狀態(tài)下列車制動(dòng)（最大常用制動(dòng)）測(cè)試，共測(cè)試4趟，采集列車制動(dòng)距離。

表2 軌道動(dòng)力測(cè)試工點(diǎn)

（2）采用摩擦控制技術(shù)及產(chǎn)品之后，對(duì)測(cè)試列車（施加摩擦控制的列車）共進(jìn)行4趟制動(dòng)測(cè)試（最大常用制動(dòng)），采集列車制動(dòng)距離。

（3）將施加摩擦控制技術(shù)前后采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，確定其對(duì)列車制動(dòng)產(chǎn)生的影響。

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

（1）重車編組

重車編組在K172、K386處進(jìn)行常用全制動(dòng)，K172處為11.4‰～11.7‰坡道，具體描述，列車自制動(dòng)開(kāi)始至停車為止，全列車一直位于長(zhǎng)大下坡道上；K386處為平直道，全列車均行駛到平直道上后實(shí)施制動(dòng)，至全列車停止行駛為止，列車始終位于平直道上。在原有狀態(tài)下列車實(shí)施最大常用全制動(dòng)，所得測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 重車編組原有狀態(tài)下制動(dòng)距離

采用摩擦控制技術(shù)及產(chǎn)品之后，列車實(shí)施最大常用制動(dòng)，所得測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 重車編組采用摩擦控制技術(shù)及產(chǎn)品之后制動(dòng)距離

在原有狀態(tài)下，重車編組在K172+100處常用全制動(dòng)的制動(dòng)距離平均值為927 m，在K386+900處常用全制動(dòng)的制動(dòng)距離平均值為623.5 m；采用摩擦控制技術(shù)后，重車編組在K172+100處常用全制動(dòng)的制動(dòng)距離平均值為924.5 m，在K386+900處常用全制動(dòng)的制動(dòng)距離平均值為644.5 m。

由于制動(dòng)試驗(yàn)存在一定的隨機(jī)性，即使同一工況下各次的制動(dòng)距離仍有差異，從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，重車編組試驗(yàn)本身的誤差約在4%以內(nèi)。

對(duì)比采用摩擦控制技術(shù)及產(chǎn)品前后，各車次在K172、K386處的制動(dòng)結(jié)果，其制動(dòng)距離的平均值相差不超過(guò)3.4%。故采用摩擦控制技術(shù)及產(chǎn)品前后，重車編組列車制動(dòng)性能基本一致。

（2）空車編組

SS4B+54×C80空車編組僅在K241+800平直道處進(jìn)行常用全制動(dòng)，全列車均行駛到平直道上后實(shí)施制動(dòng)，至全列車停止行駛為止，列車始終位于平直道上。在原有狀態(tài)下列車實(shí)施最大常用制動(dòng)，所得測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 空車編組原有狀態(tài)下制動(dòng)距離

采用摩擦控制技術(shù)及產(chǎn)品之后，列車實(shí)施最大常用制動(dòng)，所得測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 空車編組采用摩擦控制技術(shù)及產(chǎn)品之后制動(dòng)距離

在原有狀態(tài)下，SS4B+54×C80空車編組在K241+800處進(jìn)行常用全制動(dòng)，制動(dòng)距離的平均值為553 m；采用摩擦控制技術(shù)及產(chǎn)品之后，空車編組在K241+800處進(jìn)行常用全制動(dòng)，制動(dòng)距離的平均值為573 m。

由于制動(dòng)試驗(yàn)存在一定的隨機(jī)性，即使同一工況下各次的制動(dòng)距離仍有差異，從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，空車編組試驗(yàn)本身的誤差約在6%以內(nèi)。

對(duì)比采用摩擦控制技術(shù)及產(chǎn)品前后，各車次在K241處的制動(dòng)結(jié)果，其制動(dòng)距離平均值相差3.6%。

3 軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案及標(biāo)準(zhǔn)

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心于2014年11月10日～11月26日在以上3個(gè)小半徑曲線地段選擇了3個(gè)里程點(diǎn)作為測(cè)試設(shè)備布置點(diǎn)，具體里程分別為K64+350、K55+500和K18+450?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了軌頂摩擦控制狀態(tài)（軌頂涂覆摩擦調(diào)節(jié)劑）、干燥狀態(tài)（不使用摩擦控制產(chǎn)品）運(yùn)營(yíng)列車通過(guò)時(shí)的軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，摩擦控制列車、運(yùn)營(yíng)列車均以正常運(yùn)營(yíng)速度通過(guò)各測(cè)試地點(diǎn)，不做特殊限定，摩擦控制列車在2014年11月16日～11月24日每天有兩趟或3趟通過(guò)，采集到的摩擦控制列車共計(jì)14趟，車輛類型主要包括C64、C70和C80，機(jī)車車型均為韶山4B，安排為車號(hào)177、172和209的3輛裝有摩擦控制裝置的機(jī)車來(lái)完成軌頂摩擦控制涂覆任務(wù)。測(cè)試項(xiàng)目如下：

軌道結(jié)構(gòu)安全性：輪軌垂直力、輪軌橫向力布置1個(gè)斷面；

軌頭橫移：上下股各布置1個(gè)斷面軌頭橫移測(cè)點(diǎn)；

鋼軌垂移：上下股各布置1個(gè)鋼軌垂向位移測(cè)點(diǎn)；

軌枕垂移和橫移：各布置1個(gè)軌枕斷面測(cè)量垂、橫向位移。

評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)貨車運(yùn)行安全性標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范等，形成本次檢測(cè)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如表7所示[7-8]。

表7 軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)檢測(cè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)一覽表

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

下面以K18+500里程點(diǎn)小半徑曲線動(dòng)力測(cè)試結(jié)果為例，將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

（1）C64、C70、C80這3種車型在通過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)速度很難保證完全一致，故將車速分為3個(gè)范圍：50～55 km/h、55～60 km/h、 60～65 km/h，再對(duì)車輛的脫軌系數(shù)、減載率、輪軸橫向力進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。車輛安全性測(cè)試主要結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 兩種狀態(tài)的脫軌系數(shù)、減載率對(duì)比柱形圖（C80，V=50～55 km/h）

圖2 兩種狀態(tài)的脫軌系數(shù)、減載率對(duì)比柱形圖（C70 ，V=50～55 km/h）

圖3 兩種狀態(tài)的輪軸橫向力對(duì)比柱形圖（C70 ，V=50～55 km/h）

采用輪軌摩擦控制技術(shù)，3種車型的運(yùn)行安全性指標(biāo)都發(fā)生了變化，其中輪軸橫向力發(fā)生了較小程度的減小，最大減少幅度為6.14%，數(shù)值從16.19 kN減少到15.20 kN，工況為C70貨車在速度50～55 km/h區(qū)間通過(guò)；內(nèi)軌輪重減載率也發(fā)生了減少但幅度不明顯，外軌輪重減載率普遍增大，最大增加幅度達(dá)到33.33%，數(shù)值從0.27增大到0.36，但最大值仍遠(yuǎn)低于安全限值的要求；內(nèi)、外軌脫軌系數(shù)基本上都得到了減少，最大減少幅度為23.4%。

（2）根據(jù)C64、C70、C80這3種車型在50～55 km/h、55～60 km/h、 60～65 km/h車速范圍下分別通過(guò)K18+500地面測(cè)點(diǎn)時(shí)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，對(duì)輪軌垂、橫向力平均值進(jìn)行對(duì)比分析。主要結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4 兩種狀態(tài)的輪軌垂/橫向力最大值對(duì)比柱形圖（C64，V=50～55 km/h）

圖5 兩種狀態(tài)的輪軌垂/橫向力最大值對(duì)比柱形圖（C80，V=50～55 km/h）

圖6 兩種狀態(tài)的輪軌垂/橫向力最大值對(duì)比柱形圖（C70，V=55～60 km/h）

圖7 兩種狀態(tài)的輪軌垂/橫向力平均值對(duì)比柱形圖（C70，V=50～55 km/h）

采用輪軌摩擦控制技術(shù)，3種車型的輪軌垂/橫向力最大值、平均值都發(fā)生了變化，其中輪軌垂向力雖然個(gè)別數(shù)值會(huì)有小幅度的減少（這主要是由于速度、超高等綜合因素造成的），但整體趨勢(shì)上呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，輪軌垂向力最大值、平均值最大增幅分別為7.97%、8.46%；輪軌橫向力無(wú)論最大值還是平均值趨勢(shì)均明顯呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，橫向力最大值減幅最大為31.70%、橫向力平均值減幅最大為21.62%。

（3）根據(jù)C64、C70、C80這3種車型在50～55 km/h、55～60 km/h、 60～65 km/h車速范圍下分別通過(guò)K18+500地面測(cè)點(diǎn)時(shí)所測(cè)得兩種狀態(tài)下軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)變形數(shù)據(jù)，每種狀態(tài)按速度范圍各取平均值進(jìn)行對(duì)比分析。主要結(jié)果如圖8～圖12所示。

圖8 兩種狀態(tài)的軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)變形最大值對(duì)比柱形圖（C70，速度50～55 km/h）

圖9 兩種狀態(tài)的軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)變形平均值對(duì)比柱形圖（C70，速度50～55 km/h）

圖10 兩種狀態(tài)的軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)變形最大值對(duì)比柱形圖（C64，速度55～60 km/h）

圖11 兩種狀態(tài)的軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)變形平均值對(duì)比柱形圖（C64，速度60～65 km/h）

圖12 兩種狀態(tài)的軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)變形最大值對(duì)比柱形圖（C70，速度55～60 km/h）

由以上測(cè)試結(jié)果可得，采用輪軌摩擦控制技術(shù)，三種車型的軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)變形都發(fā)生了變化，鋼軌垂向變形、軌枕垂向變形基本上都呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，鋼軌垂向變形最大值、平均值最大增加幅度分別為19.77%、32.26%，軌枕垂向變形最大值、平均值最大增加幅度分別為20.17%、11.11%；鋼軌橫向變形、軌枕橫向變形均呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，鋼軌橫向變形最大值、平均值最大減小幅度分別為21.62%、44.82%，軌枕橫向變形最大值、平均值最大減小幅度分別為23.81%、38.71%。

（4）摩擦狀態(tài)控制作用范圍。以K18+500里程測(cè)點(diǎn)為例，根據(jù)朔黃鐵路公司提供的運(yùn)營(yíng)情況表，統(tǒng)計(jì)出涂覆摩擦調(diào)節(jié)劑列車編組車型基本上均為C80和C64兩種，通過(guò)對(duì)比以上兩種車型的輪軌垂/橫向力變化規(guī)律，分析得出軌頂摩擦控制狀態(tài)持續(xù)作用范圍。如圖13、圖14所示。

車載涂覆設(shè)備列車通過(guò)后橫向力有個(gè)漸變的過(guò)程，接下來(lái)的2～3趟車的控制摩擦和降低橫向力的效果還是具有一定效果的。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖13 C80不同趟次輪軌橫向力變化均值

圖14 C80不同趟次輪軌垂向力變化均值

在干燥軌面的條件下，通過(guò)采用摩擦控制技術(shù)及產(chǎn)品前后的制動(dòng)對(duì)比試驗(yàn)，空重車編組制動(dòng)性能基本一致，重車制動(dòng)距離的平均值相差不超過(guò)3.4%，空車制動(dòng)距離的平均值相差不超過(guò)3.6%。

采用輪軌摩擦控制技術(shù)，輪軌橫向力減幅程度普遍在10%～40%范圍內(nèi)波動(dòng)，輪軸橫向力減幅程度普遍在5%～30%范圍內(nèi)波動(dòng)；脫軌系數(shù)、輪重減載率最大數(shù)值均未超過(guò)安全限值；鋼軌、軌枕的橫向變形得到了減少，鋼軌、軌枕垂向變形則增大。

通過(guò)對(duì)鋼軌涂覆摩擦調(diào)節(jié)劑后5～6趟車輛經(jīng)過(guò)時(shí)的動(dòng)力特性變化規(guī)律分析，結(jié)果表明 ，涂覆摩擦調(diào)節(jié)劑列車和后續(xù)4列車均可產(chǎn)生橫向力降低的效果。其中，涂覆列車本身車輛的輪軌橫向力降低作用效果最好，其余車次降幅效果依次遞減，第4趟列車之后的減幅效果不再明顯。

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

[2] 錢(qián)立新.世界鐵路重載運(yùn)輸技術(shù)的最新進(jìn)展[J].世界軌道交通，2007（12）：20-23.

[3] 耿志修.大秦鐵路重載運(yùn)輸技術(shù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2009.

[4] 張弛易.重載鐵路隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析[D].成都：西南交通大學(xué)， 2012.

[5] П.T.格列別紐克.超重列車制動(dòng)動(dòng)力學(xué)[M]. 陳方昌，樊連波，譯. 北京：中國(guó)鐵道出版社，1984.

[6] 中國(guó)鐵路總公司. 鐵路技術(shù)管理規(guī)程（普速鐵路部分）[S].北京：中國(guó)鐵路總公司，2014：69-89.

[7] 原鐵道部標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所.鐵道機(jī)車動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)鑒定方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)：TB/T2360-93 [S].北京：鐵道部標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，1994：861-863.

[8] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局. 鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定：GB5599-1985[S].北京：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局，1986：3-4.