鋼軌綜合摩擦控制對于輪軌磨耗的影響研究*

李 磊, 李 芾, 丁軍君, 梁駿宇

(西南交通大學 機械工程學院， 四川成都 610031)

綜合技術研究

鋼軌綜合摩擦控制對于輪軌磨耗的影響研究*

李 磊, 李 芾, 丁軍君, 梁駿宇

(西南交通大學 機械工程學院， 四川成都 610031)

減小輪軌磨耗是提高輪軌使用壽命、降低運營成本的有效方法，而輪軌摩擦系數是影響輪軌磨耗的重要因素。在SIMPACK軟件中建立C80多體動力學車輛模型，利用計算機仿真研究方法對輪軌綜合摩擦控制對于輪軌磨耗的影響進行研究。結果表明，在直線區段不建議采用輪軌潤滑作業，而在曲線區段建議采用軌頂、軌側綜合摩擦系數控制方法進行涂敷作業，且軌頂、軌側適當摩擦系數配比的異步潤滑模式具有較好的輪軌減磨效果。

輪軌磨耗； 摩擦控制； 輪軌潤滑

在鐵路運輸系統中，鋼軌和車輪的使用壽命與維修周期主要由輪軌磨耗和輪軌接觸疲勞決定，輪軌磨耗問題是發展重載貨運亟待解決的問題。減少輪軌磨耗的主要途徑有以下3方面：(1)輪軌材質合理匹配(2)車輛參數與線路參數合理匹配(3)輪軌潤滑，進行輪軌摩擦控制。

國內外研究表明，輪軌潤滑和軌面摩擦控制是減緩輪軌磨耗的有效措施[1]，能夠有效減少輪緣及軌側的磨損以延長鋼軌壽命。美國鐵路協會在FAST環線上試驗結果也表明，輪軌潤滑減磨效果可達2—10倍[2]。我國大秦鐵路和部分鐵路局已經開始輪軌潤滑技術的運用與研究，輪軌潤滑取得了良好的減磨效果[3]；但輪軌潤滑作業中涂覆需要進行嚴格控制，否則反而會加劇輪軌磨耗問題[4]。我國鐵路工務部門一般采用軌距角處涂覆的方式，降低輪緣與軌距角處的摩擦系數來降低輪軌磨耗，為了不影響列車黏著牽引力的正常發揮，對鋼軌軌頂不采取潤滑措施。近年來，國外學者提出了軌頂摩擦控制的管理理念，期望將輪軌摩擦系數保持在較為理想的水平，以減緩輪軌傷損的萌生和發展[5-6]。國內也有學者針對軌側、軌頂綜合摩擦控制對于曲線通過性能的影響加以研究，得出綜合摩擦控制可以獲得良好的曲線通過性能，減小了接觸斑處的磨耗速率[7],以上的研究中并沒有系統的分析鋼軌綜合摩擦控制對于輪軌磨耗的影響，故本文就如何進行科學合理的綜合摩擦控制進行研究。

1 輪軌磨耗評定指標

鑒于輪軌磨耗機理復雜，各國鐵路線路條件，列車運營條件的差異性大，目前國內外都沒有統一公認的輪軌磨耗評定指標[8]。以下是幾種常見的輪軌磨耗評價指標：

(1) Heumann磨耗指數

Heumann磨耗指數是用摩擦中心法評估輪軌磨耗率的指標，即WH=μFfα其中Ff是輪軌摩擦系數，Ff是輪緣力即輪軌摩擦力和法向力在輪軌橫向投影的代數和；α是輪軌沖角。

該模型未考慮輪軌側向接觸點的具體位置，不能反映出不同輪軌廓型對磨耗的影響，當α=0時該式就不能使用。

(2) Elkins磨耗指數

即式中Tx,Ty分別為輪軌接觸斑處的縱向和橫向蠕滑力；?x,?y分別為輪軌接觸斑處的縱向和橫向蠕滑率。Elkins磨耗指數是英國鐵路在非線性曲線通過研究的基礎上，通過輪軌接觸面上能量耗散理論分析和試驗測定所提出的磨耗指數的一種，英國Deby研究中心和美國ARR試驗中心在大量試驗后，均證實該磨耗指數可以較為準確的反映磨耗規律[9]。

(3) 磨耗功

磨耗功也稱磨耗功率，是指單位時間或行走里程車輪踏面和鋼軌頂面之間的磨耗程度，即

其μ是輪軌接觸面的摩擦系數;TxTy分別為輪軌接觸斑處的縱向和橫向蠕滑力；?x?y分別為輪軌接觸斑處的縱向和橫向蠕滑率；A為接觸斑的面積；μ/0.6是對Kalker蠕滑系數的修正。

輪軌磨耗功主要體現輪軌間蠕滑程度的大小，反映出車輪踏面和鋼軌軌頂面的磨耗。

(4) 輪軌橫向力和沖角

通過潤滑降低輪軌摩擦系數能夠有效的降低磨耗功，這對降低輪軌磨耗非常有利，但是當輪軌摩擦系數降低到一定數值后反而會使得輪軌橫向力、輪軌沖角增大，而這就對降低輪軌磨耗不利。因此輪軌沖角和輪軌橫向力也是重要的衡量輪軌磨耗的指標之一。

本文選取Elkins磨耗指數和磨耗功作為輪軌磨耗的評定指標，同時需要綜合考慮輪軌橫向力和輪軌沖角兩個參量對輪軌磨耗的影響。

2 輪軌潤滑模式

在輪軌系統運行過程中，輪軌接觸點位置隨運行過程而實時發生變化；輪軌接觸軌跡線如圖1所示，輪軌接觸有一點接觸和兩點接觸兩種工況，通常情況下，車輪與鋼軌僅發生一點接觸，輪軌磨耗主要發生在車輪踏面和軌頂面之間；在發生輪緣貼靠時，就有可能出現兩點接觸的現象，此時輪緣與軌側也會發生磨耗。因此在進行輪軌潤滑時必須要考慮軌頂的摩擦系數控制。

圖1 輪軌接觸軌跡線

按照輪軌潤滑時，鋼軌軌頂、軌側的摩擦系數設置情況，在本研究中將輪軌潤滑分為軌頂、軌側同步潤滑模式和異步潤滑模式。同步潤滑，即使用同種潤滑劑對軌頂面、軌側面同時均勻涂覆，保證軌頂、軌側具有一致的摩擦系數，如圖2所示。

圖2 同步潤滑模式摩擦系數分布

而異步潤滑模式，即軌頂面和軌側面具備不同的摩擦系數，如圖3所示，圖中軌頂摩擦系數為0.4，軌側摩擦系數為0.1，考慮實際潤滑作業時并無絕對分界線，且為了避免在計算機積分時出現奇異，輪緣和踏面分界線附近設置了5 mm寬的摩擦系數線性過渡區；該潤滑模式也包括了軌側摩擦系數控制(圖3)、軌頂摩擦系數控制兩種特殊工況；而同步潤滑和異步潤滑結合起來就稱之為綜合摩擦控制。

圖3 異步潤滑模式摩擦系數分布(μT=0.4，μs=0.1)

3 計算機仿真模型及計算結果

3.1 多體動力學模型

運用SIMPACK多體動力學軟件，建立重載鐵路運輸常用的C80運煤敞車仿真模型，如圖4所示。建模中貨車被視作剛體、多自由度的系統。貨車模型采用鑄鋼3大件式ZK6型轉向架，并通過軟件前處理功能，導入LM型車輪踏面和國內60 kg/m的鋼軌，為了最大程度模擬實際運營中的磨耗效應，采用重車模型，其滿載時車重為90.3 t。

圖4 C80貨車多體動力學模型

3.2 仿真結果

3.2.1 直線鋼軌潤滑方式研究

直線區段選取的線路參數：軌道長度為1 000 m,軌底坡為1∶40，在50～1 000 m區段添加軌道激擾，所選取的軌道激擾為美國五級軌道不平順譜,車輛運行速度為80 km/h。與此同時在直線區段分別采用同步潤滑模式和異步潤滑模式進行仿真研究。

(1) 同步潤滑模式

直線區段進行同步潤滑的仿真結果如表1所示。隨著輪軌摩擦系數的增大，各評價指標隨之變化，但沒有顯著的相關關系；當輪軌摩擦系數介于0.2至0.5之間時，五項評價指標數值基本保持在穩定范圍內；而當摩擦系數為0.1時，輪對沖角、輪軌橫向力、輪軌磨耗功、愛因斯磨耗指數數值均為最小，同時具有較低的脫軌系數，即在該工況下輪軌磨耗量顯著降低，但為保證直線線路上正常發揮黏著牽引力，不建議采用該種輪軌潤滑方式。

表1 直線區段不同摩擦系數條件下的評定指標

(2) 異步潤滑模式

鋼軌軌面在干燥狀態下，其摩擦系數約為0.4[10]，在異步潤滑仿真分析中，軌面摩擦系數設置為0.4，軌側摩擦系數取值如圖5所示,鋼軌摩擦系數分布如圖3所示。在該潤滑工況下，隨著軌側摩擦系數的增加，輪軌橫向力在逐漸減小但是變化不顯著；與此同時，輪軌磨耗功與愛因斯磨耗指數則隨著軌側摩擦系數的增加而減小，但其數值變化范圍較小，磨耗功變化0.51%而愛因斯磨耗指數變化2.27%。考慮到軌道激擾對仿真結果的影響，可以認為在該區段軌側摩擦系數的變化對輪軌磨耗沒有顯著的影響。

綜上所述，在直線區段采用軌頂、軌側綜合摩擦控制策略對于降低輪軌磨耗并沒有顯著的作用，同時將有可能影響到牽引力的有效發揮，故在正常線路條件的直線區段不建議采用輪軌潤滑作業。

3.2.2 曲線鋼軌潤滑方式研究

曲線區段選取線路參數：圓曲線半徑R=400 m,緩和曲線長度Ls=70 m,曲線超高為120 mm，全線長度為645 m,軌底坡為1∶40，曲線通過速度為80 km/h，欠超高量為68 mm,在該線路50～500 m處添加美國五級軌道不平順譜。

(1) 同步潤滑模式

首先對輪軌接觸面采用同步潤滑模式，輪軌摩擦系數工況設置如圖6所示，結果表明：隨著輪軌摩擦系數的增大，輪對沖角和輪軌橫向力隨之減小；愛因斯磨耗指數和磨耗功則隨之增大；輪重減載率和脫軌系數無明顯變化，其數值基本保持穩定水平。

圖5 直線區段不同軌側摩擦系數下的評定指標(軌頂μ=0.4)

在該潤滑模式下，各工況輪重減載率指標和脫軌系數指標均滿足GB 5599-1985中要求的限界值，但標準中并未考慮到摩擦系數對脫軌系數和輪重減載率臨界值的影響，需要進一步加以驗證。

由Nadal公式(式1)可知脫軌系數限值隨輪軌摩擦系數的變化而變，圖7是當輪緣角為68°時脫軌系數臨界值隨著摩擦系數的變化趨勢，顯然該潤滑模式下各工況均滿足脫軌安全性要求。

輪重減載率限值也與摩擦系數有關，其限值如表2所示，根據該限值與各工況下減載率值對比可知，該潤滑模式下輪重減載率符合安全要求。

圖6 R=400 m曲線區段不同摩擦系

圖7 脫軌系數臨界值與摩擦系數的關系

α0.200.250.300.3568°0.750.680.610.5369°0.760.690.620.5570°0.770.700.630.56

綜合考慮輪對沖角、輪軌橫向力、愛因斯磨耗系數、輪軌摩擦功率對輪軌實際磨耗的影響，以及黏著牽引力的有效發揮，建議若在曲線上采用同步潤滑模式時，摩擦系數控制在0.3～0.4之間為宜。

(2) 異步潤滑模式

異步潤滑仿真對比分析中，鋼軌軌頂摩擦系數分別取0.4(軌頂不潤滑)和0.3，軌側摩擦系數從0.05以0.05為步長變化至0.5，摩擦系數工況設置如圖8和圖9所示。

①軌頂不潤滑、軌側潤滑模式(軌頂摩擦系數μT=0.4)

在軌頂不潤滑、軌側潤滑的異步潤滑仿真分析中，由圖8分析可知：隨著軌側摩擦系數的增大，輪對沖角、輪軌橫向力隨之減小，而輪軌摩擦功率和愛因斯磨耗指數隨之增加，輪重減載率基本保持在0.28～0.31的范圍內，脫軌系數則隨著軌側摩擦系數的增大而減小，而在同步潤滑模式中脫軌系數則無明顯的變化趨勢。而各工況輪重減載率指標和脫軌系數指標均滿足GB 5599-1985中的要求，即采用該潤滑模式時運行安全性滿足規范要求。

由于軌面不采取任何潤滑措施即μT=0.4使得軌側潤滑對牽引力的發揮沒有負面影響，綜合考慮各指標對輪軌實際磨耗的影響，建議在采用僅軌側潤滑的模式下，軌側摩擦系數取0.15～0.25之間。

②軌頂、軌側異步潤滑模式(軌頂摩擦系數μT=0.3)

圖8 R=400 m曲線區段不同摩擦系數條件下的評定指標(μT=0.4)

在本組仿真試驗中軌頂摩擦系數設置為0.3，軌側摩擦系數取值與軌頂不潤滑、軌側潤滑模式相同。由圖9分析可知，當軌頂摩擦系數為0.3時，隨著軌側摩擦系數的增大，各指標變化規律與軌頂不潤滑、軌側潤滑模式得出的規律一致。

圖9 R=400 m曲線區段不同摩擦系數條件下的評定指標(μT=0.3)

綜合考慮沖角、輪軌橫向力、愛因斯磨耗系數、輪軌摩擦功率對輪軌實際磨耗的影響，建議在軌頂、軌側異步潤滑的模式下，軌側摩擦系數取值在0.05～0.20之間為宜。

3.2.3 仿真結果對比分析

為確定曲線上的輪軌最佳潤滑模式，將同步潤滑模式和異步潤滑模式典型工況列于表3中。在同步潤滑工況下，當摩擦系數從0.4降低至0.3時輪軌磨耗功和愛因斯磨耗指數均降低了5.73% ，而輪對沖角增大13.08%，輪軌橫向力增大9.86%，降低輪軌磨耗效果不明顯；在同步潤滑與異步潤滑對比分析時，當異步潤滑模式下軌側摩擦系數為0.25時，其輪軌磨耗功和愛因斯磨耗指數與同步潤滑模式相比分別降低了1.16%和1.17%，而輪對沖角增大17.76%，輪軌橫向力增大6.34%，減磨效果不顯著；在異步潤滑兩種工況的對比分析中發現，軌頂、軌側異步潤滑模式(μT=0.3，μS=0.25)與軌頂不潤滑、軌側潤滑模式(μT=0.4，μS=0.25)相比，輪軌磨耗功和愛因斯磨耗指數分別降低了13.51%和13.52%，而輪對沖角增大21.27%，輪軌橫向力增大10.42%，減磨效果明顯。

綜上所述，在曲線區段采用同步潤滑模式時，通過降低輪軌摩擦系數的方式來降低輪軌磨耗的效果并不顯著，不建議在曲線區段采用軌頂、軌側同步潤滑模式，這一結論與直線區段得出的結論一致；由異步潤滑兩種模式仿真結果的對比可以發現，軌頂、軌側適當配比的異步潤滑具有較好的輪軌減磨效果。

表3 R=400 m曲線區段不同潤滑模式下的輪軌磨耗對比

4 結 論

(1) 在直線區段輪軌潤滑對于降低輪軌磨耗沒有顯著的作用，同時將有可能影響黏著牽引力的有效發揮，故在正常線路條件的直線區段不建議采用輪軌潤滑作業。

(2) 在曲線區段，采用同步潤滑模式時通過降低輪軌摩擦系數的方法來降低輪軌磨耗的效果并不顯著，不建議在曲線區段采用軌頂、軌側同步潤滑模式；考慮到輪對沖角、輪軌橫向力、愛因斯磨耗系數、輪軌摩擦功率對輪軌實際磨耗的影響，同時保證有效地發揮黏著力，在異步潤滑的模式下，當軌頂摩擦系數取0.3時，軌側摩擦系數取值在0.05～0.20之間較為合理。綜合比較而言，軌頂、軌側適當配比的異步潤滑模式具有較好的輪軌減磨效果。

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Research on the Influnence of Comprehensive Friction Controlon to Wheel-rail Wear

LILei,LIFu,DINGJunjun,LIANGJunyu

(School of Mechanical Engineering , Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 Sichuan, China)

Reducing wheel-rail wear is the effective way to improve the life of the wheel-rail and reduce operating costs, at the same time, wheel-rail friction coefficients is the significant impact element of wheel and rail wear. Setting multi-body dynamics model of C80 vehicle on the SIMPACK software, study the impact of comprehensive friction control on tread and side track about wheel-rail wear by computer simulation methods. The results showed that in the straight section wheel-rail lubrication job is not recommended, but in the curve section comprehensive friction control on both tread and side track is recommended to lubricate, Asynchronous lubrication method with properly friction coefficient ratio of tread and side track has a good effect on grinding wheel and rail.

wheel-rail wear; friction control; wheel-rail lubrication

1008-7842 (2015) 06-0001-06

*國家自然科學基金資助項目(51305359)；中國博士后科學基金資助項目(2013M542291);中央高校基本科研業務費專項資金資助(2682014BR020)

男，碩士研究生(

2015-04-28)

U211.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.06.01