摘要：近年来重载铁路的不断发展，在运输能力提高的同时也带来了轮轨相互作用增强、钢轨过度磨耗以及轨道结构变形等一系列问题。为解决上述一系列问题，全面摩擦控制的理念被提出和引入。本文就全面摩擦控制设计了在运营重载线路上的一次全面摩擦控制试验，介绍了试验的进程和结果，并对后续全面摩擦控制的应用提出指导和建议。
关键词：重载铁路，全面摩擦控制，摩擦系数，轮轨作用力，钢轨磨耗
随着经济全球化的发展和工业化进程的加速，区域间经济合作的发展。大宗原材料和工业品的运输需求快速增长，重载铁路也得到了长足的发展，大轴重、长编组以及大密度已经成为国际重载铁路发展的一个必然趋势。随着轴重、运行速度、牵引质量、编组密度、年运量等指标的逐渐提高，轮轨的相互作用力加大，轮轨间的工作环境恶化导致了严重的钢轨伤损、磨耗以及轨道结构状态的恶化。不但造成了巨大的经济损失，影响了列车的安全运行并加重了线路养护维修以及车辆保养的工作量，降低了车辆以及线路运转的效率，成为制约我国重载铁路运输进一步发展的瓶颈之一[1]。采取有效措施缓解轮轨间过于强烈的磨耗和损伤对于重载铁路运营效率的提升以及运营成本的降低具有重要意义。
延长轮轨的使用寿命，降低轮轨间磨耗与损伤主要途径有优化轮轨材质、强化轨道结构及优化线型、优化轮轨接触几何特性、控制轮轨间摩擦特性等几种途径。传统的轮轨间摩擦控制仅针对轨距角来进行润滑，通过车载或者轨旁设备施加油脂或摩擦控制剂来尽可能降低轨距角摩擦系数以降低小半径曲线钢轨磨耗。应用中发现传统的轨距角润滑往往在降低磨耗的同时也带来了轮对冲角变大，轮轨横向力及脱轨系数增大、污染踏面导致车轮打滑等问题。进一步研究发现，若采取一定措施适当降低踏面和轨顶面之间摩擦系数可以降低列车经过小半径曲线时滑动的临界粘着力，提高轮轨间粘着和蠕滑状态往复循环的频次，从而降低轮轨间冲击的冲击力和加速度的幅值[2,3]，另一方面滑动的临界粘着力的降低会增大列车经过小半径曲线时的内外轨的滚动圆半径差，提高轮对的自导向能力，降低轮轨间的横向作用力[4]。
基于以上分析，全面摩擦控制的概念被提出，同时对轮轨间两个摩擦副（轨顶面与车轮踏面、轨距角与轮缘）之间的摩擦系数进行控制，将两个摩擦副之间的摩擦系数均控制在一个合理的范围内，可以实现直线地段降低牵引阻力和滚动接触疲劳，曲线地段减缓轮轨相互作用力降低钢轨伤损以及运行安全风险的目的。
为分析和验证全面摩擦控制试验的机理和效果，使用摩擦控制设备在运营重载铁路重载侧进行试验，对轮轨相互作用力进行探究。
1.试验情况
1.1摩擦控制剂选择分析
重载列车运行过程中往往由于滚动接触疲劳、道砟及煤块等掉落轨道引发钢轨裂纹、扁疤等的出现，若轨顶面施加液态摩擦控制剂会由于油楔效应导致在列车反复碾压带有摩擦控制剂的轨顶面之后加剧钢轨剥离掉块等伤损的出现，从而导致钢轨提前下道。因此应尽量避免采用液态摩擦控制剂或润滑剂。
小半径曲线上钢轨的磨耗与裂纹伤损等是同时出现的，在小半径曲线上轮轨相互作用较强，钢轨裂纹等伤损出现频率也较高，钢轨磨耗在一定程度上可以将裂纹伤损层打磨掉从而降低剥离掉块等易导致断轨病害的伤损出现，可以在一定程度上延长钢轨寿命。因此，轮轨间摩擦系数保持在一个合适的范围而不降低到过低值，保持钢轨有一个合理的磨耗率，可以在一定程度上将对钢轨伤损的出现及发展，延长钢轨寿命。
列车运行时需要保证机车车轮有足够的黏着力来提供驱动力，车轮踏面摩擦系数不宜过低，以免由于车轮打滑导致伤损或事故发生。轨距面摩擦系数较低时可以明显降低小半径曲线上轮轨之间磨耗，因此，轨顶面和轨距面摩擦控制应采用不同的摩擦控制剂并且应避免两种摩擦控制剂互相污染和影响。
因此，应对轨顶面和轨距面施加不同类型的摩擦控制剂，将两个摩擦副之间的摩擦系数分别控制在各自的理想范围内，并尽可能使用固态摩擦控制剂以降低油楔效应的影响，才能在降低磨耗的同时保持轮轨间较低的相互作用，延长钢轨的使用寿命，保持轨道结构的稳定性。
1.2摩擦控制方式的分析
常用的摩擦控制方式分为轨旁摩擦控制和车载摩擦控制两种，其中轨旁摩擦控制一般选择在小半径曲线群起点位置施加摩擦控制剂，对经过该段线路的每一列车进行施加，利用计轴器等设备，可以采用不同的施加策略。车载摩擦控制方式主要安装在机车后端，在该车经过小半径曲线前或者其他设定工况下可自动喷涂并通过车轮将摩擦控制剂传递到钢轨上，实现控制轮轨间摩擦系数的效果。从经济角度考虑，运行繁忙且小曲线半径较集中线路上多采用轨旁摩擦控制，列车较少的线路上多采用车载摩擦控制方式。
2．全面摩擦控制试验情况
为验证全面摩擦控制理论的效果，进行了全面摩擦控制试验，试验选用L.B. Foster公司的轨旁摩擦控制设备及相应的固体摩擦控制剂产品在某运营重载线上进行，将试验分为无摩擦控制、摩擦控制初期、摩擦控制稳定期三个阶段。摩擦控制设备情况如下图1所示。
试验点位于某重载铁路的半径454米的小半径曲线重车侧圆曲线中点的两侧，两测点间距为20m。牵引机车型号为SS4/SS4B和HXD1，车辆类型主要有C64、C70和C80三种。列车运行速度主要集中在40-60km/h范围内。曲线情况及圆曲线上测点布置如下图3和表1所示：
内外轨的轨顶面和轨距面的摩擦系数基本控制在目标值范围内，随着距离轨旁摩擦控制器距离的增加，摩擦系数略有增长，轨旁摩擦控制有一定的有效范围。
3.试验结果
3.1钢轨磨耗
利用Greenwood公司的MiniProf钢轨型面仪采集钢轨型面数据，对不同阶段钢轨型面廓形进行比对，计算出钢轨磨耗速率。在试验的三个阶段中，线路通过总重分别为68.3MGT、44.9MGT、46.2MGT，不同阶段钢轨垂磨速率如下图5所示。
随着三个测试阶段的摩擦控制效果的逐渐加强，内外轨的钢轨平均磨耗速率逐渐下降，外轨磨耗率降低为未进行摩擦控制阶段的80%，内轨磨耗速率降低到未进行摩擦控制阶段的40%，可以有效延长钢轨的使用寿命。
3.2轮轨垂向作用
轮轨间垂向力测量通过在钢轨粘贴应变片并构建电桥，利用标定的结果与采集信号进行比对来实现。利用自编程序识别并自动计算垂向力。不同阶段垂向力计算结果如下图6所示。
随着摩擦控制效果的增强，轮轨横向力及轮对横向力逐渐降低，全面摩擦控制可以有效降低车轮钢轨的作用水平并提高轨道结构的稳定性。注意到图示中上线与下线距离缩短，横向力的离散程度下降，轮轨接触状态得到了有效改善。
3.4安全评价
脱轨系数和钢轨横移量是评价列车运行安全性的重要指标。脱轨系数是轮轨横向力与垂向力的比值，表征列车爬轨脱轨的可能性的高低；钢轨横移量是衡量轮轨相互作用的参数之一，过大的钢轨位移会导致钢轨倾覆和轨道线形的破坏。利用弹片式位移计测量轨头位置处钢轨横移量。结果见下图8所示。
脱轨系数及钢轨横移量随摩擦控制效果的增强而降低，且离散程度有所下降。全面摩擦控制的实施可以有效提高列车运行的安全性及轨道结构的稳定性。
4结语
对全面摩擦控制技术进行分析并进行试验，结论如下：
1）全面摩擦控制可以有效降低轮轨间相互作用力并提高列车运行的安全储备。有效延长钢轨服役寿命并提高道床的稳定性。
2）全面摩擦控制技术要求轨顶面与踏面之间摩擦系数要在保证轮轨黏着基础上尽可能降低摩擦系数，保持在0.3-0.4之间可以达到一个较好的效果。
3）轨距角摩擦系数应保持在0.2-0.3之间，过低会导致轮轨横向力及冲角加大，带来钢轨伤损及道床稳定性问题，过大则会导致钢轨由于过度磨耗提前下道。
[1].薛继连.朔黄重载铁路轮轨关系.北京:中国铁道出版社,2013
[2].张念.轮轨踏面摩擦控制新技术.合成润滑材料,2011.38(2):12-14.
[3].张念.大秦铁路重载钢轨踏面摩擦控制试验.中国铁路.2011,(12):20-22.
[4].凯尔文•欧德劳,陆鑫.通过轮轨界面摩擦管理降低轨道横向力.中国铁路,2014,(08): 93-96.
论文作者:李迪
论文发表刊物:《城镇建设》2019年第10期
论文发表时间:2019/8/7
标签：摩擦论文; 钢轨论文; 磨耗论文; 摩擦系数论文; 伤损论文; 轨距论文; 半径论文; 《城镇建设》2019年第10期论文;