控制轮轨接触面摩擦 延长钢轨寿命

■ 凯文·欧德劳 陆鑫

由于每年用于钢轨更换的费用相当大，因而，如果钢轨需要提前更换，对相应的资金安排产生巨大的压力。同时换轨作业须耗费大量时间和人力，占用宝贵的线路运行时间，从而直接影响着铁路运营，对于线路运能的影响将是直接、即时和显著的。尽可能地在钢轨必须更换之前延长其工作寿命，对于铁路的经济效益和运营操作都有着显著的影响。

轮轨接触面的摩擦管理是在钢轨轨距面（侧面）及钢轨顶面两个部位同时进行摩擦控制，通过多年实践证明，可有效延长钢轨使用寿命。

1 钢轨轨距面的润滑

高性能的润滑介质（油脂或固体润滑材料）涂覆在钢轨轨距面与车轮轮缘间的接触面，能降低摩擦。接触面的磨损几乎全部发生在弯道的高轨上，因为轮轨之间存在较高的接触压力和相对运动（滑动或蠕滑），导致能量显著消耗与散失。这些能量是通过温度升高和噪声，以及钢轨与车轮磨耗等形式表现出来。因此，降低轮轨接触面的摩擦系数，消耗的能量（相应的磨耗）可显著降低。

在钢轨轨距面与车轮轮缘间涂覆润滑剂，可采用道旁地面形式或车载形式。现代电子控制的道旁地面涂覆设备通常采用车轮感应式传感器探测通过的列车，其数字控制系统将精确数量的液体润滑剂通过涂覆板输送到钢轨侧面。形状如扁平“刀片”的涂覆板安装在钢轨内侧并紧靠轨距面。 安装在中国重载线路上的PROTECTOR®第四代道旁轨距面涂覆装置见图1，其由太阳能供电。

图1 PROTECTOR®第四代道旁轨距面涂覆装置

车载LCF固块润滑器

控制轨距面与车轮轮缘间的摩擦系数可采用固体润滑块。装有固体润滑块的涂覆器安装在车辆转向架上，通过弹簧作用在车轮轮缘部位，轮缘和钢轨接触将润滑剂转移到钢轨上，钢轨又将润滑剂二次转移给下一个车轮。这种车载涂覆方式已被广泛使用，尤其是在城市轨道交通的封闭线路上，润滑剂的涂覆转移更容易实现饱和。

在钢轨轨距面与车轮踏面上涂覆润滑剂，作为保护轮轨的方法已使用数十年，如何采用润滑技术延长铁路设备寿命的效果最大化和对此效果进行定量化评估的研究工作从未停止。加拿大国家研究委员会（Canadian National Research Council）下属的地面运输技术中心 （Centre for Surface Transportation Technology）在加拿大太平洋铁路公司（Canadian Pacific Railway）开展了摩擦管理项目研究。在加拿大太平洋铁路Thompson工区内的80 km线路上，通过钢轨轨距面润滑有效降低了87%的钢轨侧磨，第一年节省费用60万美元，整个工区4年预期节省费用160万美元。通过改进设备维护和提高设备效率及油脂利用率，采用现代润滑涂覆设备和优质油脂实现每年节省资金10.5万美元。

2 轨顶摩擦调节剂

轮轨接触面摩擦管理最新的发展是在钢轨顶面和车轮踏面间采用干式薄膜技术，使其之间为中等摩擦系数。与干燥条件下的轮轨钢-钢接触相比，中等摩擦系数能够满足列车制动和黏着力的需要，不会影响列车运行性能。在此基础上，通过降低轮轨接触面的能量散失达到降低磨耗效果。

液体润滑剂的摩擦控制效果取决于其在轮轨接触面上形成的介质层厚度，在实际应用中很难将钢轨顶面的摩擦系数有效控制在合理水平。干式薄膜技术的摩擦调节剂取决于固有的材料特性，通过在轮轨接触面间形成薄膜控制摩擦，与其厚度无关，从而使得在轮轨接触面上可靠、有效和安全引入这种摩擦控制介质材料成为可能。

钢轨顶面涂覆可采用道旁地面形式或车载形式控制摩擦。道旁地面涂覆装置的涂覆板安装在两根钢轨轨头外侧，水基摩擦调节剂通过涂覆板输送到钢轨顶面，由通过的车轮携带，转移到控制摩擦区段。在此过程中，水基摩擦调节剂迅速失去水分，并在轮轨接触面上形成一层固体薄膜。

封闭的线路可采用车载固体车轮踏面摩擦控制系统。更加灵活的钢轨顶面摩擦控制方式是采用液体摩擦调节剂车载涂覆装置。其将液体摩擦调节剂雾化后喷涂到钢轨顶面，与道旁地面轨距面涂覆装置一样。喷涂水基材料，涂覆后在轮轨接触面迅速干燥形成薄膜。液体摩擦调节剂车载涂覆装置一般采用GPS控制，自动喷涂作业，摩擦调节剂喷涂准确、高效和灵活。AutoPilotTM车载涂覆装置（见图2）采用模块设计，可安装在货车和机车上，自动对钢轨顶面喷涂摩擦调节剂。

近年来，铁路运营商、供应商和研究院校的科研人员对轮轨接触面的摩擦控制技术开展了广泛的研究。研究课题涉及钢轨和车轮磨损、滚动接触疲劳、波浪磨损、弯道噪声、轨道结构伤损和机车能耗等。

国外经验表明，不管是使用木枕还是混凝土轨枕的线路均可通过钢轨顶面摩擦控制（单独或与钢轨轨距面润滑共同使用）降低钢轨磨损。一般可降低垂直磨耗和侧面磨耗达40%～60%。2010年在中国一条54 km长的重载运煤专线试验段进行了10个月的摩擦管理跟踪试验，采用道旁地面涂覆设备对钢轨顶面和轨距面进行摩擦控制。试验结果表明，摩擦控制使高轨轨距角和轨距面磨耗，以及低轨垂直磨耗降低约50%；摩擦控制在降低轨道横向力与滚动接触疲劳等方面也有显著效果。

安装在钢轨外侧的钢轨顶面涂覆板

图2 AutoPilotTM车载涂覆装置

3 全面的系统考量

研讨钢轨寿命应将轮轨接触面看成一个综合系统。钢轨寿命作为铁路运营中的一个重要指标，诸多因素和技术对其有着直接或间接影响。钢轨材质的选择和钢轨型面的维护（如打磨）也是决定钢轨寿命的重要因素，与摩擦管理相互制约和相互促进。

钢轨寿命不只是取决于钢轨的磨损，滚动接触疲劳（RCF）引起裂纹生成和增长也是决定钢轨寿命因素之一。接触压力和蠕滑率造成材料棘轮效应，使材料在循环载荷作用下的塑性变形逐渐积累增大，最终超过其展延极限形成RCF疲劳裂纹。这些裂纹在轮轨接触面作用力和表面摩擦力作用下增长进入钢轨内部或形成表面缺陷，例如剥离掉块、横向伤损。横向裂纹发展最终造成钢轨断裂，因此在裂纹加速增长期前，采用钢轨打磨加以去除。

优质钢轨与摩擦控制可同时采用，以延缓钢轨的磨损和RCF裂纹的增长。优质钢轨具备更高的硬度和剪切屈服强度，使其耐磨性能更佳，能够降低钢轨对高接触压力的敏感性。摩擦管理可降低钢轨表面摩擦力和相应的能量散失，有助于提高钢轨抗磨损和抗疲劳性能。摩擦管理可同时降低钢轨磨损和RCF裂纹的增长速度，有利于延长预防性钢轨打磨的间隔时间，一般最低达到15%～25%。钢轨寿命因磨损降低和打磨减少而最终延长。

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