轮轨摩擦控制技术对轮轨相互作用影响分析

常晓东 中国神华能源股份有限公司神朔铁路分公司

轮轨摩擦控制技术对轮轨相互作用影响分析

常晓东 中国神华能源股份有限公司神朔铁路分公司

随着铁路运输向着高速、重载方向发展，轮轨相互作用增强，轮轨寿命缩短、车辆和轨道结构破坏、环境噪音污染等问题越来越严重。为解决以上问题，铁路研究人员采用致力于优化轮轨接触界面、控制轮轨摩擦和粘着的新技术——全面摩擦控制。通过介绍轮轨全面摩擦控制的内容和手段，分析全面摩擦控制对于轮轨粘着和磨耗、转向架导向能力、振动和噪音、运行耗能等问题的影响，并对轮轨全面摩擦控制未来的研究进行展望。

全面摩擦控制；轮轨磨耗；导向能力；振动和噪音；能耗

高速、重载、大密度已成为现代铁路网络的共同特点，最大的轴重为40 t，列车总重高达100 000 t，车辆数量最多达682节（澳大利亚）。与此同时，钢轨的磨耗、轨道结构的伤损也在加剧。尤其是在小半径曲线、长大坡道地段，轮轨相互作用越来越大，钢轨磨损严重，轨道部件的损坏、道床残余变形的积累，严重影响行车安全，加大了线路养护与维修的工作量，缩短了钢轨换轨周期。此外，小半径曲线上的轮轨啸叫声和严重的波磨影响了旅客列车的舒适性并会造成列车和轨道部件的损伤。所以旨在降低轮轨磨耗和轮轨相互作用的轮轨润滑技术被提出并逐渐发展为轮轨全面摩擦控制技术。

1 全面摩擦控制

全面摩擦控制是在轮轨界面上有目的地引入第三介质（如润滑剂或摩擦调节剂），使之生成润滑膜，把干摩擦变为润滑剂的分子内摩擦，以降低磨损和轮轨噪音、优化列车及轨道的动力学性能、增加列车通过能力和降低能耗。全面摩擦控制强调同时实施轨顶面摩擦控制和轨距角润滑。摩擦控制剂包括固态和液态两种。其中轨距角润滑一般为轮缘润滑和轨侧润滑，其目的是尽可能的降低轮缘和轨距角摩擦系数。轨顶面摩擦控制不是简单的通过油脂等润滑降低摩擦系数，一定要在不影响列车牵引和制动的前提下，摩擦系数控制在0.3～0.4。

1.1 轨距角润滑

轨距角润滑是利用车载设备或者道旁润滑设备喷涂油脂等，将轨距角摩擦系数降低到一个尽可能低的值，可以达到减缓轮缘和轨距角之间的磨耗，延长钢轨寿命、减弱轮缘与钢轨啸叫声，并能减低爬轨危险，增加列车运行安全系数、降低列车动力损耗，节约能源。轨距角润滑也有其固有的缺点，会造成轮轨横向力的增大、轮对冲角的变大，造成轨道损伤。

轨距角润滑已经广泛的推广使用，早在1976年美国就开始在试验线和部分运营线上试验轨距角润滑，考察润滑对减缓钢轨和轮缘的磨耗及延长使用寿命的影响，结果发现经过适量润滑后钢轨和车轮磨耗量降低为无润滑的1/17，燃料用量下降40%。在城市轨道交通中轨距角润滑最初目的是用来降低轮轨噪音，现在已经推广并在控制轮轨侧磨上起到了很好的作用。重载铁路的轨距角润滑等已经在美国、加拿大、南非等国家使用。

1.2 轨顶面摩擦控制

轨顶面摩擦控制一直以来都是传统油脂润滑的禁区，一直没有大范围的应用。首先传统的油脂如果污染了轨顶面，会导致轮轨粘着的急剧降低，将影响机车牵引和列车制动；其次，轨顶面磨耗一般较小，不能完全磨掉钢轨顶面裂纹，如果轨顶面被油脂污染，会引起严重的油楔效应，加速钢轨的剥离掉块，严重影响行车安全性并缩短了钢轨的寿命。所以降低轨顶面摩擦系数不能依靠传统的油脂润滑，需要引入固体摩擦控制剂。

轮轨接触表面微观上凹凸不平，固体摩擦控制剂含有一定的固体润滑颗粒，这些小颗粒充填在金属的凹坑中或支撑两个表面并在水平力作用下滚动，颗粒数量决定着轮轨界面相对移动所需能量，宏观上表现为对摩擦系数的控制。轨顶面的摩擦系数降低能大大降低作用在钢轨上的横向力，提高轨道构件的使用寿命，并在一定程度上降低钢轨波磨和轮轨噪音。日本东京地铁和部分通勤线、澳大利亚的昆士兰、新南威尔士、以及南澳大利亚铁路线路上在进行轨顶面摩擦控制对于减磨和降噪的试验。RTRI、中国神华集团、加拿大Kalsen公司、法国等国家机构对于轨顶面摩擦控制对轮轨动力作用进行了一系列实验，发现采用轨顶面摩擦控制之后以轮轨横向力和导向轮冲角为表征的转向架导向能力的提高。

2 摩擦控制对轮轨相互作用的影响

摩擦控制是通过认为引入油脂或者摩擦控制剂等到轮轨之间的界面上，自然状态下轮轨之间存在着铁的氧化物、油污、水、砂等物质，称为第三介质层。摩擦控制归根到底是对摩擦系数和轮轨粘着系数的控制。

2.1 摩擦和粘着

2.1.1 摩擦系数

摩擦在轮轨磨耗和滚动接触疲劳以及其他相关的问题中扮演着重要的角色。摩擦系数的大小受到第三介质层的组成和流变特性的影响。主要是由摩擦控制剂和氧化物及其他物质的比例决定，摩擦控制剂的比例增加，摩擦系数会降低。自然的第三介质层包括铁的氧化物、油脂、砂、水等组成。其中铁的氧化物中的 Fe2O3导致摩擦系数的上升，Fe3O4会抑制摩擦系数的增长。使用油脂可以降低摩擦控制膜在钢轨表面的附着和降低摩擦控制剂膜的抗剪强度从而降低摩擦系数。Kalsen公司的研究发现，即使存在轻度油脂的情况下，也会增加滑动速率1.38～63.4μm/s。当温度低于露点的时候空气中的水会凝结在钢轨表面形成一种液态薄膜，引起摩擦系数的下降。

2.1.2 轮轨粘着

粘着系数为机车动轮不空转时的最大轮周牵引力与粘着重量的比值即相对速度趋于零时的滑动摩擦系数，一般情况下粘着系数比静摩擦系数小。粘着系数的大小受到许多因素的影响，如滚动速度、蠕滑率、接触荷载、表面粗糙度和水温、曲线半径等。一般常用沙子作为增粘剂来改善列车的牵引和制动性能，其他的如矾土（日本高速铁路）或者固体润滑棒也会被采用。

滚动速度的加大、蠕滑率的上升、接触荷载降低、粗糙度降低和水温的降低都会使轮轨粘着降低落叶等也会导致轮轨粘着降到一个极低的数值上，甚至比油脂污染情况还要低，使用沙子做增粘剂，可以使粘着系数上升至没有落叶的水平。但是无论是沙子还是落叶，谢菲尔德大学的专家发现均会对钢轨造成一定程度的钢轨损伤，用沙子做增粘剂甚至检测到了钢轨次表层的塑性变形。所以应该尽量减少用沙子做增粘剂，以免造成轮轨损伤。

2.2 轮轨磨耗

轮轨磨耗可以分为黏着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损、微动磨损和腐蚀磨损等。减缓轮轨磨耗可以保持轨距，减少换轨、拨道、改道工作量，提高线路的平顺性。轮轨间导向力和冲角是造成磨耗的主要原因，导向力和冲角的存在在接触点形成较大的压强，超过钢轨屈服应力之后引起接触点的塑性变形，同时当车轮滚动时轮轨之间发生滑动，使接触点的塑性部分和弹性部分的过渡区间出现变形，形成了钢轨磨耗。一般采用降低轮轨摩擦系数的方式来降低磨耗。摩擦系数的降低导致磨耗功的降低，直接减小了轮轨的磨耗。根据德国HY-power公司研究成果，实施踏面摩擦控制可使得钢轨磨耗减少2/3。并且摩擦系数的改变，降低了曲线段轮轨的冲击，使得列车平顺的通过曲线，从而减缓波磨的产生和发展，在试验段钢轨的轮轨接触光带变窄，说明轮轨接触状态得到很大改善。

2.3 转向架导向能力

转向架导向能力以轮轨横向力和导向轮冲角为表征。轨距角润滑降低了轨距角的摩擦系数，在降低了轮轨磨耗的同时增大了轮轨横向力和导向轮冲角，降低了转向架的导向能力。铁道车辆在小半径曲线上运行时，在各转向架的前轴上产生的横向作用力是发生内轨波磨、曲线外轨侧磨、车轮轮缘磨耗及表面剥离、龟裂等损伤的直接原因。并会诱发车辆爬轨脱轨、车辆与钢轨间产生刺耳的尖啸声、运行阻力增大等现象。轨顶面摩擦控制在轨顶面和车轮踏面之间施加一层摩擦控制薄膜，在不影响列车牵引和制动的基础上，将轨顶面摩擦系数降低到0.3～0.4，使得轮轨横向力有所降低、轮对冲角也减小。增强了转向架的导向能力。

这点在北美重载货运铁路如BC铁路、伯灵顿北方·圣达菲铁路、中国神朔铁路、中国朔黄铁路和日本RTRI的试验线上进行的试验所证实。这些试验显示,对轨面摩擦的有效控制能够减少50%的侧向力而不会影响牵引力或制动能力。日本的RTRI测量了施加全面摩擦控制之后的轮轨横向力和导向轮冲角。使用现场测试数据验证过的仿真模型，进行轮轨相互作用的角度进行分析。分析了动摩擦因数和转向架导向能力（横向力、冲角）的关系。证明摩擦控制对于改善轮轨动态响应有很好的效果。

2.4 振动与噪音

2.4.1 轮轨噪音

轮轨噪音问题是困扰城市轨道交通的很大的问题，直接影响乘客的舒适性。轮轨接触包含两个摩擦副：轮缘和轨距角、车轮踏面和钢轨顶面。轮轨噪声主要是从两对摩擦副发出。车辆经过曲线时，由于内外轨长度不同，导致最少一侧车轮沿钢轨蠕滑，当与车轮自振频率相同时，在车轮上发生谐波共振，发出刺耳的尖啸声。

实施轨顶摩擦控制和轨距角润滑之后，降低轨距角和轨顶面的摩擦系数，可以降低轮轨噪音的水平。日本在Toei’s Arakawa轻轨线上使用摩擦控制剂，将轮轨噪声水平从最初的72.6 dB降至63.1 dB，轮轨横向力也降低了一半左右。日本东京地铁和部分通勤线路曾用水作为润滑剂来降噪，起到了一定的效果，但是也带来了排水问题，并造成下部结构的腐蚀，试用油脂润滑发现造成了严重的油楔效应，引起了钢轨严重的损伤。最终采用摩擦控制剂，取得了良好的效果。澳大利亚目前正在昆士兰、新南威尔士、以及南澳大利亚铁路线路上进行试验；Kalsen公司实测对比分析了施加摩擦控制和未施加摩擦控制下的轮轨噪音，并进行了频谱分析，发现摩擦控制剂有效地降低了轨顶面啸叫声所涉及到的噪音的频率。降低了低频的振动（低至30Hz）和高频粘滑运动的振荡频率。

2.4.2 轮轨振动

实施摩擦控制降低了轮轨间摩擦系数，使得轮轨更容易发生相对滑动。从而减少了低频大振幅的振动。由于轮轨施加摩擦控制，摩擦系数降低，使蠕滑振荡过程中“低频率高振幅”的部分冲击波完全被消除，转变成为“高频率低振幅”冲击，从而降低了轮轨间的冲击负荷有效值，减小了轮轨接触应力。

大秦线上摩擦控制试验证明，实施摩擦控制的钢轨无论横向还是垂向表面的冲击加速度均降低了50%。轮轨之间危害最大的高振幅低频率冲击被完全消除，这部分冲击峰值降低约80%，轮轨间接触应力振幅也相应大幅降低，延缓了钢轨疲劳裂纹萌生和 扩展，延长了重载钢轨使用寿命。在美国进行的车载设备和轨侧设备的摩擦控制也得到了相同的结果。

2.5 列车运行节能：

对轮轨实行摩擦控制，降低轮轨间的摩擦系数有利于降低轮轨磨损，降低列车曲线上运行阻力，这也减少了列车运行能源消耗。Friction Management Services LLC利用Track Glide的摩擦调节系统进行轨顶面摩擦控制试验，试验发现铁路燃料效率平均增加约10%，降低了因车轴与轨道间打滑而造成的能源需求量。美国铁路协会(AAR)对轮轨润滑的研究发现不但在曲线区段，就是在直线区段实行轮轨润滑，减少轮轨的磨损,同样能节约机车动能10%～15%。

3 总结与展望

轮轨接触是铁路运输研究的关键问题，在材料科学尚未取得重大突破的今天，更好地优化优化轮轨接触界面，使得车辆和轨道所受的损害最小，环境受到的影响更小是一个非常有价值的工作。轮轨全面摩擦控制就是致力于优化轮轨接触界面，通过引入摩擦控制剂或者油脂等物质，作用于第三介质层，在不影响列车运行的同时，将轮轨相互作用导致的破坏降低到最小。通过轮轨全面摩擦控制技术可以利用有限的投入换来更长的轮轨寿命、减小车辆和轨道由于振动和作用力而造成的破坏、提高车辆运行的安全系数。从而产生巨大的经济效益。然而全面摩擦控制不仅仅是将油脂等喷涂到轨道上那么简单，轮轨摩擦控制尚有许多问题需要研究，如何评估轨顶面摩擦控制的影响、如何处理轨顶面和轨距角摩擦控制相互之间的影响、如何精确的计算摩擦控制剂的需求量和准确的喷涂、沿钢轨的摩擦控制器的布置、等都需要进一步的发展和完善，相信在未来随着轮轨界面优化作业的完善再加上新的轮轨材料的发展，能够使得铁路运输以更小的成本为我们生活做更大的贡献。

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责任编辑：许耀元 宋立成

来稿日期：2015-12-15