钢轨综合摩擦控制对于轮轨磨耗的影响研究*

李 磊, 李 芾, 丁军君, 梁骏宇

(西南交通大学 机械工程学院， 四川成都 610031)

综合技术研究

钢轨综合摩擦控制对于轮轨磨耗的影响研究*

李 磊, 李 芾, 丁军君, 梁骏宇

(西南交通大学 机械工程学院， 四川成都 610031)

减小轮轨磨耗是提高轮轨使用寿命、降低运营成本的有效方法，而轮轨摩擦系数是影响轮轨磨耗的重要因素。在SIMPACK软件中建立C80多体动力学车辆模型，利用计算机仿真研究方法对轮轨综合摩擦控制对于轮轨磨耗的影响进行研究。结果表明，在直线区段不建议采用轮轨润滑作业，而在曲线区段建议采用轨顶、轨侧综合摩擦系数控制方法进行涂敷作业，且轨顶、轨侧适当摩擦系数配比的异步润滑模式具有较好的轮轨减磨效果。

轮轨磨耗； 摩擦控制； 轮轨润滑

在铁路运输系统中，钢轨和车轮的使用寿命与维修周期主要由轮轨磨耗和轮轨接触疲劳决定，轮轨磨耗问题是发展重载货运亟待解决的问题。减少轮轨磨耗的主要途径有以下3方面：(1)轮轨材质合理匹配(2)车辆参数与线路参数合理匹配(3)轮轨润滑，进行轮轨摩擦控制。

国内外研究表明，轮轨润滑和轨面摩擦控制是减缓轮轨磨耗的有效措施[1]，能够有效减少轮缘及轨侧的磨损以延长钢轨寿命。美国铁路协会在FAST环线上试验结果也表明，轮轨润滑减磨效果可达2—10倍[2]。我国大秦铁路和部分铁路局已经开始轮轨润滑技术的运用与研究，轮轨润滑取得了良好的减磨效果[3]；但轮轨润滑作业中涂覆需要进行严格控制，否则反而会加剧轮轨磨耗问题[4]。我国铁路工务部门一般采用轨距角处涂覆的方式，降低轮缘与轨距角处的摩擦系数来降低轮轨磨耗，为了不影响列车黏着牵引力的正常发挥，对钢轨轨顶不采取润滑措施。近年来，国外学者提出了轨顶摩擦控制的管理理念，期望将轮轨摩擦系数保持在较为理想的水平，以减缓轮轨伤损的萌生和发展[5-6]。国内也有学者针对轨侧、轨顶综合摩擦控制对于曲线通过性能的影响加以研究，得出综合摩擦控制可以获得良好的曲线通过性能，减小了接触斑处的磨耗速率[7],以上的研究中并没有系统的分析钢轨综合摩擦控制对于轮轨磨耗的影响，故本文就如何进行科学合理的综合摩擦控制进行研究。

1 轮轨磨耗评定指标

鉴于轮轨磨耗机理复杂，各国铁路线路条件，列车运营条件的差异性大，目前国内外都没有统一公认的轮轨磨耗评定指标[8]。以下是几种常见的轮轨磨耗评价指标：

(1) Heumann磨耗指数

Heumann磨耗指数是用摩擦中心法评估轮轨磨耗率的指标，即WH=μFfα其中Ff是轮轨摩擦系数，Ff是轮缘力即轮轨摩擦力和法向力在轮轨横向投影的代数和；α是轮轨冲角。

该模型未考虑轮轨侧向接触点的具体位置，不能反映出不同轮轨廓型对磨耗的影响，当α=0时该式就不能使用。

(2) Elkins磨耗指数

即式中Tx,Ty分别为轮轨接触斑处的纵向和横向蠕滑力；ϑx,ϑy分别为轮轨接触斑处的纵向和横向蠕滑率。Elkins磨耗指数是英国铁路在非线性曲线通过研究的基础上，通过轮轨接触面上能量耗散理论分析和试验测定所提出的磨耗指数的一种，英国Deby研究中心和美国ARR试验中心在大量试验后，均证实该磨耗指数可以较为准确的反映磨耗规律[9]。

(3) 磨耗功

磨耗功也称磨耗功率，是指单位时间或行走里程车轮踏面和钢轨顶面之间的磨耗程度，即

其μ是轮轨接触面的摩擦系数;TxTy分别为轮轨接触斑处的纵向和横向蠕滑力；ϑxϑy分别为轮轨接触斑处的纵向和横向蠕滑率；A为接触斑的面积；μ/0.6是对Kalker蠕滑系数的修正。

轮轨磨耗功主要体现轮轨间蠕滑程度的大小，反映出车轮踏面和钢轨轨顶面的磨耗。

(4) 轮轨横向力和冲角

通过润滑降低轮轨摩擦系数能够有效的降低磨耗功，这对降低轮轨磨耗非常有利，但是当轮轨摩擦系数降低到一定数值后反而会使得轮轨横向力、轮轨冲角增大，而这就对降低轮轨磨耗不利。因此轮轨冲角和轮轨横向力也是重要的衡量轮轨磨耗的指标之一。

本文选取Elkins磨耗指数和磨耗功作为轮轨磨耗的评定指标，同时需要综合考虑轮轨横向力和轮轨冲角两个参量对轮轨磨耗的影响。

2 轮轨润滑模式

在轮轨系统运行过程中，轮轨接触点位置随运行过程而实时发生变化；轮轨接触轨迹线如图1所示，轮轨接触有一点接触和两点接触两种工况，通常情况下，车轮与钢轨仅发生一点接触，轮轨磨耗主要发生在车轮踏面和轨顶面之间；在发生轮缘贴靠时，就有可能出现两点接触的现象，此时轮缘与轨侧也会发生磨耗。因此在进行轮轨润滑时必须要考虑轨顶的摩擦系数控制。

图1 轮轨接触轨迹线

按照轮轨润滑时，钢轨轨顶、轨侧的摩擦系数设置情况，在本研究中将轮轨润滑分为轨顶、轨侧同步润滑模式和异步润滑模式。同步润滑，即使用同种润滑剂对轨顶面、轨侧面同时均匀涂覆，保证轨顶、轨侧具有一致的摩擦系数，如图2所示。

图2 同步润滑模式摩擦系数分布

而异步润滑模式，即轨顶面和轨侧面具备不同的摩擦系数，如图3所示，图中轨顶摩擦系数为0.4，轨侧摩擦系数为0.1，考虑实际润滑作业时并无绝对分界线，且为了避免在计算机积分时出现奇异，轮缘和踏面分界线附近设置了5 mm宽的摩擦系数线性过渡区；该润滑模式也包括了轨侧摩擦系数控制(图3)、轨顶摩擦系数控制两种特殊工况；而同步润滑和异步润滑结合起来就称之为综合摩擦控制。

图3 异步润滑模式摩擦系数分布(μT=0.4，μs=0.1)

3 计算机仿真模型及计算结果

3.1 多体动力学模型

运用SIMPACK多体动力学软件，建立重载铁路运输常用的C80运煤敞车仿真模型，如图4所示。建模中货车被视作刚体、多自由度的系统。货车模型采用铸钢3大件式ZK6型转向架，并通过软件前处理功能，导入LM型车轮踏面和国内60 kg/m的钢轨，为了最大程度模拟实际运营中的磨耗效应，采用重车模型，其满载时车重为90.3 t。

图4 C80货车多体动力学模型

3.2 仿真结果

3.2.1 直线钢轨润滑方式研究

直线区段选取的线路参数：轨道长度为1 000 m,轨底坡为1∶40，在50～1 000 m区段添加轨道激扰，所选取的轨道激扰为美国五级轨道不平顺谱,车辆运行速度为80 km/h。与此同时在直线区段分别采用同步润滑模式和异步润滑模式进行仿真研究。

(1) 同步润滑模式

直线区段进行同步润滑的仿真结果如表1所示。随着轮轨摩擦系数的增大，各评价指标随之变化，但没有显著的相关关系；当轮轨摩擦系数介于0.2至0.5之间时，五项评价指标数值基本保持在稳定范围内；而当摩擦系数为0.1时，轮对冲角、轮轨横向力、轮轨磨耗功、爱因斯磨耗指数数值均为最小，同时具有较低的脱轨系数，即在该工况下轮轨磨耗量显著降低，但为保证直线线路上正常发挥黏着牵引力，不建议采用该种轮轨润滑方式。

表1 直线区段不同摩擦系数条件下的评定指标

(2) 异步润滑模式

钢轨轨面在干燥状态下，其摩擦系数约为0.4[10]，在异步润滑仿真分析中，轨面摩擦系数设置为0.4，轨侧摩擦系数取值如图5所示,钢轨摩擦系数分布如图3所示。在该润滑工况下，随着轨侧摩擦系数的增加，轮轨横向力在逐渐减小但是变化不显著；与此同时，轮轨磨耗功与爱因斯磨耗指数则随着轨侧摩擦系数的增加而减小，但其数值变化范围较小，磨耗功变化0.51%而爱因斯磨耗指数变化2.27%。考虑到轨道激扰对仿真结果的影响，可以认为在该区段轨侧摩擦系数的变化对轮轨磨耗没有显著的影响。

综上所述，在直线区段采用轨顶、轨侧综合摩擦控制策略对于降低轮轨磨耗并没有显著的作用，同时将有可能影响到牵引力的有效发挥，故在正常线路条件的直线区段不建议采用轮轨润滑作业。

3.2.2 曲线钢轨润滑方式研究

曲线区段选取线路参数：圆曲线半径R=400 m,缓和曲线长度Ls=70 m,曲线超高为120 mm，全线长度为645 m,轨底坡为1∶40，曲线通过速度为80 km/h，欠超高量为68 mm,在该线路50～500 m处添加美国五级轨道不平顺谱。

(1) 同步润滑模式

首先对轮轨接触面采用同步润滑模式，轮轨摩擦系数工况设置如图6所示，结果表明：随着轮轨摩擦系数的增大，轮对冲角和轮轨横向力随之减小；爱因斯磨耗指数和磨耗功则随之增大；轮重减载率和脱轨系数无明显变化，其数值基本保持稳定水平。

图5 直线区段不同轨侧摩擦系数下的评定指标(轨顶μ=0.4)

在该润滑模式下，各工况轮重减载率指标和脱轨系数指标均满足GB 5599-1985中要求的限界值，但标准中并未考虑到摩擦系数对脱轨系数和轮重减载率临界值的影响，需要进一步加以验证。

由Nadal公式(式1)可知脱轨系数限值随轮轨摩擦系数的变化而变，图7是当轮缘角为68°时脱轨系数临界值随着摩擦系数的变化趋势，显然该润滑模式下各工况均满足脱轨安全性要求。

轮重减载率限值也与摩擦系数有关，其限值如表2所示，根据该限值与各工况下减载率值对比可知，该润滑模式下轮重减载率符合安全要求。

图6 R=400 m曲线区段不同摩擦系

图7 脱轨系数临界值与摩擦系数的关系

α0.200.250.300.3568°0.750.680.610.5369°0.760.690.620.5570°0.770.700.630.56

综合考虑轮对冲角、轮轨横向力、爱因斯磨耗系数、轮轨摩擦功率对轮轨实际磨耗的影响，以及黏着牵引力的有效发挥，建议若在曲线上采用同步润滑模式时，摩擦系数控制在0.3～0.4之间为宜。

(2) 异步润滑模式

异步润滑仿真对比分析中，钢轨轨顶摩擦系数分别取0.4(轨顶不润滑)和0.3，轨侧摩擦系数从0.05以0.05为步长变化至0.5，摩擦系数工况设置如图8和图9所示。

①轨顶不润滑、轨侧润滑模式(轨顶摩擦系数μT=0.4)

在轨顶不润滑、轨侧润滑的异步润滑仿真分析中，由图8分析可知：随着轨侧摩擦系数的增大，轮对冲角、轮轨横向力随之减小，而轮轨摩擦功率和爱因斯磨耗指数随之增加，轮重减载率基本保持在0.28～0.31的范围内，脱轨系数则随着轨侧摩擦系数的增大而减小，而在同步润滑模式中脱轨系数则无明显的变化趋势。而各工况轮重减载率指标和脱轨系数指标均满足GB 5599-1985中的要求，即采用该润滑模式时运行安全性满足规范要求。

由于轨面不采取任何润滑措施即μT=0.4使得轨侧润滑对牵引力的发挥没有负面影响，综合考虑各指标对轮轨实际磨耗的影响，建议在采用仅轨侧润滑的模式下，轨侧摩擦系数取0.15～0.25之间。

②轨顶、轨侧异步润滑模式(轨顶摩擦系数μT=0.3)

图8 R=400 m曲线区段不同摩擦系数条件下的评定指标(μT=0.4)

在本组仿真试验中轨顶摩擦系数设置为0.3，轨侧摩擦系数取值与轨顶不润滑、轨侧润滑模式相同。由图9分析可知，当轨顶摩擦系数为0.3时，随着轨侧摩擦系数的增大，各指标变化规律与轨顶不润滑、轨侧润滑模式得出的规律一致。

图9 R=400 m曲线区段不同摩擦系数条件下的评定指标(μT=0.3)

综合考虑冲角、轮轨横向力、爱因斯磨耗系数、轮轨摩擦功率对轮轨实际磨耗的影响，建议在轨顶、轨侧异步润滑的模式下，轨侧摩擦系数取值在0.05～0.20之间为宜。

3.2.3 仿真结果对比分析

为确定曲线上的轮轨最佳润滑模式，将同步润滑模式和异步润滑模式典型工况列于表3中。在同步润滑工况下，当摩擦系数从0.4降低至0.3时轮轨磨耗功和爱因斯磨耗指数均降低了5.73% ，而轮对冲角增大13.08%，轮轨横向力增大9.86%，降低轮轨磨耗效果不明显；在同步润滑与异步润滑对比分析时，当异步润滑模式下轨侧摩擦系数为0.25时，其轮轨磨耗功和爱因斯磨耗指数与同步润滑模式相比分别降低了1.16%和1.17%，而轮对冲角增大17.76%，轮轨横向力增大6.34%，减磨效果不显著；在异步润滑两种工况的对比分析中发现，轨顶、轨侧异步润滑模式(μT=0.3，μS=0.25)与轨顶不润滑、轨侧润滑模式(μT=0.4，μS=0.25)相比，轮轨磨耗功和爱因斯磨耗指数分别降低了13.51%和13.52%，而轮对冲角增大21.27%，轮轨横向力增大10.42%，减磨效果明显。

综上所述，在曲线区段采用同步润滑模式时，通过降低轮轨摩擦系数的方式来降低轮轨磨耗的效果并不显著，不建议在曲线区段采用轨顶、轨侧同步润滑模式，这一结论与直线区段得出的结论一致；由异步润滑两种模式仿真结果的对比可以发现，轨顶、轨侧适当配比的异步润滑具有较好的轮轨减磨效果。

表3 R=400 m曲线区段不同润滑模式下的轮轨磨耗对比

4 结 论

(1) 在直线区段轮轨润滑对于降低轮轨磨耗没有显著的作用，同时将有可能影响黏着牵引力的有效发挥，故在正常线路条件的直线区段不建议采用轮轨润滑作业。

(2) 在曲线区段，采用同步润滑模式时通过降低轮轨摩擦系数的方法来降低轮轨磨耗的效果并不显著，不建议在曲线区段采用轨顶、轨侧同步润滑模式；考虑到轮对冲角、轮轨横向力、爱因斯磨耗系数、轮轨摩擦功率对轮轨实际磨耗的影响，同时保证有效地发挥黏着力，在异步润滑的模式下，当轨顶摩擦系数取0.3时，轨侧摩擦系数取值在0.05～0.20之间较为合理。综合比较而言，轨顶、轨侧适当配比的异步润滑模式具有较好的轮轨减磨效果。

[1] Masao Tomeoka, Naoji Kabe, Masuhisa Tanimoto, Eiji Miyauchi,Machi Nakata. Friction control between wheel and rail by means of on-board lubrication [J]. Wear, 2002, 253(1):124-129.

[2] 金学松,刘启跃. 轮轨摩擦学[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2004.

[3] 刘树旺, 延长大秦重载铁路钢轨使用寿命措施的研究[J].中国铁路, 2009，(1):41-43.

[4] 陈 鹏,高 亮,郝建芳. 铁路曲线上轮轨磨耗影响参数的仿真研究[J]. 中国铁道科学, 2007, 28(5): 19-23.

[5] SUDA Y, IWASA T, KOMINE H, et al. Development of onboard friction control [J]. Wear, 2005(3):1109-1114.

[6] EADIE D T, KALOUSEK J, CHIDDICK K C. The role of high positive friction (HPF) modifier in the control of hort pitch corrugation and related phenomenon [J]. Wear, 2002(7):185-192.

[7] 罗国伟,李 伟. 重在铁路钢轨润滑及摩擦控制研究[J].铁道建筑,2011(4):114-116.

[8] 王彩芸,郭 俊,刘启跃. 曲线半径及轴重对轮轨摩擦功影响的研究[J]. 设计与研究, 2009, 36(8): 5-8.

[9] 杜 伟. 重载铁路曲线内外轨摩擦系数的合理匹配研究 [J]. 设计与研究, 2013, 40(2): 11-15.

[10] 国际重载协会.国际重载铁路最佳应用指南：轮轨关系[M].北京：中国铁道出版社,2009.

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

*国家自然科学基金资助项目(51305359)；中国博士后科学基金资助项目(2013M542291);中央高校基本科研业务费专项资金资助(2682014BR020)

男，硕士研究生(

2015-04-28)

U211.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.06.01