轮轨摩擦管理技术及其应用研究

徐凤生

(上海铁路局工务处，上海 200071)

轮轨摩擦管理技术及其应用研究

徐凤生

(上海铁路局工务处，上海 200071)

针对国内外因轮轨磨耗及其引发的列车事故所造成的一系列巨大损失的问题，提出解决该问题的最优办法是保持轮缘-轨距面低摩擦系数(0.2或更低)及车轮踏面-轨顶面中等摩擦系数(0.3～0.4)。全面实施轮缘-轨距面以及车轮踏面-轨顶面摩擦管理技术，能够有效提高列车运行安全性、减缓轮轨磨损、降低轮轨噪音和减少机车能耗。同时对现有各种类型的摩擦管理技术做出了较系统的介绍，分析其实际使用过程中的优缺点，并提出了今后改进和提高的方向。

轮轨磨耗；列车事故；摩擦管理；安全性

轨道交通运输具有在相同运量条件下节能环保等优势[1]。随着高速、重载铁路建设和运营里程的不断扩大、列车运行密度的不断提高及小半径曲线区段的不断增多，轮轨磨损现象日益加剧[2]，每年会引起数十亿人民币的直接损失[3]，同时也严重威胁到车辆行驶过程中的安全。由于轮轨之间的磨损导致的突发性列车脱轨事故，会造成无法估量的经济损失和社会影响[4]。

为了缓解轮轨磨损以及提高列车行驶安全性，传统的技术措施通常是开展钢轨打磨处理和车轮旋削维护、优化轮轨材质和配合强度比、加强轨道结构、优化选线方案及优化轮轨接触几何特性等。通过对国内外轮轨润滑的分析，从经济性和实用性角度出发，有效保持轮缘-轨距面低摩擦系数(0.2或更低)和车轮踏面-轨顶面中等摩擦系数(0.3～0.4)，不仅可以有效延长轮轨的使用寿命，还可以有效节省人力、物力和财力，让减缓轮轨磨损、提高列车行驶安全性变得简便有效。

1 轮轨摩擦管理技术

轮轨摩擦管理方法主要包括润滑材料及其配套设备的使用。根据润滑材料的形态，可分为液体、固体及固-液-固等几种材料；根据配套设备的使用方式，可分为车载式润滑材料涂敷设备和道旁式润滑材料涂敷设备。不同材料需要不同的配套设备，轮轨摩擦管理方法的优劣不仅取决于润滑材料性能的好坏，还取决于涂敷设备能否高效、准确地将材料涂覆于需要实施摩擦管理的部位。

从理论分析出发，列车在钢轨上运行的过程中，车轮和钢轨材料接触面之间会产生一层介质层，通常称之为“第三介质”[5]，如图1所示。通过第三介质可以完成轮轨间存在的较小的相对运动；与此同时，轮轨摩擦中蠕滑率与摩擦力的相互关联取决于第三介质中伴随轮轨相对运动而随之产生的剪切力的特性。由此可见，实施摩擦管理技术的本质，就是选用合适的润滑材料并通过配套装置将其输送到指定的位置，以达到改善第三介质层摩擦环境的目的。

图1 第三介质层原理图

依据铁路列车运营方式，轮轨摩擦系数一般可分成3种类型：①在轮缘和轨距角接触界面上保持低摩擦系数(0.2或更低)； ②在机车车轮踏面和钢轨顶部接触界面上保持中等摩擦系数(0.3～0.4)；③在机车车轮踏面和钢轨顶部接触界面保持高摩擦系数(0.4或更高)，增加机车粘着力，改善制动效果[6-8]，如图2所示。

图2 摩擦管理技术在轮轨间的应用

2 轮轨摩擦管理技术的优势

2.1 提高运行安全性

列车行驶安全性与轨道之间的横向力息息相关，列车在行驶过程中，特别是通过弯曲的轨道时，轨道会产生过大的横向作用力，这些作用力的存在会损坏铁路轨道的结构和轨道扣件，从而引起内外轨距离的改变、轨头形变、轨底抬高和钢轨倾覆等，这将增大列车脱轨的几率，严重威胁到列车行驶安全。

通常，轨道横向扩张力随着轮轨接触面之间摩擦系数的减小而变小，因此减小摩擦系数，不仅可以减小轨道横向蠕滑力的大小，还会使轨道扩张力同步减小[9]，如图3所示。因此，将轨顶摩擦系数降低到一个恰当的水平就是实施摩擦管理技术的核心所在，在该水平下不仅可以满足列车黏着和制动的要求，还能有效减少横向力及轮轨磨耗。与此同时，综合考量车轮在经过弯道时，由于内外轨的半径差，会与弯道外轨轨角接触而形成内外轮滚动半径差，做好轮轨摩擦管理最佳的理念就是在实施轨顶摩擦控制(摩擦系数μ的取值大于0.3而小于0.4)的同时实施轨侧润滑保护(摩擦系数μ小于0.2)，以有效降低轨道横向力，保证列车运行安全性，这已在加拿大太平洋铁路实践中得到证实。

图3 转向架通过曲线时前后轮轨接触面上的受力状况

图4 曲线钢轨波浪形磨耗

图5 直线钢轨波浪形磨耗

2.2 降低轮轨磨损

通常，轮轨磨损主要有车轮疲劳磨损和轨面波纹磨耗两个部分[10]。车轮疲劳磨损重点表现为车轮踏面剥离、擦伤、轮缘磨耗等；轨面波纹磨耗(简称“波磨”)主要表现为在钢轨轨顶面形成的高低不平现象，如图4和图5所示，其将导致轮轨系统发生复杂的动力响应变化，严重干扰列车正常行驶的安全性和稳定性，其中重载铁路尤为严重。

实践证明，摩擦管理技术在控制车轮和钢轨的磨损上一直是行之有效的。其一，车轮轮缘/钢轨侧面之间的润滑薄膜的存在会降低其摩擦系数，这样使接触面上的能量消耗也变少，那么轮缘磨损和钢轨侧磨也就随之减少；其二，适当地降低车轮轮缘/钢轨顶面的摩擦系数，也能达到使车轮踏面和钢轨顶面的磨损变小的目的。与此同时，通过轨顶摩擦控制技术还可以使列车在通过曲轨时的横向作用力变小，从另一方面使轮缘和轨侧的磨损减小[11]。

2.3 降低轮轨噪音

列车运行噪音始终是困扰人们的一个问题，研究结果表明，车轮啸叫噪音源于曲线段钢轨顶面和车轮踏面的摩擦及黏滑共同作用的结果[12]。轨道摩擦管理技术采用高正摩擦控制剂，其摩擦力可随蠕滑率的增加而增大，以达到降低或消除车轮啸叫噪音的目的。实践证明，使用中高正或超高正摩擦控制剂所形成的薄膜，能使轮轨间达到中等或高等摩擦系数，从而保证在不降低牵引制动性能的情况下，大幅降低列车在曲线区段运行时的噪音。

2.4 降低机车能耗

众所周知，机车能耗主要表现在产生牵引力上，以克服列车运行的阻力。列车阻力主要包括有滚动(驱动)阻力、曲线阻力、坡道阻力和风阻等[13]。其中，滚动阻力和曲线阻力的大小通常受轮轨界面摩擦水平的制约。因此，通过轨道摩擦管理技术科学有效地控制轮轨界面摩擦系数，能有效减少机车用于克服滚动阻力和曲线阻力的能源消耗，以创造更好的经济效益。

3 轮轨摩擦管理技术的应用

3.1 车载轨距面固体润滑技术

车载轨距面固体润滑技术[14]，是一种直接涂覆技术。固体润滑棒如图6所示，通过车载装置，使润滑棒在其输出端口与轨距面得以接触，随着列车的运动，能够使润滑棒涂覆在指定位置，涂覆装置如图7所示。同时，也可以使润滑棒与轨距面不接触，在不需要润滑的直线区域就不会存在涂覆现象。依据线路及车速的变化，使固体润滑装置的控制系统来控制润滑棒的涂覆量。

图6 车载轨距面固体润滑棒

图7 车载轨距面固体涂覆装置

车载轨距面固体润滑技术同其他固体润滑技术一样，对轮轨具有很好的保护作用且原材料选用的是可生物降解材料，利于环保。但是使用完毕后，需要下车进行润滑棒的更换，受到停车时间的限制。且直接涂覆装置是直接涂覆于钢轨轨距面，受机车行驶过程中稳定性影响较大，所以对润滑材料的材质要求较高，通常采用外硬内柔的复合型固体润滑棒，外层控制棒的耐磨性能，内层保证润滑性能。

3.2 车载轨距面固-液-固润滑技术

运用于车载轨距面的固-液-固润滑技术[15]首先将如图8所示的固体润滑剂预热融化，并将其装入保温桶，保持润滑剂液体状态；遇到需要润滑剂的情况时，液体状态的润滑剂就通过齿轮泵从喷嘴喷出，润滑剂就会粘覆在钢轨轨距表面，温度的变化使液体遇冷凝为固态，为钢轨及后续通过的车辆提供良好的防护，涂覆装置如图9所示。

图8 车载轨距面固-液-固润滑材料

图9 车载轨距面固-液-固涂覆装置

车载轨距面固-液-固润滑技术的优点是其不受列车停车时间的影响，所用原料绿色环保，能够有效减少轮轨磨损。该项技术的不足之处在于为了维持体系温度，需要大功率设备来保持润滑剂为液态，而且润滑剂固态需要经过地面预热变为液态，其操作相对比较繁杂，成本也相对较高，且润滑剂只具有一般的承载能力。

3.3 车载轨距面油脂润滑技术

车载轨距面油脂润滑[16]涂覆装置如图10所示，包括预压力储油罐、手动喷射泵、油管和喷油嘴等部分。先将油脂装入储油罐，再使用气筒给储油罐增加压力，在压力下油脂进入手动喷射泵中从喷嘴喷出。当预先安排的列车进入站台时，人为将涂油设备安装完好。在到达需要喷涂润滑油脂的地方，随行人员手动按压装置喷射泵，使油脂喷射到对应位置。完成该事项之后，需要进行装置的拆除并随返程车辆返回。

图10 车载轨距面油脂润滑涂覆装置

车载轨距面油脂润滑技术的优点是其具有较大的喷射压力，因此基本不会发生管道堵塞现象，且风力对其喷射影响较小。但具有油脂润滑共同的缺点，易出现甩油、漏油现象，产生油楔，加速轮轨疲劳裂纹，导致其剥离掉块。同时存在压力不恒定，操作人员能力不同导致的差异，且往返拆卸等存在大强度的劳动。在喷涂的过程中车辆的振动等情况都会造成喷涂位置的偏差。同时，为了使油脂不会误喷涂到轮轨踏面，通常使喷涂位置设置偏下，但是会导致轨距角位置喷涂不到足量的润滑油脂。

图11 道旁轨距面润滑装置

图12 道旁轨距面应用效果

3.4 道旁轨距面润滑技术

道旁轨距面摩擦管理技术[17]在空旷开阔的环境中更适合。道旁轨距面润滑装置如图11所示，包含太阳能供电系统、储能(电池)单元、列车识别及控制单元、润滑剂储存器、机械传送机构和喷嘴。通过车轮探测器可以有效探测到每一个经过的车轮，然后将信号传给电子控制器，控制器可以根据车轮数量设定一定的喷涂时间与喷涂量，将润滑材料涂于钢轨轨距面，被车轮带到远方，实现轮缘-轨距面的润滑保护，润滑效果如图12所示。

道旁轨距面摩擦管理技术可有效减少钢轨磨损问题，涂覆位置较车载式更为准确，且设备维护方便。但与油脂润滑类似，易产生油楔，加速轮轨疲劳裂纹，导致其剥离掉块，且污染机车和线路环境，影响环保。

3.5 车载轨顶面液体摩擦管理技术

车载轨顶面液体摩擦管理技术在封闭、复杂环境(如隧道、山区)中更适合，仅需要将涂覆装置装于列车尾部车厢即可。涂覆装置如图13所示，该装置使用GPS全球定位，得到车辆、线路等相关信息，自主挑选合适的喷涂方案。可实现全自动喷涂，将喷涂材料涂于钢轨轨顶，后面车辆经过时，将其带向远方，这样就可以实现全路段的摩擦控制。车载轨顶面液体摩擦管理技术适合大范围的轮轨摩擦管理，在实际使用过程中能够使摩擦系数维持在0.3～0.4之间，并且赋予正摩擦特性，可以有效减少钢轨磨损，降低能耗。但是产品进口费用昂贵，设备维护繁琐，且水性摩擦控制剂在低温寒冷地区的使用效果不佳。

图13 车载轨顶面液体摩擦控制涂覆装置

3.6 道旁轨顶面摩擦管理技术

道旁轨顶面摩擦管理技术同道旁轨距面摩擦管理技术类似，摩擦控制装置如图14所示。当车轮经过时，车轮探测器可以将信号传给电子控制器，控制器可以设定每隔一定数量的车轮经过时挤出一定的摩擦控制材料于钢轨顶面上，经过车轮的碾压，实现踏面-轨顶面的摩擦控制管理。应用效果如图15所示，从手推摩擦计的检测发现，干的薄膜可以被携带至250 m外的轨道。

图14 道旁轨顶面摩擦控制装置

图15 道旁轨顶面摩擦控制应用效果

道旁轨顶面摩擦管理技术可以有效降低噪音，抑制波磨的形成和增长，降低轮轨的横向力,从而减少钢轨扣件装置的疲劳现象，降低列车的脱轨风险，延长车轮和钢轨的使用寿命。但由于该技术购置成本较高，长期维护较困难。同车载式一样，水性摩擦控制剂在低温寒冷地区的使用效果有待提高。

4 结论

随着高速重载铁路的不断发展，小半径曲线区段的不断增多，有效保持轮缘-轨距面低摩擦系数(0.2或更低)以及车轮踏面-轨顶面中等摩擦系数(0.3～0.4)，能够有效提高列车行驶的可靠性和安全性，并带来较大的经济社会效益。笔者分析了全面摩擦管理技术的优势和各润滑技术在实际应用过程中的优缺点，为将来的研究发展提出了建议。随着研究的深入，未来全面摩擦管理技术还需从以下几个方面得到长足的进步和发展：①轮轨摩擦控制装置向一体化、高效化和简便化进行转化；②摩擦控制材料应在综合固体润滑与油脂润滑各自优势的基础上进行创新开发；③加速探究轨顶面-车轮踏面和轨距角-车轮轮缘摩擦管理等课题。总之，开展全面摩擦管理技术及其应用的研究具有重要的意义。

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ResearchonWheel-RailFrictionManagementTechnologyandItsApplication

XUFengsheng

Aiming at a series of huge losses caused by wheel-rail wear and train accidents at home and abroad, the author puts forward the idea of maintaining a low friction coefficient of the rail gauge (0.2 or less) and maintaining a medium friction coefficient on the top of the rail (0.3-0.4) is the best way to solve these problems The implementation of comprehensive friction management technology can effectively improve the safety of train operations, reduce the wear of wheel-rail, the noise of rail and energy consumption of locomotive. At the same time, it systematically introduced the existing various types of friction lubrication technology, analyzed the advantages and disadvantages in actual use, and put forward the direction of future improvements and enhancements.

wheel-rail wear; train accidents; friction management; safety

TH117.2

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.05.025

2095-3852(2017)05-0643-06

A

2017-04-30.

徐凤生(1964-)，男，上海人，上海铁路局高级工程师，主要研究方向为轮轨摩擦管理.

XUFengshengSenior Engineer; Shanghai Railway Administration, Shanghai 200071, China.