基于车载控制技术的轮轨摩擦管理方法研究

郭 刚，马颖明

(中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081）

重载列车运量的显著增加，加速了轨道结构损伤和线路状态恶化，既有重载铁路车轮和钢轨磨耗加剧，特别是小半径曲线钢轨侧磨速度增加，使更换侧磨轨的频率明显上升。

北美铁道协会在FAST环行线所进行的试验表明，轮轨润滑状态和干摩擦状态相比，钢轨侧磨速率迅速下降，减磨效果可达到2～10倍，轮缘磨损减磨效果可达到3～5倍[1]。美国铁路运营实践表明，钢轨采用涂油润滑技术后，机车能量消耗减少，最大可达30%，并且使重载列车的货车和机车轮对磨削或更换数量分别减少30%和50%，线路（特别是曲线区段）钢轨的使用年限延长50%。加拿大CP铁路公司采用轨顶润滑装置5年，曲线区段钢轨磨耗下降43%～58%，轮轨横向力降低40%～45%[2]。北美重载铁路轮轨摩擦控制目标是：钢轨轨角润滑以减小轮轨接触的摩擦系数、磨耗和车辆通过曲线的阻力，摩擦系数控制在小于0.25以下；轨顶涂覆摩擦控制剂使轨顶摩擦系数控制在0.35～0.40之间，减小轨顶磨耗和轮轨横向力，同时确保机车的粘着牵引力或制动力不受影响。

我国重载铁路已认识到轮轨润滑是解决轮轨磨耗的重要技术措施，但由于我国铁路管理体制和既有润滑技术上的多方面原因，使得目前我国重载铁路摩擦控制技术研究较国外滞后。目前我国重载铁路轮轨润滑的效果不能令人满意，有机车轮缘润滑和地面或车载曲线钢轨润滑，后者主要用于解决曲线区段轮缘磨耗、钢轨轨头侧磨，二者在润滑剂材质上差异较大，甚至出现互相矛盾的情形，效果极不平衡，更难以进一步考虑轮轨摩擦控制。为了缓解上述现象，朔黄铁路使用了摩擦控制技术和地面摩擦控制产品，试用后表明该技术可行、有效。为进一步使用车载摩擦控制产品，特别需要对摩擦控制技术进行全面深入的测试[3-5]。

1 试验情况概述

1.1 试验列车

（1）制动试验

试验用机车为SS4B型机车，该型机车为8轴货运电力机车，是我国第3代（无级调速、交直传动）相控机车，继承了SS4型、SS4改型机车的经验并作了进一步技术改进；试验货车为54辆C80运煤专用敞车。

（2）轨道结构动力试验

试验用机车车辆为通过测试工点的摩擦控制列车，主要机车类型为SS4B，主要车辆类型有C64、C70、C80。

1.2 试验测点和主要工况

（1）制动试验

通过在朔黄铁路针对摩擦控制技术和产品应用效果开展现场试验，研究与评估摩擦系数变化对列车制动性能的影响。

制动线路和编组[6]情况如表1所示。

表1 制动测试方案

测试时，制动初速：65±2 km/h；常用全制动：最大减压量170 kPa。

（2）轨道结构动力试验

通过在朔黄铁路针对摩擦控制实施措施应用效果开展现场试验，选择有代表性的工点对轨道结构动力响应进行监测，选取的小半径曲线测试工点如表2所示。

2 制动试验

2.1 测试方式

（1）在采用摩擦控制技术及产品之前，开展原有状态下列车制动（最大常用制动）测试，共测试4趟，采集列车制动距离。

表2 轨道动力测试工点

（2）采用摩擦控制技术及产品之后，对测试列车（施加摩擦控制的列车）共进行4趟制动测试（最大常用制动），采集列车制动距离。

（3）将施加摩擦控制技术前后采集的数据进行分析比对，确定其对列车制动产生的影响。

2.2 测试结果分析

（1）重车编组

重车编组在K172、K386处进行常用全制动，K172处为11.4‰～11.7‰坡道，具体描述，列车自制动开始至停车为止，全列车一直位于长大下坡道上；K386处为平直道，全列车均行驶到平直道上后实施制动，至全列车停止行驶为止，列车始终位于平直道上。在原有状态下列车实施最大常用全制动，所得测试结果如表3所示。

表3 重车编组原有状态下制动距离

采用摩擦控制技术及产品之后，列车实施最大常用制动，所得测试结果如表4所示。

表4 重车编组采用摩擦控制技术及产品之后制动距离

在原有状态下，重车编组在K172+100处常用全制动的制动距离平均值为927 m，在K386+900处常用全制动的制动距离平均值为623.5 m；采用摩擦控制技术后，重车编组在K172+100处常用全制动的制动距离平均值为924.5 m，在K386+900处常用全制动的制动距离平均值为644.5 m。

由于制动试验存在一定的随机性，即使同一工况下各次的制动距离仍有差异，从以上试验数据可得，重车编组试验本身的误差约在4%以内。

对比采用摩擦控制技术及产品前后，各车次在K172、K386处的制动结果，其制动距离的平均值相差不超过3.4%。故采用摩擦控制技术及产品前后，重车编组列车制动性能基本一致。

（2）空车编组

SS4B+54×C80空车编组仅在K241+800平直道处进行常用全制动，全列车均行驶到平直道上后实施制动，至全列车停止行驶为止，列车始终位于平直道上。在原有状态下列车实施最大常用制动，所得测试结果如表5所示。

表5 空车编组原有状态下制动距离

采用摩擦控制技术及产品之后，列车实施最大常用制动，所得测试结果如表6所示。

表6 空车编组采用摩擦控制技术及产品之后制动距离

在原有状态下，SS4B+54×C80空车编组在K241+800处进行常用全制动，制动距离的平均值为553 m；采用摩擦控制技术及产品之后，空车编组在K241+800处进行常用全制动，制动距离的平均值为573 m。

由于制动试验存在一定的随机性，即使同一工况下各次的制动距离仍有差异，从以上试验数据可得，空车编组试验本身的误差约在6%以内。

对比采用摩擦控制技术及产品前后，各车次在K241处的制动结果，其制动距离平均值相差3.6%。

3 轨道结构动力试验

3.1 试验方案及标准

中国铁道科学研究院集团有限公司铁道科学技术研究发展中心于2014年11月10日～11月26日在以上3个小半径曲线地段选择了3个里程点作为测试设备布置点，具体里程分别为K64+350、K55+500和K18+450。现场测试了轨顶摩擦控制状态（轨顶涂覆摩擦调节剂）、干燥状态（不使用摩擦控制产品）运营列车通过时的轨道结构动力响应，摩擦控制列车、运营列车均以正常运营速度通过各测试地点，不做特殊限定，摩擦控制列车在2014年11月16日～11月24日每天有两趟或3趟通过，采集到的摩擦控制列车共计14趟，车辆类型主要包括C64、C70和C80，机车车型均为韶山4B，安排为车号177、172和209的3辆装有摩擦控制装置的机车来完成轨顶摩擦控制涂覆任务。测试项目如下：

轨道结构安全性：轮轨垂直力、轮轨横向力布置1个断面；

轨头横移：上下股各布置1个断面轨头横移测点；

钢轨垂移：上下股各布置1个钢轨垂向位移测点；

轨枕垂移和横移：各布置1个轨枕断面测量垂、横向位移。

评判标准：根据货车运行安全性标准和相关设计规范等，形成本次检测的评判标准如表7所示[7-8]。

表7 轨道结构动态检测评判标准一览表

3.2 试验结果分析

下面以K18+500里程点小半径曲线动力测试结果为例，将测试结果进行分析。

（1）C64、C70、C80这3种车型在通过测点时速度很难保证完全一致，故将车速分为3个范围：50～55 km/h、55～60 km/h、 60～65 km/h，再对车辆的脱轨系数、减载率、轮轴横向力进行动力学分析。车辆安全性测试主要结果如图1～图3所示。

图1 两种状态的脱轨系数、减载率对比柱形图（C80，V=50～55 km/h）

图2 两种状态的脱轨系数、减载率对比柱形图（C70 ，V=50～55 km/h）

图3 两种状态的轮轴横向力对比柱形图（C70 ，V=50～55 km/h）

采用轮轨摩擦控制技术，3种车型的运行安全性指标都发生了变化，其中轮轴横向力发生了较小程度的减小，最大减少幅度为6.14%，数值从16.19 kN减少到15.20 kN，工况为C70货车在速度50～55 km/h区间通过；内轨轮重减载率也发生了减少但幅度不明显，外轨轮重减载率普遍增大，最大增加幅度达到33.33%，数值从0.27增大到0.36，但最大值仍远低于安全限值的要求；内、外轨脱轨系数基本上都得到了减少，最大减少幅度为23.4%。

（2）根据C64、C70、C80这3种车型在50～55 km/h、55～60 km/h、 60～65 km/h车速范围下分别通过K18+500地面测点时所测得的数据，对轮轨垂、横向力平均值进行对比分析。主要结果如图4～图7所示。

图4 两种状态的轮轨垂/横向力最大值对比柱形图（C64，V=50～55 km/h）

图5 两种状态的轮轨垂/横向力最大值对比柱形图（C80，V=50～55 km/h）

图6 两种状态的轮轨垂/横向力最大值对比柱形图（C70，V=55～60 km/h）

图7 两种状态的轮轨垂/横向力平均值对比柱形图（C70，V=50～55 km/h）

采用轮轨摩擦控制技术，3种车型的轮轨垂/横向力最大值、平均值都发生了变化，其中轮轨垂向力虽然个别数值会有小幅度的减少（这主要是由于速度、超高等综合因素造成的），但整体趋势上呈现增加趋势，轮轨垂向力最大值、平均值最大增幅分别为7.97%、8.46%；轮轨横向力无论最大值还是平均值趋势均明显呈现减少趋势，横向力最大值减幅最大为31.70%、横向力平均值减幅最大为21.62%。

（3）根据C64、C70、C80这3种车型在50～55 km/h、55～60 km/h、 60～65 km/h车速范围下分别通过K18+500地面测点时所测得两种状态下轨道结构动变形数据，每种状态按速度范围各取平均值进行对比分析。主要结果如图8～图12所示。

图8 两种状态的轨道结构动变形最大值对比柱形图（C70，速度50～55 km/h）

图9 两种状态的轨道结构动变形平均值对比柱形图（C70，速度50～55 km/h）

图10 两种状态的轨道结构动变形最大值对比柱形图（C64，速度55～60 km/h）

图11 两种状态的轨道结构动变形平均值对比柱形图（C64，速度60～65 km/h）

图12 两种状态的轨道结构动变形最大值对比柱形图（C70，速度55～60 km/h）

由以上测试结果可得，采用轮轨摩擦控制技术，三种车型的轨道结构动变形都发生了变化，钢轨垂向变形、轨枕垂向变形基本上都呈现增大趋势，钢轨垂向变形最大值、平均值最大增加幅度分别为19.77%、32.26%，轨枕垂向变形最大值、平均值最大增加幅度分别为20.17%、11.11%；钢轨横向变形、轨枕横向变形均呈现减少趋势，钢轨横向变形最大值、平均值最大减小幅度分别为21.62%、44.82%，轨枕横向变形最大值、平均值最大减小幅度分别为23.81%、38.71%。

（4）摩擦状态控制作用范围。以K18+500里程测点为例，根据朔黄铁路公司提供的运营情况表，统计出涂覆摩擦调节剂列车编组车型基本上均为C80和C64两种，通过对比以上两种车型的轮轨垂/横向力变化规律，分析得出轨顶摩擦控制状态持续作用范围。如图13、图14所示。

车载涂覆设备列车通过后横向力有个渐变的过程，接下来的2～3趟车的控制摩擦和降低横向力的效果还是具有一定效果的。

4 结束语

图13 C80不同趟次轮轨横向力变化均值

图14 C80不同趟次轮轨垂向力变化均值

在干燥轨面的条件下，通过采用摩擦控制技术及产品前后的制动对比试验，空重车编组制动性能基本一致，重车制动距离的平均值相差不超过3.4%，空车制动距离的平均值相差不超过3.6%。

采用轮轨摩擦控制技术，轮轨横向力减幅程度普遍在10%～40%范围内波动，轮轴横向力减幅程度普遍在5%～30%范围内波动；脱轨系数、轮重减载率最大数值均未超过安全限值；钢轨、轨枕的横向变形得到了减少，钢轨、轨枕垂向变形则增大。

通过对钢轨涂覆摩擦调节剂后5～6趟车辆经过时的动力特性变化规律分析，结果表明 ，涂覆摩擦调节剂列车和后续4列车均可产生横向力降低的效果。其中，涂覆列车本身车辆的轮轨横向力降低作用效果最好，其余车次降幅效果依次递减，第4趟列车之后的减幅效果不再明显。

[1] 白东辉，程建平，马战国，等. 朔黄重载铁路小半径曲线钢轨润滑技术试验研究[J]. 铁道建筑， 2015，7（10）：160-163.

[2] 钱立新.世界铁路重载运输技术的最新进展[J].世界轨道交通，2007（12）：20-23.

[3] 耿志修.大秦铁路重载运输技术[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[4] 张弛易.重载铁路隧道内无砟轨道结构力学分析[D].成都：西南交通大学， 2012.

[5] П.T.格列别纽克.超重列车制动动力学[M]. 陈方昌，樊连波，译. 北京：中国铁道出版社，1984.

[6] 中国铁路总公司. 铁路技术管理规程（普速铁路部分）[S].北京：中国铁路总公司，2014：69-89.

[7] 原铁道部标准计量研究所.铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准：TB/T2360-93 [S].北京：铁道部标准计量研究所，1994：861-863.

[8] 国家标准局. 铁道车辆动力学性能评定：GB5599-1985[S].北京：国家标准局，1986：3-4.