通过控制轮轨摩擦降低重载铁路轮轨作用力的研究

黄 鹏

（中国神华能源股份有限公司神朔铁路分公司，陕西榆林 719316）

重载铁路提升运量的主要发展方向是不断提升运营速度、提升单列车载重、缩短运营间隔。神朔铁路的万吨列车运营已经常态化，运量逐年增加，同时车轮和钢轨的磨耗、轨道构件的更换频率也在增加。特别是在小半径曲线上，轮轨相互作用明显增大，造成了钢轨和部件损伤，列车脱轨风险增加，进而导致线路养护与维修工作量明显增加。

对于重载铁路，在轮轨界面之间实施摩擦控制技术［1］已经成为降低轮轨相互作用力的共识。本文介绍在神朔铁路重点区段开展轮轨摩擦控制技术的研究过程和测试结果，对使用摩擦控制技术降低轮轨作用力特别是横向力进行深入探讨。

图1 转向架通过曲线时前后轮轨接触面上的受力示意

1 轮轨摩擦控制方案

改善轮轨关系是解决重载铁路轮轨作用力加大的关键。轮对导向的最佳方式是利用蠕滑力，通过全面实施轨顶面摩擦控制能够优化轮轨间的蠕滑力。如图1所示，列车通过小半径曲线时，每个转向架的前轮对与轨道之间的冲角一般较大，在车轮踏面与钢轨轨顶的接触面上产生横向蠕滑，在前轮和后轮上产生反方向力矩。这些反方向力矩和作用力导致了列车通过曲线时的轨道横向扩张力。轨道横向扩张力与轮轨接触面的摩擦因数成正比，降低摩擦因数横向蠕滑力也将随之减小，轨道横向扩张力同步减小。在车轮踏面与钢轨轨顶之间实施摩擦控制的目的是将轨顶摩擦因数降低到合适水平，使之既可满足列车黏着和制动的要求，又能起到降低横向力及轮轨磨耗等的效果。降低了横向力以后，轮轨界面上横向力与垂向力的比值（即脱轨系数）减小，列车脱轨风险（尤其是车轮爬轨风险）也会降低。

如果可以在轮轨2 个摩擦副上同时进行摩擦控制，将摩擦副的摩擦因数控制在合理的范围，在曲线段可以进一步缓解轮轨相互作用及损伤并且降低运行安全风险［2-3］。

全面摩擦控制系统包括轨顶面摩擦控制系统和轨距面摩擦控制系统。轨顶面摩擦控制系统通过引入摩擦控制剂等，使轮轨上存在的铁氧化物、水、油脂、落叶等物质一起形成固态薄膜，将轮轨间摩擦因数控制在0.3～0.4，既能达到降低轮轨间摩擦因数的效果，又能满足列车牵引和制动的需要。对轨距面进行摩擦控制能够减少轮轨间磨耗，降低轮轨损伤并改善列车曲线通过性能，将轨距角摩擦因数维持在0.2以下［4-6］。

2 试验概况

2.1 摩擦控制设备

神朔铁路选用了简单易行的摩擦控制剂轨旁施加方式，采用PROTECTOR 四型涂覆设备。从施加方式来看，摩擦控制剂的施加主要分为轨顶面施加和轨距面施加，本研究中采用了这2种方式。

2.2 摩擦控制剂

使用的摩擦控制剂包括用于轨顶摩擦控制的KELTRACK 摩擦调节剂和用于轨侧摩擦控制的LBFFM 优质钢轨曲线润滑脂。KELTRACK 摩擦调节剂虽然是一种水基液体，却能够在轮轨界面上形成独特的第三介质薄膜，列车通过时这层薄膜会进一步转移到车轮表面，不会出现油楔现象。KELTRACK 摩擦调节剂还有2 个特点：①能控制轨顶摩擦因数在一个适中的范围（0.3～0.4）；②正摩擦特性，摩擦因数随着蠕滑率的升高而增大。

LBF-FM 优质钢轨曲线润滑脂的性能是建立在多年的研究和现场测试经验的基础上，专门为重载货运铁路设计。此产品设计上使用Portec Rail的PROTECTOR IV 轨侧润滑涂敷系统，安装在铁道沿线重要的位置以保证优异的钢轨润滑保护并能有效地降低轮轨磨损。

LBF-FM 优质钢轨曲线润滑脂组分中包含有效的石墨EP（极压）添加剂，尤其适合在大坡度、高曲率需要很强的传递能力和磨损控制性能的地方使用。LBF-FM 优质钢轨曲线润滑脂拥有极高的熔点，即使在温度极高的车轮表面仍能提供理想的保持能力。

2.3 摩擦控制设备安装地点

摩擦控制设备安装地点选择在神朔铁路上行线K82—K117 区段。在此区段均匀设置了10 套PROTECTOR 四型涂覆设备，其中包括7套轨顶和3套轨侧涂覆设备。

2.4 动力学性能数据测试地点

测试地点位于神朔铁路保德境内K113+448 处的上行曲线。曲线半径为454 m，曲线超高为95 mm。曲线长度为369 m，缓和曲线长度为110 m。轨道采用75 kg/m钢轨，采用混凝土Ⅱ型轨枕。

在规定的测试位置，选择了2处断面作动力测试，以便对比。测点布置如图2所示。

图2 测点布置

2.5 试验过程

实施全面摩擦控制并进行监控的时间为2014年10月—2015年6月，分为3个阶段。

第1 阶段是对比阶段（无摩擦控制）。从2014月10日—2015年1月，所有的涂覆设备都被关闭。因为原计划在此期间进行换轨作业，所以所有涂覆设备均被拆除，以等待钢轨更换。因此将这段时间的钢轨磨耗数据作为对比数据。

第2 阶段是摩擦管理调整阶段。2015年1月—2015年4月，在钢轨轨顶进行摩擦控制，所有的涂覆设备均开启，同时在钢轨轨侧实施润滑保护，但是为了保证运营安全和循序渐进，设备并没有完全调整到标准涂覆参数，而是采用了较低的参数。

第3阶段是摩擦控制阶段。2015年4月—2015年6月，设备调整达到最优状态，按照全面摩擦控制的情况进行评估。

第1 阶段测试120 趟列车；第2 阶段测试137 趟列车；第3 阶段测试102 趟列车。各阶段不同车型列车数量见表1。列车的速度主要在40～60 km/h。

表1 各阶段不同车型列车数量分布

分类统计方法：①根据测试地点列车运行情况和环境，可按照不同车型（C64，C70，C80）进行测试数据分类统计；②根据测试数据信号的噪声情况，由于2#断面信号较为清晰，选择2#断面进行数据的统计分析；③列车通过曲线时，同一转向架的导轮和从轮引起的轮轨横向水平力不同，导轮产生的横向水平力较大，对列车运行安全性影响较大，因此在统计时只考虑导轮，即每个车厢的第1 轮对的数据。④以每节车厢第1 轮对的数据为单个样本，各类车型的样本数量为该车型车厢数量的总和。

3 安全性指标测试结果分析

列车单轮横向水平力、脱轨系数、轮重减载率和轮对横向力等参数是评定列车运行安全性的指标。对测试列车所有车厢第1轮对数据进行统计分析。

3.1 单轮横向水平力

3.1.1 单轮横向水平力分布统计

3个阶段单轮横向水平力概率分布见图3。可见：第2阶段、第3阶段的水平力累计概率相对第1阶段收敛到100%更快；总体上第2 阶段、第3 阶段横向水平力较第1阶段有所下降。

图3 各类车型不同阶段横向水平力概率分布

3.1.2 单轮横向水平力均值

各阶段不同车型的单轮横向水平力均值见表2。可见，采用摩擦控制技术后，横向水平力有所减少。

表2 各阶段不同车型单轮横向水平力均值 kN

将第2阶段、第3阶段的横向水平力与第1阶段比较，计算得其到横向水平力降低幅度，见表3。可见：外轨横向水平力降低幅度约11%～30%，而内轨横向水平力降低幅度约20%～32%，内轨降低幅度比外轨大且相对较为稳定；第3阶段的降低幅度比第2阶段大。

表3 第2、第3阶段横向水平力降低幅度 %

3.2 脱轨系数

3.2.1 脱轨系数分布

各车型不同阶段脱轨系数概率分布见图4。可见，第2 阶段、第3 阶段的脱轨系数累计概率相对第1阶段收敛到100%更快；总体上第2 阶段、第3 阶段脱轨系数较第1阶段有所下降。

图4 各类车型不同阶段脱轨系数概率分布

3.2.2 脱轨系数均值

各阶段不同车型脱轨系数均值见表4。可见，采用摩擦控制技术后脱轨系数均值有所减少。

表4 各阶段不同车型脱轨系数均值

将第2 阶段、第3 阶段的脱轨系数与第1 阶段比较，计算得其脱轨系数降低幅度，见表5。可见：外轨脱轨系数均值降低幅度约9%～30%，而内轨脱轨系数均值降低幅度约20%～35%，内轨降低幅度比外轨大且相对较为稳定；第3阶段的降低幅度比第2阶段大。

表5 第2、第3阶段脱轨系数降低幅度 %

3.3 轮对横向力

3.3.1 轮对横向力分布

各阶段不同车型轮对横向力概率分布见图5。可知：第3 阶段、第2 阶段轮对横向力的累计概率相对第1阶段收敛到100%更快；第2阶段、第3阶段轮对横向力较第1阶段有所下降。

图5 各阶段不同车型轮对横向力概率分布

3.3.2 轮对横向力均值

各阶段不同车型轮对横向力均值见表6，第2、第3阶段轮对横向力降低幅度见表7。可知，第2阶段、第3阶段相对第1 阶段明显降低，C64降低幅度约42%～46%，C70降低幅度约25%～35%，C80降低约37%～43%。

表6 各阶段不同车型轮对横向力均值 kN

表7 第2、第3阶段轮对横向力降低幅度 %

4 结论与展望

对神朔铁路山区小半径曲线段轮轨界面间采用全面摩擦控制技术后列车单轮横向水平力、脱轨系数和轮对横向力进行了统计分析。主要结论如下：

1）第2 阶段单轮横向水平力均值较第1 阶段：C64外轨、内轨分别降低约16%，29%；C70外轨、内轨分别降低约18%，23%；C80外轨内轨分别降低约11%，20%。第3阶段横向力均值较第1阶段：C64外轨、内轨分别降低约21%，29%；C70外轨、内轨分别降低约30%，32%；C80外轨、内轨分别降低14%、24%。

2）第2阶段脱轨系数均值较第1阶段：C64外轨、内轨分别降低约20%，29%；C70外轨、内轨分别降低约21%，24%；C80外轨、内轨分别降低约9%，20%。第3阶段脱轨系数均值较第1 阶段：C64外轨、内轨分别降低约20%，29%；C70外轨、内轨分别降低约29%，35%；C80外轨内轨分别降低约14%，23%。

3）第2阶段、第3阶段轮对横向力均值相对第1阶段有明显降低，C64降低幅度约42%～46%，C70降低幅度约25%～35%，C80降低幅度约37%～43%。

4）采用摩擦控制技术后，列车单轮横向水平力、脱轨系数和轮对横向力在整体上均呈下降趋势。表明全面摩擦控制对于降低轮对横向力、脱轨系数有明显效果。钢轨磨耗率也有很大幅度降低，从侧面佐证了摩擦控制对降低轮轨相互作用力的效果。