如何提高重载铁路的摩擦控制

2014-10-09 来源：《世界轨道交通》杂志

本文摘要：在轨面上涂敷摩擦调节剂在世界各地铁路线路上的应用价值不断提高。但对重载铁路线路的使用效果还未进行广泛深入的调查。澳大利亚中央昆士兰大学铁路工程中心及铁路革新合作研究中心目前已经确定了研究方法，对澳大利亚重载铁路网络的最佳轨面摩擦控制进行评估。目前正着手准备现场试验。

　　编译宋文伟

　　在轨面上涂敷摩擦调节剂在世界各地铁路线路上的应用价值不断提高。但对重载铁路线路的使用效果还未进行广泛深入的调查。澳大利亚中央昆士兰大学铁路工程中心及铁路革新合作研究中心目前已经确定了研究方法，对澳大利亚重载铁路网络的最佳轨面摩擦控制进行评估。目前正着手准备现场试验。

　　摩擦控制的重要性

　　高速、重载、大密度已成为现代铁路网络的共同特点，与此同时，在很多地区，也因此加快了钢轨的损伤、增加了轨道的维护成本。而钢轨打磨及润滑是克服运行磨损、滚动接触疲劳、表面裂缝及塑性变形等主要钢轨缺陷所普遍采用的预防措施。

　　钢轨打磨用于修复钢轨波浪磨损、疲劳及金属流动，恢复钢轨的几何形状；而润滑则主要用于控制摩擦、降低轮轨接触面的磨损，从而延长轮轨使用寿命、节约能源、降低噪声。

　　钢轨轨距面和轨面这两个摩擦区对摩擦的要求各不相同。控制钢轨轨距角（钢轨侧面）与轮缘之间的摩擦通常通过路旁润滑机涂敷润滑剂来实现。但过多地使用润滑剂会使摩擦力降至规定的标准以下，从而产生安全问题，如降低制动控制。

　　利用路旁装置，涂敷摩擦调节剂

　　轨距面润滑主要是为了减少曲线外轨轨距面的磨损，但无法减少曲线内轨的扁压及波磨，或车辆在直线段的摆动，也无法减少造成轨道损伤的横向力，最终导致维护、更换及整个寿命周期成本的增加。为了解决上述问题，需要使用润滑剂，或类似产品，如摩擦调节剂，将轨面摩擦控制在0.3μ与0.5μ之间。

　　理论依据

　　由于缺少对轨面润滑性能及成本等的了解，以及研究成果和相关资料，轨面润滑方案一直未得到重载运输基础设施管理部门的足够支持。加拿大太平洋铁路公司、美国国家联邦铁路局及美国能源部，对此多少持反对态度，仍在对轨面润滑系统进行测试。

　　而在澳大利亚，摩擦调节剂目前正被用于减轻铁路车轮发出的尖叫声，并取得了良好效果。该研究项目由澳大利亚中央昆士兰大学铁路工程中心及铁路革新合作研究中心负责实施，其目的是更好地了解轨面润滑采取的具体方法及产品，同时制定一整套具体可行的标准，以便对轨面润滑的效果、成本及工艺过程进行评估分析。

　　目前，基础设施管理部门根据自身掌握的情况，实施具体的润滑策略。首先在大多数线路的曲线外轨的轨距面上采用润滑方式，这种使用轨面摩擦调节剂在整个行业范围内还属相对新的技术，仅在北美、巴西及亚洲部分有选择的摩擦控制计划中采用。

　　轮轨接触面上采用摩擦调节剂在重载线路上也同样取得了类似良好的效果，与仅对轮缘进行润滑相比，不仅减少了横向力和钢轨磨损，还节约了能源。

　　车轮与钢轨间的轨道摩擦系数范围在接近零与最大0.8之间（钢轨对钢轨的静态摩擦系数在干燥条件下为0.8,在润滑条件下为0.16）。车轮与钢轨运行表面的接触区建议的牵引系数μ在0.30与0.35之间，而在轮缘与轨距角接触区则越低越好。

　　为保持需要的牵引系数，在钢轨表面薄薄涂上一层摩擦调节剂获得中间摩擦系数，既保证在坡道上实施制动时有较强的正摩擦，又保证有效的粘着力。理想的中间摩擦系数在0.35与0.4之间，这不仅可大大降低车辆轮对的滚动阻力、提高钢轨低粘着力值、降低蠕滑力、提高导向能力、降低轮缘作用力、降低小半径曲线脱轨的风险，还可减少曲线上产生的尖叫噪声。

　　此外，轨面润滑还能大大降低作用在钢轨上的横向力，如脱轨作用力、轨距加宽等，可提高轨道构件的使用寿命，如轨枕、锚栓、轨夹/道钉及鱼尾板接头等。

　　模拟

　　试验中使用一台精密圆盘销式摩擦计，以模拟车轮与钢轨之间的滚动滑动。球体代表钢轨，钢盘代表车轮。试验时，在模拟轮轨接触区涂敷摩擦调节剂，然后检测摩擦调节剂性能及蠕滑状态，通过计算估算出接触区的大小及荷载。

　　在对轨道摩擦系数数值、荷载、速度、温度及蠕滑之间关系了解的基础上，对研究获得的数据进行了分析。通过数据分析，研究摩擦调节剂的物理特性，利用其物理特性建立模拟模型。

　　该阶段最初包括Matlab软件设计，模拟球体及圆盘的形状，然后对三维轮轨接触及滑动进行研究，从而建立粘着/牵引系数，包括蠕滑、轮载及横向荷载之间的关系。根据取得的研究成果，绘制在不同润滑条件下的特性曲线，包括使用摩擦调节试剂的结果，从而预测轮轨接触区域内摩擦调节剂所产生的效果。

　　研究小组使用按比例制作的三组件转向架试验台，模拟运煤货车的运动，对各种轨面摩擦调节剂进行试验

　　研究中还提出了一种数值法，表示粘着系数及相互依存关系。为建立粘着系数与作用力、速度、润滑剂及温度之间的关系，将考虑使用三维参数（接触表面）及轮轨接触条件变量。

　　一旦获得了所选调节剂的性能及特性，利用车辆动态软件"Gensys"，模拟重载运输，量化调节剂对磨损及滚动接触疲劳，预测滚动接触疲劳的发展状况。模拟的重点为轮轨磨损、转弯作用力、滚动接触疲劳的发展及与轨道摩擦系数之间的关系。模拟计划包括不同轨道条件下，如干燥、调节剂FM1、调节剂FM2及潮湿等，磨损及滚动接触疲劳的量化处理。

　　研究期间对车载轨面润滑系统进行试验，完成Gensys软件模拟，需要一台在CRE研发的机车模型及一段含曲线及上坡线路的轨道。该段轨道包括信息及构件有：钢轨类型、钢轨轨距、枕木；钢轨固定夹持系统、减震垫、道砟及下部结构；轨道段、长度、锐曲线总量、半径、轨道直线向曲线过渡点等。

　　成本效益

　　影响轨面调节剂的广泛使用的主要原因是必须不断施加摩擦调节剂及相关成本效益因素，因此，该研究对取得轨面摩擦调节剂的效益具有很重要的参考价值。

　　2003年由英国铁路安全及标准委员对轮轨接触面控制措施进行的调研发现，铁路部门没有获得有关轨面润滑系统的成本数据，因此，该研究必须包括成本效益分析，涉及与轨面润滑系统有关的各种系统装置及使用成本。该项研究包括由减少轮轨磨损、降低滚动接触疲劳及最终钢轨维护量的减少等所产生的效益。

　　成本效益分析即记录整个寿命周期过程中确定的效益（Cbenefit）及成本（Cinput），并由此计算净现值（NPV）。项目确认的确定效益包括轮轨磨损、轮轨更换成本及滚动接触疲劳的减少，以及钢轨打磨作业费用的降低。研究小组在钢轨打磨研究项目上采用最佳的作业方法，并将所取得的效益转化为成本效益。其中投入成本包括购买及安装轨面润滑系统（车载），操作及维护成本（包括紧急维护）及购买摩擦调节剂。

　　目前，摩擦调节剂仍在试验中，该阶段仅得到了初步结果。尽管是初步结果，只要曲线外轨处理得当，磨损指标可降低近60%。进一步的经济分析证明，锐曲线（200m）钢轨的寿命可延长高达100%，每MGT钢轨打磨成本可降低15%。这些结果非常令人满意，与加拿大太平洋铁路公司研究项目取得的结果是一致的。

　　本项目被认为是目前正在进行CRC钢轨曲线润滑项目的延伸。该研究项目始于2010年，目的是对钢轨轨距面进行润滑。为进一步确认取得的这些初步成果，对澳大利亚实际工作及环境条件下取得的效益进行量化，2014年将开始进行现场试验。这两个项目的最终成果，将有助于为铁路行业制定钢轨摩擦控制的总体解决方案。

关键词：铁路重载铁路

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