轨面摩擦控制技术防治曲线钢轨侧面磨耗研究

王文斌 范钦海 刘 力

轨面摩擦控制技术防治曲线钢轨侧面磨耗研究

王文斌 范钦海 刘 力

摘 要：曲线外轨侧面磨耗是困扰地铁建设和运营部门的难题。轨面摩擦控制技术可以在保证列车正常牵引和制动的前提下，修改轮轨摩擦（粘着）曲线，降低轮轨横向力，抑制外轨侧面磨耗。国产轨面摩擦控制设备的现场应用效果表明，轨面摩擦控制能够在不影响列车制动与牵引的前提下，有效地将轨面摩擦系数控制在0.35左右，外轨侧磨发展速度可降低50%。此创新技术的推广，可保障运营安全，减少运营单位维修养护工作量，提高钢轨服务年限。

关键词：轮轨磨耗；钢轨侧磨；控制装置；控摩剂；研究

王文斌：铁科院（北京）工程咨询有限公司，工程师，北京 100081基金项目：北京市科技计划课题，Z121100007612007

0　引言

由于城市轨道交通新开通的站点大部分位于城市中心区，对缓解中心城区的拥堵将起到重要作用，但在城市轨道交通线路的选择上，由于受到规划及建筑物的制约，使得其线形越来越复杂，曲线（特别是小半经曲线）所占运营里程的比重越来越大。处于小半径曲线上的钢轨，由于轮轨间摩擦力不能满足列车转向的需求，轮缘将贴靠外轨内侧，产生轮轨横向导向力，在这一过程中，车轮与钢轨存在挤压、粘着、蠕滑和滑动，导致钢轨产生塑性变形和金属磨损，由此造成了曲线外轨侧面磨耗（简称“侧磨”）。

文献[1]曾对北京地铁2号线进行侧磨速率统计和磨耗规律研究，发现所有曲线外轨侧磨在初上道的几年内侧磨变化速率较小（0～2 mm之间），而在发展到一定程度（5 ～7 mm）后侧磨速度明显加快，在所统计数据中，侧磨发展最快的达5.33 mm/月。近年来，曲线外轨侧磨成为困扰地铁建设和运营部门的难题，北京地铁10号线一期在运营不到1年的时间内、昌平线和房山线在试运营3个月后就发生了严重的曲线外轨侧磨现象[2]，折返线道岔和渡线3个月侧磨量达到9 mm。严重的曲线外轨侧磨减少了钢轨的强度，加剧了钢轨的伤损，缩短了钢轨的使用寿命，增加了车辆和轨道的养护维修量，增加了牵引能耗，不仅浪费大量的资金，而且还干扰运营任务的完成，带来安全隐患。因此，研究曲线外轨侧磨的防治措施，对延长设备使用寿命，减少养护维修工作量，降低能耗和运营成本，保障行车安全具有重大意义。

1　轨面摩擦控制机理

以往的曲线外轨侧磨控制措施研究集中在钢轨侧面涂油技术[3～4]，其所带来的积极效果已经被普遍认可，可提高数倍的轮轨使用寿命。按润滑装置的工作形式，大致可以分为人工涂油小车、固定式轮轨润滑器、车载式润滑装置等几类；按使用的润滑剂类型，又可分为润滑油、润滑脂和固态润滑剂3种[5～6]。但由于在轮轨侧面润滑技术应用过程中，产生了由于车辆振动和涂油过量而造成的线路污染；为避免油脂误入轮轨踏面、喷嘴位置预设偏下而造成的轨距角位置不能得到足够的润滑；油渍浸入钢轨而造成的钢轨挤压掉块（图1a）；喷涂润滑剂时产生飞溅和甩带，污染踏面造成列车牵引失效而中断运输的事件（图1b）。因此，希望找到一种新的途径解决曲线外轨侧磨问题。

轮轨侧面润滑可以减轻曲线外轨侧磨磨耗，但无法减少曲线内轨的偏压和轮轨横向力，最终导致维护、更换及整个寿命周期成本增加。在对轮对曲线动力通过的研究中发现，内轨顶面上的横向摩擦力（蠕滑力）的存在是外轨内侧面磨耗和内轨顶面磨耗的重要参量。从图2轮对以均衡速度通过曲线时对钢轨的作用力可以看出，在曲线超高平衡列车离心力的情况下，外轨横向轮轨力Q1等于外轨顶面横向摩擦力（蠕滑力）F1与内轨顶面横向摩擦力（蠕滑力）F2之和（Q1=F1+F2），减小F2（横向蠕滑力）就可以降低外轨的侧面压力，从而降低外轨侧面的磨耗。

1987年美国芝加哥伊利诺伊理工学院库玛（Kumar）教授首次提出“轨面摩擦控制（也称为轨面润滑）”理论，即在保证列车牵引和制动的前提下，控制曲线内轨轨面摩擦系数，修改轮轨摩擦（粘着）曲线，使内轨轨面达到优化的摩擦系数（0 . 3～0.35）（图3），从而实现在不影响列车制动与牵引的前提下，降低轮轨横向力，抑制曲线外轨侧磨等功能。

图1　轮轨侧面润滑引发的问题

2　轨旁式轨面摩擦控制设备

轨面摩擦控制设备是通过向曲线内轨顶面喷涂“轨面摩擦控制剂”，在不影响列车制动与牵引的前提下降低曲线轮轨横向力与轮轨高频振动，达到降低曲线外轨侧磨、降低曲线轮轨噪声、减小曲线外轨外翻变形、减小列车曲线通过阻力（降低牵引能耗）等目的。轨面摩擦控制剂是一种水基液态材料[7～8]，水分蒸发后残留的干性薄膜能够提供一个0.30～0.35范围之内的中等摩擦系数。这种薄膜的摩擦特性是摩擦控制剂和其他“第三介质”（车轮和钢轨之间接触层中的所有成分）反应的结果。摩擦控制剂与“第三介质”中的主要成分——氧化铁发生最优的反应，以使其具有稳定的耐久性，进而尽可能地延长薄膜的持续时间。

图2　曲线轨道受力状态

图3　轮轨摩擦（粘着）修正

目前，国外轨面摩擦控制产品在国内已有成功应用的先例，但由于其摩擦控制剂（简称“控摩剂”）价格昂贵，造成运营成本高，并未产生经济效益。鉴于此，从保障安全运营、增加经济效益的角度着眼，研制了国产化的QBL-D型轨面摩擦控制剂、QBS-RS型轨旁式轨面控摩剂自动涂敷设备、QBF-1型轨面摩擦系数测量仪等轨面摩擦控制产品。轨旁式轨面摩擦控制设备由车轮信号传感器、控制单元、输送单元、涂敷单元、电能供给单元和控摩剂存储箱等部件构成。喷涂流程如下：车轮信号传感器自动感知列车的到来并将信号传递给控制单元；控制单元按照预先设定的程序启动计量泵工作，计量泵的流量可以自由调整；计量泵将控摩剂输送到涂敷单元，涂敷单元将控摩剂涂敷到内轨轨面；随着车轮的通过将控摩剂携带到整个曲线；到达设定的时间后，控制单元停止计量泵的工作，等待下次列车的到来。轨旁式轨面摩擦控制设备在线路的安装位置如图4所示。

图4　轨旁式轨面摩擦控制设备在线路的安装位置

3　轨面摩擦控制剂摩擦性能的试验

为确认QBL-D型轨面控摩剂是否会对列车的制动产生不良影响，于2013年5月11日在北京地铁8号线平西府车辆段试车线上，进行了有、无轨面控摩剂的列车制动对比试验，试验用列车为正常运营的列车。首先进行干燥轨面的制动试验，经测试，紧急制动时的制动减速度为1.28 m/s2；之后采用人工强化喷涂方式，以0.66 g/m（双倍于正常剂量值）的剂量对轨面均匀喷涂控摩剂，测得紧急制动时的制动减速度为1.29 m/s2。测试结果表明，QBL-D型轨面摩擦控制剂没有对列车的制动产生不良影响，喷涂控摩剂后列车制动减速度满足GB/T 7928-2003《地铁车辆通用技术条件》中紧急制动减速度不小于1.2 m/s2的限值。

试验过程中记录了多次喷涂控磨剂前后轨面摩擦系数的变化，统计数据如表1所示，结果表明，轨面摩擦控制能显著改善轨面的摩擦状态，使轨面摩擦系数趋于均匀一致，且轨面摩擦系数接近0.3～0.35的合理水平。

4　轨面摩擦控制设备现场应用

为进一步研究轨面摩擦控制设备的线上工作性能和控制侧磨发展的效果，于2013年8月将QBS-RS型轨旁式轨面摩擦控制设备安装在原京沪线上行广渠门桥403 m曲线区段（该区段曲线超高60 mm、曲线全长412 m、缓和曲线长105 m）。车轮传感器、涂敷单元、轨旁设备（太阳能发电光板及控制单元与控摩剂箱）、列车通过时的照片如图5所示。

为掌握实施轨面摩擦控制前后轨面摩擦系数的分布特性，于2013 年10月28日对曲线上行（实施轨面摩擦控制）、下行（未实施轨面摩擦控制）线路轨面摩擦系数进行测试，轨面摩擦系数分布如图6所示。

表1　北京地铁8号线车辆段试车线轨面摩擦系数

图5　轨旁设备（左上）、传感器（左下）、涂敷板（右上）、列车通过（右下）

从图6可以看出，未喷涂摩擦控制剂的下行线，轨面摩擦系数约为0.75；轨面摩擦控制技术使轨面摩擦系数保持在约0.35，随着远离喷涂点位置轨面摩擦系数缓慢增大。在圆曲线区域，由于较大的轮轨横向摩擦力（蠕滑力）使得轨面控摩剂与“第三介质”形成的薄膜被严重破坏，摩擦系数显著变大（但比无控摩时还是有所降低），出曲线后薄膜被恢复，摩擦系数恢复到大约进入曲线前的水平，并随着距离增大缓慢增加，大约在500 m后逐渐恢复到轨面控摩前的水平，因此，轨面控摩有效距离大约为500 m。轨面摩擦控制设备使轨面摩擦系数大约降低了50%，根据轮轨蠕滑理论，轨面摩擦系数的降低会导致轮轨横向力的降低，轮轨横向力的降低会使外轨侧面磨耗降低，从而可以推断轨面摩擦控制设备至少可以使外轨侧磨降低50%左右。

安装轨面摩擦控制自动涂敷设备前后，车间工区均按照相同的轨道维护方式进行线路养护，安装控磨设备前每季度外轨侧磨磨耗量约为1 mm。安装控磨设备前后外轨侧磨测量结果如表2。从表2可以看出，实施轨面摩擦控制后外轨侧磨的发展速度降低了约50%，达到了预期效果。

图6　轨面摩擦控制区段轨面摩擦系数分布

表2　轨面控摩设备安装区段外轨侧磨测量结果

5　结语

(1）轮轨横向力对曲线外轨侧磨的形成起到至关重要的作用，通过实施轨面摩擦控制降低轮轨横向力及其较高频率分量，能够有效减轻曲线外轨侧磨，延长轨道维护周期，提高扣件使用寿命。

(2）轨面摩擦控制剂性能验证试验结果表明，Q B L - D型轨面控摩剂能够在不影响列车制动与牵引的前提下，有效地将轨面摩擦系数控制在0.3左右，曲线外轨侧磨发展速度降低了50%。

(3）实施轨面摩擦控制措施可有效控制降低曲线外轨侧磨，是一项简易可行的技术措施，可在曲线外轨侧磨严重地段推广使用。

参考文献

[1] 潘建杰，刘洪涛. 地铁曲线钢轨侧磨分析[J]. 都市快轨交通，2005（4）：134-135.

[2] 任静. 城市轨道交通快线轮轨侧磨成因及防治[J]. 都市快轨交通，2011，24（5）：2-5.

[3] 曹恩平. 莱伯斯轮缘润滑系统[J].城市轨道交通研究，2007(2)：69-71，74.

[4] 刘新元. 基于ADAMS/Rail的高速铁路轮轨磨耗影响因素研究[D].湖南长沙：中南大学，2010.

[5] 秦国栋，刘志明. 轮轨润滑技术的发展[J]. 电力机车与城轨车辆，2003，26(6)：7-9.

[6] 张念. 我国铁路轮轨润滑技术的发展[J]. 中国铁路，2009(9)：38-43.

[7] Kelvin Chiddick. Solid lubricants and friction modifiers for heavy loads and rail application: US Patent 6136757[P]. 2000-10-24. [8] Donald T. Eadie，Joe Kalousek，Kelvin C. Chiddick. The role of high positive friction (HPF) modifier in the control of short pitch corrugations and related phenomena[J]. Wear，2002，253(1/2)：185–192.

责任编辑 冒一平

Study on Side Wear Decrease of Curved Rail by Using Rail Surface Friction Control Technology

Wang Wenbin, Fan Qinhai, Liu Li

Abstract:The rail surface friction control technology can ensure train normal traction and braking performance, and under this premise, the technology reduces the wheel-rail lateral force, and controls the outer rail side wear. The results of the China-made rail surface friction control equipment in fi eld application show that rail surface friction control can be in the premise of not affecting train braking and traction performance, effectively control the friction coeffi cient of rail surface around 0.35, and the side wear of outer rail can be reduced by 50%.

Keywords:wheel-rail wear, rail side wear, control device, friction control agent, study

收稿日期2014-08-08

中图分类号：U213.4+2