朔黄重载铁路小半径曲线钢轨润滑技术试验研究

白东辉，程建平，马战国，李伟

(1.朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司，山西原平 034100;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

朔黄重载铁路小半径曲线钢轨润滑技术试验研究

白东辉1，程建平1，马战国2，李伟2

(1.朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司，山西原平 034100;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081)

为比选出适用于朔黄重载铁路的曲线钢轨润滑剂，确定曲线钢轨润滑周期，进行了室内试验和现场验证试验。室内试验采用MM－200磨损试验机模拟重载铁路轮轨接触，分800，1 500，2 000 N共3种荷载工况，分别对4种润滑剂进行了摩擦性能试验。试验结果表明，济南三新干式润滑剂在1 500 N和2 000 N荷载下减磨效果明显。针对比选出的两种润滑剂，在R600 m曲线进行了现场对比试验，通过总重达到224 MGt时，济南三新干式润滑剂的减磨效果明显，其平均侧磨量减少54.4% 。朔黄铁路在目前运输条件下，济南三新干式润滑剂的润滑周期应控制在12 h以内，即每天涂敷2次。

重载铁路 小半径曲线 钢轨润滑 钢轨侧磨 润滑周期

1 轮轨润滑技术概况

轮轨润滑是解决轮轨磨耗与伤损的有效手段之一，也是小半径曲线延长钢轨使用寿命非常经济的方法。北美铁道协会(AAR)在FAST环行线所进行的试验结果表明，轮轨润滑状态下与干摩擦状态下相比，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］。正因如此，北美、南非、澳大利亚、巴西等重载铁路发达国家在大轴重、大运量运输条件下，广泛采用轮轨润滑技术来延长钢轨使用寿命［2］，如澳大利亚BHP公司的曲线钢轨使用寿命达10～16亿t、直线钢轨使用寿命达到20亿t，其中一个重要的技术措施就是采用了有效的钢轨润滑技术。

国外曲线钢轨润滑方式通常分为地面定点润滑和车载润滑。地面定点润滑一般适应于特殊地段如某一条曲线，润滑剂为流体状态，润滑剂通过车轮轮缘向前携带，从而使润滑剂覆盖一定长度范围。车载润滑适应于对某一线路区段所有曲线钢轨进行润滑，润滑设备安装于机车或经过特殊改造后的车辆，润滑剂为流体状态，通过GPS进行曲线钢轨润滑定位并自动喷涂润滑剂。润滑剂喷涂位置可针对钢轨轨头不同磨耗状态自动调整喷涂角度，从而可按实际需要将润滑剂喷涂至轮轨接触位置［3］。

朔黄铁路是我国主要重载铁路之一。小半径曲线多，且小半径曲线与大坡道重叠多，最小曲线半径400 m。在原平分公司管辖的朔黄线K0+000—K256 +100区段内，上行重车线R≤800 m的曲线有109条，合计64.439 km，其中R400 m的曲线5条，合计2.289 km。朔黄铁路目前已大量开行C80万t列车，2014年年运量已达2.48亿t，随着万吨重载列车开行比例加大，以及运量逐年增加，小半径曲线钢轨侧磨发展较快，部分小半径曲线甚至1年需更换1次，钢轨使用寿命仅为2～3亿t，钢轨磨耗已成为影响曲线钢轨寿命的主要控制因素。为此，朔黄铁路联合铁科院等单位，开展了小半径曲线延长钢轨使用寿命的技术研究。通过钢轨打磨、钢轨轨侧润滑以及曲线钢轨参数优化等技术措施，有效延长了曲线钢轨使用寿命。

2 润滑剂选型

国内外重载铁路钢轨润滑的实践表明，油脂类润滑剂不可避免地会导致已萌生裂纹的钢轨产生油楔效应，从而加速钢轨伤损、剥离掉块。此外，油脂类润滑剂附着性差，易污染轮轨接触面影响机车车辆牵引制动，污染道床影响道床质量状态和环境，因此，油脂类润滑剂随着固体润滑技术的出现，已逐步被固体润滑剂取代。在润滑剂选型中，主要针对国内外固体润滑剂来开展研究，从润滑剂的润滑方式、涂敷设备、减磨效果等方面进行比选。

在对国内外润滑剂充分调研分析的基础上，经综合考虑，初步筛选出4种润滑剂进行室内摩擦性能试验，编号为润滑剂1～润滑剂4，见表1。其目的是在室内相同试验条件下比较4种润滑剂的润滑效果，为润滑剂的现场验证性考核提供依据。评价指标为在一定荷载条件下，润滑剂在摩擦副表面形成的润滑膜的耐久性和试验机上下两个试辊的运转时间。

试验采用MM－200磨损试验机模拟铁路的轮轨接触。试验设备的上下两个试辊由电动机驱动，其转速比为9∶10，上试辊转速为360 r/min，下试辊转速为400 r/min，试辊间相对滑动速度为0.310 m/s。上下试辊的直径分别为50 mm和55.5 mm，下试辊用来模拟轨道，上试辊用来模拟车轮。

在试验之前，将润滑剂涂抹在上下试辊上，在试辊表面形成一层润滑膜。当润滑膜表干后，用测厚仪测量并记录膜厚;之后对上下试辊施加荷载，开动试验机，试验机开始运转后不再涂敷润滑剂，记录摩擦扭矩和时间。试验条件见表2。

表1 室内试验采用的润滑剂

表2 润滑剂摩擦性能试验条件

通过室内润滑剂摩擦性能试验，可以得到不同载荷下润滑剂的摩擦系数与试验机上下两个试辊运转时间的变化曲线，见图1。在同样摩擦系数条件下，运转时间越长，则说明其润滑效果越好，

由于润滑剂4在800 N载荷下润滑性能较差，在试辊表面没有形成有效的化学膜，所以在1 500 N和2 000 N载荷下没有继续试验。润滑剂1在800 N载荷下表现出抗磨特性较好，在1 500 N和2 000 N载荷下抗磨效果一般，但其试辊的磨痕较小，磨损量较少。润滑剂2在800 N载荷下抗磨性能一般，在1 500 N和2 000 N载荷下抗磨效果较好。润滑剂2根据其成膜特性需要车轮碾压表面温度迅速变化才能成膜，初步分析在800 N载荷下试辊表面没有很好地形成化学膜，而在大荷载作用下，试辊表面温度迅速变化从而促成润滑剂在试辊表面形成化学膜，起到良好的减磨作用。润滑剂3在800，1 500，2 000 N载荷下的抗磨性能比较稳定，润滑效果较好［4］。

图1 润滑剂的摩擦系数与时间关系曲线

单从润滑剂润滑效果来看，润滑剂1～润滑剂3的抗磨性能各有特点，都可以用于曲线钢轨润滑。但根据朔黄重载铁路运输条件，钢轨润滑的实施需采用车载自动涂敷润滑剂的润滑方式，而润滑剂3为固体润滑棒，需采用接触式涂敷方式，不易实现车载自动涂敷。综合考虑润滑剂的润滑效果和涂敷方式，建议选择润滑剂1、润滑剂2进行现场应用试验。

3 钢轨磨耗观测与分析

针对比选出的两种润滑剂，在朔黄上行重车线选择两条曲线进行验证试验，曲线1涂敷润滑剂1，曲线2涂敷润滑剂2。试验曲线轨道结构(包括曲线半径、超高、轨底坡、轨枕类型、橡胶垫板、道床状态)基本相同，均同时更换同一厂家相同材质的钢轨，且润滑曲线1和润滑曲线2的外轨不在线路的同一侧，避免润滑剂相互影响。试验曲线基本情况见表3。

试验曲线钢轨润滑采用人工涂敷方式，涂敷周期为1次/d。为便于观测和数据比较分析，每条试验曲线外轨每5 m设置1个观测点，由于曲线磨耗呈现明显的不均匀磨耗，在圆缓点附近磨耗较严重，所以在圆缓点附近观测点间距变为2.5 m。曲线1测点共108个，曲线2测点共105个。

试验期间，采用miniprof钢轨廓面测量仪，定期测量曲线外股钢轨的磨耗量。为便于比较，按列车运行方向，分为前缓和曲线、圆曲线、后缓和曲线三个区段来统计分析。试验曲线钢轨侧磨统计结果与历史磨耗数据对比见图2。

表3 润滑试验曲线基本情况

图2 曲线钢轨未润滑与润滑后磨耗量对比

润滑曲线1在通过总重为224 MGt时，圆曲线区段外轨侧磨最大值达9.04 mm，平均值为5.45 mm，该曲线历史上相同通过总重下(未润滑)的最大侧磨值为10.0 mm，平均值为7.1 mm;润滑曲线2在通过总重为224 MGt时，圆曲线区段外轨侧磨最大值达到7.90 mm，平均值为3.83 mm，该曲线历史上相同通过总重下的最大侧磨值为11.10 mm，平均侧磨值为8.40 mm。从圆曲线区段来看，对比其历史侧磨数据，曲线1涂敷润滑剂1后，平均侧磨量减少23.2% ;曲线2涂敷润滑剂2后，平均侧磨量减少54.4% 。润滑剂2的减磨效果明显优于润滑剂1，因此建议朔黄铁路曲线钢轨润滑优选润滑剂2，即济南三新干式润滑剂为钢轨润滑的首选润滑剂。

4 润滑周期分析

钢轨润滑周期取决于钢轨轨距角处轮轨接触面润滑膜的有效性，而润滑膜是否失效难以直观判断，因此，通过室内试验和现场试验来综合评估润滑膜的有效性，并据此确定所选择的济南三新干式润滑剂在朔黄重载铁路运输条件下的润滑周期。室内试验是采用MM－200磨损试验机、参照《润滑剂摩擦系数测定法》(SH/T 0190—92)进行润滑剂摩擦性能试验，通过实测摩擦系数的变化和观测试辊表面磨痕来评判润滑膜保持的有效时间。现场试验采用摩擦系数测试仪，连续测量钢轨轨距角摩擦系数的变化，据此评判润滑膜的有效性。

1)基于润滑剂摩擦性能试验的润滑周期

根据朔黄重载铁路轮轨接触条件，通过理论计算得出朔黄重载铁路轮轨接触应力为1 200 MPa，因此，可以采用试辊接触应力1 460 MPa、摩擦系数达到0.25时，试辊运转时间作为润滑膜有效保持时间［5］。根据试辊转速可计算润滑剂有效抵抗车轮数，确定润滑剂的润滑周期。

根据室内试验结果，济南三新干式润滑剂在试辊上形成的润滑膜有效保持时间为19 min，试辊转速400 r/min，则有效抵抗车轮数为19×400=7 600个。

依据朔黄重载铁路目前的运输现状，按每天开行100对列车，每列编组66节货车考虑，机车、货车前转向架的第一轮对为外轮导向、轮缘贴靠钢轨，则每一列车产生钢轨侧磨的有效车轮数为67个，每天产生钢轨侧磨的有效车轮数为100×67=6 700个。

由此可以看出，济南三新干式润滑剂形成的润滑膜有效抵抗车轮数约为7 600个，朔黄重载铁路每天开行100对列车，曲线外股产生轮轨侧面接触的车轮数约为6 700个。在目前朔黄重载铁路运输条件下，济南三新干式润滑剂形成的润滑膜有效保持时间为7 600/ 6 700=1.13 d，约为27 h。

2)基于现场测试数据确定的润滑周期

现场试验采用摩擦系数测试仪对钢轨轨侧摩擦系数进行跟踪测量，通过定量分析钢轨轨距角摩擦系数的变化来确定最佳润滑周期［6］。试验曲线钢轨轨距角摩擦系数的观测从润滑剂刚刚涂敷完开始，直到摩擦系数恢复至润滑剂涂敷前的数值。在涂敷济南三新干式润滑剂的试验曲线上，钢轨轨侧摩擦系数变化曲线见图3。

图3 钢轨轨侧摩擦系数变化曲线

由图3可知，当润滑剂涂敷至钢轨轨距角后，从第1列到第14列货物列车通过时，钢轨轨距角摩擦系数基本保持在0.18左右，表明润滑膜持续有效;而当通过列车数达到43列后，钢轨轨距角摩擦系数基本恢复到润滑剂涂敷之前的水平。由此可知，按目前朔黄重载铁路每天通过列车数不超过100列计算，济南三新干式润滑剂的润滑膜有效保持时间约12 h。

综合室内试验和现场试验结果，建议朔黄铁路在目前运输条件下，济南三新干式润滑剂的润滑周期应控制在12 h以内，即每天涂敷2次。

5 结论与建议

通过润滑剂初步筛选、室内润滑剂摩擦性能试验、现场对比试验，比较分析了国内外主要固体润滑剂的润滑效果。针对朔黄重载铁路运输条件，建议钢轨润滑首选济南三新干式润滑剂。济南三新干式润滑剂减磨效果良好，实测曲线钢轨侧磨量与历史磨耗数据相比，其平均侧磨量减小54.4% 。

在目前朔黄铁路运输条件下，济南三新干式润滑剂润滑周期应控制在12 h以内，即每天涂敷2次。

［1］郭俊，刘启跃，王文健，等.钢轨打磨对轮轨滚动接触斑行为影响研究［J］.铁道建筑，2009(12):92－94.

［2］郭战伟.大秦重载铁路大修换轨周期的探讨［J］.铁道建筑，2011(11):106－109.

［3］薛继连.朔黄重载铁路轮轨关系［M］.北京:中国铁道出版社，2013:153－164.

［4］中国铁道科学研究院.朔黄重载铁路轮轨关系及延长钢轨使用寿命试验研究［R］.北京:中国铁道科学研究院，2011.

［5］马战国，程建平.朔黄铁路小半径曲线无缝线路稳定性及安全储备量研究［J］.中国铁道科学，2015，36(3):7－11.

［6］李伟，马战国，司道林.重载铁路曲线几何参数对钢轨磨耗影响的研究［J］.铁道建筑，2013(6):130－134.

Experimental study on lubrication for curved rail with small radius on Shuozhou-Huanghuagang heavy haul railway

BAI Donghui1，CHENG Jianping1，MA Zhanguo2，LI Wei2
(1.Yuanping Branch，Shuohuang Railway Co.Ltd.，Yuanping Shanxi 034100，China; 2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

In order to determine the curve rail lubrication cycle and the most suitable curve rail lubrication for Shuohuang heavy haul railway，the laboratory and field experiments were carried out in this paper.M M－200 wear testing machine was used to simulate the rail/wheel contact of heavy haul railway and wear performance tests for 4 kinds of lubrication were conducted respectively under load condition of 800 N，1 500 N and 2 000 N.T est results showed that Jinan Sanxin dry lubricant presents obvious wear reduction effect under load of 1 500 N and 2 000 N. For two kinds of selected lubricants，field comparison tests were made on R600 m curve rail.W hen the total weight reached 224 M Gt，Jinan Sanxin dry lubricant has obvious wear reduction effect，mean side wear of which was reduced by 54.4% .Under current transport conditions of Shuohuang railway，lubrication cycle of Jinan Sanxin dry lubricant should be controlled within 12 h，which means coating 2 times a day.

Heavy haul railway;Small radius curve;Rail lubrication;Side wear of rail;Lubrication cycle

U213.4+2

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.35

(责任审编 葛全红)

1003－1995(2015)10－0160－04

2015－07－20;

2015－08－25

国家科技支撑计划项目(2013BAG20B00)

白东辉(1973—)，男，工程师。