重载铁路轮轨摩擦改进剂作用效果仿真研究

韩佩原，王聪,4，陈帅，吴磊，王衡禹*,

重载铁路轮轨摩擦改进剂作用效果仿真研究

韩佩原1，王聪1,4，陈帅2，吴磊3，王衡禹*,1

（1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031；2.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；3.西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031； 4.中国铁路投资有限公司，北京 100097）

建立了某重载货车的车辆－轨道系统动力学模型，仿真分析了在轨侧涂油、轨顶涂摩擦改进剂和全面摩擦控制三种摩擦控制模式下车辆通过具有标准廓形和磨耗后廓形钢轨的曲线时的动力学性能和磨耗特性。研究结果表明，只对高轨轨侧进行润滑会使车辆通过小半径曲线的脱轨系数和横向力增大，而对两侧轨顶进行摩擦控制可以减小脱轨系数和横向力，摩擦改进剂对改善车辆在磨耗轨曲线通过性能的作用效果好于标准轨。不同摩擦控制模式下轮轨横向力的变化主要由不同摩擦控制模式对横向蠕滑力和法向力横向分量的影响程度不同引起，磨耗轨的横向力组成成分的变化比标准轨更明显。三种不同的摩擦控制模式都可以减小高轨磨耗指数，其中全面摩擦控制的效果最好，且对磨耗轨的减小效果好于标准轨。只对高轨轨侧涂油会使磨耗轨的低轨磨耗指数略有增大，而无论是否采取高轨轨侧涂油，两侧轨顶涂敷摩擦改进剂能明显减小低轨磨耗指数，且对标准轨的减小效果好于磨耗轨。

重载铁路；钢轨磨耗；摩擦改进剂；车辆动力学

轮轨摩擦控制是减缓磨耗和延长钢轨和车轮使用寿命的有效措施之一[1-2]。传统的摩擦控制方式一般是在曲线高轨轨侧和车轮轮缘间喷润滑脂类润滑剂，起到减轻轨侧磨损的作用[3]，不在车轮踏面和轨顶间涂敷润滑剂是为避免轮轨黏着系数过低影响列车正常牵引与制动[4-5]。谢晨希[6]的研究表明曲线外轨轨侧涂油可使半径350 m曲线外轨侧磨减少9%～34%。近年来，轨顶摩擦控制[7]技术得到长足发展，该技术可以在不影响列车正常牵引和制动的前提下，通过在钢轨轨顶和车轮踏面间涂敷摩擦改进剂来改善轮轨间的摩擦因数特性，有效避免轮轨间的黏滑振动，从而起到降低轮轨廓形磨耗、控制钢轨波磨、降低噪声等作用[8]。白东辉等[9]的试验结果显示重载线路曲线钢轨轨面涂摩擦改进剂使钢轨侧磨量减少了54.5%。Kumar S[10]通过控制低轨轨顶的摩擦系数减小了轮轨横向力和曲线高轨侧磨。姚雪松[11]的研究表明在重载线路的曲线轨顶涂敷摩擦改进剂可以起到明显的节能作用。

全面摩擦控制是一种能同时控制轨顶－踏面和轨侧－轮缘两个接触界面的摩擦系数在不同水平的轮轨摩擦控制技术。其中两个界面的摩擦系数与润滑剂的类型、涂敷量和涂敷频率等因素有关[12]。如图1所示，两侧轨顶与踏面间涂摩擦改进剂使摩擦系数控制在0.3～0.4，高轨轨侧与轮缘间涂润滑油使摩擦系数控制在0.05～0.2。宋靖东等[13]试验研究发现根据不同润滑剂各自的应用效果择优选取润滑剂类型，可提升润滑剂的工程使用价值。李亨利等[14]的研究表明，全面摩擦控制模式相对于单独的轨顶摩擦控制和轨侧摩擦控制能更大程度地降低钢轨磨耗。

图1 全面摩擦控制

已有的关于重载铁路轮轨摩擦控制的研究主要针对摩擦改进剂涂敷在标准廓形钢轨上的作用效果。然而，轮轨摩擦控制在重载铁路使用最多的场景是在中小半径曲线上，而中小半径曲线的钢轨磨耗通常较为明显，因此仅针对标准廓形钢轨进行研究不能全面反映摩擦改进剂的作用效果。本文以在标准和磨耗后两种钢轨廓形的小半径曲线线路上运行的重载货车为研究对象，结合车辆－轨道系统动力学模型和摩擦功理论，并着重对比摩擦改进剂对标准轨与磨耗轨作用效果的差异，仿真评估轨顶涂摩擦改进剂、轨侧涂油润滑和全面摩擦控制对重载车辆曲线通过性能和轮轨磨耗特性的影响，为我国重载铁路轮轨界面管理提供参考。

1 车辆－轨道系统动力学模型

本文根据某重载货车的真实情况，基于SIMPACK软件建立安装ZK6式转向架的某重载货车的车辆多刚体系统动力学模型。

图2为其半车的运动关系拓扑图，另一半车辆结构运动关系与图2对称，共包括1个重车车体、4个轮对、4个侧架、2个摇枕、8个轴箱等刚体和摩擦力元、约束关系、悬挂装置的处理。

本文采用LM型车轮与CN60标准轨和实测磨耗轨两种廓形钢轨匹配，用FASTSIM算法程序对轮轨间接触力进行仿真计算，轨道不平顺为北美重载谱。两种钢轨廓形如图3所示，其中磨耗轨廓形为在某重载线路500 m半径曲线上实测的磨耗后钢轨廓形。对比标准轨，磨耗轨高轨侧轨肩部磨损量较大，轨顶中部偏右的位置和轨侧区域有少量磨损，低轨侧轨顶有少量磨损量。

图2 车辆动力学模型运动关系拓扑图

图3 CN60标准轨和磨耗轨廓形对比

考虑到实际的摩擦控制工况中轨顶和轨侧交界处区域的润滑剂类型很难区分，同时为了避免此处的摩擦系数发生突变，在轨顶和轨侧交界区域设置了3 mm线性过渡区[15]，如图4所示。设置干态轨面摩擦系数为0.5，涂敷摩擦改进剂后轨面摩擦系数为0.35，涂润滑油后轨侧摩擦系数为0.1。

为研究不同摩擦控制工况对两种廓形钢轨的作用效果，设置半径500 m、超高85 mm的曲线线路，总线路由150 m前缓和曲线、300 m圆曲线和150 m后缓和曲线组成，方向为右转向，并以此计算均衡速度为60 km/h的重载车辆的曲线通过性能和轮轨磨耗特性。

图4 曲线高轨侧轨顶和轨侧摩擦区域划分

2 不同摩擦控制工况作用效果

2.1 曲线通过性能

图5是不同摩擦控制工况下车辆通过曲线时的脱轨系数。可以看出，在无摩擦控制的条件下，车辆通过磨耗轨时的脱轨系数远高于标准轨；在相同摩擦控制模式下，匹配磨耗轨的轮对脱轨系数均高于标准轨。

对比图5（a）（b）可看出，两侧轨顶摩擦状态相同时，高轨轨侧涂油使脱轨系数增大。因此，如仅采取曲线高轨轨侧涂油，在获得轮轨磨耗降低效果的同时，导致了曲线通过安全裕度降低。

图5 涂敷轨顶摩擦改进剂前后的脱轨系数

从图5（a）可看出，相比无摩擦控制模式，两侧轨顶涂敷摩擦改进剂使脱轨系数减小；从图5（b）可看出，相比只对高轨轨侧涂油模式，轨顶与轨侧全面摩擦控制使脱轨系数减小。因此，相对于仅进行曲线高轨轨侧涂油，全面摩擦控制不仅使得轮轨磨耗降低，同时也保持了车辆较好的曲线通过性能。

从图5（a）还可看出，对干态钢轨施加两侧轨顶摩擦控制时，对磨耗轨脱轨系数的减小效果好于对标准轨的。同样，在进行高轨轨侧涂油的同时施加两侧轨顶摩擦控制，对磨耗轨脱轨系数的减小效果也好于对标准轨的。

轮轨横向力是车辆曲线通过性能的重要参数之一，图6是不同摩擦控制工况车辆通过曲线时的轮轨横向力。对比图6和图5可看出，两种廓形的两侧轮轨横向力在不同摩擦控制模式下的变化规律与其脱轨系数的变化规律相近。首先，各摩擦控制模式条件的磨耗轨的两侧轮轨横向力均高于标准轨。同时，对比无摩擦控制模式，仅对高轨润滑使两侧轮轨横向力增大，两侧轨顶涂敷摩擦改进剂可以使横向力减小。因此，相对只对高轨轨侧涂油，全面摩擦控制可以较好地减小轮轨横向力。根据图6各模式下轮轨横向力的对比，可看出摩擦改进剂对减小磨耗轨横向力的减小效果好于对标准轨的。

图6 各摩擦控制模式下的轮轨横向力

轮轨横向力主要由横向蠕滑力与法向力横向分量组成，如图7所示，其中箭头方向是钢轨实际的受力方向，可看出在各摩擦控制模式条件下，高轨侧法向力横向分量均占主导且与横向蠕滑力方向相反，低轨侧均为横向蠕滑力占主导且与法向力横向分量方向相同。

由图7中曲线高轨横向力组成变化可以看出，对比无摩擦控制工况，单独的轨侧涂油和涂敷摩擦改进剂都可以减小高轨法向力横向分量和横向蠕滑力，不同的是，轨侧涂油对横向蠕滑力的减小幅度大于法向力横向分量而导致合力增大，两侧轨顶涂敷摩擦改进剂对法向力横向分量的减小幅度大于横向蠕滑力而促使合力减小。

由图7中曲线低轨横向力组成变化可以看出，不同摩擦控制模式下低轨法向力横向分量的变化不大，对比无摩擦控制工况，只对高轨轨侧涂油会增大低轨横向蠕滑力而导致合力增大，两侧轨顶涂敷摩擦改进剂可减小低轨横向蠕滑力而促使合力减小。

由图7（b）可以看出，在全面摩擦控制模式中，摩擦改进剂可以通过平衡高轨法向力横向分量和横向蠕滑力的大小差距而抑制轨侧涂油使高轨横向力增大的趋势，同时还可抑制法向力对低轨横向蠕滑力的增大效果。

对比图7（a）（b）中两种不同廓形横向力组成变化，可以看出在有或无轨侧涂油条件下，摩擦改进剂对磨耗轨两侧横向蠕滑力和高轨法向力横向分量的影响程度均大于标准轨。

图7 涂敷轨顶摩擦改进剂前后的轮轨横向力组成

2.2 轮轨磨耗特性

Elkins磨耗指数[16]是一种基于能量耗散理论的磨耗预测模型,其物理意义是车辆通过每单位距离所耗散的摩擦功，可以较好地反映轮轨磨耗程度[17]。图8和图9分别是在有轨侧涂油和无轨侧涂油条件下两侧轨顶涂敷摩擦改进剂前后的磨耗指数变化。

由图8和图9可以看出，同种摩擦控制模式下高轨磨耗指数均远大于低轨磨耗指数，因此磨耗应更关注高轨。

图8 涂敷轨顶摩擦改进剂前后磨耗指数（无轨侧涂油）

图9 涂敷轨顶摩擦改进剂前后磨耗指数（有轨侧涂油）

由图8（a）和图9（a）可以看出，同摩擦控制模式条件下磨耗轨高轨磨耗指数大于标准轨。对比无摩擦控制模式，三种摩擦控制模式都能使高轨磨耗指数减小，只对轨侧涂油使磨耗轨和标准轨的高轨磨耗指数分别减少44%和20%，两侧轨顶涂敷摩擦改进剂使其分别减小41%和33%，全面摩擦控制模式使其分别减小71%和62%。因此，曲线高轨磨耗后会有进一步加剧磨耗的趋势，而进行摩擦控制后高轨磨耗速率得到有效降低，其中全面摩擦控制的效果最明显。从摩擦控制对磨耗轨和标准轨的磨耗指数作用效果对比可以看出，摩擦控制对磨耗轨的作用效果要更显著。

由图8（b）和图9（b）可以看出，在无高轨轨侧涂油条件下，标准轨低轨磨耗指数大于磨耗轨；在有高轨轨侧涂油条件下，磨耗轨的低轨磨耗指数大于标准轨。对比无摩擦控制模式，只对高轨轨侧涂油模式使磨耗轨低轨磨耗指数增大21%、使标准轨减小31%，两侧轨顶涂敷摩擦改进剂使磨耗轨和标准轨磨耗指数分别减小62%和64%，全面摩擦控制模式可使二者磨耗指数分别减小52%和78%。因此，对低轨采取摩擦控制时，在磨耗轨上的磨耗指数降低效果低于标准轨。无论是否采取高轨轨侧涂油措施，在高低轨轨顶同时采取摩擦控制时对低轨的减磨效果明显优于仅高轨侧涂油。

3 结论

通过分析在不同摩擦控制模式下，重载车辆通过具有标准廓形和磨耗后廓形钢轨的半径500 m曲线时的动力学性能和轮轨磨耗特性，总结出以下结论。

（1）从曲线通过性能看，与只对高轨轨侧涂油可能增加脱轨系数和轮轨横向力不同，两侧轨顶摩擦控制可明显减小车辆通过小半径曲线的脱轨系数和横向力。摩擦改进剂对改善车辆在磨耗轨曲线通过性能的效果好于标准轨。

（2）横向力变化主要由不同摩擦控制模式对横向蠕滑力和横向分量的影响程度不同引起，磨耗轨的横向力组成部分在不同工况下的变化量大于标准轨。

（3）从轮轨磨耗特性看，高轨磨耗在钢轨磨耗中占主导，单独进行轨侧涂油或涂敷轨顶摩擦改进剂都可减小高轨磨耗指数，且对磨耗轨的减小效果更好。然而，只对高轨轨侧涂油会使磨耗轨的低轨磨耗指数略有增大，对标准轨低轨磨耗指数有减小效果。无论是否采取高轨轨侧涂油，两侧轨顶涂敷摩擦改进剂都能明显减小低轨磨耗指数，且对标准轨的减小效果好于磨耗轨。

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Simulation Study on the Effects of Friction Modifier on Wheel-Rail of Heavy Haul Railway

HAN Peiyuan1，WANG Cong1,4，CHEN Shuai2，WU Lei3，WANG Hengyu1

( 1.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2.School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 4.China Railway Investment Co., Ltd., Beijing 100097, China )

A dynamic model of vehicle-track system is established for heavy haul freight vehicle. Based on the established model, vehicle dynamic performance and wheel-rail wear characteristics was simulated when the vehicle is running on standard new rails and worn rails under three friction management modes, which include rail gauge face lubrication, top-of-rail friction modification, and comprehensive friction management. The results show that derailment coefficient and wheel-rail lateral force increases with gauge face lubrication, but drops with top-of-rail friction modification. The effect of friction management is larger on worn rails than on standard new rails. The change of wheel rail lateral force is mainly due to the change in the lateral creep force and the lateral part of wheel-rail contact force. The changes are more significant on worn rails than on new rails. Wear coefficient on high rail decreases under all three friction management modes and the comprehensive friction management has the best effects. The wear coefficient of high rail drops more on worn rails than on new rails. Gauge face lubrication on high rail slightly increases wear coefficient of low rail on worn rails. Whether gauge face lubrication is turned on or not, applying friction modifier on rail top will significantly decrease wear coefficient of low rail with a better effect found on new rails.

heavy haul railway；wheel-rail wear；friction modifier；vehicle dynamics

U272

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.09.007

1006-0316 (2021) 09-0044-06

2021-01-18

国家自然科学基金（51775454）；四川省区域创新合作项目（2020YFQ0024）

韩佩原（1994－），男，山东临沂人，硕士研究生，主要研究方向为轮轨关系，E-mail：hanhanpeiyuan@163.com。

通讯作者：王衡禹（1979－），男，四川成都人，博士，副研究员、硕士生导师，主要研究方向为轮轨关系，E-mail：hengyu.wang@foxmail.com。