轮轨接触界面摩擦管理研究进展*

何成刚 邹 港 宋智博 叶榕伟 刘吉华

(1.五邑大学轨道交通学院 广东江门 529020；2.先进驱动节能技术教育部工程研究中心 四川成都 610031；3.广东兴发铝业有限公司 广东佛山 528137；4.五邑大学现代工业生产技术综合训练中心 广东江门 529020)

自1825年9月，英国开通了世界上第一条铁路，通过近两百年逐渐发展，铁路运输方式已经成为陆路运输方式的主要力量，并且具备载量大、效率高、资源损耗小、成本低等优点。随着经济的持续发展、科技进步，为了满足当前客货运输发展的需求，高速度、大重载已经成为了客运和货运发展的主流方向[1]。列车的牵引与制动力主要依靠轮轨滚动接触间的黏着-蠕滑进行传递。虽然轮轨接触斑的面积非常小，但其能严重影响列车安全服役性能，比如轨道系统动力学、轮轨磨耗、振动与噪声、接触疲劳和列车能源消耗等。因此，接触界面条件有轻微的改变，都能够影响到轮轨材料的服役寿命和列车的运行安全。在干燥条件下，轨顶与车轮踏面间的黏着系数较大，不仅满足牵引和制动的要求，同时较大黏着力将直接导致车轮踏面与轨顶面的剧烈磨损；若黏着力过小，小于列车牵引力时会使车轮空转，进而产生对车轮与钢轨踏面擦伤病害，极大地降低了行驶的安全与乘客的舒适度[1]。目前车轮和钢轨将面临着巨大的考验，主要表现为车轮轮缘与钢轨轨侧的磨损加剧，特别是小半径路段[2]；车轮踏面的疲劳损伤、磨耗、剥离和轮缘磨耗等，钢轨的剥离、压溃、波磨和侧磨等[3]。轮轨黏着系数过大或过小都会降低列车安全性,因此针对目前这些问题，在轮轨界面使用全面摩擦管理技术是一种高效、便捷、经济效益高的方法，该方法包括轨距面与轨顶面摩擦控制[4]。目的是能够使轮缘-钢轨轨距面间具有较小的摩擦因数(小于或等于0.2)且踏面与轨顶面具有适中水平的摩擦因数(一般为0.3～0.4)，这能显著地延长车轮和钢轨材料的使用寿命,降低轮轨材料磨损及提高车辆行驶的安全[5]。本文作者综述了轮轨接触间摩擦管理的应用，详细分析了轮轨界面摩擦管理对轮轨黏着控制、材料磨耗、接触疲劳、能耗等的影响，并展望了轮轨接触界面摩擦管理未来研究方向。

1 轮轨界面全面摩擦管理

1.1 轮轨接触界面

轮轨接触是列车车轮与地面钢轨的接触，不仅要承载列车的载荷而且在接触界面较小的面积内传递列车的牵引力和制动力[6]。列车在直线路段行驶时，通常发生踏面与轨顶面接触，即一点接触(见图1(a))，轮轨磨损主要产生于踏面和轨顶面。当列车行驶在曲线路段情况下，不仅车轮踏面和轨顶面发生接触，而且轮缘和轨距面也发生接触，即两点接触(见图1(b))，轮轨磨损就会出现在踏面与轨顶、轮缘与轨距面。

图1 轮轨接触界面

对于没有污染且干燥的轮轨，其蠕滑特性曲线上存有饱和蠕滑率，这种情况有最大摩擦力；此后随着蠕滑率继续增大，摩擦力呈下降趋势，下降的部分被称为“负摩擦”特性(见图2)，其对列车运行噪声和钢轨波磨有重要作用。EADIE等[7]研究表明在饱和蠕变条件下负摩擦引起的黏滑振荡，是车轮啸叫和钢轨短波长波磨的常见原因，而在使用摩擦控制剂后，可以使轮轨接触间的摩擦特性由负变为正，能够有效减少波磨和噪声。轮轨两点接触与相互作用是出现轮缘磨耗和钢轨侧磨的根本原因。轮缘磨损不但会使轮轨关系发生变化，影响列车的运行稳定性，且因频繁旋修导致轮对寿命缩短，增加运营成本[8]；而严重的钢轨侧磨也影响着钢轨的服役寿命，严重时将更换钢轨，显著增加工务段维护工作量及维护成本。

图2 蠕滑特性曲线

摩擦管理是针对轮缘-轨距面和踏面-轨顶面间摩擦因数管理与调控，一是在轮缘与轨距面间施加润滑剂，将其摩擦因数降到最低，降低能源的损耗和材料磨损；二是在踏面与轨顶面间应用各种摩擦改进剂(水基或油基)，使摩擦因数达到一定水平，以满足列车启动、运行、制动所需要求的同时降低车轮与钢轨的磨耗，减小能量的损耗。

1.2 轨距角/轮缘润滑

列车经过曲线路段时轮轨接触状态不佳，轮缘与外轨贴靠，显著加剧轮缘磨耗和钢轨侧磨[9]。因此在接触面进行合理有效地润滑将其摩擦因数控制在0.2以下[10]，可以减小磨耗，增加轮轨材料的服役寿命，对节约能源和提升机车牵引效率也有积极作用，并可提高列车运行的安全性[11]。在小曲线半径使用摩擦改进剂，可以获得更小的横向力，而不会使牵引系数负向降低，而牵引系数负向降低是导致轮缘尖叫噪声和严重轮缘磨损的主要原因[12]。

轮缘-轨距面润滑主要由润滑材料和涂敷设备两部分组成。润滑材料通过涂敷设备施加到轨侧接触面，其按照状态可分为油、脂和固体润滑[13]。李英姿[14]研制出新型环保轮轨润滑脂，实验结果表明润滑减磨的效果非常好，可以有效地降低轮缘和轨侧的磨耗。李珂等人[15]制备出一种固体摩擦改性剂，研究发现固体摩擦改性剂可使摩擦因数稳定0.3～0.4之间。姚汤伟等[16]通过比较干式与油脂的润滑机制和现场使用效果，发现干式润滑是降低轮缘和轨侧磨损最有用的方法。侯永胜和张念[17]在重载运输线路的曲线段区域钢轨上采用固体润滑，现场实验结果表明能够减少轨侧2/3的磨耗。江万波等[18]采用M-200摩擦实验机探究了在轮缘添加固体润滑剂时的摩擦特性，结果发现含有摩擦改进剂的润滑材料表现出更优的力学性能，同时也表现出更优的承载力和耐磨性。同时润滑材料的选择也受到接触点温度的影响，SPIRYAGIN等[19]通过建立车轮与钢轨之间轮缘接触区域温度分布的数学模型，提出来的算法使得在车轮轮缘和钢轨的轨距面之间的接触中检测润滑剂类型或润滑添加剂成为可能，并根据获得温度值来正确挑选润滑材料提供理论依据。涂敷设备主要有道旁式和车载式，景泽红[20]在现场应用道旁式轨侧润滑设备来代替人工涂敷，从而实现曲线区段上股钢轨和道岔尖轨固体润滑剂的主动涂覆。SUDA等[21]开发出用于运营列车的车载摩擦控制系统，经过现场测试表明，轮和轨之间横向力和纵向力之比减小，且横向力波动也减弱，轮轨间啸叫噪声显然削弱。温邦等人[22]对国内某地铁线路安装轮缘润滑器的列车和未安装轮缘润滑器的列车的车轮磨耗进行了跟踪测试，结果表明与未安装轮缘润滑器的列车相比，安装有润滑装置列车车轮磨耗能够减少36%。涂敷设备的关键是将润滑材料准确无误地运送到指定部位，喷涂的润滑材料在降低摩擦因数的同时不应污染环境；列车在运行时润滑材料会甩溅到钢轨轨顶处，导致摩擦因数降低，影响列车的行车安全[23]。同时对于不同的润滑材料，喷涂量也不同，程焯等人[24]研究了2种水基摩擦改性剂的最佳涂敷量，发现摩擦改性剂种类不同，最佳涂敷量也不同，适当的涂敷量可有效减缓轮轨的磨损与损伤，因此要严格选择润滑材料和喷涂量。轨距角/轮缘润滑虽能降低车轮与钢轨的磨损与损伤、减低噪声和能耗，但同时会增大轮轨横向力，冲角增大，轨道损伤加剧。因此在降低轨距角与轮缘的摩擦因数时，应避免轮轨横向力与冲击的增大。

1.3 轨顶面/车轮踏面摩擦控制

轮轨接触主要是车轮踏面与地面钢轨的接触，其主要作用是承受列车载荷和传递牵引力、制动力[25]。因此，轨顶与车轮踏面的相互作用决定列车是否能安全行驶。接触界面的摩擦管理主要是车轮踏面与轨顶面间摩擦因数大小的调控，通常水、油和树叶会使轮轨接触界面间摩擦因数变得过小。WANG等[26]通过模拟试验研究发现，水或油的存在会显著降低轮轨摩擦因数，随着轮轨表面水量的增加，摩擦因数会进一步降低；轮轨间存在水时，轴重对摩擦因数没有太大影响。OLOFSSON和SUNDVALL[27]利用销-盘试验机模拟了直线线路上通勤列车交通引起的轮轨接触，发现当存在树叶时，摩擦因数减小得更多；通过使用榆树叶，与未润滑的情况对比，发现轮轨间的摩擦因数减少了4倍。ISHIZAKA等[28]通过平面销钉测试分析叶片有机物与钢轨间的化学反应过程，研究了钢轨叶片污染的低摩擦机制，都表现出极低的摩擦因数。CANN[29]采用球盘式试验装置研究了轮轨接触中叶片残留和附着力丧失的问题，结果发现水溶性树叶经过碾压后与钢轨之间发生化学反应，产生黑色薄膜，使得轮轨间的摩擦因数比纯水下的还低。LEWIS等[30]比较了一系列双盘摩擦试验机附着力试验的结果，发现油、水以及油水混合物都会使轮轨界面附着力减小。因此，必须采取相应的增黏措施，研究表明撒砂、氧化铝颗粒和研磨子可以在各种低黏着条件下提高摩擦因数，来满足列车正常运行的要求。CAO等[31]使用滚-滑磨损试验机研究了氧化铝颗粒在潮湿条件下对改善轮/轨黏着和磨损损伤的作用，结果表明氧化铝在湿润环境下能显著增大轮轨间的摩擦因数，并随着其直径从S(约75 μm)增加到L(约250 μm)而下降，然后保持稳定。WANG等[32]研究表明氧化铝颗粒更适合于改善轮轨界面的附着力且对钢轨表面损伤影响最小。GALLARDO-HERNANDEZ和LEWIS[33]研究发现向被叶片和水污染的接触界面添加沙子会增加轮轨附着力，提高摩擦因数。张振先等[34]探究了在油、水、树叶等污染下增加砂粒直径和用量对提高摩擦因数的影响，其结果表明撒砂可增加污染下的轮轨摩擦因数水平，能够将列车速度在200 km/h以下的轮轨摩擦因数维持在0.18以上。然而摩擦因数过大会显著加剧车轮踏面与轨顶面的磨耗，并使轮轨踏面出现剥落、接触疲劳等损伤[35]。因此，通过对轨顶面施加摩擦改性剂，将轮轨间的摩擦因数降低到中等水平(0.3～0.4)，进而降低轮轨的磨耗速率及减少其表面损伤。于水波等[36]将道旁式轮轨踏面摩擦控制装置应用于重载铁路进行现场试验，研究发现摩擦控制技术能减轻曲线路段钢轨下股踏面接触疲劳与剥离。当在轮轨接触界面施加摩擦控制剂后，随着车轮与钢轨的相互作用会在界面间形成第三介质层[37]，如图3所示，其主要包括轮轨氧化形成的氧化物、摩擦控制材料、磨屑和其他污染物等。

图3 第三介质层原理

对轮轨接触界面进行摩擦控制实质是选择适当的摩擦控制材料施加到相应位置，改变轮轨接触界面第三介质层的摩擦环境[38]。GALAS等[39]经过摩擦测试发现，油基摩擦控制剂能够控制附着力而不会对牵引力和制动产生重大影响，其行为主要是受固体颗粒多少的影响并且随滑移的变大而显著减少。因此应该针对不同运行工况，选择适当的摩擦控制材料。对于液体摩擦控制材料的使用，虽能调控摩擦因数，但易在已萌生的裂纹面产生“油楔效应”，加剧轮轨材料损伤，应重点研发固体摩擦控制剂，及对摩擦控制剂涂敷位置和喷涂量精确控制。

2 轮轨界面摩擦控制对轮轨相互作用的影响

2.1 轮轨界面作用力

对轮轨接触界面进行摩擦管理，将摩擦因数控制在合适的范围，可以同时满足列车的正常牵引与制动，并降低轮轨磨耗和横向力。CHEN等[40]研究表明，将润滑剂应用于低轨上对降低侧向力和抑制波磨增长都有显著的效果，且侧向力是导致高轨上车轮轮缘和轨距角磨损的因素。MATSUMOTO等[41]利用全尺寸试验台研究了摩擦改进剂对转向架过曲线性能的影响，结果表明应用摩擦改进剂后可以显著减小前轮外侧侧向力和后轮纵向力，提高了转向架的曲线通过能力。ISHIDA等[42]通过现场测试和车辆动力学模拟,发现摩擦改进剂对改善车辆/轨道动态性能有显著效果，能够大大地降低轮对横向力的作用和改善由转向架牵引轴引起的冲角影响。ISHIDA、AOKI[43]通过在试验线路和运营线路上的现场测试，研究了润滑剂对轮轨动态接触特性的影响，结果发现在低轨轨距面进行润滑可以显著减小轮轨间的侧向力。姚雪松等[44]研究了在轨面应用摩擦改进剂对车辆动力学的影响，结果发现摩擦控制剂能够降低列车在线路上行驶的横向加速度。EADIE等[45]报告Kelsen公司对小曲线半径路段区域应用几个道旁式轨顶摩擦控制设备进行现场测试试验，结果表明使用该设备有显著效果，运行在该试验线路上的列车横向力显著降低了30%。SUDA等[21]为东京地铁研制的车载摩擦控制系统，经过现场运行试验测试表明，在轮轨界面间施加摩擦控制剂可以显著降低横向与纵向力的比值。

脱轨系数是用来评判列车脱轨的重要表征，其由接触界面上横向与垂向力的比值决定；在其他条件不变时，其值越大，脱轨风险就越高。黄鹏[4]通过对重载铁路小曲线路段区域应用全面摩擦管理技术，结果表明列车的脱轨系数和横向力明显减小。MATSUMOTO等[46]通过试验得出脱轨系数随着内侧车轮/轨道接触面上摩擦的增加而增加，这受道旁润滑剂应用时间的影响。综上所述，在轮轨接触界面进行摩擦管理，能够明显改善轮轨间的作用力情况和列车的运行平稳性，但同时也会使脱轨系数与轮重减载率增加，即使在安全范围内，对列车安全运行的影响也不能忽视。

2.2 轮轨黏着

车辆在轨道上平稳运行，主要是靠轮轨界面黏着来传递牵引与制动力。轮轨接触处于一个开放环境中，影响其黏着的因素有界面状态、环境条件、行驶状态等。王骁鹏等[47]建立列车轮轨接触混合润滑模型，研究发现在水存在的情况下，轮轨界面摩擦因数随着运行速度的提高而显著降低，且接触压力也比干态下小，这不利于车辆安全平稳运行。

通过在接触界面进行摩擦管理，将黏着系数控制在合适的范围，可以减少磨耗，进而延长使用寿命。ARIAS-CUEVAS等[48]使用双盘滚动试验机研究2种水基摩擦控制剂在干、湿接触工况下的摩擦特性，结果表明在不同滑移率下都表现出有较好摩擦特性。LUNDBERG等[49]通过现场试验发现水基摩擦控制剂对摩擦因数有着重要作用，但其施加量也将会导致轮轨摩擦因数变化。TOMEOKA等[50]采用双盘试验机评价几种摩擦控制剂的使用性能，结果表明这几种摩擦控制剂能够在较宽的摩擦因数范围内控制摩擦并通过喷洒摩擦改进剂获得足够的、稳定的摩擦力。GALAS等[39]通过球盘式摩擦试验机研究了油基摩擦改进剂在轮轨界面改善附着力和减少磨损的能力，结果发现适当的施加量可以改善轮轨接触中的附着力。尽管水基与油基摩擦改进剂都有较好摩擦特性，过度喷涂会加速车轮和钢轨的剥离掉块，且流淌到道床污染环境。因此，未来可以研发环境友好型的轮缘-轨距面润滑剂与车轮踏面-轨顶面摩擦控制剂，稳定调控轮轨接触界面的黏着特性。

2.3 轮轨磨耗

列车的高速与重载化显著加重了轮轨材料磨损，钢轨磨耗包括垂直、轨侧和波浪磨耗[51]，车轮磨耗有踏面和轮缘磨损。当列车通过曲线路段时会造成轨侧和轮缘异常磨损，不但会降低轮轨的使用寿命，也会引起列车脱轨侧翻，造成严重安全事故。在轮轨间进行摩擦控制可以很大程度上降低轮轨磨耗。EADIE等[52]利用轮轨试验台探究了摩擦改进剂对轮轨磨损的影响，结果表明使用摩擦改进剂之后轮轨的磨耗显著降低、接触疲劳裂纹也大大减少。ALP等[53]采用销-盘磨损试验机研究了在车轮轮缘与轨距面间涂敷润滑剂后的磨损变化情况，结果表明与未涂敷情况相比，应用润滑剂后能够获得更小的摩擦因数、磨损率以及更少的磨损碎屑。LU等[54]使用摩擦试验机研究了摩擦改性剂对由氧化铁及可能的油或油脂、沙子和水形成的第三介质层的影响，结果表明使用摩擦改性剂后能够获得更优的摩擦因数水平，并且钢轨材料磨耗显著减少。SUNDH等[55]利用销-盘试验机探究了润滑剂对轮缘-轨距面接触的影响，结果表明使用润滑剂的类型和使用量的多少对磨损率和磨损机制起决定性作用。

对轮缘和轨侧接触界面进行润滑处理，尽量减小此处的摩擦因数,可减少轮缘和轨侧的磨耗；而对轨顶面与车轮踏面进行摩擦调控管理，将其摩擦因数调控在适当大小，可减少能量损耗和材料磨损，同时减小曲线路段的作用力、轨侧与轮缘的接触压力等。

2.4 轮轨滚动接触疲劳

滚动接触疲劳(RCF)是指循环应力反复施加在轮轨界面上，其表面累积塑性变形，每次作用变形量很小，但经过成千上万次循环后，累积成一个很大的值，形成滚动接触疲劳裂纹、剥离等损伤形式[56]。滑移率也是疲劳起皮的一个影响因素，MAKINO等[57]通过滚动接触疲劳试验发现了裂纹在深度方向和朝向表面2个方向上分支，滑移率对滚动接触疲劳特性的影响是由裂纹分叉后朝向表面扩展的应力强度因子决定。

目前在轮轨接触界面进行摩擦管理，不仅能够有效控制疲劳破坏，而且能够降低轮轨磨耗，提高列车运行安全性和降低运营成本。HARDWICK等[58]试验研究发现，将低黏度、低牵引系数的产品(如“油基”润滑剂)应用到已经出现损伤的钢轨上，加速裂纹扩展是可能的，只有摩擦改进剂减少了磨损，同时没有加速表面损伤和开裂。EADIE等[52]采用轮轨试验台探究了摩擦控制剂对RCF的影响，结果表明使用摩擦控制剂减少了RCF裂纹的产生和轮轨材料塑性流动。STOCK等[59]通过实验室与现场试验研究发现，摩擦改进剂使轮轨材料塑性流动减少，且它应用于预先存在的滚动疲劳接触裂纹时，不会导致裂纹扩展的加速。FLETCHER和BEYNON[60]使用滚-滑试验机评估了轮轨润滑剂的摩擦性能，结果表明与未使用润滑的情况相比,所有润滑剂都能降低轮轨的磨损，而使用固体润滑剂是很有效的润滑措施，且不会加深钢轨的滚动疲劳损伤。张念等人[61]通过现场测试研究表明，对重载线路轨面进行摩擦管理能够保护钢轨、抑制疲劳裂纹的萌生和扩张。宋靖东等[62]采用MMS-2A试验机探究了固体润滑剂对轮轨损伤行为的作用，结果表明固体润滑剂是通过抑制疲劳裂纹的扩展长度来有效控制轮轨疲劳裂纹的扩展行为。固体润滑剂对轮轨滚动接触疲劳有着缓解和控制作用，而液体类润滑剂易在已萌生裂纹面形成“油楔效应”而加剧轮轨材料的疲劳损伤，因此在选择时应在不影响轮轨间摩擦因数的前提下来降低疲劳损伤。

2.5 轮轨振动与噪声

列车的高速和重载导致轮轨振动与噪声更加剧烈。轮轨接触界面本身存在一个粗糙度，当相互作用时，粗糙度不仅提供轮轨相互运动所需要的摩擦因数，同时会导致本身的弹性振动，通过钢轨、扣件传递到轨枕和道床上产生噪声[63]。

EADIE和 SANTORO[64]通过实验研究发现，轨顶啸叫噪声主要集中在1 000～5 000 Hz范围内，轮缘噪声主要表现在5 000～10 000 Hz范围内的频谱特征，并且在接触界面进行全面摩擦管理能有效减少这2种噪声源。LIU和MEEHAN[65]的研究表明，摩擦改进剂能够消除或大大降低蠕滑特性曲线的负斜率，但在大的滚动速度和迎角下，尖叫声压级仍然相当高，声压级伴随迎角和速度的提高而增高。EADIE等[66]通过现场试验研究发现，通过摩擦管理将摩擦因数调至0.35左右为最佳，可以最大程度地减少噪声。于可辉等[67]采用MMS-2A摩擦试验机对水和润滑剂作用下的振动噪声进行实验研究，结果发现润滑剂对降低轮轨噪声与振动作用明显。CURLEY等[68]在一条曲线路段上进行为期7个月的摩擦管理技术综合试验，评价了各种轨顶摩擦改进剂和轨距面润滑产品的摩擦性能，结果表明对轮轨进行摩擦管理能大大降低曲线路段区域上严重的轮轨噪声。TOMEOKA等[50]通过双盘试验机对几种摩擦改进剂的性能进行了基本测试，结果发现摩擦改进剂对于减小轮轨噪声非常有效。蠕滑率与摩擦力关系(见图2)中的“负摩擦”对轮轨噪声与波磨的产生密切相关，因此通过对轮轨接触实施摩擦管理，将其蠕滑特性曲线中的“负摩擦”转变为“正摩擦”，能够抑制轮轨噪声的产生[69]。全面摩擦管理对减少轮轨振动和噪声效果显著，但降低它们的同时应着重考虑轨顶与车轮踏面和轨距角与轮缘之间的摩擦因数，满足列车正常行驶与制动、降低磨耗和减少滚动接触疲劳损伤等条件。

3 总结与展望

在轮轨接触界面进行摩擦管理对整个轨道交通来说至关重要，将轮缘-轨距面接触间的摩擦因数控制在较低水平，将车轮踏面-轨顶面间的摩擦因数控制在中等水平，使轮轨磨损率大大减小、减缓轮轨接触疲劳损伤、降低轮轨振动和抑制噪声，同时提高车辆行驶的稳定性、乘坐的舒适性，增加各部件的服役寿命及减少资源浪费。根据目前的研究状况来看，为保障轮轨接触界面有良好的黏着状态，未来可以从以下几个方面对轮轨界面全面摩擦管理进行深入研究：

(1)针对不同应用环境和接触部位，研发合理的摩擦控制材料，极力克服实施摩擦管理过程中对轮轨的磨损、环境污染及使用局限性等问题。

(2)探究车轮踏面-轨顶面和轮缘-轨距面摩擦控制方式，把摩擦控制材料精确喷涂到接触界面成为全面摩擦管理的关键，严格控制摩擦材料喷涂量使两接触面不相互干扰，优化改进轮轨接触界面摩擦管理的最佳应用参数。

(3)研发环境友好型的轮缘-轨距面润滑剂与车轮踏面-轨顶面摩擦控制剂，稳定调控轮轨接触界面的黏着特性。此外，润滑剂与黏着控制剂的开发和研究需要考虑铁氧化物的影响。