編譯宋文偉

 

　　在軌面上涂敷摩擦調(diào)節(jié)劑在世界各地鐵路線路上的應(yīng)用價值不斷提高。但對重載鐵路線路的使用效果還未進行廣泛深入的調(diào)查。澳大利亞中央昆士蘭大學(xué)鐵路工程中心及鐵路革新合作研究中心目前已經(jīng)確定了研究方法，對澳大利亞重載鐵路網(wǎng)絡(luò)的最佳軌面摩擦控制進行評估。目前正著手準(zhǔn)備現(xiàn)場試驗。

 

 

　　高速、重載、大密度已成為現(xiàn)代鐵路網(wǎng)絡(luò)的共同特點，與此同時，在很多地區(qū)，也因此加快了鋼軌的損傷、增加了軌道的維護成本。而鋼軌打磨及潤滑是克服運行磨損、滾動接觸疲勞、表面裂縫及塑性變形等主要鋼軌缺陷所普遍采用的預(yù)防措施。

 

　　鋼軌打磨用于修復(fù)鋼軌波浪磨損、疲勞及金屬流動，恢復(fù)鋼軌的幾何形狀；而潤滑則主要用于控制摩擦、降低輪軌接觸面的磨損，從而延長輪軌使用壽命、節(jié)約能源、降低噪聲。

 

　　鋼軌軌距面和軌面這兩個摩擦區(qū)對摩擦的要求各不相同?？刂其撥壾壘嘟牵ㄤ撥墏?cè)面）與輪緣之間的摩擦通常通過路旁潤滑機涂敷潤滑劑來實現(xiàn)。但過多地使用潤滑劑會使摩擦力降至規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)以下，從而產(chǎn)生安全問題，如降低制動控制。

             

　　                               利用路旁裝置，涂敷摩擦調(diào)節(jié)劑

 

　　軌距面潤滑主要是為了減少曲線外軌軌距面的磨損，但無法減少曲線內(nèi)軌的扁壓及波磨，或車輛在直線段的擺動，也無法減少造成軌道損傷的橫向力，最終導(dǎo)致維護、更換及整個壽命周期成本的增加。為了解決上述問題，需要使用潤滑劑，或類似產(chǎn)品，如摩擦調(diào)節(jié)劑，將軌面摩擦控制在0.3μ與0.5μ之間。

 

 

　　由于缺少對軌面潤滑性能及成本等的了解，以及研究成果和相關(guān)資料，軌面潤滑方案一直未得到重載運輸基礎(chǔ)設(shè)施管理部門的足夠支持。加拿大太平洋鐵路公司、美國國家聯(lián)邦鐵路局及美國能源部，對此多少持反對態(tài)度，仍在對軌面潤滑系統(tǒng)進行測試。

 

　　而在澳大利亞，摩擦調(diào)節(jié)劑目前正被用于減輕鐵路車輪發(fā)出的尖叫聲，并取得了良好效果。該研究項目由澳大利亞中央昆士蘭大學(xué)鐵路工程中心及鐵路革新合作研究中心負責(zé)實施，其目的是更好地了解軌面潤滑采取的具體方法及產(chǎn)品，同時制定一整套具體可行的標(biāo)準(zhǔn)，以便對軌面潤滑的效果、成本及工藝過程進行評估分析。

 

　　目前，基礎(chǔ)設(shè)施管理部門根據(jù)自身掌握的情況，實施具體的潤滑策略。首先在大多數(shù)線路的曲線外軌的軌距面上采用潤滑方式，這種使用軌面摩擦調(diào)節(jié)劑在整個行業(yè)范圍內(nèi)還屬相對新的技術(shù)，僅在北美、巴西及亞洲部分有選擇的摩擦控制計劃中采用。

 

　　輪軌接觸面上采用摩擦調(diào)節(jié)劑在重載線路上也同樣取得了類似良好的效果，與僅對輪緣進行潤滑相比，不僅減少了橫向力和鋼軌磨損，還節(jié)約了能源。

 

　　車輪與鋼軌間的軌道摩擦系數(shù)范圍在接近零與最大0.8之間（鋼軌對鋼軌的靜態(tài)摩擦系數(shù)在干燥條件下為0.8,在潤滑條件下為0.16）。車輪與鋼軌運行表面的接觸區(qū)建議的牽引系數(shù)μ在0.30與0.35之間，而在輪緣與軌距角接觸區(qū)則越低越好。

 

　　為保持需要的牽引系數(shù)，在鋼軌表面薄薄涂上一層摩擦調(diào)節(jié)劑獲得中間摩擦系數(shù)，既保證在坡道上實施制動時有較強的正摩擦，又保證有效的粘著力。理想的中間摩擦系數(shù)在0.35與0.4之間，這不僅可大大降低車輛輪對的滾動阻力、提高鋼軌低粘著力值、降低蠕滑力、提高導(dǎo)向能力、降低輪緣作用力、降低小半徑曲線脫軌的風(fēng)險，還可減少曲線上產(chǎn)生的尖叫噪聲。

 

　　此外，軌面潤滑還能大大降低作用在鋼軌上的橫向力，如脫軌作用力、軌距加寬等，可提高軌道構(gòu)件的使用壽命，如軌枕、錨栓、軌夾/道釘及魚尾板接頭等。

 

 

　　試驗中使用一臺精密圓盤銷式摩擦計，以模擬車輪與鋼軌之間的滾動滑動。球體代表鋼軌，鋼盤代表車輪。試驗時，在模擬輪軌接觸區(qū)涂敷摩擦調(diào)節(jié)劑，然后檢測摩擦調(diào)節(jié)劑性能及蠕滑狀態(tài)，通過計算估算出接觸區(qū)的大小及荷載。

 

　　在對軌道摩擦系數(shù)數(shù)值、荷載、速度、溫度及蠕滑之間關(guān)系了解的基礎(chǔ)上，對研究獲得的數(shù)據(jù)進行了分析。通過數(shù)據(jù)分析，研究摩擦調(diào)節(jié)劑的物理特性，利用其物理特性建立模擬模型。

 

　　該階段最初包括Matlab軟件設(shè)計，模擬球體及圓盤的形狀，然后對三維輪軌接觸及滑動進行研究，從而建立粘著/牽引系數(shù)，包括蠕滑、輪載及橫向荷載之間的關(guān)系。根據(jù)取得的研究成果，繪制在不同潤滑條件下的特性曲線，包括使用摩擦調(diào)節(jié)試劑的結(jié)果，從而預(yù)測輪軌接觸區(qū)域內(nèi)摩擦調(diào)節(jié)劑所產(chǎn)生的效果。

             

　　研究小組使用按比例制作的三組件轉(zhuǎn)向架試驗臺，模擬運煤貨車的運動，對各種軌面摩擦調(diào)節(jié)劑進行試驗

 

　　研究中還提出了一種數(shù)值法，表示粘著系數(shù)及相互依存關(guān)系。為建立粘著系數(shù)與作用力、速度、潤滑劑及溫度之間的關(guān)系，將考慮使用三維參數(shù)（接觸表面）及輪軌接觸條件變量。

 

　　一旦獲得了所選調(diào)節(jié)劑的性能及特性，利用車輛動態(tài)軟件"Gensys"，模擬重載運輸，量化調(diào)節(jié)劑對磨損及滾動接觸疲勞，預(yù)測滾動接觸疲勞的發(fā)展?fàn)顩r。模擬的重點為輪軌磨損、轉(zhuǎn)彎作用力、滾動接觸疲勞的發(fā)展及與軌道摩擦系數(shù)之間的關(guān)系。模擬計劃包括不同軌道條件下，如干燥、調(diào)節(jié)劑FM1、調(diào)節(jié)劑FM2及潮濕等，磨損及滾動接觸疲勞的量化處理。

 

　　研究期間對車載軌面潤滑系統(tǒng)進行試驗，完成Gensys軟件模擬，需要一臺在CRE研發(fā)的機車模型及一段含曲線及上坡線路的軌道。該段軌道包括信息及構(gòu)件有：鋼軌類型、鋼軌軌距、枕木；鋼軌固定夾持系統(tǒng)、減震墊、道砟及下部結(jié)構(gòu)；軌道段、長度、銳曲線總量、半徑、軌道直線向曲線過渡點等。

 

 

　　影響軌面調(diào)節(jié)劑的廣泛使用的主要原因是必須不斷施加摩擦調(diào)節(jié)劑及相關(guān)成本效益因素，因此，該研究對取得軌面摩擦調(diào)節(jié)劑的效益具有很重要的參考價值。

 

　　2003年由英國鐵路安全及標(biāo)準(zhǔn)委員對輪軌接觸面控制措施進行的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鐵路部門沒有獲得有關(guān)軌面潤滑系統(tǒng)的成本數(shù)據(jù)，因此，該研究必須包括成本效益分析，涉及與軌面潤滑系統(tǒng)有關(guān)的各種系統(tǒng)裝置及使用成本。該項研究包括由減少輪軌磨損、降低滾動接觸疲勞及最終鋼軌維護量的減少等所產(chǎn)生的效益。

 

　　成本效益分析即記錄整個壽命周期過程中確定的效益（Cbenefit）及成本（Cinput），并由此計算凈現(xiàn)值（NPV）。項目確認的確定效益包括輪軌磨損、輪軌更換成本及滾動接觸疲勞的減少，以及鋼軌打磨作業(yè)費用的降低。研究小組在鋼軌打磨研究項目上采用最佳的作業(yè)方法，并將所取得的效益轉(zhuǎn)化為成本效益。其中投入成本包括購買及安裝軌面潤滑系統(tǒng)（車載），操作及維護成本（包括緊急維護）及購買摩擦調(diào)節(jié)劑。

 

　　目前，摩擦調(diào)節(jié)劑仍在試驗中，該階段僅得到了初步結(jié)果。盡管是初步結(jié)果，只要曲線外軌處理得當(dāng)，磨損指標(biāo)可降低近60%。進一步的經(jīng)濟分析證明，銳曲線（200m）鋼軌的壽命可延長高達100%，每MGT鋼軌打磨成本可降低15%。這些結(jié)果非常令人滿意，與加拿大太平洋鐵路公司研究項目取得的結(jié)果是一致的。

 

　　本項目被認為是目前正在進行CRC鋼軌曲線潤滑項目的延伸。該研究項目始于2010年，目的是對鋼軌軌距面進行潤滑。為進一步確認取得的這些初步成果，對澳大利亞實際工作及環(huán)境條件下取得的效益進行量化，2014年將開始進行現(xiàn)場試驗。這兩個項目的最終成果，將有助于為鐵路行業(yè)制定鋼軌摩擦控制的總體解決方案。