通过轮轨界面摩擦管理降低机车能耗_陆鑫

中图分类号：U211.5
文献标识码：A
文章编号：1001-683X（2015）02-0077-05
对 于轮轨关系的理论研究和依此不断开发出的轮轨 界面管理新技术，不仅能够显著提高铁路系统运 行的安全品质，而且具备为铁路运营者控制运营成本、 提高经济效益的巨大潜能，因而已引起包括中国在内的 世界各国铁路的极大重视。本系列中的各篇文章详细分 析了影响客运、货运及城市轨道系统中轮轨关系的本质 性因素，并阐述了摩擦管理技术提高铁路系统运营效率、 品质、安全和经济性等方面的策略[1-4]。作为探讨轮轨关 系和摩擦管理理论与技术系列文章中的第五篇，将着重介 绍摩擦管理与列车能耗的关系，探讨摩擦管理技术在降低 机车（包括内燃和电力机车）能耗方面的作用。
联合太平洋铁路公司（Union Pacific Railway， UP）也进行过与QCM类似的机车能耗试验。将两辆货 车改装，加入AUTOPILOTTM车载轨顶涂覆装置并编入 试验列车。在试验中划分了数段长度在96～160 km范 围内且列车可以正常操控通过的区间，跟踪测量安装 AUTOPILOTTM装置的列车和未安装的普通列车通过这些 区间的能耗情况，结果见表1。试验数据显示，装备轨 顶涂覆装置的列车与普通列车相比，平均总质量要高， 但消耗的能量却要低；在包括中等半径的区间上，轨顶 摩擦控制能够降低列车牵引能耗9%[11]。
虽然影响列车能耗的因素复杂众多，但归纳起来 其中的滚动阻力和曲线阻力所对应的那部分列车能耗 受轮轨界面摩擦水平制约。如影响滚动阻力的因素，一 方面包括因轴承摩擦产生的损耗及钢轨垂直方向振动导 致的阻力，这些因素均不受轮轨界面摩擦水平的影响； 另一方面也存在受轮轨界面蠕滑状态制约的能耗因素。 通过降低轮轨界面的摩擦水平，能减少与其相关的能耗
3 车载移动涂覆方式
图1 PROTECTOR®四型地面道旁轨顶摩擦控制装置
考虑到地面道旁设备的维护性和经济性，当需要 在直线和大半径曲线比重较大的区域内实施摩擦管理 时，车载移动式轨顶涂覆技术具有独特优越性。图3所
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在2009年的世界重载大会上，加拿大太平洋铁 路公司（Canadian Pacific Railway，CP）介绍了采用
PROTECTOR®地面道旁设备进行全区域全面摩擦管理 （Total Friction Management，TFM）项目。在位于加拿 大西部落基山脉两侧的卡尔加里和温哥华两个城市之间 总长为1 485 km的CP运营线路上，共安装了数百台轨顶 摩擦控制装置和轨侧润滑装置来进行轮轨界面的综合摩 擦管理，并对轮轨磨耗、滚动接触疲劳伤损和列车能耗 进行跟踪测量。在启用轨顶摩擦控制装置前后，分别跟 踪测量了通过3个不同工区的机车燃料消耗（见图2）。 对比阶段（轨顶涂覆设备启用前）和轨顶摩擦控制阶段 分别长达六个月和一年。Shuswap和Mountain 2个工区位 于洛基山区，线路条件恶劣，与Cascade工区相比，小 半径曲线较多，坡度较大，列车平均能耗也高。虽然3 个工区线路条件不同，实施摩擦控制后都取得了显著效 果。试验中平均能耗降低幅度在5%～8%[6]。
燃料节省/L·（百万t·km）-1
600
500
BC CP NS
400
300
200
100
0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 曲线比重/%
图5 三家北美重载铁路试验中获得的机车节能效果比较
图3 安装在国外货车上的AUTOPILOTTM车载轨顶摩擦控制装置
储罐和分配系统 安装在两端的驾 驶室内
正是因为列车阻力中存在受轮轨界面摩擦水平影响 的因素，从而提供了一个通过控制轮轨界面摩擦减少列 车能耗的手段。下面通过实际应用案例介绍不同摩擦管 理途径（地面道旁和车载移动）实现列车节能的效果， 以及现场实测和理论模拟所得节能数据的比较。
2 地面道旁涂覆方式
北美和澳大利亚铁路最早采用地面道旁涂覆设备实 施轮轨界面的摩擦管理，此方法也是技术发展最为完善 的一种摩擦管理途径。图1所示为艾宾福斯特铁路科技 公司（LB Foster）生产的一套PROTECTOR®四型地面道 旁轨顶摩擦控制装置。这种地面设备一般和道旁轨侧润 滑装置联合配置，以一定间距安装在曲线分布较多的区 间，主要目的是降低小半径曲线的钢轨磨耗和轮轨横向 作用力。在划分需要摩擦管理保护的小半径曲线时，应 综合考虑采用摩擦管理的经济效益，包括钢轨更换周期 与费用及能耗降低幅度等因素，合理选择小半径曲线的 半径范围。如北美某重载铁路就选择R 582 m以下的曲线 均需考虑实施摩擦管理，安装地面道旁摩擦管理装置。 在这种地面固定设备模式下，中小半径曲线一般均会得 到有效地摩擦管理，部分大半径曲线和直线段因位于设 备涂覆区域内也可得到类似保护。
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专栏·轮轨润滑与摩擦控制
通过轮轨界面摩擦管理 降低机车能耗
陆鑫：艾宾福斯特铁路科技公司，技术与商务发展总监（中国），加拿大 本拿比，V5A 4J8 凯尔文·欧德劳：艾宾福斯特铁路科技公司，轮轨界面总工程师，加拿大 本拿比，V5A 4J8
摘 要：作为探讨轮轨相互作用系列文章中的 最后一篇，介绍影响机车能耗的主要因素及轮 轨界面摩擦管理降低机车能耗的基本原理，并 结合国内外实际应用案例着重分析不同摩擦管 理途径和不同线路条件下所取得的降低能耗的 实际效果；最后简单介绍大半径曲线和直线线 路上实现能耗降低的最新研究成果。 关键词：轮轨关系；摩擦管理；轨顶摩擦控 制；机车能耗
1 000
普通机车 （b）
AUTOPILOTTM机车
基本没有坡度。试验列车包括2台SD70-M型内燃机车 和29辆载重漏斗车，每车总质量为126 t。一辆加载有
图6 QCM使用AUTOPILOTTM车载轨顶涂覆设备和能耗降低试验结果 AUTOPILOTTM轨顶摩擦控制装置的空载漏斗车夹在机车
表1 UP铁路安装轨顶摩擦控制降低能耗试验结果
变且轨顶摩擦系数较高时（干轨），状态不佳的转向架
（如中心盘摩擦大，轮对错位）会消耗更多的能量，而
（a）
轨顶摩擦调节剂喷涂喷嘴 （每侧各一个）
轨顶摩擦控制能降低这种趋势。因而列车即使在直线上 运行，同样存在降低能耗的可能 。 [12] 为了检验这点，研 究人员在美国运输技术中心（Transportation Technology
铁路数据和CP、NS两条重载铁路上获得的节能数据做 了对比。尽管3条线路的车辆、线路和摩擦管理方式不 同，然而试验数据均清楚表明机车能耗节省的绝对水平 与线路中曲线比重的对应关系非常相近，说明在曲线比 重较大的线路上，控制曲线阻力是降低机车能耗的主要 措施[9]。
加拿大魁北克卡捷矿山铁路（Quebec Cartier Mining Railway，QCM）是一条全长418.4 km的铁矿石重载运 输专线。2006年由加拿大交通部（Transport Canada） 资助，QCM改装了三辆敞车，安装艾宾福斯特设计的 AUTOPILOTTM轨顶摩擦控制装置，以检验其控制钢轨磨 耗、轮轨横向力和机车能耗的效果。采用与BC铁路能耗 试验类似的方法，试验中跟踪测量了重载列车的牵引机 械能和机车的对应燃料消耗。图6（a）是货车加装涂覆 模块的示意图，安装后整辆车仍可用于装载矿石和翻车 卸载操作；图6（b）柱形图对比了启用轨顶涂覆设备前 后重载列车通过一段240 km长区间（中等坡度）时的能 耗情况，机车平均能耗降低了9.6%[10]。
1 摩擦管理与机车能耗的关系
从根本上讲，机车能耗主要用于产生牵引力。而牵 引力通过轮轨接触面作用于钢轨驱动列车以一定的方式 运动。除了列车因惯性而造成加速或减速外，绝大部分 牵引力被用来克服列车运动阻力，如列车向前运行时所 承受的阻力。一般认为列车阻力主要包括滚动（驱动） 阻力、曲线阻力、坡道阻力和风阻。对于不同车辆系统 的滚动阻力已进行过大量研究[5]，滚动阻力在这些模型 里一般表述为列车运行速度的二次函数，除了一个常数 项，还包括分别正比于车速和车速平方的另外两项；曲 线阻力则与曲线半径紧密相关，半径变小，冲角加大， 曲线阻力变大；坡道阻力与坡度具有简单的对应关系； 风阻是一个外在的环境因素。
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轨顶涂覆系统模块
况下车辆由于轮轨蠕滑导致的能耗，并分析了包括转向 架性能、线路曲线密度和轨顶摩擦水平等因素对列车能
货车车厢
耗的影响。分析发现，当转向架处于理想状态下，曲线 密度越大，潜在的能耗降低空间也越大。在线路条件不
燃料消耗/L·（百万t·km）-1
5 000 无轨顶摩擦控制
4 000
实施轨顶摩擦控制
3 000
2 000
1 000
0 Cascade
Shuswap
CP铁路工区
Mountain
图2 实施轨顶摩擦控制前后机车通过不同工区能耗对比
美国诺福克南方铁路（Nortfolk Southern Railway， NS）2010年也发表了所完成的轨顶摩擦控制条件下的机 车节省能耗试验结果。试验选取其219 km长的CNO&TP 货运线路，列车平均车速为64～80 km/h，年通过总质量 为7 200万t；沿线安装了PROTECTOR®四型地面涂覆装 置进行轮轨界面摩擦管理。与CP铁路试验相比，NS的 试验区间内曲线密度较低（在40%左右），实现的能耗 减少值有所降低，为200 L/（百万t·km）[7]。综合NS和 CP的试验结果表明，采用地面道旁涂覆方式实施摩擦管 理，能够有效降低机车能耗。
专栏·轮轨润滑与摩擦控制
示为艾宾福斯特铁路科技公司为北美某重载铁路开发的 AUTOPILOTTM车载轨顶摩擦控制装置，主要设备安装 在运煤敞车一端侧壁下，通过安装在货车转向架侧臂上 的喷嘴向钢轨轨顶喷涂艾宾福斯特开发的KELTRACK® 摩擦调节剂。设备包括储存、控制、喷涂和通信几个 标准模块，可以移植到如货车、机车、公铁两用车等 不同移动平台上。图4所示为加装在国内重载机车上的 AUTOPILOTTM车载系统，喷嘴安装在砂箱支架上。
机车B端
机车A端
主控箱安装 在机车中部 的工具箱内
安装在砂箱支架上的喷嘴
图4 安装在国内机车上的AUTOPILOTTM车载轨顶摩擦控制装置
早在2004年，当时的BC铁路（BC Rail，BC）在其 315 km长的运营线路上进行过持续4个月的机车节能试 验。2台Dash 9型内燃机车内加装了艾宾福斯特的轨顶摩 擦控制装置，通过喷嘴将KELTRACK®轨顶摩擦调节剂 喷涂在机车后的钢轨顶面。试验中分别获得每台试验机 车在各种运行工况下的持续时间和燃料消耗，同时使用 剪切销式测量仪连续跟踪机车牵引力的变化。根据其中 曲线的比重将试验线路分成不同区段，对机车能耗进行分 段分析。因为列车制动状态下不存在能耗节余，最终的统 计分析中不包含制动状态下的数据。不同曲线比重下测量 出的燃料节余结果见图5。可以发现，曲线比重越高，节 能效果越显著，两者之间存在明显的关联[8]。图5还将BC
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
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损失。另外曲线阻力既包括列车通过曲线时因冲角而在 轮轨接触面上产生的横向蠕滑，也包括在钢轨轨角和车 轮轮缘之间的高蠕滑，两者均受轮轨界面摩擦水平的影 响；而控制轮轨界面摩擦系数能直接降低由曲线阻力造 成的能耗。相比之下，坡道阻力和风阻一般被认为与轮 轨界面摩擦水平无关。
机械能消耗/（kW·h）·（百万t·km）-1
1 300 1 290
1 200
1 100
1 165
Center, Inc.，TTCI） 的TTT试验环线上进行过专门的能 耗试验，分析列车在直线和大半径曲线上的节能潜能。
TTCI试验中包括理论模拟分析和现场测试，以检验 模拟效果。TTT环线全长15 km，中间包括一个R 2 200 m 的曲线、两个R 1 200 m的曲线和一段3 km的平直线路，