重载铁路钢轨润滑及摩擦控制研究

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2 轮顶摩擦控制对机车曲线通过性能的影响
近 年 来 ,随 着 轮 轨 摩 擦 技 术 的 发 展 ,不 断 有 学 者 提 出轮顶摩擦控制管理 理 念,期 望 将 轮 轨 摩 擦 系 数 保 持 在 较 为 理 想 的 水 平 ,从 而 获 得 良 好 的 曲 线 通 过 性 能 ,减 缓钢轨损 伤 的 萌 生 与 发 展[6-7]。 基 于 此 思 想,本 文 取 0. 3 作为涂有摩擦控制剂后 的 轨 面 摩 擦 系 数,换 言 之, 仍保持上节中轨距角 处 的 润 滑,将 轨 顶 的 摩 擦 系 数 改 为 0. 3。
摘 要 :钢 轨 润 滑 以 及 轨 顶 摩 擦 控 制 是 重 载 铁 路 减 轻 钢 轨 侧 磨 以 及 伤 损 的 有 效 措 施 之 一 。 本 文 对 比 分 析 不同摩擦系数条件下,机车的曲线通过性能。分析结果表明,曲线外 股 钢 轨 轨 距 角 处 的 润 滑,有 利 于 减 小 轮 轨 磨 耗 ,与 此 同 时 ,减 小 了 机 车 的 蠕 滑 导 向 力 矩 ,从 而 增 大 了 导 向 轮 轮 对 冲 角 ,轮 轨 横 向 力 亦 呈 现 增 大趋势;曲线内轨轨顶摩擦系数适当减小对减小轮轨横向力起到积极作用。轮轨纵向蠕滑系数的增大, 可明显提高轮对导向力矩,有利于轮对趋于径向位置,并减小横向力和 轮 对 冲 角,使 得 机 车 的 曲 线 通 过 性能得到显著改善。 关键词:重载铁路 润滑 摩擦控制 蠕滑 中图分类号:U213. 4 + 22 文献标识码:A
轮轨润滑是减缓曲线钢轨磨耗的有效措施之一。 就 润 滑 剂 而 言 ,分 为 固 体 和 液 体 ,根 据 其 化 学 特 性 的 不 同,可分为油剂型和 水 剂 型;为 满 足 不 同 涂 油 要 求,相 继开发了地面式和车载式涂油设备;各种润滑剂和涂 油设备的 研 制,使 得 轮 轨 润 滑 技 术 得 到 了 长 足 发 展。 近年来,轨 顶 摩 擦 控 制[3]技 术 不 断 发 展,该 技 术 的 应 用可有效减小机车车 辆 曲 线 通 过 时 的 轮 轨 横 向 力,可 改善重载铁路的运营条件。本文运用多体动力学思想 对不同摩擦条件下的机车曲线通过性能进行了仿真分 析。
4 结语
采用多体动力学方法建立我国重载机车动力学模 型,通过仿真分析不 同 摩 擦 条 件 下 机 车 的 曲 线 通 过 性 能 ,得 出 如 下 结 论 :
1) 曲线外轨轨距 角 处 的 润 滑,在 一 定 程 度 上 降 低 了 机 车 的 曲 线 通 过 性 能 ;由 于 摩 擦 系 数 的 减 小 ,使 得 接
图 1 给出了机车曲线通过时导向轮的动力响应。 从 图 中 可 以 看 出 ,在 轨 距 角 处 进 行 涂 油 后 ,圆 曲 线 上 导 向轮的导向力矩较干摩擦条件下减小 31% ( 这与文献 [1]结论基本一致) ,轮对冲角增大 9% ,轮对冲角的增 大,使得 外 轨 横 向 力 增 大 13% 。 由 于 摩 擦 系 数 的 减 小,使得轮轨 接 触 斑 处 磨 耗 功 减 小 35% ,由 此 说 明 润 滑对减缓曲线钢轨磨耗起到积极作用。
力 ,改 善 了 机 车 曲 线 通 过 性 能 ,轨 面 摩 擦 系 数 应 该 保 持 在合理范围之内。
3)理想摩擦控制剂对改善轮轨蠕滑特性具有积 极 作 用 ,显 著 提 高 机 车 曲 线 通 过 性 能 。
轮轨摩擦控制的 关 键 技 术 在 于 摩 擦 控 制 剂,性 能 良好的摩擦控制剂不 仅 具 有 稳 定 的 摩 擦 特 性,并 能 改
图 2 描述了轨顶涂有摩擦控制剂后机车的曲线通 过性能,对比分析发 现,轨 顶 摩 擦 系 数 减 小 后,圆 曲 线
2011 年第 4 期
重载铁路钢轨润滑及摩擦控制研究
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图 1 轨侧摩擦控制对机车曲线通过性能的影响
上导向轮的导向力矩较干摩 擦 条 件 下 减 小 33% ,轮 对 冲角增大 9% ,外轨横向力减小 7% ,究其原因,轨顶摩 擦系数减 小 后,横 向 蠕 滑 力 的 减 小 致 使 横 向 力 减 小。 由 于 摩 擦 系 数 的 减 小,轮 轨 接 触 斑 处 磨 耗 功 减 小 27% 。
然而,轨距角处涂油 对 机 车 的 曲 线 通 过 性 能 有 何 影 响 不得而知 ;本节着重 分 析 外 轨 轨 距 角 处 摩 擦 系 数 对 机 车曲线通过性能的影响规律。轮轨干摩擦条件下的摩 擦系数取 0. 4,涂油后的摩擦系数取 0. 2。
以机车时速 60 km 通过 600 m 曲线半径( 超高为 60 mm) 为例( 机车以匀速通过曲线) ,对两种摩擦条件 下的导向 轮 导 向 力 矩、外 轨 横 向 力、轮 对 冲 角、磨 耗 功[4]等动力学指标进 行 对 比 分 析,以 此 评 价 轨 距 角 处 润滑对车辆曲线通过性能的影响。为着重反映摩擦系 数 的 影 响 ,未 设 置 轨 道 不 平 顺 。
大轴重成为世界各国发展重载铁路的首选技术措 施。随着机车车辆的 重 载 不 断 增 大,轮 轨 相 互 动 作 用 力不 断 增 大,与 此 同 时,钢 轨 损 伤 ( 龟 裂 和 剥 离 ) 、噪 声 、曲 线 钢 轨 磨 耗 等 问 题 愈 加 突 出 ,延 长 重 载 铁 路 钢 轨 的 使 用 寿 命 已 成 为 各 国 积 极 研 究 的 课 题[1 -2 ]。
据规划部门介绍,广 东 西 部 沿 海 高 速 铁 路 将 按 国 铁Ⅰ 级、双 向 电 气 化 规 划,速 度 目 标 值 为 每 小 时 200 km,预留时速 250 km。广东西部沿海高速铁路深茂段
建成后,将与茂湛铁路连通,从深圳到湛江只需 2 个多 小时。
广东西部沿海高 速 铁 路 的 建 设,将 加 强 湛 江 与 海 南经济特区、珠三角、北 部 湾 经 济 区 之 间 的 联 系,形 成 贯通湛江全境,连接 大 西 南、珠 三 角、海 南 经 济 特 区 的 便捷铁路交通网络,加 快 形 成 以 广 州、深 圳、珠 海 为 中 心的综合交通枢纽。
综上分析,适当的 轨 面 摩 擦 控 制 不 仅 可 获 得 良 好 的机车曲线通过性能,并 能 减 小 接 触 斑 处 的 轮 轨 磨 耗 速率。经分析得出,轨侧摩 擦 系 数 控 制 在 0. 2,轨 顶 摩 擦系数控制 在 0. 3,既 可 兼 顾 机 车 的 牵 引 所 需 的 黏 着 系 数 ,又 可 获 得 良 好 的 曲 线 通 过 性 能[6 -9 ]。
1994 ,51 -66 . [3]国际重载协会. 国 际 重 载 铁 路 最 佳 应 用 指 南[M ]. 北 京:中 国 铁 道 出 版 社 ,2009 ,51 -66 . [4]金雪松,刘启 跃. 轮 轨 摩 擦 学[M ]. 北 京:中 国 铁 道 出 版 社, 2004 ,51 -66 . [5]TOMEOKA M,KABE N,TANIMOTO M,et al. Friction control between wheel and rail[J]. Wear,2002(7) :124-129. [6]SUDA Y,IWASA T,KOMINE H,et al. Development of onboard friction control[J]. Wear,2005(3) :1109-1114.
图 2 轨顶摩擦控制对机车曲线通过性能的影响
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铁道建筑
April,2011
图 3 轨面摩擦控制对机车曲线通过性能的影响
触斑上的磨耗功减 小,最 终 对 减 缓 曲 线 钢 轨 侧 磨 起 到 [2]王 福 天. 车 辆 系 统 动 力 学[M ]. 北 京: 中 国 铁 道 出 版 社,
积极作用。 2 ) 摩 擦 系 数 适 当 降 低 后,减 小 了 曲 线 外 轨 横 向
对轨顶和轨侧同时进行摩擦控制时机车曲线通过 性能如图 3。分析发现,采用轨面 摩 擦 控 制 时,导 向 力
矩 和 冲 角 较 轨 顶 、轨 侧 摩 擦 控 制 未 有 明 显 变 化 ,而 此 时 的轮轨横向力和磨耗 功 均 呈 减 小 趋 势,提 高 了 机 车 的 曲 线 通 过 性 能[3 ,5 ]。
建立重载机车动 力 学 模 型,模 型 包 括 1 个 车 体、2 个构架、12 个轴箱、6 条轮对以及驱动单元。电机驱动 装 置 作 为 一 整 体 建 模 ,电 机 输 出 转 矩 等 效 为 力 矩 ,直 接 作用在轮 对 上。 机 车 轴 重 23 t,车 轮 型 面 为 JM3 ,钢 轨 型面为中国主型轨 60 kg / m。
的萌生和发展,并 减 少 高 频 噪 声 的 产 生。 下 一 步 工 作 将 通 过 试 验 研 究 ,调 整 摩 擦 控 制 剂 的 物 理 特 性 ,改 善 轮 轨接触条件。
参考文献 [1]STEPHEN M,REUBEN P,WILSON N,et al. Effects of wheel-
corrugation and related phenomena[J]. Wear,2002(7) :185-192. [8]郭俊,刘启跃,王 文 健. 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. [9]张建峰,高新平,王卫东. 重 载 铁 路 钢 轨 打 磨 效 果 分 析[J]. 铁道建筑,2009(4) :104-105.
铁道建筑
114
Railway Engineering
April,2011
文 章 编 号 :1003 -1995 ( 2011 ) 04 -0114 -03
重载铁路钢轨润滑及摩擦控制研究
罗国伟1 ,李 伟2
(1. 铁道部 运输局基础部,北京 100844; 2. 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所,北京 100081)
广东西部沿海高速铁路东段在深圳连接厦深铁路 ( 厦门—深圳) ,西段在茂 名 连 接 茂 湛 铁 路、河 茂 铁 路。 深茂段的起点为深 圳,从 深 圳 下 穿 珠 江 口,经 中 山、江 门、阳江,终点为茂名。深 茂 段 初 步 设 计 全 长 为 371. 7 km,预计总投资 458. 4 亿元。
1 轨侧摩擦控制对机车曲线通过性能的影响
为减缓曲线外轨 的 磨 耗,轨 距 角 处 的 涂 油 作 为 一 种 简 便 有 效 的 方 式 ,为 很 多 铁 路 部 门 所 采 用 ,以 此 减 小 轮缘与轨距角处 的 摩 擦 系 数,从 而 减 缓 外 轨 磨 耗[3-4]。
收稿日期:2010-12 -25;修回日期:2011 -01 -20 作者简介:罗国伟(1977 — ) ,男,湖南长沙人,工程师。
善轮轨接触状态,使轮轨蠕滑特性有所改观,能有效减 [7]EADIE D T,KALOUSEK J,CHIDDICK K C. The role of high
小 轮 轨 粘 — 滑 振 动 ,从 而 抑 制 曲 线 钢 轨 波 磨 、钢 轨 损 伤
positive friction ( HPF ) modifier in the control of hort pitch
3 综合摩擦控制技术对机车曲线通过性能的 影响
综合上两节中的 分 析 发 现,轨 侧 和 轨 顶 摩 擦 控 制 都可减小接触斑上的 磨 耗 功,而 两 者 对 轮 轨 横 向 力 的 影 响 规 律 相 反 ,因 此 ,本 节 研 究 对 轨 侧 和 轨 顶 同 时 进 行 摩擦控制( 综合摩擦控制 技 术 ) 时,对 机 车 曲 线 通 过 性 能的影响。
rail contact geometry on wheel set steering of forces[J]. wear,1996 (191) :204-209.
(责任审编 王 红)
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广东西部沿海高铁将于 2011 年动工
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