轮轨润滑降低重载货车轮轨磨耗作用的研究

小 的轮对 横移 时 ， 轮 的纵 向蠕 滑力 必 然 降 低 ， 而 导 车 从 致 轮对 的导 向能力 不足 ， 观 上 表 现 为轮 对 冲角 变 大 ， 宏
如 图 ２ ｄ 所 示 ， 观 上 则 表 现 为踏 面 接 触 点 蠕 滑 率 增 （） 微 大， 滑动 增加 。当 曲线半 径 很 小 时 ， 叉 支 撑转 向架 在 交
４ １
２ ｆ所 不 。 （）
的交叉 支撑 转 向架还 小 ， 用径 向转 向架是 降低 轮轨磨 采
耗 的根 本措 施 。 轮轨润 滑条 件 下 的动 力学 分 析 结 论 ，已 经 为大 量 实 测试 验所 证实 。我 国大秦 铁 路 和 部分 铁 路 局 已经 开 始 了轮 轨润 滑 技术 的运 用 与研 究ｌ ］ 取 得 了 良好 的减 ＿ ， ６
… …
解决 轮轨 磨 耗 的措 施 从 车 辆 方 面 最 根 本 的 措 施 是 改进 转 向架结 构 ，降低 轮轨 动力 作 用 ， 除 轮缘 和钢 轨 消 的直 接接 触 ， 如采 用径 向转 向架 。从 运用 减 磨 方 面则 应
进行 有效 的轮 轨 界面 管理 和摩擦 控 制 ， 如钢 轨 打磨 和 轮
轮轨 润滑后 车轮 踏面 的磨耗 功反 而有所 上升 ， 尤其
是 曲线 半 径 小 于 ４ ０ｒ ０ ｎ时 最 为 显 著 ， 图 ２ ｃ 所 示 。 如 （）
此现象 的原 因是 当轮缘 部分 摩擦 系数 降低后 ， 同等大 在
第 ２ 期
轮 轨 润 滑 降低 重 载 货 车 轮 轨 磨 耗 作 用 的研 究
摩 擦 系数线 性过 渡 区 。 滚 动接触 力 学 研 究 表 明 ，轮 轨 接触 面 之 间所 耗 散
，
影 响重 载运输 的经济 性 。
目前 我 国重 载线半 径 ６ ０ｍ 及 以下 的曲线 ， ０ 钢轨 铺 设 １年后 侧磨 即达 １ ５ ｍｍ 而需 换 轨 ， 载 货 车 车 轮 段 重 既有 线路 上实 施重 载运 输 ， 大量 存在 的中小 半 径 曲线 不 可避 免 ， 而 产 生更 为 严 重 的轮 轨 磨 耗 。 因此 ， 从 随着 我 国重 载运 输 的发展 ， 轨磨 耗尤 其是 曲线 上 的车轮 与 钢 轮 轨磨 耗将 愈趋 剧烈 ， 轻重 载货 车 的轮轨 磨 耗 是我 国重 减
中 图分 类 号 ： ７ ． ３ Ｕ２ Ｏ ３ １ 文 献标 志 码 ： Ａ
严重 的轮轨磨 耗一 方 面导致 轮 轨 配合 状 态不 良 ， 使 车 轮不 能实 现 正 确 导 向 和 对 中 ， 生 较 大 的 轮 轨 作 用 产 力， 加剧 车辆 振 动 和部 件 间相 互 作 用力 ， 而 降 低 车 辆 从 的动 力学 性 能 和运 用 可 靠 性 ； 一 方 面 ， 正 确 的 轮 对 另 不 排列 和 轮缘磨 耗 还将进 一 步导致 金 属疲 劳 和 褶皱 变形 ， 使缺 陷维 修量 和 轮轨更 换量 加 大 ， 著增 大 列 车 的燃 料 显 消耗 。车轮 和钢 轨 是重 载 铁 路 运 输 的主 要 成 本 支 出 之 无论 是加 工恢 复轮 轨外 形还 是更 换 新轮 轨 都将 显 著
轮轨 润 滑 降低 重 载 货 车轮 轨磨 耗 作 用 的研 究
李 亨利 潘 树平 ， ，王爱 民 周 张义 ，王 璞 ，
（ 南车集 团公 司 眉 山车辆 有 限公 司， １ 四川 眉 山 ６ ０ ３ ； ２ ０ ２ ２ 西 南交 通大 学 机 械 工程 学院 ， 四川 成都 ６ ０ ３ ） １ ０ １
摘 要 轮 轨 润 滑 是 重 载铁 路减 轻 轮 轨 磨 耗 及 损 伤 的有 效 措 施 之 一 。基 于 多 体 动 力 学 理 论 ， 立 了配 装 不 同 类 型 建
转 向 架 的 Ｃ。型 重 载 车 辆 动 力 学 分 析 模 型 ， 用 多 点 接 触 轮 轨 模 型 和 轮 轨 接 触 摩 擦 功 进 行 磨 耗 评 价 。计 算 得 出 了 利 不 同 曲线 工 况 下 ， 轨 润 滑 对 交 叉 支 撑 转 向架 和径 向转 向 架 轮 轨 磨 耗 的 作 用 规 律 。 轮 关 键 词 轮 轨 磨 耗 ； 轨 润 滑 ；磨 耗 功 ； 叉 支撑 转 向架 ； 向转 向架 轮 交 径
需 要 指 出的是 轮轨 横 向力 增 大后 脱 轨 系数 会 相 应 增 大 。但 国 内外 的研究 和实 践均认 为 ， 轮轨 润滑 不会 增 大 车辆 脱 轨 的危 险 ， 主要原 因是 一方 面 由于摩 擦 系数 其
降低 后 ， 据 Ｎａ ａ 公 式计 算 的脱 轨系数 限度值 也将 相 根 ｄｌ
应 增大 ， 图 ３所示 。另一 方 面 ， 如 轮轨 润 滑后 车 轮爬 轨
第 ３ 卷 第 ２期 ２
２１ Hale Waihona Puke Baidu ２年 ４月
铁 道 机 车 车 辆
ＲＡＩ Ｗ ＡＹ ０ＣＯＭ ０ＴＩ Ｉ Ｌ ＶＥ ＆ ＣＡＲ
Ｖｏ ． ２ Ｎｏ ２ 【３ ．
ＡＤ ． ｒ ２ ２ Ｏ１
文章 编号 ：０ ８ ８ ２（０ ２ ２ ０ ９ ３ １ ０ —７ ４ ２ １ ）０ —０ ３ —０
燥 轨 面的 ４ 左 右 。同 时 ， 滑后 车 轮 横 向蠕 滑 力 也 ０／ ９ ５ 润 小 于干燥 轨 面 ， 得钢 轨 对 轮对 的约 束作 用减 弱 ， 致 使 导 轮对摇 头 和横移振 动 增 大 ， 而轮 轨 横 向力增 大 ， 图 从 如
上 曲线 时 已趋近 于零 ， 分说 明 了径 向转 向架 降低 轮轨 充 磨 耗 的效 果 。
３ ． ， 缘 接 触 点 磨 耗 功 分 别 为 ５ １ ・ｍ 和 ６５ 轮 ９４５Ｎ １ ５ ・ ｎ 较 干燥 轨面 降低 了约 ７ 。曲线 半径 增 ７５ ７Ｎ ｒ ， ０
大到 ６ ０ｍ 以上时 ， 滑对 轮轨 的减 磨 作用 逐渐 消 失 ， ０ 润
曲线半 径 大于 ８ ０ｒ 基 本 无 降 低 轮 轨磨 耗 的 效 果 。 ０ ｎ后 然而 ， 轮轨 润滑对 降低径 向转 向架 轮轨磨 耗仅 在极 小半 径 曲线 下有 微 弱 的 改 善 ， 曲线 半 径 大 于 ４ ０ ｒ 在 ０ ｎ时几
一
状 态值 。转 向架 为转 Ｋ７型径 向转 向架 和转 Ｋ６型交叉 支撑转 向架 。轮 轨 配 合 为 新 Ｌ 型 磨 耗 型 踏 面 和 ６ Ｍ Ｏ ｋ ／ 钢轨 ， ｇｍ 轨道 不平 顺采 用 ＡＡＲ ５级线 路谱 。 根 据润 滑理论 ， 想润 滑需要 轮缘 和 轨头 侧 面保持 理 低 摩擦 系数 ， 车轮 踏 面和钢 轨头顶 面 上保 持 中等摩 擦 系 数 。为 模拟 这一 情况 ， 计算模 型采 用 了多 点接 触 的轮 轨 模 型 ， 置专 门的 轮缘 接 触单 元 、 面接 触 单 元 和 变化 设 踏 的轮轨 摩擦 系数 ， 图 １ 示 。按 国际重 载协 会 推荐 的 如 所 数值 ， 润滑 工况下 车 轮踏面 和钢 轨头 顶 面摩擦 系数 设 置 为 ０４ ， ． ０ 轮缘 与 钢 轨 内侧 面摩 擦 系 数 取 为 ０ ０ ｌ 。考 ． ９２ ］ 虑润滑 时实 际摩擦 系数 并 无绝对 的分 界线 ， 为避 免数 且
ｏ ９ 躲数 ｉ 区
体 动 力学 方法 对 润 滑 条 件 下不 同模 式 转 向架 的 轮 轨 磨
耗 进 行 了研 究 。
ｌ 磨耗 动 力学计 算模 型及 评价 指标
利 用 多 刚体 动力 学 方 法 建 立 了 Ｃ 。型运 煤 专 用 敞 。 车 在 时域 内的动力 学计 算模 型 ， 参数 取新 车 重车 下 的 各
润滑可 大 幅度降低 交叉 支撑转 向架 的车轮 磨耗 ， 尤其 是 轮 缘磨 耗 ， 曲线半 径越 小 ， 磨 效果 越 明显 。 曲线 半 径 减 ３ ０ｒ ， 滑前后交 叉支 撑转 向架 车轮 磨耗 功分 别 约 ０ ｎ时 润
为 ７ ４ ・ 和 ４ １ ・ 较干燥 轨面 降低 了约 ７３ ９Ｎ ｍ ９１ ８Ｎ ｍ，
通 过干燥 轨道 的情 形下 ， 线 路 随机 不平 顺 的激 励 下 ， 在 车 轮接触 点更 多 的分 布于 轮缘部 分 ， 从而 轮缘 接触 点的 磨 耗功 随 曲线 半径 的减小 大 幅增加 ， 从而 车轮 踏面磨 耗 功 反而下 降 。若实 施轨 道润 滑后 ， 即使接 触点 分布 于轮 缘， 但摩 擦系数 很低 ， 产生 滑动 的摩 擦力较 小 ， 导致 轮缘 磨 耗功下 降 。同样 ， 由于通过 特殊 的装 置增强 了轮 对 的 导 向作 用 ， 向转 向架通 过 曲线 时轮对 冲角 和踏 面磨耗 径
载运 输 的核心 技术 问题 。
修 时 的 旋 修 比率 超 过 ９ ， 轮平 均 寿命 较短 。若 在 值 积分 奇异 ， ０ 车 轮缘 和 踏面分 界线 附近设 置 宽度 ３ｍｍ 的
的摩擦 功率基 本 能反 映轮 轨磨耗 的大 小 ， 定 义 为接触 其 斑 内蠕 滑力 和蠕 滑 率 的数 量积 。若 轮缘 接 触 点 已经 开 始 滑动 ， 时摩 擦 功率定 义 为轮轨 相对 滑 动速 率 和滑 动 此 的切 向力 的乘 积 。摩 擦 功率 反 映 了 瞬态 轮 轨 磨 耗 的 程 度， 对其 在 仿真 时 问 内进 行 积 分 ， 得 到车 辆 运 行 特 定 可 里 程所 积 累的摩 擦功 ， 而 应用 于轮轨 磨耗 的评定 。 从
轨润 滑 。 国内外 的实践 经验 表 明 ， 轨 润滑 是 减缓 曲线 轮 车轮 和钢 轨磨 耗 的有效 措施 之一 ， 技术 可 有 效减 小 车 该 辆 曲线通 过作 用力 ， 善重 载铁 路 的运 营条 件 。为预 测 改 润滑 减轻 重载 车辆 轮轨 磨耗 的效 果 和规 律 ， 文运 用 多 本
李 亨 利 （９ １ ） ， 川 大 竹 人 ， 程 师 （ 回 日期 ：０ １ １ — １ ） １８一 男 四 工 修 ２ １ — ０ ３ 图 １ 轮 轨 接 触 模 型 及 摩 擦 系 数 的 设 置
铁 道 机 车 车 辆
第 ３ ２卷
２ 润 滑降低 曲线 轮轨磨 耗 的作用
高均 设置 为 ２ ０ｍｍ， 和 曲线长 ７ 曲线 总长 ６ ０ｒ。 缓 ５ｍ， ０ ｎ
（） ｂ 轮缘接触磨耗功
（）踏面接触磨耗功 ｃ
曲 线半 径 ／ｍ
曲 线半 径 ／ｍ
（ ｅ ）轮缘接 触点横 向蠕滑 力
（ ｆ ）轮轨横 向力
图 ２ 车 辆 通 过 不 同 曲线 半径 时 轮 轨润 滑 的效 果
由图 ２ ａ 和 图 ２ ｂ 可 见 ， （） （） 较小 半 径 曲线 上 的 轮 轨
为考察 轮轨润 滑对 曲线轮 轨磨 耗 的影 响 ， 算 了车 计 辆通 过不 同 曲线 时轮 轨 磨 耗指 标 。计 算 时 曲线 的欠 超
图 ２ 出了车辆 导 向轮对外 侧 车轮 的相 关结 果 。 绘
曲线 半 径 ／ ｍ
曲线 半 径 ／ ｍ
曲线半径／ ｍ
（ ａ ）车轮 总磨耗功
乎 无作 用 。但 由于径 向转 向架 具有 优 良 的 曲线 通 过 性 能 ， 所计 算 的工况下 ， 在 轮轨 磨 耗 功较 交 叉 支 撑转 向架
实施 润滑后 还 小 ， 缘 磨 耗 功 在 通 过 半 径 为 ６ ０ ｍ 以 轮 ０
功 均较小 。 计算 结果 还表 明 ， 轮轨 润滑具 有 降低 轮缘 横 向蠕滑 力 的作 用 ， 在 较 大 半 径 的 曲 线 上 仍 十分 明 显 。图 ２ 且 （ ） 示 为轮缘横 向蠕 滑 力 的 峰值 ， 工 况 下 轮轨 润 滑 ｅ所 各 后 均减 小 了 ２ 以上 ， 该 力 的 均方 值 润 滑 时仅 为 干 ５／ ９ ６ 且