輪軌潤滑對地鐵小半徑曲線段外軌磨耗影響*

羅信偉 張 斌 汪龍洋 馮青松

(1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司,510010,廣州;2.華東交通大學軌道交通基礎設施性能監測與保障國家重點實驗室,330013,南昌)

由于受到地鐵線路的地形制約,地鐵線路中小半徑曲線段的占比較高。在地鐵實際運營中,小半徑曲線段的鋼軌損耗較大,而更換鋼軌的決定因素是外股鋼軌側面磨耗超限。目前,通過潤滑改變輪軌接觸區的摩擦因數是降低鋼軌磨耗最普遍的方法[1]。已有文獻研究表明,輪軌潤滑是緩解鋼軌磨耗最有效的辦法之一[2]。文獻[3-4]的研究結果表明,在潤滑狀態下,鋼軌的減磨效果可達2～10倍,且不同摩擦因數條件下,車輛的曲線通過性能差異性明顯。由于設備的局限性,目前還無法較為直接地獲得輪軌潤滑與鋼軌磨耗之間的影響關系。因此研究人員基于仿真技術對鋼軌的潤滑減磨效果開展研究。

針對地鐵小半徑曲線段的輪軌潤滑問題,國內外學者主要從試驗和仿真角度出發,文獻[5-6]通過輪軌減磨試驗,以及長期的鋼軌和車輪廓形變化的跟蹤監測發現,潤滑后的小半徑曲線段在鋼軌及車輪磨耗方面的改善較為顯著。文獻[7-9]通過建立車輛-軌道動力學模型,研究小半徑曲線段的鋼軌磨耗及減磨措施,并對小半徑曲線段外軌軌側潤滑的減磨效果進行了預測,研究結果表明,軌側潤滑對小半徑曲線段的鋼軌軌側減磨效果顯著。

目前,輪軌潤滑仿真計算主要用于研究摩擦因數與鋼軌磨耗之間的規律,而對于輪軌潤滑涂敷周期對磨耗控制效果的研究較少?；诖?本文利用動力學軟件Universal Mechanism建立地鐵B型列車模型,基于Kalker輪軌滾動接觸理論,采用Archard磨損模型,研究輪軌潤滑涂敷周期與外軌側磨量之間的規律,分析輪軌潤滑涂敷周期的合理性與有效性。本文研究對地鐵線路的軌道養護及維修具有指導作用。

1 潤滑減磨理論及側磨預測模型

1.1 潤滑減磨理論

鋼軌與車輪之間的摩擦一般分為軌頂和軌側兩個摩擦區域。潤滑減磨作用是通過在接觸面上形成表面吸附分子來減輕摩擦的,其能夠在鋼軌側面形成一層均勻的、連續的潤滑層,當車輛經過鋼軌時,輪緣與鋼軌側面之間的摩擦能夠獲得有效緩解,從而達到減磨效果。

在新軌上線初期,由于輪軌尚未磨合,曲線外軌極易出現輪軌兩點接觸的情況(第一接觸點為軌頂面與車輪踏面接觸;第二接觸點為軌距角與車輪輪緣接觸),兩點接觸的局部接觸應力較大,容易產生滾動接觸疲勞。根據潤滑減磨理論,理想的潤滑狀態是在第一接觸點保持中等摩擦因數(摩擦因數約為0.4),在第二接觸點保持低摩擦因數(摩擦因數約為0.1)。為模擬這一情況,本文的計算模型采用多點接觸輪軌模型,設置了踏面接觸區、輪緣接觸區等輪軌摩擦因數分區,并設置了3 mm的摩擦因數過渡區。外軌潤滑減磨分區示意圖如圖1所示。

圖1 外軌潤滑減磨分區示意圖

1.2 側磨預測模型

利用動力學軟件Universal Mechanism建立地鐵鋼軌磨耗預測模型。其中,地鐵B型列車模型包括車體、轉向架、輪對、懸掛系統、減振器和橫向止擋等部件,編組形式為三動三拖。列車運行速度為60 km/h,踏面為LM型,鋼軌為CHN60型,軌道模型選取小半徑曲線段,曲線半徑為300 m,緩和曲線長度為55 m,超高為120 mm,軌道不平順采用美國六級譜。引入量綱一的權重因子分配于AW0—AW3載荷狀態(AW0表示空載;AW1表示滿座;AW2表示滿座+6人/m2,額定載荷;AW3表示滿座+9人/m2,超常載荷),以綜合評價不同車輛條件和運營實際因素對鋼軌磨耗演變的貢獻。輪軌接觸模型采用Kalker輪軌滾動接觸理論進行計算。通過鋼軌廓形變化和磨耗速率反映小半徑曲線段鋼軌磨耗的劇烈程度。磨耗模型采用Archard模型,可以表示為:

(1)

式中:

V——磨耗體積;

k——磨耗指數;

N——法向接觸力;

l——滑動距離;

H——Vickers硬度指數。

式(1)可進一步簡化為:

V=kvA

(2)

式中:

kv——體積磨耗系數,其只與材料的特性有關,取kv=1×10-13m3/J;

A——磨耗功。

仿真模型通過迭代計算的方法模擬鋼軌磨耗的演變過程。在每一步迭代步中,當鋼軌累積磨耗深度峰值達到固定限值(磨耗深度限值為0.1 mm)時,當前迭代步終止。對磨耗鋼軌型面進行數據平滑更新,再利用更新后的磨耗鋼軌型面作為下一步迭代步的計算初始型面。

2 潤滑減磨仿真結果對比

2.1 計算工況

為預測輪軌潤滑涂敷周期對鋼軌側磨的影響,根據不同潤滑工況對鋼軌的涂敷情況進行仿真計算,對比不同潤滑狀態下鋼軌廓形側磨情況的發展規律。將鋼軌廓形側磨分為3個階段,第1階段的鋼軌側磨量為0～5 mm,第2階段的鋼軌側磨量為5～10 mm,第3階段的鋼軌側磨量為10～15 mm。仿真計算分為5種工況:① 工況1——無潤滑且無涂敷;② 工況2——潤滑且全過程涂敷;③ 工況3——潤滑、在鋼軌出現側磨后進行涂敷;④ 工況4——潤滑、在工況3的第2階段、第3階段停止涂敷;⑤ 工況5——鋼軌無磨耗。

2.2 側磨第1階段

側磨第1階段的鋼軌磨耗及廓形變化規律如圖2所示。由圖2可知:① 在鋼軌上道初期,鋼軌側磨大致分為2個過程:鋼軌出現側磨前;鋼軌側磨量達到5 mm(運營時間約為5個月)后。② 對于第1個過程,各工況的側磨積累速度大致相同,均屬于輕微磨損,即新鋼軌鋪設初期的磨損速度較慢,潤滑涂敷效果不顯著。③ 對于第2個過程,相比于工況1,工況2和工況3約延后了3個月才達到側磨量5 mm的限值,這說明在鋼軌側磨出現后,潤滑涂敷起到了關鍵性作用,能夠及時降低鋼軌側磨的磨耗速度;工況2和工況3在達到側磨量5 mm時的運營時間基本一致,這說明在出現鋼軌側磨后,涂敷時間點對潤滑效果無明顯改善。

a) 側磨值隨運營時間的變化規律

結合現場實際情況可知,在鋼軌上道初期,對曲線外鋼軌進行全過程涂敷,雖然在一定程度上減緩了鋼軌磨耗速度,但不利于輪軌自然磨耗形成共形接觸。此外,新軌上線初期的輪軌接觸應力較為集中,易出現塑性累積。因此,建議鋼軌潤滑涂敷時間可以延后至鋼軌出現側磨后再進行潤滑涂敷作業。

2.3 側磨第2階段

側磨第2階段的鋼軌磨耗及廓形變化規律如圖3所示。由于軌距增加、輪軌沖擊增大等因素,第2階段的側磨速度明顯加快。第2階段的鋼軌側磨量約在運營時間為10～12個月時達到10 mm,而第1階段的鋼軌側磨量約在運營時間為17個月時達到5 mm。相同鋼軌側磨量下,第2階段比第1階段縮短了5～6個月。在側磨第2階段,工況1的側磨積累速度>工況4的側磨積累速度>工況3的側磨積累速度>工況2的側磨積累速度。當側磨量相同時,各工況運營時間相差較為明顯,無潤滑條件相比潤滑條件下的運營時間縮短約27%,主要原因是由于潤滑涂敷降低了輪緣與鋼軌軌頭側面之間的摩擦因數,在相同導向力的情況下,降低了輪緣與鋼軌軌頭側面之間的摩擦力。同時在此階段,輪軌兩點接觸結束,接觸應力偏于穩定,應力集中的鋼軌廓形已被磨掉,鋼軌廓形改變的速度加快。由此可知,在第2階段,潤滑涂敷對延緩外軌磨耗起到了重要的作用。

a) 側磨值隨運營時間的變化規律

2.4 側磨第3階段

側磨第3階段的鋼軌磨耗及廓形變化規律如圖4所示。由于軌頭形狀發生改變,約在運營時間為7個月時,鋼軌磨耗就會達到15 mm。在此階段,軌距顯著變寬,輪軌接觸條件惡化,輪緣與軌側間的滾動、滑動現象并存,導向輪輪緣緊壓外軌頭側面,兩者接觸表面發生黏著,造成軌側劇烈磨損。

a) 側磨值隨運營時間的變化規律

為避免計算量過大,仿真計算中當判斷達到輪軌共形接觸狀態后程序停止。輪軌系統廓形示意圖如圖5所示。輪緣和鋼軌軌距角完全接觸,輪軌間的接觸應力相對較小。

注:x為輪軌系統橫向坐標;y為輪軌系統垂向坐標。

2.5 側磨全階段對比分析

對小半徑曲線段外軌側磨全階段的磨耗速率進行統計分析,如圖6所示。各工況下,第2階段的磨耗速率均比第1階段高,其中工況1第2階段的磨耗速率比第1階段高出近一倍。第3階段的磨耗速率相對于第2階段有所緩和。全階段中,工況1的鋼軌平均磨耗速率積累速度>工況4的鋼軌平均磨耗速率積累速度>工況2的鋼軌平均磨耗速率積累速度>工況3的鋼軌平均磨耗速率積累速度。在鋼軌側磨第2階段需重點涂敷,通過施加潤滑可以使鋼軌磨耗周期延后至少3個月。同時,全過程涂敷潤滑和出現側磨后潤滑的總體磨耗速率分別為0.36 mm/月和0.38 mm/月,兩者差別不大,建議涂敷周期可延后至鋼軌出現側磨后再進行潤滑涂敷作業。

圖6 全階段鋼軌磨耗速率分析

需要注意的是,以減緩外軌側磨為目的的輪緣或軌側潤滑,對減緩波磨、鋼軌剝離是不利的,因此潤滑需要根據鋼軌磨耗,以及軌道傷損變化與發展情況而定。通過現場測量、仿真預測、周期性涂敷等綜合技術措施,達到延長小半徑曲線段鋼軌使用壽命的目標。

3 結論

1) 輪軌潤滑對于地鐵運營的節能、降耗具有重要意義。有效的輪軌潤滑可以達到減少線路養護維修工作量和降低運營成本的目的。建議在鋼軌出現側磨后進行潤滑涂敷,在側磨量為5～10 mm階段進行重點涂敷,以減緩外軌磨耗。

2) 潤滑需要根據鋼軌磨耗,以及軌道傷損變化與發展情況而定,涂敷周期是決定鋼軌生命周期的重要因素。由于地鐵線路的特點各不相同,輪軌潤滑策略需要因地制宜、不斷更新,以保證潤滑效果滿足實際需求。

3) 涂敷周期及其與線路曲線半徑大小、軌道幾何形位、列車類型、列車通過速度及通過列車質量之間的量化關系還有待進一步研究和探索。