輪軌接觸界面摩擦管理研究進(jìn)展*

何成剛 鄒 港 宋智博 葉榕偉 劉吉華

(1.五邑大學(xué)軌道交通學(xué)院 廣東江門 529020；2.先進(jìn)驅(qū)動(dòng)節(jié)能技術(shù)教育部工程研究中心 四川成都 610031；3.廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司 廣東佛山 528137；4.五邑大學(xué)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)綜合訓(xùn)練中心 廣東江門 529020)

自1825年9月，英國開通了世界上第一條鐵路，通過近兩百年逐漸發(fā)展，鐵路運(yùn)輸方式已經(jīng)成為陸路運(yùn)輸方式的主要力量，并且具備載量大、效率高、資源損耗小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展、科技進(jìn)步，為了滿足當(dāng)前客貨運(yùn)輸發(fā)展的需求，高速度、大重載已經(jīng)成為了客運(yùn)和貨運(yùn)發(fā)展的主流方向[1]。列車的牽引與制動(dòng)力主要依靠輪軌滾動(dòng)接觸間的黏著-蠕滑進(jìn)行傳遞。雖然輪軌接觸斑的面積非常小，但其能嚴(yán)重影響列車安全服役性能，比如軌道系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、輪軌磨耗、振動(dòng)與噪聲、接觸疲勞和列車能源消耗等。因此，接觸界面條件有輕微的改變，都能夠影響到輪軌材料的服役壽命和列車的運(yùn)行安全。在干燥條件下，軌頂與車輪踏面間的黏著系數(shù)較大，不僅滿足牽引和制動(dòng)的要求，同時(shí)較大黏著力將直接導(dǎo)致車輪踏面與軌頂面的劇烈磨損；若黏著力過小，小于列車牽引力時(shí)會(huì)使車輪空轉(zhuǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生對(duì)車輪與鋼軌踏面擦傷病害，極大地降低了行駛的安全與乘客的舒適度[1]。目前車輪和鋼軌將面臨著巨大的考驗(yàn)，主要表現(xiàn)為車輪輪緣與鋼軌軌側(cè)的磨損加劇，特別是小半徑路段[2]；車輪踏面的疲勞損傷、磨耗、剝離和輪緣磨耗等，鋼軌的剝離、壓潰、波磨和側(cè)磨等[3]。輪軌黏著系數(shù)過大或過小都會(huì)降低列車安全性,因此針對(duì)目前這些問題，在輪軌界面使用全面摩擦管理技術(shù)是一種高效、便捷、經(jīng)濟(jì)效益高的方法，該方法包括軌距面與軌頂面摩擦控制[4]。目的是能夠使輪緣-鋼軌軌距面間具有較小的摩擦因數(shù)(小于或等于0.2)且踏面與軌頂面具有適中水平的摩擦因數(shù)(一般為0.3～0.4)，這能顯著地延長車輪和鋼軌材料的使用壽命,降低輪軌材料磨損及提高車輛行駛的安全[5]。本文作者綜述了輪軌接觸間摩擦管理的應(yīng)用，詳細(xì)分析了輪軌界面摩擦管理對(duì)輪軌黏著控制、材料磨耗、接觸疲勞、能耗等的影響，并展望了輪軌接觸界面摩擦管理未來研究方向。

1 輪軌界面全面摩擦管理

1.1 輪軌接觸界面

輪軌接觸是列車車輪與地面鋼軌的接觸，不僅要承載列車的載荷而且在接觸界面較小的面積內(nèi)傳遞列車的牽引力和制動(dòng)力[6]。列車在直線路段行駛時(shí)，通常發(fā)生踏面與軌頂面接觸，即一點(diǎn)接觸(見圖1(a))，輪軌磨損主要產(chǎn)生于踏面和軌頂面。當(dāng)列車行駛在曲線路段情況下，不僅車輪踏面和軌頂面發(fā)生接觸，而且輪緣和軌距面也發(fā)生接觸，即兩點(diǎn)接觸(見圖1(b))，輪軌磨損就會(huì)出現(xiàn)在踏面與軌頂、輪緣與軌距面。

圖1 輪軌接觸界面

對(duì)于沒有污染且干燥的輪軌，其蠕滑特性曲線上存有飽和蠕滑率，這種情況有最大摩擦力；此后隨著蠕滑率繼續(xù)增大，摩擦力呈下降趨勢(shì)，下降的部分被稱為“負(fù)摩擦”特性(見圖2)，其對(duì)列車運(yùn)行噪聲和鋼軌波磨有重要作用。EADIE等[7]研究表明在飽和蠕變條件下負(fù)摩擦引起的黏滑振蕩，是車輪嘯叫和鋼軌短波長波磨的常見原因，而在使用摩擦控制劑后，可以使輪軌接觸間的摩擦特性由負(fù)變?yōu)檎軌蛴行p少波磨和噪聲。輪軌兩點(diǎn)接觸與相互作用是出現(xiàn)輪緣磨耗和鋼軌側(cè)磨的根本原因。輪緣磨損不但會(huì)使輪軌關(guān)系發(fā)生變化，影響列車的運(yùn)行穩(wěn)定性，且因頻繁旋修導(dǎo)致輪對(duì)壽命縮短，增加運(yùn)營成本[8]；而嚴(yán)重的鋼軌側(cè)磨也影響著鋼軌的服役壽命，嚴(yán)重時(shí)將更換鋼軌，顯著增加工務(wù)段維護(hù)工作量及維護(hù)成本。

圖2 蠕滑特性曲線

摩擦管理是針對(duì)輪緣-軌距面和踏面-軌頂面間摩擦因數(shù)管理與調(diào)控，一是在輪緣與軌距面間施加潤滑劑，將其摩擦因數(shù)降到最低，降低能源的損耗和材料磨損；二是在踏面與軌頂面間應(yīng)用各種摩擦改進(jìn)劑(水基或油基)，使摩擦因數(shù)達(dá)到一定水平，以滿足列車啟動(dòng)、運(yùn)行、制動(dòng)所需要求的同時(shí)降低車輪與鋼軌的磨耗，減小能量的損耗。

1.2 軌距角/輪緣潤滑

列車經(jīng)過曲線路段時(shí)輪軌接觸狀態(tài)不佳，輪緣與外軌貼靠，顯著加劇輪緣磨耗和鋼軌側(cè)磨[9]。因此在接觸面進(jìn)行合理有效地潤滑將其摩擦因數(shù)控制在0.2以下[10]，可以減小磨耗，增加輪軌材料的服役壽命，對(duì)節(jié)約能源和提升機(jī)車牽引效率也有積極作用，并可提高列車運(yùn)行的安全性[11]。在小曲線半徑使用摩擦改進(jìn)劑，可以獲得更小的橫向力，而不會(huì)使?fàn)恳禂?shù)負(fù)向降低，而牽引系數(shù)負(fù)向降低是導(dǎo)致輪緣尖叫噪聲和嚴(yán)重輪緣磨損的主要原因[12]。

輪緣-軌距面潤滑主要由潤滑材料和涂敷設(shè)備兩部分組成。潤滑材料通過涂敷設(shè)備施加到軌側(cè)接觸面，其按照狀態(tài)可分為油、脂和固體潤滑[13]。李英姿[14]研制出新型環(huán)保輪軌潤滑脂，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明潤滑減磨的效果非常好，可以有效地降低輪緣和軌側(cè)的磨耗。李珂等人[15]制備出一種固體摩擦改性劑，研究發(fā)現(xiàn)固體摩擦改性劑可使摩擦因數(shù)穩(wěn)定0.3～0.4之間。姚湯偉等[16]通過比較干式與油脂的潤滑機(jī)制和現(xiàn)場(chǎng)使用效果，發(fā)現(xiàn)干式潤滑是降低輪緣和軌側(cè)磨損最有用的方法。侯永勝和張念[17]在重載運(yùn)輸線路的曲線段區(qū)域鋼軌上采用固體潤滑，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明能夠減少軌側(cè)2/3的磨耗。江萬波等[18]采用M-200摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)探究了在輪緣添加固體潤滑劑時(shí)的摩擦特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)含有摩擦改進(jìn)劑的潤滑材料表現(xiàn)出更優(yōu)的力學(xué)性能，同時(shí)也表現(xiàn)出更優(yōu)的承載力和耐磨性。同時(shí)潤滑材料的選擇也受到接觸點(diǎn)溫度的影響，SPIRYAGIN等[19]通過建立車輪與鋼軌之間輪緣接觸區(qū)域溫度分布的數(shù)學(xué)模型，提出來的算法使得在車輪輪緣和鋼軌的軌距面之間的接觸中檢測(cè)潤滑劑類型或潤滑添加劑成為可能，并根據(jù)獲得溫度值來正確挑選潤滑材料提供理論依據(jù)。涂敷設(shè)備主要有道旁式和車載式，景澤紅[20]在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用道旁式軌側(cè)潤滑設(shè)備來代替人工涂敷，從而實(shí)現(xiàn)曲線區(qū)段上股鋼軌和道岔尖軌固體潤滑劑的主動(dòng)涂覆。SUDA等[21]開發(fā)出用于運(yùn)營列車的車載摩擦控制系統(tǒng)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，輪和軌之間橫向力和縱向力之比減小，且橫向力波動(dòng)也減弱，輪軌間嘯叫噪聲顯然削弱。溫邦等人[22]對(duì)國內(nèi)某地鐵線路安裝輪緣潤滑器的列車和未安裝輪緣潤滑器的列車的車輪磨耗進(jìn)行了跟蹤測(cè)試，結(jié)果表明與未安裝輪緣潤滑器的列車相比，安裝有潤滑裝置列車車輪磨耗能夠減少36%。涂敷設(shè)備的關(guān)鍵是將潤滑材料準(zhǔn)確無誤地運(yùn)送到指定部位，噴涂的潤滑材料在降低摩擦因數(shù)的同時(shí)不應(yīng)污染環(huán)境；列車在運(yùn)行時(shí)潤滑材料會(huì)甩濺到鋼軌軌頂處，導(dǎo)致摩擦因數(shù)降低，影響列車的行車安全[23]。同時(shí)對(duì)于不同的潤滑材料，噴涂量也不同，程焯等人[24]研究了2種水基摩擦改性劑的最佳涂敷量，發(fā)現(xiàn)摩擦改性劑種類不同，最佳涂敷量也不同，適當(dāng)?shù)耐糠罅靠捎行p緩輪軌的磨損與損傷，因此要嚴(yán)格選擇潤滑材料和噴涂量。軌距角/輪緣潤滑雖能降低車輪與鋼軌的磨損與損傷、減低噪聲和能耗，但同時(shí)會(huì)增大輪軌橫向力，沖角增大，軌道損傷加劇。因此在降低軌距角與輪緣的摩擦因數(shù)時(shí)，應(yīng)避免輪軌橫向力與沖擊的增大。

1.3 軌頂面/車輪踏面摩擦控制

輪軌接觸主要是車輪踏面與地面鋼軌的接觸，其主要作用是承受列車載荷和傳遞牽引力、制動(dòng)力[25]。因此，軌頂與車輪踏面的相互作用決定列車是否能安全行駛。接觸界面的摩擦管理主要是車輪踏面與軌頂面間摩擦因數(shù)大小的調(diào)控，通常水、油和樹葉會(huì)使輪軌接觸界面間摩擦因數(shù)變得過小。WANG等[26]通過模擬試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，水或油的存在會(huì)顯著降低輪軌摩擦因數(shù)，隨著輪軌表面水量的增加，摩擦因數(shù)會(huì)進(jìn)一步降低；輪軌間存在水時(shí)，軸重對(duì)摩擦因數(shù)沒有太大影響。OLOFSSON和SUNDVALL[27]利用銷-盤試驗(yàn)機(jī)模擬了直線線路上通勤列車交通引起的輪軌接觸，發(fā)現(xiàn)當(dāng)存在樹葉時(shí)，摩擦因數(shù)減小得更多；通過使用榆樹葉，與未潤滑的情況對(duì)比，發(fā)現(xiàn)輪軌間的摩擦因數(shù)減少了4倍。ISHIZAKA等[28]通過平面銷釘測(cè)試分析葉片有機(jī)物與鋼軌間的化學(xué)反應(yīng)過程，研究了鋼軌葉片污染的低摩擦機(jī)制，都表現(xiàn)出極低的摩擦因數(shù)。CANN[29]采用球盤式試驗(yàn)裝置研究了輪軌接觸中葉片殘留和附著力喪失的問題，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水溶性樹葉經(jīng)過碾壓后與鋼軌之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生黑色薄膜，使得輪軌間的摩擦因數(shù)比純水下的還低。LEWIS等[30]比較了一系列雙盤摩擦試驗(yàn)機(jī)附著力試驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)油、水以及油水混合物都會(huì)使輪軌界面附著力減小。因此，必須采取相應(yīng)的增黏措施，研究表明撒砂、氧化鋁顆粒和研磨子可以在各種低黏著條件下提高摩擦因數(shù)，來滿足列車正常運(yùn)行的要求。CAO等[31]使用滾-滑磨損試驗(yàn)機(jī)研究了氧化鋁顆粒在潮濕條件下對(duì)改善輪/軌黏著和磨損損傷的作用，結(jié)果表明氧化鋁在濕潤環(huán)境下能顯著增大輪軌間的摩擦因數(shù)，并隨著其直徑從S(約75 μm)增加到L(約250 μm)而下降，然后保持穩(wěn)定。WANG等[32]研究表明氧化鋁顆粒更適合于改善輪軌界面的附著力且對(duì)鋼軌表面損傷影響最小。GALLARDO-HERNANDEZ和LEWIS[33]研究發(fā)現(xiàn)向被葉片和水污染的接觸界面添加沙子會(huì)增加輪軌附著力，提高摩擦因數(shù)。張振先等[34]探究了在油、水、樹葉等污染下增加砂粒直徑和用量對(duì)提高摩擦因數(shù)的影響，其結(jié)果表明撒砂可增加污染下的輪軌摩擦因數(shù)水平，能夠?qū)⒘熊囁俣仍?00 km/h以下的輪軌摩擦因數(shù)維持在0.18以上。然而摩擦因數(shù)過大會(huì)顯著加劇車輪踏面與軌頂面的磨耗，并使輪軌踏面出現(xiàn)剝落、接觸疲勞等損傷[35]。因此，通過對(duì)軌頂面施加摩擦改性劑，將輪軌間的摩擦因數(shù)降低到中等水平(0.3～0.4)，進(jìn)而降低輪軌的磨耗速率及減少其表面損傷。于水波等[36]將道旁式輪軌踏面摩擦控制裝置應(yīng)用于重載鐵路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)摩擦控制技術(shù)能減輕曲線路段鋼軌下股踏面接觸疲勞與剝離。當(dāng)在輪軌接觸界面施加摩擦控制劑后，隨著車輪與鋼軌的相互作用會(huì)在界面間形成第三介質(zhì)層[37]，如圖3所示，其主要包括輪軌氧化形成的氧化物、摩擦控制材料、磨屑和其他污染物等。

圖3 第三介質(zhì)層原理

對(duì)輪軌接觸界面進(jìn)行摩擦控制實(shí)質(zhì)是選擇適當(dāng)?shù)哪Σ量刂撇牧鲜┘拥较鄳?yīng)位置，改變輪軌接觸界面第三介質(zhì)層的摩擦環(huán)境[38]。GALAS等[39]經(jīng)過摩擦測(cè)試發(fā)現(xiàn)，油基摩擦控制劑能夠控制附著力而不會(huì)對(duì)牽引力和制動(dòng)產(chǎn)生重大影響，其行為主要是受固體顆粒多少的影響并且隨滑移的變大而顯著減少。因此應(yīng)該針對(duì)不同運(yùn)行工況，選擇適當(dāng)?shù)哪Σ量刂撇牧?。?duì)于液體摩擦控制材料的使用，雖能調(diào)控摩擦因數(shù)，但易在已萌生的裂紋面產(chǎn)生“油楔效應(yīng)”，加劇輪軌材料損傷，應(yīng)重點(diǎn)研發(fā)固體摩擦控制劑，及對(duì)摩擦控制劑涂敷位置和噴涂量精確控制。

2 輪軌界面摩擦控制對(duì)輪軌相互作用的影響

2.1 輪軌界面作用力

對(duì)輪軌接觸界面進(jìn)行摩擦管理，將摩擦因數(shù)控制在合適的范圍，可以同時(shí)滿足列車的正常牽引與制動(dòng)，并降低輪軌磨耗和橫向力。CHEN等[40]研究表明，將潤滑劑應(yīng)用于低軌上對(duì)降低側(cè)向力和抑制波磨增長都有顯著的效果，且側(cè)向力是導(dǎo)致高軌上車輪輪緣和軌距角磨損的因素。MATSUMOTO等[41]利用全尺寸試驗(yàn)臺(tái)研究了摩擦改進(jìn)劑對(duì)轉(zhuǎn)向架過曲線性能的影響，結(jié)果表明應(yīng)用摩擦改進(jìn)劑后可以顯著減小前輪外側(cè)側(cè)向力和后輪縱向力，提高了轉(zhuǎn)向架的曲線通過能力。ISHIDA等[42]通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和車輛動(dòng)力學(xué)模擬,發(fā)現(xiàn)摩擦改進(jìn)劑對(duì)改善車輛/軌道動(dòng)態(tài)性能有顯著效果，能夠大大地降低輪對(duì)橫向力的作用和改善由轉(zhuǎn)向架牽引軸引起的沖角影響。ISHIDA、AOKI[43]通過在試驗(yàn)線路和運(yùn)營線路上的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，研究了潤滑劑對(duì)輪軌動(dòng)態(tài)接觸特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在低軌軌距面進(jìn)行潤滑可以顯著減小輪軌間的側(cè)向力。姚雪松等[44]研究了在軌面應(yīng)用摩擦改進(jìn)劑對(duì)車輛動(dòng)力學(xué)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)摩擦控制劑能夠降低列車在線路上行駛的橫向加速度。EADIE等[45]報(bào)告Kelsen公司對(duì)小曲線半徑路段區(qū)域應(yīng)用幾個(gè)道旁式軌頂摩擦控制設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)果表明使用該設(shè)備有顯著效果，運(yùn)行在該試驗(yàn)線路上的列車橫向力顯著降低了30%。SUDA等[21]為東京地鐵研制的車載摩擦控制系統(tǒng)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行試驗(yàn)測(cè)試表明，在輪軌界面間施加摩擦控制劑可以顯著降低橫向與縱向力的比值。

脫軌系數(shù)是用來評(píng)判列車脫軌的重要表征，其由接觸界面上橫向與垂向力的比值決定；在其他條件不變時(shí)，其值越大，脫軌風(fēng)險(xiǎn)就越高。黃鵬[4]通過對(duì)重載鐵路小曲線路段區(qū)域應(yīng)用全面摩擦管理技術(shù)，結(jié)果表明列車的脫軌系數(shù)和橫向力明顯減小。MATSUMOTO等[46]通過試驗(yàn)得出脫軌系數(shù)隨著內(nèi)側(cè)車輪/軌道接觸面上摩擦的增加而增加，這受道旁潤滑劑應(yīng)用時(shí)間的影響。綜上所述，在輪軌接觸界面進(jìn)行摩擦管理，能夠明顯改善輪軌間的作用力情況和列車的運(yùn)行平穩(wěn)性，但同時(shí)也會(huì)使脫軌系數(shù)與輪重減載率增加，即使在安全范圍內(nèi)，對(duì)列車安全運(yùn)行的影響也不能忽視。

2.2 輪軌黏著

車輛在軌道上平穩(wěn)運(yùn)行，主要是靠輪軌界面黏著來傳遞牽引與制動(dòng)力。輪軌接觸處于一個(gè)開放環(huán)境中，影響其黏著的因素有界面狀態(tài)、環(huán)境條件、行駛狀態(tài)等。王驍鵬等[47]建立列車輪軌接觸混合潤滑模型，研究發(fā)現(xiàn)在水存在的情況下，輪軌界面摩擦因數(shù)隨著運(yùn)行速度的提高而顯著降低，且接觸壓力也比干態(tài)下小，這不利于車輛安全平穩(wěn)運(yùn)行。

通過在接觸界面進(jìn)行摩擦管理，將黏著系數(shù)控制在合適的范圍，可以減少磨耗，進(jìn)而延長使用壽命。ARIAS-CUEVAS等[48]使用雙盤滾動(dòng)試驗(yàn)機(jī)研究2種水基摩擦控制劑在干、濕接觸工況下的摩擦特性，結(jié)果表明在不同滑移率下都表現(xiàn)出有較好摩擦特性。LUNDBERG等[49]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水基摩擦控制劑對(duì)摩擦因數(shù)有著重要作用，但其施加量也將會(huì)導(dǎo)致輪軌摩擦因數(shù)變化。TOMEOKA等[50]采用雙盤試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)幾種摩擦控制劑的使用性能，結(jié)果表明這幾種摩擦控制劑能夠在較寬的摩擦因數(shù)范圍內(nèi)控制摩擦并通過噴灑摩擦改進(jìn)劑獲得足夠的、穩(wěn)定的摩擦力。GALAS等[39]通過球盤式摩擦試驗(yàn)機(jī)研究了油基摩擦改進(jìn)劑在輪軌界面改善附著力和減少磨損的能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)氖┘恿靠梢愿纳戚嗆壗佑|中的附著力。盡管水基與油基摩擦改進(jìn)劑都有較好摩擦特性，過度噴涂會(huì)加速車輪和鋼軌的剝離掉塊，且流淌到道床污染環(huán)境。因此，未來可以研發(fā)環(huán)境友好型的輪緣-軌距面潤滑劑與車輪踏面-軌頂面摩擦控制劑，穩(wěn)定調(diào)控輪軌接觸界面的黏著特性。

2.3 輪軌磨耗

列車的高速與重載化顯著加重了輪軌材料磨損，鋼軌磨耗包括垂直、軌側(cè)和波浪磨耗[51]，車輪磨耗有踏面和輪緣磨損。當(dāng)列車通過曲線路段時(shí)會(huì)造成軌側(cè)和輪緣異常磨損，不但會(huì)降低輪軌的使用壽命，也會(huì)引起列車脫軌側(cè)翻，造成嚴(yán)重安全事故。在輪軌間進(jìn)行摩擦控制可以很大程度上降低輪軌磨耗。EADIE等[52]利用輪軌試驗(yàn)臺(tái)探究了摩擦改進(jìn)劑對(duì)輪軌磨損的影響，結(jié)果表明使用摩擦改進(jìn)劑之后輪軌的磨耗顯著降低、接觸疲勞裂紋也大大減少。ALP等[53]采用銷-盤磨損試驗(yàn)機(jī)研究了在車輪輪緣與軌距面間涂敷潤滑劑后的磨損變化情況，結(jié)果表明與未涂敷情況相比，應(yīng)用潤滑劑后能夠獲得更小的摩擦因數(shù)、磨損率以及更少的磨損碎屑。LU等[54]使用摩擦試驗(yàn)機(jī)研究了摩擦改性劑對(duì)由氧化鐵及可能的油或油脂、沙子和水形成的第三介質(zhì)層的影響，結(jié)果表明使用摩擦改性劑后能夠獲得更優(yōu)的摩擦因數(shù)水平，并且鋼軌材料磨耗顯著減少。SUNDH等[55]利用銷-盤試驗(yàn)機(jī)探究了潤滑劑對(duì)輪緣-軌距面接觸的影響，結(jié)果表明使用潤滑劑的類型和使用量的多少對(duì)磨損率和磨損機(jī)制起決定性作用。

對(duì)輪緣和軌側(cè)接觸界面進(jìn)行潤滑處理，盡量減小此處的摩擦因數(shù),可減少輪緣和軌側(cè)的磨耗；而對(duì)軌頂面與車輪踏面進(jìn)行摩擦調(diào)控管理，將其摩擦因數(shù)調(diào)控在適當(dāng)大小，可減少能量損耗和材料磨損，同時(shí)減小曲線路段的作用力、軌側(cè)與輪緣的接觸壓力等。

2.4 輪軌滾動(dòng)接觸疲勞

滾動(dòng)接觸疲勞(RCF)是指循環(huán)應(yīng)力反復(fù)施加在輪軌界面上，其表面累積塑性變形，每次作用變形量很小，但經(jīng)過成千上萬次循環(huán)后，累積成一個(gè)很大的值，形成滾動(dòng)接觸疲勞裂紋、剝離等損傷形式[56]?；坡室彩瞧谄鹌さ囊粋€(gè)影響因素，MAKINO等[57]通過滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了裂紋在深度方向和朝向表面2個(gè)方向上分支，滑移率對(duì)滾動(dòng)接觸疲勞特性的影響是由裂紋分叉后朝向表面擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子決定。

目前在輪軌接觸界面進(jìn)行摩擦管理，不僅能夠有效控制疲勞破壞，而且能夠降低輪軌磨耗，提高列車運(yùn)行安全性和降低運(yùn)營成本。HARDWICK等[58]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，將低黏度、低牽引系數(shù)的產(chǎn)品(如“油基”潤滑劑)應(yīng)用到已經(jīng)出現(xiàn)損傷的鋼軌上，加速裂紋擴(kuò)展是可能的，只有摩擦改進(jìn)劑減少了磨損，同時(shí)沒有加速表面損傷和開裂。EADIE等[52]采用輪軌試驗(yàn)臺(tái)探究了摩擦控制劑對(duì)RCF的影響，結(jié)果表明使用摩擦控制劑減少了RCF裂紋的產(chǎn)生和輪軌材料塑性流動(dòng)。STOCK等[59]通過實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，摩擦改進(jìn)劑使輪軌材料塑性流動(dòng)減少，且它應(yīng)用于預(yù)先存在的滾動(dòng)疲勞接觸裂紋時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展的加速。FLETCHER和BEYNON[60]使用滾-滑試驗(yàn)機(jī)評(píng)估了輪軌潤滑劑的摩擦性能，結(jié)果表明與未使用潤滑的情況相比,所有潤滑劑都能降低輪軌的磨損，而使用固體潤滑劑是很有效的潤滑措施，且不會(huì)加深鋼軌的滾動(dòng)疲勞損傷。張念等人[61]通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究表明，對(duì)重載線路軌面進(jìn)行摩擦管理能夠保護(hù)鋼軌、抑制疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)張。宋靖東等[62]采用MMS-2A試驗(yàn)機(jī)探究了固體潤滑劑對(duì)輪軌損傷行為的作用，結(jié)果表明固體潤滑劑是通過抑制疲勞裂紋的擴(kuò)展長度來有效控制輪軌疲勞裂紋的擴(kuò)展行為。固體潤滑劑對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸疲勞有著緩解和控制作用，而液體類潤滑劑易在已萌生裂紋面形成“油楔效應(yīng)”而加劇輪軌材料的疲勞損傷，因此在選擇時(shí)應(yīng)在不影響輪軌間摩擦因數(shù)的前提下來降低疲勞損傷。

2.5 輪軌振動(dòng)與噪聲

列車的高速和重載導(dǎo)致輪軌振動(dòng)與噪聲更加劇烈。輪軌接觸界面本身存在一個(gè)粗糙度，當(dāng)相互作用時(shí)，粗糙度不僅提供輪軌相互運(yùn)動(dòng)所需要的摩擦因數(shù)，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致本身的彈性振動(dòng)，通過鋼軌、扣件傳遞到軌枕和道床上產(chǎn)生噪聲[63]。

EADIE和 SANTORO[64]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，軌頂嘯叫噪聲主要集中在1 000～5 000 Hz范圍內(nèi)，輪緣噪聲主要表現(xiàn)在5 000～10 000 Hz范圍內(nèi)的頻譜特征，并且在接觸界面進(jìn)行全面摩擦管理能有效減少這2種噪聲源。LIU和MEEHAN[65]的研究表明，摩擦改進(jìn)劑能夠消除或大大降低蠕滑特性曲線的負(fù)斜率，但在大的滾動(dòng)速度和迎角下，尖叫聲壓級(jí)仍然相當(dāng)高，聲壓級(jí)伴隨迎角和速度的提高而增高。EADIE等[66]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，通過摩擦管理將摩擦因數(shù)調(diào)至0.35左右為最佳，可以最大程度地減少噪聲。于可輝等[67]采用MMS-2A摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)水和潤滑劑作用下的振動(dòng)噪聲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)潤滑劑對(duì)降低輪軌噪聲與振動(dòng)作用明顯。CURLEY等[68]在一條曲線路段上進(jìn)行為期7個(gè)月的摩擦管理技術(shù)綜合試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了各種軌頂摩擦改進(jìn)劑和軌距面潤滑產(chǎn)品的摩擦性能，結(jié)果表明對(duì)輪軌進(jìn)行摩擦管理能大大降低曲線路段區(qū)域上嚴(yán)重的輪軌噪聲。TOMEOKA等[50]通過雙盤試驗(yàn)機(jī)對(duì)幾種摩擦改進(jìn)劑的性能進(jìn)行了基本測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)摩擦改進(jìn)劑對(duì)于減小輪軌噪聲非常有效。蠕滑率與摩擦力關(guān)系(見圖2)中的“負(fù)摩擦”對(duì)輪軌噪聲與波磨的產(chǎn)生密切相關(guān)，因此通過對(duì)輪軌接觸實(shí)施摩擦管理，將其蠕滑特性曲線中的“負(fù)摩擦”轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢Σ痢?，能夠抑制輪軌噪聲的產(chǎn)生[69]。全面摩擦管理對(duì)減少輪軌振動(dòng)和噪聲效果顯著，但降低它們的同時(shí)應(yīng)著重考慮軌頂與車輪踏面和軌距角與輪緣之間的摩擦因數(shù)，滿足列車正常行駛與制動(dòng)、降低磨耗和減少滾動(dòng)接觸疲勞損傷等條件。

3 總結(jié)與展望

在輪軌接觸界面進(jìn)行摩擦管理對(duì)整個(gè)軌道交通來說至關(guān)重要，將輪緣-軌距面接觸間的摩擦因數(shù)控制在較低水平，將車輪踏面-軌頂面間的摩擦因數(shù)控制在中等水平，使輪軌磨損率大大減小、減緩輪軌接觸疲勞損傷、降低輪軌振動(dòng)和抑制噪聲，同時(shí)提高車輛行駛的穩(wěn)定性、乘坐的舒適性，增加各部件的服役壽命及減少資源浪費(fèi)。根據(jù)目前的研究狀況來看，為保障輪軌接觸界面有良好的黏著狀態(tài)，未來可以從以下幾個(gè)方面對(duì)輪軌界面全面摩擦管理進(jìn)行深入研究：

(1)針對(duì)不同應(yīng)用環(huán)境和接觸部位，研發(fā)合理的摩擦控制材料，極力克服實(shí)施摩擦管理過程中對(duì)輪軌的磨損、環(huán)境污染及使用局限性等問題。

(2)探究車輪踏面-軌頂面和輪緣-軌距面摩擦控制方式，把摩擦控制材料精確噴涂到接觸界面成為全面摩擦管理的關(guān)鍵，嚴(yán)格控制摩擦材料噴涂量使兩接觸面不相互干擾，優(yōu)化改進(jìn)輪軌接觸界面摩擦管理的最佳應(yīng)用參數(shù)。

(3)研發(fā)環(huán)境友好型的輪緣-軌距面潤滑劑與車輪踏面-軌頂面摩擦控制劑，穩(wěn)定調(diào)控輪軌接觸界面的黏著特性。此外，潤滑劑與黏著控制劑的開發(fā)和研究需要考慮鐵氧化物的影響。