论铁道机车车辆轮轨的摩擦磨损与节能降耗

专栏·轮轨润滑与摩擦控制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。

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。

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。

铁道机车车辆轮轨的摩擦磨损与节能降耗情况分析在铁路运输过程中，机车车轮与铁轨之间产生的制动力和牵引力导致二者之间存在巨大的摩擦力，长时间的摩擦会导致轮毂及铁轨的寿命大大降低，车辆的牵引力及制动力下降，对列车的运行稳定性十分不利。

因此，在平时列车运营的过程中需要加强对车辆轮毂及铁轨的维护，采取有效方法减少轮毂的磨损，降低车辆能耗，为铁路行业创造更多收益。

1 铁道机车车辆轮轨的摩擦磨损情况分析铁路机车车辆的磨损是目前影响铁道机车使用寿命的关键因素之一。

列车行驶的过程中，由于列车轮毂与铁轨之间产生较大的牵引力和制动力，导致车轮轮毂造成较大的磨损，从而增加了铁路部门对铁路及机车的运营维护费用。

据有关部门统计，我国目前的铁路中，磨损程度十分严重的约占到总数的30%左右，其他铁路均有不同程度的磨损。

铁路的严重磨损导致铁路运行安全受到了严重威胁，此外，每年铁路部门在维修铁路等方面的花销更高，给铁路运营部门造成了较大的经济负担。

1.1 运行过程中车轮的摩擦磨损车轮是铁路车辆的重要组成部分，在实际运营过程中，铁路机车的彻骨会出现：轮缘损伤、热损伤、车轮踏面断裂等现象。

因摩擦而产生的热量主要集中于车轮与轨道的接触面，造成表面过度磨损的主要原因在于表面聚集了过多的制动热应力及内部应力存在缺陷。

目前，我国铁路机车中出现上述几种问题的数量众多，企鹅车损状况十分严重。

车轮的严重消耗导致车辆在维修时必须要更换车轮，我国每年在更换车轮方面的开销高达三十亿以上，年均更换车轮数为七十万只左右。

1.2 钢轨的摩擦磨损我国现在的铁路运输行业发展势头十分迅猛。

近年来，随着铁路总里程量的增加，铁路运输量也随着增大，这也为铁路部门带来了巨大的铁路运营压力。

我国铁路轨道磨损情况是目前给铁路运输部门造成压力主要方面，铁路轨道磨损严重，导致铁路运输安全性无法得到有效保证，容易造成铁路运输事故。

另外，随着我国铁路运输网络的不断建设及完善，每年在钢轨建设及维护等方面的成本呈现快速上升趋势，不但会造成铁路运输部门经济负担增加，而且需要大量的钢材来进行轨道维护，造成了基础资源浪费的情况。

在铁道机车运行过程中,机车车轮与铁轨之间所产生的制动力与牵引力存在密切的关联性,但是制动力与牵引力的产生,也会导致机车车轮与铁轨之间产生摩擦磨损,长时间下去不仅会导致轮轨寿命大打折扣,增加列车运行能耗,而且还会导致车轮与铁轨间的制动力与牵引力降低,对列车运行的稳定与安全产生不利影响。

此时,就需要采取有效措施给予解决,并不断地改进和完善新技术,以此来降低铁道机车车辆的能源损耗,给交通运输行业带来更大的经济效益和社会效益。

1铁道机车车辆轮轨的摩擦磨损情况1.1车轮的摩擦磨损情况车轮在铁道机车车辆行驶过程中起着十分重要的作用,是整个组成部分的关键所在,在列车加速行驶和刹车行驶期间,车轮都会和铁轨之间形成巨大的摩擦,摩擦系数在这两个阶段中存在着很大的差异,所以车轮在不同阶段面临的摩擦磨损问题将会加剧,很容易造成磨损和损伤,这都是铁道机车车辆在长期行驶中很大可能会出现的情况,车轮的摩擦磨损状况会逐渐传递到铁轨之上,铁轨也将会产生十分严重的摩擦磨损情况[1]。

1.2钢轨的摩擦磨损情况铁路的钢轨在铁道机车车辆运行中起着很大的作用,在机车车辆的出行中起着保障的作用,所以出现摩擦磨损的情况也是在所难免。

尤其是在曲线铁路路段上,轨道受到的摩擦力将会更大,因此需要投入资金的力度也将会更大,造成铁道机车车辆的能源消耗比较大[2]。

1.3制动闸瓦的损耗在铁道机车车辆制动系统中,盘形制动和踏面闸瓦制动是比较常见的两种制动形式,尤其是踏面闸瓦制动得到了广泛的应用,但是其会给车轮造成比较严重的磨损损失,主要是由于所采用的技术达不到要求。

2铁道机车车辆轮轨的节能降耗措施2.1选择高性能低能耗的钢轨为了更好地解决钢轨摩擦磨损情况,则需要根据具体情况来选择高性能低能耗的钢轨,而淬火钢轨具有较高的硬度和强度,其能够有效降低钢轨的损耗。

同时,侧面涂油和轨面打磨等方式也可以有效降低钢轨的磨损,既能够延长钢轨的使用寿命,而且还可以达到节约费用、保护钢轨的目的[3]。

铁道机车车辆轮轨摩擦磨损与节能降耗措施随着我国国民经济的快速发展，交通运输行业也在迅猛发展，尤其是铁路工程体现得尤为明显，铁道机车在实际运行过程中，铁轨和机车车轮之间会产生一定的牵引力和制动力，两者之间存在非常紧密的关联，在推动机车前进的同时也给机车车辆轮轨造成了一定的摩擦磨损，长时间运行之后会缩短机车轮轨的使用寿命，增加运行能耗，而且还会降低铁轨和车轮之间的牵引力和制动力，影响列车运行过程的安全性和稳定性。

鉴于此，本文就铁道机车车辆轮轨摩擦和磨损之间的关系，摩擦磨损情况以及节能降耗措施进行了简要分析。

标签：铁道机车;车辆轮轨;摩擦磨损;节能降耗;措施1 摩擦与轮轨磨耗之间的关系铁道机车车辆轮轨在摩擦力作用下产生一定的接触压强和相对运动，长时间的摩擦会产生一定的磨损，增加能量的损耗，可见能源消耗量的多少和轮轨之间的摩擦情况存在非常紧密的关联，当然和接触压强以及运动率也具有一定的联系，研究表明，能耗和接触压强、运动率以及摩擦系数之间均呈现正比关系，在运动过程中所产生的能耗是受多方面因素的工作影响。

磨损一般都是由轻微逐渐向重度磨损发展，这就要求工作人员应该加强日常轮轨的维护检修工作，及时发现磨损较为严重的轮轨，并采取相应的处理措施。

想要尽可能减低磨损程度，我们可以选用一些硬度比较高的材料，或者是调整接触压强和运动率，例如，增加车轮轮缘和钢轨侧面之间的润滑度，减小车轮踏面和钢轨轨顶的摩擦力，这几种方式都可以降低轮轨磨损和能量消耗。

2 铁道机车车辆轮轨的摩擦磨损情况2.1 车轮的摩擦磨损情况在铁道机车车辆行驶过程中，车轮发挥着十分重要的作用，可以说是整个车辆系统中最为重要的一个组成部分，无论是列车正常行驶、加速还是减速刹车，铁轨和车轮之间都会产生一定的摩擦，特别是减速刹车存在巨大的摩擦力，每个阶段的摩擦系数都各不相同，这就加剧了车轮在不同阶段的摩擦磨损，随着机车车辆的长时间运行，车轮磨损状况会越来越严重，并且还会将摩擦磨损状况传递给铁轨。

车辆轮轨摩擦磨损与节能降耗措施随着公路交通的快速发展，道路运输成为人们生活和经济的重要部分。

在道路上，汽车的使用成为了主流，但不可忽视的是，大量的燃油消耗和机动车辆带来的污染已经严重影响着生态环境。

相对来说，铁路、轨道交通等工具的使用不仅能够提供绿色出行的选择，而且也有更低的能源消耗和更少的排放，但其中也存在一些问题，比如车辆轮轨摩擦磨损以及能源消耗问题，这些问题需要得到关注和解决。

车辆轮轨摩擦磨损的影响在铁路道路上，车辆的轮轨摩擦磨损是一项常见的问题。

当列车行驶时，车轮和轨道之间会产生摩擦，长期的使用会导致磨损和损坏。

高速行驶的列车由于摩擦产生的热量更大，因此摩擦磨损也会更为严重。

轨道车辆的轮缘与轨道之间的相互作用和摩擦磨损不仅会影响车辆的运行效率，而且还会增加轨道的维护成本，甚至对碳排放等影响也不可忽视。

节能降耗对策车辆轮轨摩擦磨损和能源消耗是铁路运输面临的两个主要问题，因此，如何减少能源消耗和降低车辆轮轨摩擦磨损成为了铁路交通工具发展和研究中的一个热门话题。

轮轨摩擦磨损方面1.因材施工：有些铁路是从过去的道路上建立的，而摩擦系数通常比较小。

在此类铁路上，使用硬度更高、耐磨性更强的材料可减少车轮和轨道之间的摩擦磨损。

2.注意轮轨配对：轮轨配对不良，轮轨磨损加剧。

采用合适的轮径、合适的维修、合适的轮轨配对将大大延长轮轨寿命。

3.维护保养：轨道和车轮的维护保养非常重要，避免轮轨过度损耗。

定期检查和维护轮轨，保持轮缘和轨道的良好状态。

轨道平整度和垂直度的测量、检查及时调整，可以有效预防轮轨摩擦磨损。

节能方面1.采用新的动力技术：采用节能、环保的动力技术，如电、氢、气等，来代替传统的本质燃料来减少污染排放和能源消耗。

2.智能控制技术：应用各种智能控制技术，实现车辆运行的优化调度。

例如，给定稳定的行驶速度和路线，调整车辆加速度和制动系统，以避免在加速和制动时间内浪费能源。

3.轻量化设计：铁路车辆轻量化设计不仅能降低车辆的能源消耗，而且还可以减少运输物品的重量和体积，最终达到节能降耗的目的。

铁道机车车辆轮轨的摩擦磨损与节能降耗摘要:阐述了铁道机车车辆轮轨摩擦磨损的现状;研究了内燃机车车轮、闸瓦和钢轨的消耗数量及相应的维修费用;指出了采用适当的新技术之后,在节能降耗方面会产生显著的经济效益。

关键词:车轮;轮缘;钢轨;摩擦磨损;铁道机车车辆;节能;降耗众所周知,铁路运输是基于轮轨相互作用产生的黏着牵引力和黏着制动力以实现列车运行的,轮轨间因摩擦磨损在铁路运输中消耗的能量和能源很多,耗资也很大。

随着铁路运输向高速、重载发展,因摩擦磨损所致的事故风险也在增加。

轮轨接触面形成的各种损伤,不但缩短了轮轨的使用寿命,在严重磨损后还会导致轮对和钢轨失效,危及行车安全。

在这方面,即使在高速铁路成功应用的国家,也曾付出过惨重代价。

例如:1998年,由于轮轴的疲劳断裂而导致德国ICE高速列车脱轨,造成101人死亡,84人重伤,直接经济损失约2亿马克。

与此同时,合理利用资源,实行节能降耗,是我国的一项基本战略决策。

为了节约能源,降低铁路运输成本和机车车辆的制造与修理费用,对机车车辆轮轨的摩擦磨损状况,需引起高度的重视。

应当采取相应的技术措施,努力将这种磨损造成的损失降低到最小程度,以达到降耗增效的目的。

1 铁路钢轨的磨耗据铁路工务部门统计,我国铁路有20%~30%的路段钢轨磨损率大于国外严重磨损率指标,有60%的曲线段钢轨因波磨造成严重损伤。

摩擦磨损带来的损失很大。

1.1 钢轨损伤的形态铁路轮轨作用关系复杂,钢轨磨耗损伤的形态主要有钢轨的压溃、侧磨、波磨、剥离等,这些占钢轨总损伤量的80%以上。

随着铁路机车车辆的重载与高速化,轮轨间的摩擦磨损也日趋严重,如钢轨的压溃与波磨迅速增长,且发生较为普遍(参见图1)。

1.2 钢轨的年消耗量据资料记载:“十五”期间,我国铁路钢轨用材每年基本维持在110万t左右,除新线建设之外,其中用于既有线路大修和维修消耗的钢材约为70~80万t/年。

据铁道部安检司调查,2003年因钢轨损伤而更换所需的材料及人工费用约为50亿元。

车辆轮轨摩擦磨损与节能降耗措施摘要：随着铁路工程项目的日渐增多，铁道运输安全问题越来越多，提升铁道运行安全性、稳定性成为铁路事业新时期发展的必然诉求。

鉴于此，以铁道机车车辆轮轨摩擦磨损为研究对象，对车辆轮轨摩擦磨损现状进行了简要分析，并在此基础上以“节能降耗”为目标，提出了几点优化措施，以期改善机车车辆轮轨摩擦磨损问题，促进我国铁路事业的稳定与可持续发展。

关键词：铁道机车；车辆轮轨；摩擦磨损；节能降耗在铁路运输过程中，列车的运行与机车车轮与铁轨之间相互作用下产生的牵引力与制动力存在密切关联性。

而随着黏着牵引力与制动力的产生，机车车轮与铁轨不可避免地存在摩擦磨损，长此以往，不仅缩短了轮轨寿命，增加了列车运行能耗，也将降低车轮与铁轨之间的牵引力与制动力，影响列车运行的稳定与安全，易引发事故。

因此，在高度重视交通运输安全、提倡节能降耗发展的背景下，有必要加强对铁道机车车辆轮轨摩擦磨损问题的研究。

1铁道机车车辆轮轨的摩擦磨损1.1运行过程中车轮的摩擦磨损。

车轮是铁道机车车辆的重要组成结构，是保证车辆稳定行走的基础，在车辆结构体系中占据重要位置。

在铁道机车车辆运行过程中，车轮将与铁道钢轨发生接触并与之产生一定的摩擦，进而使车辆踏面、车轮轮缘等位置出现磨损。

通常情况下，列车运行过程中，轮缘裂纹（表面存在损伤，产生裂纹）、车轮踏面崩裂（踏面制动圆周、轮轨接触圆周存在裂纹）、车轮踏面剥离（踏面存在龟纹状或不规则网状裂纹，并沿裂纹处剥离掉块）、车轮热损伤（踏面制动圆周存在刻度状裂或崩箍）以及轮辋疲劳裂纹（轮辋内部、轮箍内部存在裂纹）是较为常见的车轮摩擦磨损类型[1]。

对车轮摩擦磨损问题形成原因进行分析，了解到轮轨接触应力过于集中、夹杂物应力集中、轮轨接触应力过大、累计额塑像流动变形、车轮滑行、制动热应力疲劳、内部缺陷应力集中、表面缺陷应力集中等是车轮摩擦磨损问题形成的主要原因[2]。

在交通运输过程中，因车轮摩擦磨损产生的能耗无疑是巨大的。

地铁车辆轮轨减磨问题及措施摘要：我国地铁在如火如荼地进行，而地铁在运营过程中产生的轮轨磨耗问题也日益严重，像深圳日均客流量200万人次的运输量，轮轨非正常磨耗问题，对车辆的轮轨寿命有着莫大的影响，同时影响着整个运营系统。

因此，本文以非正常磨耗问题出发，对磨耗较大的做系统优化分析，为车轮减磨措施提供理论依据，并提出措施。

关键词：地铁车辆；减磨一、地铁车辆的特点（1）站间距短，起动、制动频繁站间的距离关系到地铁运行速度、惰行时间及制动距离等，一般为1 km左右，由于站间距短，需要加大起动加速度和制动减速度，才能完成起动、惰行、制动3个阶段的运行。

（2）地铁线路曲线半径小地铁建设受各种原因影响，不得不减小线路的曲线半径。

在《地铁设计规范》中，规定了线路平面最小曲线半径不能小于300m。

（3）地铁车辆轮轨关系与铁道车辆相比，地铁车辆的轮轨关系有着自己的突出特点，主要是低速小半径脱轨安全性、轮轨磨耗等。

二、轮轨磨耗问题分析轮轨磨耗受多种因素影响，除了车辆走行部结构、线路状况和运用条件外，还与轮轨材质、硬度、表面状态和形状等有密切关系。

一般将车轮磨耗分为轮缘磨耗和踏面磨耗。

（1）轮缘磨耗一般地铁线路曲线半径小，造成车辆曲线通过时，产生过大的冲角和导向力，在小半径曲线上，主要是车轮轮缘和钢轨轨距角出现的磨耗。

对付这3种因素的措施，主要是通过向轮缘涂油减小轮缘与钢轨轨距角之间的摩擦系数m；轮轨型面的合理匹配可以保证良好的轮轨接触关系；采用径向转向架，降低轮缘与钢轨轨距角之间的导向力和减小冲角b。

①轮轨润滑—降低轮缘与钢轨轨距角之间的摩擦系数这里讲到的轮轨润滑只是为了降低轮缘与钢轨轨距角之间的摩擦系数，减少轮缘与钢轨轨距角的磨耗。

实际上，轮轨润滑还有其他好处，如降低能耗、减少运行阻力，提高脱轨系数的限界值，减少车轮爬轨的危险等。

②采用径向转向架可以大大降低轮轨磨耗径向转向架是为了提高列车曲线通过能力、减轻轮轨磨耗而设计的转向架，最初广泛应用于货车和摆式列车上，现在，城市轨道交通车辆上，如直线电机地铁车辆也采用径向转向架。

车辆轮轨摩擦磨损与节能降耗措施随着经济的发展和城市化进程的加快，城市轨道交通正在成为城市公共交通的重要组成部分，其运营成本对于城市发展和经济活力的影响也越来越大。

而车辆轮轨的摩擦磨损是城市轨道交通运营成本的重要组成部分之一，因此如何降低车辆轮轨的摩擦磨损，实现节能降耗是城市轨道交通运营管理的重要课题。

车辆轮轨摩擦磨损的原因车辆轮轨的摩擦磨损主要由以下几个方面造成：1.轮轨间的摩擦车辆行驶的过程中，车轮和轨道之间的不断摩擦会导致轮轨磨损。

此外，车轮上的铁锈、污垢也会增加车轮与轨道的摩擦，加快轮轨的磨损。

2.轨道几何形态的变化轮轨的接触面积极小，轨道几何形态的变化会导致轮轨接触面的变化，造成了轮轨间的磨损。

3.车辆及轨道的质量车辆质量过大、轮径不一致、轴向力过大等都会增加轮轨摩擦磨损；而轨道质量的不良状况，如弯道半径过小、轨枕松动、轨道表面不平等等，都会加剧轮轨磨损。

节能降耗措施为了降低车辆轮轨摩擦磨损，实现节能降耗，需要采取一系列有效的措施，如下：1.轨道表面的治理轨道表面的光洁度和平整度是降低轮轨摩擦磨损的重要因素。

铁路部门可以利用先进的技术和设备，对轨道表面进行高效的清洗、打磨和涂覆等处理，提高轨道表面的平整度和光洁度，减少轮轨间的摩擦，从而达到降低磨损的目的。

2.轮轨的材质轮轨的材质对于降低磨损有着至关重要的作用。

优质轮轨材料具有较好的耐磨性、抗疲劳性、抗变形性和抗裂性，长期使用不易损坏，能够减少轮轨间的磨损。

3.轮轨的维护轮轨的定期保养和修补可以使得轮轨的表面在一定程度上恢复平整度和光洁度，减少轮轨磨损的程度。

而对于轮轨断裂、严重锈蚀等情况，则需要及时更换轮轨，避免出现磨损累积导致车轮及轨道变形的情况。

4.轨道车辆的协调运营轨道车辆的协调运营可以减少轮轨间的不同步摩擦，降低磨损。

通过优化轨道曲线半径、优化车辆设计、安装轮对转向架、压缩列车间隔等方式，可以从根本上减少车轮与轨道之间的摩擦，实现节能降耗的目的。