重载铁路网采用摩擦改进剂改善轮_轨摩擦状态_DhamodharanRaman
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重载铁路网采用摩擦改进剂改善轮-轨摩擦状态
【澳大利亚】DhamodharanＲaman等
摘要：轮-轨润滑技术在客运和轻负荷货运铁路已广泛使用，但在重载运输铁路网尚未大量采
用。文章介绍了轮轨接触面（包括车轮踏面/轨顶和轮缘/轨距面）的摩擦状态改进技术。试验与
成本效益分析结果表明，该技术同样适用于重载运输铁路。
关键词：轮-轨润滑；轨旁涂油器；摩擦改进剂；成本效益
列车速度增加、轴重提高以及交通强度增大是
现代铁路交通网的共同特征。这些因素加速了钢
轨折旧并且在许多地区增加了轨道维护费用。
磨损、滚动接触疲劳（ＲCF）、表面生成裂缝和
塑性流动是导致钢轨加速折旧的主要原因，钢轨打
磨和润滑是最常用的缓解措施。
进行钢轨打磨的目的在于纠正钢轨波浪形磨
耗、滚动接触疲劳和金属流动，并且可重塑钢轨，而
润滑则用于减少轮轨接触区域的磨损，从而延长轮
轨使用寿命、节约能源和减少噪声。
各种润滑油的测试和应用已经表明，无论是在
曲线路段还是直线轨道上，它都可以降低轮轨接触
面上的阻力，有可能大幅度削减维护费用。美国铁
路协会（AAＲ）预计，钢轨磨损这一现象会给北美铁
路公司带来每年超过20亿美元的费用。
在钢轨上有两个摩擦区域———轨面和钢轨顶
部———而这两者有不同的摩擦要求。通常情况下，
使用轨旁涂油器将润滑油涂在轨面（钢轨侧面）和
轮缘之间。然而，过量使用润滑油可能会将摩擦力
降低到要求的标准值以下，可能会导致安全隐患，
比如制动控制力降低。
对客运机车和低轴重货运机车，已经确定了有
效管理轨面润滑的方法，而重载机车因其更高的要
求需要对此进一步改善。
轨面润滑主要能减轻曲线外轨的轨面磨损。
然而，它并不能减轻内轨车轮踏面擦伤和钢轨波浪
形磨耗。而且，它不能减小会造成钢轨损坏的侧向
力，也不能减轻直线轨道上的摇头振动倾向。因
此，钢轨的维护费用、重置成本和全寿命周期成本居高不下。
为了解决这些问题，需要通过涂润滑剂或类似
产品（通常称为摩擦改进剂），使钢轨顶部（ToＲ）的
摩擦系数μ保持在0.3～0.5之间。
传统上由于缺乏对其性能和成本方面有效性
的理解，缺乏研究成果和信息，钢轨顶部润滑方案
尚未取得重载运输基础设施管理者的足够支持。
加拿大太平洋铁路、美国联邦铁路管理局（US-
FＲA）和美国能源部已经在一定程度上逆势而进，
一直在检测钢轨顶部系统。但是还只是在进行初
步试验，进行了有限的实验室试验。在澳大利亚，
摩擦改进剂目前被用在通勤铁路系统上以减小车
轮噪声，已经在昆士兰州、新威尔士州和南澳大利
亚进行了几次试验，但是还没有在国家的重载铁路
网上进行试验。
研发项目由中央昆士兰大学铁路工程中心和CＲC铁路创新部门合作，项目主要目标在于对ToＲ
项目实践和产品建立深刻理解，调研重载线路上ToＲ系统的优势与后果，制定一套清晰、简明的指
导准则，以此来评估ToＲ系统的有效性，以及同时
分析这一工艺流程的成本与收益。
目前，基础设施管理者基于其各自的理念和理
解制定实施润滑战略。外轨上的轨面曲线润滑已
应用于大部分铁路网。相对而言，ToＲ摩擦改进剂
的应用是一项新技术，其应用尚局限在北美、巴西、
欧洲和亚洲的一些选择性项目。
ToＲ轮轨接触面上涂摩擦改进剂在重载运输
系统同样取得了积极效果，与只进行轮缘润滑相
比，这一应用能够减少横向力、钢轨磨损和能源消63《国外铁道机车与动车》2015年第1期（总第439期）耗。
轮轨之间的轨道摩擦系数（CoF）会在接近于0
的最小值和最大值0.8（在干燥条件下钢对钢的静
止摩擦系数CoFstatic为0.8，而润滑条件下这一系数
为0.16）之间变化。轮轨间接触区域运行表面上
的建议牵引（摩擦）系数μ为0.30～0.35，而轮缘/
轨面接触区的这一系数应当尽可能小。
为了维持建议牵引系数，在钢轨顶部涂一种产
品薄膜，以此来保持适中的摩擦系数，当进行坡道
上制动时，可以既有良好的摩擦特性又有有效的黏
着力。所要求的适中摩擦系数CoF在0.35～0.4
之间，这样能够显著降低机车车辆轮对的滚动阻
力，提高内轨黏着力，极大地减少蠕滑力，改善转向
性能，减小轮缘力，并且可降低机车急转弯时脱轨
的可能性。同时，还能够减小弯道时车轮尖啸噪
声。
此外，ToＲ润滑能够极大地减小钢轨上的侧向
力，比如脱轨力和轨距加宽，这可以延长轨道组件（诸如轨枕、锚定螺栓、道钉和鱼尾板钢轨接头）的
使用寿命。
轮轨接触区域的黏着系数受多变的气候条件
和作业条件影响。随后的研究表明，目前有6种ToＲ摩擦改进剂，各自有不同的属性和功能，研究
中试图观察其各自在不同负载、速度、温度和蠕变
条件下的黏着性能（表1）。6种ToＲ摩擦改进剂
如下：
图1用轨侧涂油器涂敷LBForster公司的KeltrackToＲ摩擦改进剂·LBFostor公司的Keltrack摩擦改进剂（图1）。一种水基液态摩擦改进剂，用于改进有针对性
曲线上车轮尖啸声。
·LBFostor公司的Alleviate。由于轨面落叶、潮湿或其他原因引起的轮-轨接触面污染往往导致
车轮踏面与轨顶面之间黏着力降低，在这种情况
下，该产品可用来改善摩擦条件。
·LBFostor公司的LCF（低摩擦系数）车载固
态黏着润滑剂———用于摩擦表面，直接涂在轮缘；
还有该公司的HPS（高摩擦系数）固态黏性摩擦改
进剂，用于车轮踏面的摩擦控制。
·Loram公司的Tor-CL，一种在弯道上涂布在
轨顶面的摩擦改进剂。
·Loram公司的Tor-FM，用于普通的轨顶面。
·美国Intertran公司的通用轨道摩擦改进剂，
可以直接涂于轮缘或轨顶面。
表1销-盘试验数据组合试件FM1和FM2蠕滑｛0．0，0．1，0．2，0．3，0．4｝速度v｛0．0，0．5，1．0，1．5．2．0｝负荷P｛10，15，20，25，30｝温度T｛40，60，80，100，120｝
为了进行模拟试验（图2），选用了一种精密摩
擦测定仪，其采取销-盘式结构，以模拟轮-轨间的空
转和滑移，球形体代表轨道，钢盘代表车轮。将FM
喷涂到模拟的轮轨接触区。测定FM的特性和蠕
滑条件，用Hertz和Kalker接触理论来评估接触面
积和负荷。
图2用于模拟运煤列车涂敷轨顶摩擦改进剂的转向架试验装置
对获取的数据进行分析，理解CoF值、负荷、速
度、温度以及蠕滑状态。通过分析，理解了FM的
物理特性，并开发了一种仿真模型。73《国外铁道机车与动车》2015年第1期（总第439期）该阶段试验首先涉及到一种Matlab结构的开
发，并对销球和盘试件形状进行模拟分析，由此对
三维轮-轨接触和空转趋势进行深入考察，从而找
出黏着牵引系数与蠕滑、车轮负荷以及横向负荷的
相关性。根据所得出的结果，有可能做出各种润滑
条件下（其中包括涂布摩擦改进剂样品）的特性曲
线，这样，就有可能对摩擦改进剂在轮-轨接触区的
作用进行预测。
为了提供黏着系数及各因素的相关性，提出一
种数值法。为了建立黏着系数与力、速度、润滑剂
以及温度的相关性，考虑了轮-轨接触状态的三维
参数（接触面）和变量。
一旦确立了选定FM的性能和特性，就可以使
用车辆动力学软件“Gensys”来模拟重载运输，以及
定量分析FM对磨损和对ＲCF（滚动接触疲劳）的
影响，预测ＲCF的蔓延趋势。
模拟工作的重点是轮-轨磨损、曲线力、ＲCF的
发生以及以上各因素与CoF的关联。模拟计划内
容包括对各种轨道条件下（F、FM2、FM2和湿）磨损
和ＲCF的定量分析。
由于研究工作要对一台车载ToＲ系统进行试
验，所以需要CＲE开发的机车模型和一种轨道条
件（包括曲线和上坡），以运行Gensys模拟程序。
轨道条件包括：
图3研究小组已完成轨距面润滑系统的现场试验，正在准备ToＲ现场试验，图为试验现场。
译自《IＲJ》2013，No．11，37～39
译者张立明校者刘景宝·轨型、轨距和轨枕；
·轨道固定夹持系统、减震垫、道渣和下部结
构；
·轨段、急弯曲线长度和数量，曲线半径；
·由直线段到曲线段过度点，等等。
成本效益
研究工作旨在突出ToＲFM的效益，而限制其推广应用的关键问题是能否对其应用有不断的需求以及相关的成本效益。2003年，英国铁路安
全标准局（BSSB）所做的关于轮-轨交界面管理方法的调查发现铁路公司并没掌握其ToＲ系统的成本数据。
因此在我们的研究任务中必须要有
成本效益分析这一项，其应包括与ToＲ系统相关的各种设备费用及运行费用。在减少轮轨磨损、减轻ＲCF
以及相应地减少钢轨维修（诸如轨道打磨）方面的效益也相应地纳入研究计划。
成本效益是以定义的效益（CBenefit）和寿命期成
本（Cinput）之差来度量，该差值用于计算净现值
（NPV）。该项目中的定义效益被确定为轮-轨磨损
量的减少、轮轨更换成本的降低、ＲCF的减轻以及
昂贵的轨道打磨作业量的减小。研究小组参与过
轨道打磨项目的实践，有能力将这几类效益转移到
成本项上。输入成本是：ToＲ应用系统（车载）的购
置费和准备成本、使用和维护费（包括临时性维
修）以及FM购置费。因此，对于任何给定时期
“t”，一台机车安装ToＲ润滑系统净值为：
CNet，t=CBenefit，t－Cinput，t因此，净现值对于一个规划周期的表示为：
C_NPV=∑（t=1）^（t=N）［C_（Net，t）*1/（1+r）^t］
式中：r为贴现率。
对FM的试验正在继续，现阶段只能提供初步
结果。不过，这已经表明，对高轨进行适当处理，磨
损指数几乎降低60%。进一步的经济分析也确
认，在锐曲线（200m），轨道寿命可延长100%，每
MGT打磨成可降低15%。这些结果令人振奋，并
与加拿大太平洋铁路的研究结果是吻合的。
该项目被认为是CＲC正在进行的钢轨曲线润
滑项目的延续，后者始于2010年，旨在改善对轨面
的润滑。为进一步验证这些初期的调查结果，并对
澳大利亚运行和观察条件下取得的实际效益进行
定量分析，将于2014年开始进行现场试验（图3）。
最后，这两个项目的成果将促成一个综合性铁路摩
擦管理方案的开发，并将呈献给铁路行业。83《国外铁道机车与动车》2015年第1期（总第439期）
