2009-8-13    来源：世界轨道交通装备网

 轨面润滑（TORL）标示着铁路维护技术革命性的改变。近一个世纪以来，人们普遍认为保持轨面的洁净与干燥是列车运行的必要条件。虽然这样会带来良好的牵引和制动效果，但同时也造成了曲线钢轨严重磨损及轨道的损坏。

曲线外轨轨距边角磨损的同时，曲线内轨也出现了严重磨平的现象，最终导致钢轨面出现波纹磨耗。在直线段、未润滑钢轨上运行，由于动态横向不稳定性（即摆动），列车的{zg}安全运行速度受到限制，或不得不降低。

上世纪中叶，开始引进钢轨轨距边角，也称轨距面的润滑技术。这有助于减少曲线外轨轨距面的磨损，但无助于减少内轨的磨平和波纹磨耗，也不能克服直线段的列车摆动。即便是采用了钢轨润滑，横向作用力仍旧存在，无法避免巨大横向作用力带来的对轨道的破坏所造成的更换刚轨及线路维修的成本居高不下。

目前，随着轴重及列车长度的不断增加，钢轨磨耗及塑性变形有增无减。如能对轨面润滑实施xx与智能控制和优化车轮的轮轨接触，不仅可减少上述问题的发生，同时亦不会影响机车车轮的特性。

本文旨在探讨被称为TORL（轨面润滑）的创新技术。该技术可提高铁路运行效率及安全性，增加效益。

1987至1988年我首次提出了TORL理论，当时我曾是芝加哥伊利诺伊理工学院的教授，同时担任铁路工程试验室主任。上世纪90年代，我指导我的研究生于国伟通过计算机模型，对直线段运行列车在不同轮轨条件下轨面和轨距边角磨耗进行分析，取得了突破性的进展，并在1995年召开的ASME—IEEE铁路联合会议上公布了分析结果。

即便在直线段，采用轨面润滑的列车所消耗的能量及带来的磨损比在干燥轨面上运行要低得多（干燥轨面的摩擦系数为0.5，而采用TORL轨面摩擦系数为0.3）。对于曲线而言，差距就更大。

要达到0.3的磨耗系数，并考虑环境保护因素，需要开发一种专门的润滑剂，或摩擦改良剂。1990年Texaco研究所协助该润滑剂的研制，1993年Norfolk Southern铁路公司对其运营列车采用了轨面润滑技术进行初步试验。对轨面润滑理论的验证只用了一年的时间，而完成对其控制与应用系统的开发与改进却花费了几年的时间。

1996至1997年，美国能源部和xx铁路管理局共同负责，由运输技术中心实施对各种控制条件下该技术的应用进行试验。试验证实了早期Norfolk Southern铁路公司所取得的成果，证明了该技术可大大降低列车通过曲线时对轮轨施加的荷载及列车所需的能量。

随后美国能源部和xx铁路管理局又于1998年初，组织了对科尔宾与卡特斯维尔之间山区运行的CSX Transportation列车的试验。试验结果表明：采用轨面润滑技术，列车往返运行平均节能率达到了7.83%，未对列车运行及速度控制带来负面影响，列车刹车也是安全的。

1997年，美国运输技术中心（TTCI）对三个轨面润滑系统进行了试验。其结果表明，轨面润滑可连续使用，不会对列车运行带来危害。在闭合曲线中，由于减少了通过曲线的阻力，能耗降低了大约13%。针对不同的曲率及车型，曲线阻力（对钢轨产生的横向作用力）降低了5%～45%，未对列车制动带来严重影响。采用轨面润滑，还降低了列车产生的噪声。

与此同时，还在其他铁路公司对轨面润滑技术进行了试验。其中包括美国联合太平洋铁路公司和CN铁路公司。值得一提的是，上述试验采用的是车载轨面润滑系统。由于轮轨接触性能的改进，无论是车载润滑系统和路旁润滑系统都取得了较好的轨面润滑效果。

目前，已有多家公司为铁路生产轨面润滑产品。轨面润滑已被普遍接受，并被认为是{zj0}的钢轨润滑方法。超过70%的铁路调车场已经采用轨面润滑技术，以求在作业效率、经济效益和环境保护方面取得成效。许多铁路公司正在干线铁路上采用轨面润滑技术，以便发挥其优势作用。

润滑技术的优化

优化轮轨润滑有多种因素。首先是轮对、钢轨几何形状、车轮踏面和轮缘断面。轮对由2个安装在刚性轴上有锥度的车轮组成。美国货车使用的是1：20锥度车轮。轮缘的设计主要是克服车轮在大横向力的作用下爬越钢轨的趋势，同时降低轮缘及轨距的磨损。

轨头断面形状由不同半径的圆组合而成。轨头断面的选择是为了满足限制接触应力的复杂要求、延迟车轮爬轨、取得稳定的列车动力学。其他因素包括轮轨摩擦和蠕滑。

车轮在钢轨上运行需要一定的摩擦力（粘着力），需要对摩擦力的大小和方向进行优化。制动需要足够的摩擦力，但也不能太大，以避免能量的损失，避免产生较大的横向作用力（损坏轨道）和过量的磨损。这些还取决于钢轨与车轮之间的接触表面状态、轨道的几何形状以及钢轨和车轮的断面形状。

所有的滚动接触中都存在微量的滑动（蠕滑）。其大小取决于接触表面的形状，以及车轮制动及车轮钢材弹性产生的扭矩。

蠕滑有3种形式，伴随每种形式各有3种摩擦形式。它们是：纵向摩擦（滚动方向）、横向摩擦（垂直于钢轨）及旋转摩擦（转动）。

车辆车轮制动需要纵向摩擦力，机车车轮牵引和制动同样需要摩擦力。事实上，这是最重要的摩擦形式。在通过曲线时只需要很小的横向摩擦力。横向摩擦力过大会损坏轨道，造成钢轨过量磨损和能量损耗。旋转蠕滑及摩擦量很小，其影响也很小。

摩擦产生的大小与蠕滑量和钢轨表面条件有关（干燥轨面、润滑轨面、轨面粗糙度等）。如今，车轮和钢轨的几何形状几乎优化到了{jz}，要进一步优化轮轨接触，惟一能改变的是钢轨表面的润滑。良好的轨面润滑设计能完善优化，为线路维修部门带来巨大的效益。

曲线上作用在轮对上的各种作用力如图1所示。车轮与钢轨冲击角会在曲线上产生横向蠕滑，并由此产生横向作用力C1L1和C2L2。图1下方显示的是横向力作用在一对钢轨上的状况。钢轨曲线半径越小，重载车辆产生的横向作用力越大。

图1 曲线上轮对及钢轨上的作用力

NS研究与试验工程师对单根车轴施加的横向作用力进行了测量，测量值高达20000磅，在曲线上该值还要高。由此产生的横向作用力将两根钢轨推向外侧。车轮轮缘产生的作用力推动曲线外轨；对于曲线内轨，轨面上运行的车轮踏面所产生的力类似于剪切荷载。

两根钢轨产生的典型磨损情况见图2。严重的磨损将曲线内轨轨头磨平，最终导致轨面出现波纹，这时必须打磨修改其断面形状。显而易见，一旦采用了轨面润滑，曲线内轨轨面上的润滑剂将大大降低产生的作用力。降低量从不足10000磅至20000磅，不仅极大地减少了对轨道的损坏，同时也节省了能源。

图2 曲线上内外轨出现的典型磨损情况

巨大的横向作力还会加大轨距，尤其是当列车在钢轨上运行时，甚至危及行车安全（小于xx铁路根据局规定的57 3/4英寸）。静态轨距似乎还可以接受，而动态轨距则可能超出标准。

普通的轨距面润滑机对降低横向作用力及由此带来的损坏无能为力。曲线外轨出现的损伤情况如图3所示。大多数的巡道工都见过钢轨道钉被拔起的情况，严重时道钉受剪切而断开，轨枕垫板嵌入轨枕。由于道钉切断的情况非常普遍，MS研究与试验工程师对此展开了研究。他们在一定数量的道钉上连接了测量仪器，测量所受到的应力。测量结果如图4所示。从图中可以看出，采用了轨面润滑，大大降低了道钉所受的应力。

图3 曲线外轨出现的损伤情况

High rail—外轨； Pulled up spike—道钉被拔出；

Sheared off spike—道钉被剪断；Tie plate—垫板；Tie—轨枕；Cut tie—切轨

图4 润滑对道钉应力的作用

造成上述损伤是由于钢轨产生的横向应力所致，通过轨面润滑可大大降低横向作用力。如果同时采用轨距面润滑，效果将更佳。

轨面润滑不仅需要特殊的润滑剂或减磨剂，还需要有xx的应用控制措施。使用润滑剂应减小车辆车轮在轨面上的磨擦系数，在轨面上形成很薄的润滑层可获得大约0.3的磨擦系数。较厚的润滑层亦进一步降低磨擦系数。在冬季或夏季（华氏-30～165度），应对润滑剂的数量进行控制，使润滑剂平稳流动，并避免对环境产生不良影响。润滑剂不得存留在钢轨上，避免干燥后形成硬壳堆积。

润滑剂的使用，应保证润滑剂施加在轨面和轨距面上形成不同的厚度，并不会对轨道造成污染。润滑剂的用量很小，因此，成本低、浪费少。

不得对机车车轮施加润滑剂。润滑剂使用应保证在数量和方向上受到控制（在长大坡道上和进入曲线时更为重要）。{zh0}的方法是，将一台润滑机放置在曲线的中部，{zd0}限度地加大覆盖范围，同时完成对轨面和轨距边角的润滑。

总之，轨面润滑系统具有许多优势，可为工务部门带来效益。目前已经开发出的轨面润滑产品可用于铁路干线轨道。仅对轨距面实施润滑是无法实现这些效益的。

(作者：Sudhir ‘Sid’ Kumar博士,  美国Tranergy有限责任公司 翻译：宋文伟)