在重度运载中，利用轨顶摩擦改性剂实现道路曲线半径、轨道侧沿对节能的有效影响外文翻译资料

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在重度运载中，利用轨顶摩擦改性剂实现道路曲线半径、轨道侧沿对节能的有效影响

LeiWu,XuesongYao,JoelVanderMarel,XinLu,JohnCotter,DonaldT.Eadie,

ZefengWen,HengyuWang

关键词：接触力学，摩擦改性剂，重度运载，节能

摘要：

在重度运载中，利用轨顶摩擦改性剂实现节能的方案已经模式化了，并且道路曲线半径和轨道侧面对节能的影响也讨论过了。本次试验建立了一个C70型号货车在重度运载线路上运行的实验模型。通过调整摩擦系数与Kalker系数来模拟当轨顶摩擦改性剂用于轮轨界面时的蠕变关系。摩擦做功以前常常被用于代表轮轨蠕变而带来的能量损耗，而通过使用轨顶摩擦改性剂实现的被节约的能源是可被计算的。节能方案在不同的运行条件下进行研究，同时也考虑了道路曲线半径与轨道侧面的影响。研究表明，轨道曲线半径在节能方面有重要影响，同时在新旧轨道的运行上，节能有不同的表现形式。实验发现，运用摩擦控制剂时在新轨道上的侧面蠕变的急剧增长和当轮轨测沿由新变久时车轮旋转半径的不同程度的减少会是造成不同表现形式的主要原因。

正文：

1.绪论

轮轨间摩擦在轮轨损耗，轨道曲线侧表面，弯道噪音和列车能量消耗方面都扮演着重要角色。

摩擦管理在缓解钢轨内侧面和顶面的磨损方面，在通过减少牵引力来缓解钢轨滚动接触疲劳方面，在控制轨道起皱生长和实现列车节能方面都有着重要贡献。

传统的轮轨内侧面润滑剂与轨顶的摩擦改性剂结合用以提供在轮轨接触界面之间的完善的摩擦管理。传统的润滑方法通常是用以减少内表面的摩擦，然而摩擦改性剂用于轨道顶面/轮轨踏面来控制在这些位置的摩擦。摩擦改性剂提供了一个可控制的适中的摩擦系数（大约0.35），这一系数考虑了刹车和牵引的安全问题，还提供了在蠕变力曲线中超过蠕变饱和点之后的正斜率。根据实验测量数据所得，可以通过使用摩擦改性剂来达到蠕变力曲线的正斜率，这一现象有利于防止轮轨损伤和降低噪音。轨顶摩擦改性剂是一种用以改善润滑剂摩擦特性的添加剂，通常是水基的，是一种可以在干燥条件下将摩擦系数从过高水平（0.5-0.8）降低至适中水平（0.3-0.4）并提供正摩擦力的材料。这种材料能通过路旁涂覆设备或者车载涂覆装置涂覆于轨道上。

轮轨接触印迹的摩擦关系依赖于轮轨之间界面层的特性，便是所谓的第三体系。摩擦管理的目的便是控制这样的第三体系（轮轨之间）的组成，并调整界面的剪切特性来实现想要的特性。

人们终于认识到了通过减少能源消耗来缓解温室气体排放的重要性。然而，对于重载型列车单元，机车燃油消耗和用以减少列车能源需求的技术一直都是人们关注的重点区域。在改善轮轨界面的蠕变/力学关系方面，轮轨之间的摩擦管理已经被证明是十分有效的方案。应用轨顶摩擦改性剂是实现轮轨之间的摩擦管理的应用最广泛的方案之一。现已存在了少量有关轨顶摩擦改性剂在节能方面影响的相关研究，这些研究均来自于实地测试的结果，这些结果表明使用摩擦改性剂可以节省总体能源消耗的7.8%。除了实地测试之外，建立了一个包含机械动力学模型和摩擦损耗模型的数学模型，该模型用以模拟通过使用轮轨摩擦控制而实现的能量节约，并且通过该模型发现模拟结果与实验结果相互吻合。通过对使用轨顶摩擦改性剂而实现的更多精细特性与节能原理的深入了解，可以加深我们对其节能原理的了解同时有助于在轨道系统中对轨顶摩擦改性剂更加正确的使用。

本次实验专注于理解在重载铁路系统中，使用轨顶摩擦改性剂而实现道路曲线半径和轨道测沿对节能的影响。在本次实验中，建立了一个类似中国重载线路的轨道模型和一个类似C70型号货车的机械模型，选取Shen–Hedrick–Elkins理论来考虑蠕变-力关系中的非线性影响，同时可以被计算出利用轨顶摩擦改性剂所节省下的能源，道路曲线半径与轨道测沿对于节能的影响也在本次实验中进行了详细讨论。实验发现新旧轨道在急转弯处出现了不同的节能表现形式，同时被节省的能源被分解成不同位置的摩擦做功用以分析在新旧轨道上不同节能表现形式的原理。

2.数学模型

2.1模型概述

在本次实验中，建立了一个数学模型用以模拟在重载铁路上运用轨顶摩擦改性剂而实现的能源节约，该模型包括三部分：一个多体动力学模型，一个摩擦改性剂模型和一个基于在轮轨接触区域摩擦做功损失的能源节约模型。

首先，在SIMPACK软件包中建立一个附有轮轨系统的C70型号货车的多体动力学模型，同时将中国重载铁路（朔黄线）的数据代入其中并用Shen–Hedrick–Elkins非线性蠕变理论来解释轮轨切向力。然后，在摩擦改性剂模型中，调整摩擦系数和Kalker系数来模拟在轮轨界面使用轨顶摩擦改性剂时蠕变-力的关系。最后，用摩擦力来计算轨顶摩擦改性剂使用之前和使用后的所消耗的能量。

图1列车轮轨动力学模型

2.2多体动力学模型

建立了具有25t轴载和三件式转向架的C70系列煤车的完整多体动力学模型，如图1所示。

动态模型包括一个车身，两个枕头，四个侧框架，四个轮对，均都被认为是刚体。主悬架是设置在侧框架和轴箱之间的弹性橡胶。枕头通过二次悬架联接到两个侧框架，该二次悬架由一组与被称为“摩擦楔”的非线性阻尼元件平行的嵌套弹簧组成。车身通过中心板与枕垫连接，车身和侧支架之间的间隙被建模为死区弹簧。交叉杆将两个侧框架连在一起，并用于防止转向架框架的金刚石变形。煤车的所有参数见参考文献。[11]

2.3摩擦改性剂模型

Suda已经报道了使用双滚子钻机测试的干型摩擦改性剂轮/轨道条件的拖曳蠕变关系。[12]参考文献[13]和[14]中可以找到获得蠕变关系的更多实验细节。Fries[15]和VanderMarel[4]确定了蠕变/蠕变力曲线可以由16％和20％Kalker系数的曲线界定，并且他们使用18％的Kalker系数来模拟在车轮/轨道接口中应用轨顶摩擦改性剂时蠕变/蠕变力曲线的变化。（图2）。在本文中，车轮/轨道界面处的干摩擦条件使用0.5的摩擦系数用100％Kalker系数（DRY：COF=0.5，Kalker=100％）进行建模。轨顶摩擦改性剂摩擦条件用0.35的摩擦系数和18％的Kalker系数（摩擦改性剂：COF=0.35，Kalker=18％）建模。这个数据也被用于参考文献[4]。100％Kalker系数模拟曲线与实验数据吻合良好，18％的Kalker系数计算数据与实验数据吻合良好。

2.4节能模型

在这项研究中，在轮/轨道接触片消耗的能量被称为摩擦功，并被提出为VanderMarel提出的列车能量模型[4]。在时间t处的单个接触片处的摩擦力可以通过以下公式计算：

图2不同Kalker系数的蠕变力曲线

其中Tx和Ty分别是纵向和横向上接触片处的蠕变力。TPhi;表示围绕垂直方向的自旋力矩。xi;x，xi;y和xi;Phi;分别是在接触片处产生的纵向，横向和旋转蠕变。V是货车的恒定行驶速度。应该注意的是，这些蠕变力/力矩由Shen-Hedrick-Elkins非线性蠕变理论确定，相对蠕变由车轮和轨道之间的相对速度计算。在时间t，C70货车在所有车轮/轨道接触点处消耗的摩擦功率定义为：

其中Delta;t是模拟中的时间间隔，i是车轮数，C70车共有8个车轮。当汽车在曲线或切线上行驶时消耗的能量可以通过以下公式确定：

其中ns表示模拟步骤的数量。

Delta;t和ns之间的关系在方程（2）和（3）由下式给出：

其中t是模拟中的总时间。

一般来说，列车阻力定义为总列车能耗[4]。中国C70货车火车抵抗力由以下提供：

w0的单位是N/kN。R是当汽车在切线上行驶时，曲线的半径接近无穷大。在方程式右侧（5）中，第三项是空气阻力，第四项是抗弯曲性，第一项和第二项包括轴承阻力，车轮/轨道滚动，摩擦力和振动。除了第三项之外，所有其他术语都与轮/轨道接触相关，并将受到摩擦改性剂的应用影响。为了比较轮/轨接触片消耗的能量，（3）和式（5）应该有相同的单位。因此，车轮/轨道接触电阻为：

其中Lc是模拟距离，Mf是车辆的重量，g是重力加速度。摩托车在总列车能耗方面的比例是：

因此，由轨顶摩擦剂的应用引起的节能可以通过以下公式计算：

其中下标表示DRY（无摩擦调节剂）或摩擦改性剂（带摩擦调节剂）轮/轨道摩擦条件。

2.5蠕变力模型

当使用方程（1）计算摩擦功率，需要蠕变力Tx，Ty和Tphi;。它们可以使用Shen-Hedrick-Elkins非线性蠕变理论和蠕变比xi;x，xi;y，和xi;Phi;，它们是从多体动力学模型的仿真结果中得到的[16]。在本研究中选择了Shen-Hedrick-Elkins理论，考虑了蠕变/力关系的非线性效应，这是在应用摩擦改性剂时预期的。首先，使用Kalker的线性理论计算蠕变力

其中fij表示蠕变系数并使用计算

在等式（10）中，a和b是接触椭圆的半主轴和半短轴，Cij是Kalker系数[17]，Kk

是Kalker系数的百分比，Gwr表示组合剪切模量。

其中Gw和Gr分别是车轮和轨道的剪切模量。

第二步是校正系数ε的计算

其中f是车轮和轨道之间的摩擦系数，N是正常的接触力。校正系数ε由下式给出

最后，方程式中的蠕变力和力矩（1）可以计算为

3.结果与讨论

研究了C70车辆以不同速度（v=40,60,80和100km/h）通过不同曲线（R=500,1000,2000m和1）的节能。曲线参数列在表1中。

所有曲线的平衡速度为80km/h。北美重型轨道不规则用于模拟。使用CN75（线密度为75kg/m）的轨道和新的轨道剖面如图形3所示。为了研究磨损的轨道轮廓对使用轨顶摩擦改性剂的节能的影响，本文采用了寿光铁路测量的磨损轨迹，曲线半径为2000m，1000m和500m。这些磨损的轨道轮廓如图3（a）所示。本研究中轨道斜率为1/40。汽车的轮廓为中国LM。根据车轮轮廓的测量，车轮不会严重磨损，磨损轮廓接近新轮廓。进一步的模拟显示，使用磨损的车轮轮廓产生与使用新车轮轮廓相同的结论。因此，本研究使用新的轮廓。新轮廓图如图3（b）所示。

第3.1节和第3.2节所示的结果由以下过程计算：a）计算SIMPACK中的蠕变;b）使用Shen-Hedrick-Elkins理论计算切向力;c）使用公式（1）计算摩擦功率;d）使用公式（7）计算摩擦功率在总能量消耗中的百分比;e）最后，使用方程（8）计算通过应用轨顶摩擦改性剂实现的节能。

新旧轨道轮廓（实地测试） 新型车轮轮廓（中国-LM）

图3.使用的车轮与轨道侧面：（a）新旧（现场测试）轨道轮廓

（b）新型车轮轮廓（中国-LM）

图4.曲线半径对节能的影响（v=60km/h）。

3.1曲线半径对节能的影响

轨道曲线半径对可实现的节能有显着影响。当曲线半径减小时，节能量的百分比变大。如图4所示，结果表明，应用轨顶摩擦控制剂可以在曲线和切线轨道上实现节能，但对曲线节省更多。节能更高的原因之一是当轨道半径减小时，总能量消耗中摩擦作用的比例大大增加。模拟结果表明，在500米半径曲线上的总能量消耗中的摩擦功率百分比是正切轨迹的7.9倍。因此，在相同的曲线中，曲线的不同位置上的总能量中摩擦作用的百分比是不同的。它是曲线部分中最高的，并且从曲线到螺旋和相切轨迹减小。

可以看出，磨损轨道的节能百分比高于500米半径的锋利曲线的新轨道。在下一节（3.2节）中进一步讨论了这种现象及其原因。

曲线半径对不同运行速度下节能效果的影响如图5所示。摩擦功率占总能耗的比例随火车速度的增加而降低，影响节能。与新铁路相比，这种效果在磨损轨道上更为显着。当应用轨顶摩擦改性剂时，如图5所示，随着列车速度的增加，节能效果变得更加显着。当通过锋利曲线（R=500米）时，观察到在磨损的轨道上运行的C70型煤车的节能量高于在新轨道上运行的C70轿车。

图5速度对节能的影响。（a）R=500m（b）R=1000m（c）R=2000m（d）切线

3.2新铁路与磨损铁路之间的节能差异机制

基于方程（1）和（7），摩托车总功率百分比分为三部分：旋转摩擦作用，纵向摩擦作用和横向摩擦作用。从SIMPACK，我们可以得到自旋，纵向和横向663比。然后引入Shen-Hedrick-Elkins非线性蠕变理论来计算自旋，纵向和横向力。以60km/h的速度通过500m半径曲线的列车的相应结果如图6所示。

在图6（a）中可以看出，当C70车辆在磨损的轨道上运行时，纵向，横向和旋转的摩擦作用在施加轨顶摩擦改性剂之后均下降。然而，当涉及新的轨道时，轨顶摩擦改性剂的应用减少了纵向和旋转摩擦作用，但增加了侧向摩擦功，如图6（b）所示。

受损钢轨

新钢轨

图6.纵向（x），横向（y）和旋转（r）摩擦作用的比例，DRY：COF=0.50，Kalker=100％，FM：COF=0.35，Kalker=18％。（a）磨损铁路。（b）新铁路。

虽然应用轨顶摩擦改性剂的整体效果仍然是总摩擦功的减少，但由于横向摩擦作用增加，节能减弱。这就是为什么磨损轨道上的节能比例高于新款使用轨顶摩擦改性剂时的导轨。

在施加摩擦改性剂之后，新的轨道上的横向摩擦作用增加的原因可以通过表2所示的横向蠕变和图7所示的蠕变/力的关系来解释。表2表示出了当车辆在干燥和摩擦改变的条件下通过具有新的和磨损的轨道的曲线时，前轮在高轨侧上的侧向蠕变。可以看出，当车轮在干燥和新的轨

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