轨道摩擦管理顶层的材料概念–分类，表征和应用外文翻译资料

 2022-08-09 10:08

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

轨道摩擦管理顶层的材料概念–分类，表征和应用

作者：Richard Stock, Louisa Stanlake, Chris Hardwick, Marcia Yu, Donald Eadie, Roger Lewis

关键词：摩擦改进剂 TOR材料 横向力 附着力 磨损 RCF

摘要：在铁路系统的运行中，管理和调整轮轨摩擦的概念由来已久。过去，调整/管理仅限于仪表杆表面润滑和打磨设备的使用。过去20年以来，采用了轨道顶部（TOR）摩擦调节剂（FM），从而可以改变轨道-车轮胎面界面顶部的摩擦。本文着重介绍TOR摩擦调整的概念。最近的发展已导致新一代产品，此处定义为不干燥或缓慢干燥的TOR润滑剂（油和/或油脂基）和混合材料（油/水混合物）。详细说明和功能差异，并与水基干燥FM进行对比。水性TOR-FM一经使用，便迅速干燥，并与现有的第三体层混合，并允许容纳剪切位移。 TOR润滑剂和混合材料依靠混合边界层润滑，这与水性TOR-FM的应用相反。已经表明，粘附水平受润滑剂施用率的高度影响。讨论了所有产品类别的风险和收益（降低侧向力，减少波纹，对能耗的影响以及对滚动接触疲劳的影响）。但是，对于TOR润滑剂缺乏数据，特别是在滚动接触疲劳领域，在实验室研究中已经确定了裂纹相互作用的可能性。虽然可以看出TOR润滑剂具有提供与水基FM相似的好处的能力，但它们对施用率表现出强烈的依赖性​​，这可能导致其粘附和RCF问题。建议在此区域做进一步的工作。

  1. 简介

自蒸汽发动机运行初期以来，管理和调整轮轨摩擦的概念已应用于铁路系统。根据车轮相对于轨道的位置，必须实现不同的功能目标。在量规面（GF）/车轮法兰接触上，主要目标是减少两个伙伴的磨损。因此，将使用GF润滑剂或油脂。在钢轨（TOR）的顶部，通过摩擦管理解决了诸如尖叫声，损伤发展（波纹，滚动接触疲劳– RCF和磨损）和能耗等影响。 TOR的首选产品是将摩擦降低到最佳水平的材料，以提供上述好处，同时又能保证列车安全运行。本文将重点关注TOR /车轮胎面面积以及不同TOR材料对选定的即时和长期（或延迟）影响/益处的影响。

2.摩擦，牵引，爬电和润滑

摩擦接触问题将摩擦力（切向力，牵引力和蠕变力）与滚动接触中物体之间的速度差（蠕变）联系起来。蠕变的增加将导致蠕变力的增加，车轮和轨道之间的接触区域可以分为粘滑区和（微）滑移区。从纯轧制条件下的全棒开始，接触件的滑动区域会随着蠕变力的增加而增大，直到达到接触件的完全滑动（即饱和蠕变）为止。在全滑移条件下，对于给定的正常载荷，蠕变力受到摩擦系数的限制。

润滑的目的是减少两个紧密相邻且彼此相对运动的表面之间的摩擦。对于轨道/车轮接触应用，主要使用液体润滑剂。如图2所示，液体润滑剂可以分为不同的润滑方式：

  • 边界润滑：尽管存在润滑剂，但两个表面之间仍保持恒定接触。
  • 混合润滑：两个表面部分接触，部分被润滑剂隔开。
  • 流体动力润滑：两个表面被润滑膜隔开。

不同的润滑方式和所产生的摩擦取决于接触件中存在的润滑剂量，润滑剂的粘度，两个物体之间的速度以及接触压力。

3.摩擦调节剂的定义

在一般的摩擦学术语中，摩擦改进剂（FM）是一种添加剂，可以改变（降低或增加）润滑剂（例如发动机润滑剂或变速箱油）的摩擦性能。在铁路应用中，TOR-FM是指一种材料，可以将摩擦从干燥条件下的高摩擦系数（0.5-0.8）降低到0.3-0.4的中间摩擦系数（COF），如图3所示。但是，摩擦改进剂不能提高低水平条件下的摩擦力（此类材料可能称为牵引增强剂）。可以使用沿轨道推动的手持式摩擦计来测量摩擦。但是，这样的装置将仅测量摩擦计轮（低垂直载荷）与轨道表面之间的摩擦，从而仅部分指示轮子与轨道之间的实际摩擦状况。此外，诸如动态车辆负载特性和变化的牵引条件之类的因素将提供推力摩擦计未考虑的车轮与轨道之间摩擦条件的其他可变性。与FM相比，润滑剂表现出明显的功能差异，因为它旨在将摩擦降低到最小（例如在标尺表面的摩擦水平低于0.2）。

美国的技术运输中心公司（TTCI）将FM定义为一种产品，该产品旨在在一定的材料应用速率范围内提供一个中等的摩擦水平，并且/或者在特定的轨道-导轨蠕变条件下保持摩擦常数。上述用于TOR的FM的概念最初是由Kelsan Technologies Corp.（现为L.B. Foster Rail Technologies，Corp.）在1980年代后期引入的，以克服新引入的Vancouver Skytrain系统中的刮擦和波纹问题。对于此原始应用，使用了实心棒FM。如今，FM既有固体棒状也有液体形式。

除了优化轮轨摩擦，用于TOR的FM还可以在扩展的爬电距离范围内在轮轨之间提供正摩擦特性。如图4所示，牵引－蠕变曲线中的负斜率会导致粘滑振动。这种效应负责产生尖叫声，并且在瓦楞纸的发展中也起着重要作用。提供正摩擦特性的FM可以防止粘滑现象。

4.替代材料概念

随着原始FM概念在市场上的广泛接受，一些铁路运营商已经开发出许多不同的产品，并对其进行了部分测试和应用。这些用于TOR的替代材料具有明显不同的摩擦力不能归类为FM。它们通常可以归类为TOR润滑剂。该材料组也可以分为三个子类：

  • TOR油（基于油的TOR材料）。
  • TOR润滑脂。
  • TOR混合油和水基材料。

TOR润滑剂可能含有一定量的固体颗粒。载油剂有时是基于蔬菜的。尽管包含大量的油，但混合材料的子类有时也称为“水基”材料。尽管对于TOR材料，“水基”没有标准化的定义，但本文将任何包含水和油混合物的材料称为“混合材料”，而不是“水基”材料。

5.功能差异

替代地，也可以根据TOR材料的干燥行为对其进行分类。在干燥的材料（例如FM）中，水充当传输介质，在轮轨接触条件下会迅速蒸发。如图5所示，干燥的FM颗粒与车轮和轨道之间现有的第三车身层材料相互作用，从而提供了剪切位移补偿机制。这种机制负责优化车轮与轨道之间的摩擦力，并产生正牵引特性[9]。

非干燥材料将通过边界润滑或混合润滑机制降低摩擦条件。车轮和轨道之间存在不干燥的材料，但仍会允许不同表面之间的显着接触。但是，接触区域中材料量的微小变化将严重影响最终的摩擦条件（增加或减少），并且无法实现预期的摩擦效果。如果接触表面被车轮和导轨之间的大量润滑剂完全隔开，则会达到完全润滑的状态，并且摩擦力水平将降至非常低的值。

在干燥（例如FM）和非干燥（例如TOR润滑剂）材料之间，表面调节机制（车轮和轨道表面）存在显着差异。只要干燥的FM保持液态，它就会在轮子和轨道之间不断转移（例如，路边单元的应用杆上的湿区）。一旦水蒸发，FM颗粒将以较高的相对表面速度（例如，在牵引条件下的车轮）附着在表面上，并且进一步限制了表面间的材料转移[10]。非干燥材料将长时间保持湿润状态（即不仅在施工现场），并因此在车轮和轨道之间不断地来回转移。因此，对于这种类型的材料，在车轮和轨道表面上始终会存在液相。

6.收益和风险分析

与真正的FM相关的积极影响和可能的风险已在以前的出版物中进行了广泛的分析和讨论[1 1-13]。在减少侧向力，改善车辆转向，减少铁轨和车轮的磨损和RCF，增加轨道维护间隔以及节省燃料/能源方面，可以获得典型的好处。在风险方面，到目前为止，主要讨论了诸如实现突出的收益的实施和维护策略以及液-裂相互作用的领域等主题。关于非干燥材料，与收益和风险有关的许多方面仍然未知或至少没有被充分理解。收益和风险可以分为立竿见影的影响和长期（延迟）的影响，但也必须根据运营条件（重载，过境，混合交通等）加以区分。即时效果包括横向力减小以及制动，加速和噪音（尖叫）影响的区域。瓦楞纸的发展，磨损和（车轮和钢轨的）RCF以及燃料/能源消耗被认为是长期或延迟的影响。以下小节将分析选定的短期和长期影响。

6.1.横向力降低

横向力的减小，尤其是在更陡峭的曲线中，可以看作是由于TOR材料的应用而降低/优化了摩擦水平而引起的主要短期/即时效应。可以使用安装在曲线中的横向/垂直（L / V）力检测站来测量横向力。可以假设，在急转弯时，车辆处于饱和的转向状态（大迎角和车轮法兰接触），会导致高爬电度和产生的侧向力。因此，在这些条件下，横向力的变化可以直接与车轮和轨道之间的摩擦条件的变化相关。达到饱和转向的曲率取决于车辆的弯曲能力。一个L / V站使用应变仪连接到腹板和钢轨的脚上，以便根据测得的钢轨挠度和适当的校准来计算侧向力和垂直力。为了进行分析，在每个测试阶段将充分的过滤器方法应用于足够数量的列车，从而对不同产品和应用程序设置进行统计学上显着且有效的比较（有关详细信息，请参见[14]）。但是，本文将不进一步讨论这个非常重要的主题。

如[15,16]中的报道，TTCI在HTL环路（高吨位环路– 4350 m环路长度）上进行了一项试验，以评估重载条件下的各种TOR材料。申请地点距离L / V站仅880 m。与实际轨道涂药器间距条件相比，该距离被认为是非常接近。在不同的测试夜晚，以不同的受控施用率对不同的产品进行了测试。

在整个测试过程中，GF曲线始终保持激活状态。相对于稳态基线干轨条件（统计确定），在每个施加阶段之前不施加TOR材料的情况下，计算出报告的侧向力减小的百分比（％）（参见图6）。测试的材料涵盖了本文提到的大多数TOR产品类别。由于FM应用站点与L / V站点之间的距离较短，因此与实际轨道设置相比，报告的以mL / 1000轴表示的应用率通常较低。

对于FM（图6-供应商B-产品1），随着使用率的增加，可以看到相对稳定的横向力降低。这与根据TTCI定义的FM非常吻合。非干燥产品（例如，图6-供应商A-产品1和供应商B-产品4和5）表明，在较低的施用量下，横向力降低对施用量的依赖性很大。这可以通过混合模式润滑机制来解释，其中可实现的摩擦系数与接触区域中存在的材料量直接相关。尽管在图6中将供应商A的产品1称为“水基”，但本文作者将其分类为具有非干燥特性的混合型材料，因为它包含水和油的混合物（另请参见第4节）。

可以假设在测量曲线（半径290 m）处于饱和蠕变条件下，计算出的横向力变化可能与摩擦条件的变化有关。报告的侧向力的减小越大，则相对于基准干轨摩擦水平的摩擦减小越大。因此，图7显示了图6的解释。在图7中，我使用了COF而不是在y轴上使用“以[％]表示横向力的减小”的方法。每个测试的基准干燥条件COF假定为0.5因为每个测试的轮轨之间实际的干式COF值是未知的。所有其他COF的计算方法是：将横向力降低百分比乘以每种产品的假定干水准COF为0.5。这是基于上面的陈述，即在饱和的车辆转向条件下，横向力的变化可以直接与车轮和轨道之间的摩擦条件的变化相关。在非干燥材料的使用率较高时，横向力/摩擦力水平的绝对降低不仅比干燥FM高得多，而且投影曲线的斜率比FM陡峭（图6和7） ）

TTCI还使用推力摩擦计进行了摩擦测量。但是，这些值仅部分表示实际摩擦值，因为推式摩擦计仅测量摩擦计轮与轨道表面之间的摩擦（如第3节所述）。据报道，这些测量结果显示出一种趋势（在较大的分散范围内），显示出非干燥产品的摩擦水平较低，尤其是在较高的应用率下。 TTCI将供应商A的产品1称为水基FM。但是，根据本文介绍的定义，该材料应正确分类为混合材料（即，非干燥，含油）。

除横向力外，TOR材料的残留特性还代表着重要的选择和区分标准。下移定义为距应用部位的最大距离，在该距离处可以测量到一定程度的横向力减小量（％）。为此，L / V力站用于测量曲线中的横向（L）和垂直（V）力。

对于给定的应用率，高性能FM产品可以在4英里的距离处平均降低25％或更多的前导轴横向力。某些TOR润滑剂可以在相同的应用率下，随着延长的压紧距离而实现类似的横向力降低。图8示出了FM和TOR油产品的横向力（在应用上述过滤方法之后）的分布图，该FM和TOR油产品参照在北美的一级铁路上在水平/河道等级上测试的基准干轨条件。两种TOR产品都能有效地切断超过10 kips（44.4 kN）水平的横向力（最具破坏性的横向力）。但是，与FM的6.4 km（4英里）下移距离相比，TOR Oil能够在12.8 km（8英里）下移距离上实现这些减少（图8）。

6.2．附着条件

减少摩擦的另一个影响是列车牵引力和制动能力的变化（附着条件）。关于该主题的干燥FM的大量数据已经发表[17,18]，表明FM在运输环境中对制动和牵引能力均没有负面影响。由于基于FM（中间COF）的功能特性，从未将其视为在重载环境中的风险，因此尚未进行重载条件下的研究。最近的一项研究[19]分析了油基TOR润滑剂对重载环境中制动的影响。由于该材料具有很强的依赖于施加速率的COF（如上所述），并且由于该材料在延长的时间段/距离内保持潮湿状态，因此认为会对制动产生影响。表1显示了来自现场试验的数据，在该试验中，使用该TOR油产品的装有负荷的单位煤列进行了制动测试。在一级坡度细分上，指定的制动点被标记在赛道上。这些点位于TOR应用站点的下游约1.6公里处，以确保所有车轮在应用制动器之前都已通过TOR应用器。测试方法包括在不施加其他制动方式的情况下，将制动管压力（大载空气制动系统）固定降低（138 kPa）。机车事件记录器数据用于确保列车之间具有可比的条件并计算停车距离。为了补偿不可避免的人为因素（响应时间，空气减少应用时间等），还基于事件记录器数据计算了稳态加速度值。在没有使用TOR材料的情况下，在基准干轨条件下进行了制动测试。 TOR油相故意使用0.681

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[239695]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章