一种钢轨防滑工艺及其制备方法-中文版

一种钢轨防滑工艺及其制备方法

作者：李万鸿

（作者单位：湖南中车西屋轨道交通技术有限公司总经理+8613974197088）

A New Type Alloy-coated Anti-SlidingSteel Rail

(Henry Lee, Hunan CRRC Wabtec Railway Transportation Technology Co., LTD, Tel: +86 13974197088)

Abstract

This article is intended to introduce a new type of alloy coated anti-sliding rail, which is using alloy coating on the rail head to protect the vehicle from sliding on the coated rail. Vehicle can slide on the normal steel rail when the adhesive factor is low due to rainy weather. Alloy coating on the rail head can increase the adhesive force on the rail to get rid of slide of the wheel. Alloy coating layer on the rail has many small valleys on the surface and when the rail gets wet due to raining weather in the open air, the water will be hard to stay on the rail surface, the alloy layer can be also hard enough to support the vehicle from getting worn out. Key Word

Anti-sliding alloy coated steel rail, increase the adhesive factor of the wheel on the rail, alloy coating layer on the rail head to increase adhesive force, wet rail with alloy coating layer, wheel slide protection on wet rail though alloy coating on the rail 摘要

本文从列车在钢轨上打滑的机理分析入手，详细论述了如何通过提升钢轨与列车轮对之间的粘着力来有效防止车辆在钢轨上打滑的一种新型钢轨及其制成工艺。机车车辆在运行过程中，若钢轨表面存在油污、树叶等污染物或结冰等现象时，轮轨间的粘着力将急剧下降从而导致车辆在钢轨上打滑，根本原因在于钢轨与轮对之间的粘着力衰减严重、不足以使轮对的向前滚动运动力通过钢轨对车轮的反作用摩擦力来推动轮对与钢轨的相对向前滚动（轮对空转）[1]。当在钢轨表面增加一层合金涂层材料，使得钢轨与轮对摩擦副的粘着系数得到增加，粘着（摩擦）力也将增加，从而使得车轮能够获得足够的钢轨反作用摩擦力推动车轮向前滚动，达到防止车辆在钢轨上滑行的目的。 关键词

防滑钢轨 钢轨轨面合金涂层 防止车辆在钢轨上打滑增加钢轨与车轮的粘着力

随着我国轨道交通行业的迅猛发展，各种技术问题也越来越多，其中列车在钢轨上打滑的现象几乎在每一条地铁线路上和高架线路上都不同程度的存在打滑问题。车轮打滑问题不容小觑，轻则导致车轮踏面磨损、制动系统不断触发防滑WSP（Wheel Slide Protection）程序软件报故障，重则严重影响运营安全、导致牵引异常，极端情况下还可能导致撞车，给乘客和国家财产带来巨大的安全隐患[2]。例如上海某高架线路由于轨道暴露在露天，梅雨季节时期，钢轨被雨淋湿，车辆在钢轨上行驶时经常打滑；武汉阳逻线某段因轨道铺设坡道导致车辆运行存在巨大的打滑安全隐患；广州地铁某线路铺设坡道，当钢轨被雨水淋湿或油污污染时，车辆在钢轨上运行经常出现打滑现象。

1. 列车车轮打滑的原因机理分析

钢轨铺设坡度不可避免，一般在正线不超过千分之三十，进出隧道线或上下高架线路不超过千分之四十，列车在干工况（即钢轨轨道处于干燥的工作状态）下正常行驶，一般不存在车轮打滑的情况。但在某些特定工况下，车轮可能出现打滑现象。

1.1 钢轨轨面被雨水淋湿或被油污污染时（湿工况），车辆在钢轨上行驶容易出现打滑现象

钢轨轨面被雨水淋湿或被油污污染，当车辆行驶在钢轨上，在钢轨和车轮踏面接触面之间，形成了一层雨水水膜或油污油膜，这层水膜或油膜相当于在钢轨-轮对之间增加了一层润滑剂，大大降低了这对摩擦副之间的粘着系数和粘着力（普通钢轨-钢质车轮之间的摩擦系数在0.05-0.3之间，雨水淋湿或油污污染之后粘着系数衰减一般在50%左右[3]），使得车轮的向前滚动力无法完全施加在钢轨轨面上，从而形成车轮打滑。要防止这种类型的打滑，一般解决方案包括A: 清除钢轨上的雨水或油污，使轨面保持干燥干净；B: 提高车轮与钢轨之间的粘着系数，即便因为水膜或油膜而使粘着系数衰减，仍能保持足够的粘着力来防滑。

目前轨道交通行业普遍都是采用方案A即通过在钢轨轨面撒砂的方法来增加粘着系数和粘着力。当车轮碾压覆盖在钢轨上的金刚砂粒时，坚硬的细小砂粒会刺破水膜或油膜，破坏水膜或油膜的润滑作用，部分恢复车轮与钢轨之间的粘着系数和粘着力[4]。这种方法防滑效果不错但副作用非常明显[5]：车轮碾压砂粒形成的粉末严重污染列车运行环境，并对车辆上的设备造成伤害；撒砂设备在雨天必须长时间工作，可能干扰列车的正常运行计划；砂尘在轨面上形成的覆盖层有可能影响钢轨与车轮的导电性，存在安全隐患。 1.2 车辆在坡道上停车时，车轮容易打滑

当车辆停放在坡道上时，车辆自身重力会分解一部分沿着轨道下坡方向的力F，当车轮与钢轨的摩擦力F1比F小的时候，车辆将不可避免出现打滑现象。如图一所示。因此，防止车轮打滑的主要方案应是增加F1，而当增加车轮与钢轨的粘着系数时，立即能够增加粘着力即摩擦力F1。

图一

2. 钢轨轨面合金涂层能有效提升钢轨与车轮之间的粘着系数防止轮对在钢轨上打滑

2.1 为有效提升钢轨与车轮之间的粘着系数，最直接的办法就是增加钢轨或车轮表面的粗糙度，

但考虑到车轮作为运动部件且需要定期镟轮，对车轮踏面进行增粘处理不能满足使用和运营要求。因此，对钢轨轨面进行增粘（增加粗糙度）处理、提升钢轨与车轮的粘着系数就成为最好的选择。

图二和图三分别将干工况下，车轮与钢轨接触情况表示出来，不难看出，增加钢轨轨面的粗糙度之后，轮对在接触变形区接触的是合金涂层，合金涂层上合金颗粒形成的尖峰在重载下嵌入车轮踏面，车轮滚动时合金颗粒对车轮施加反作用推力，车轮与钢轨的摩擦力大幅度增大。

车轮 车轮

钢轨

钢轨

图二 图三

2.2 钢轨上长期有高载荷车辆运行，轨面容易被磨平，因此钢轨表面粗糙度增加非常难以实现。

笔者经过长期试验，获得了一种工艺，能够极大地增加钢轨表面粗糙度并满足现有的工况。这种工艺路线简单概括如下：

普通钢轨?轨面滚花?喷砂?在轨面实施超音速等离子喷焊合金粉末涂层 这种合金涂层具备以下优点或特性：

（一） 粗糙度能控制在一定范围（>Ra100）。具体选择何种粗糙度，需要根据摩擦力计算

并平衡粗糙度对车轮踏面的磨耗影响来确定。

（二） 当钢轨被雨水淋湿或油污污染时，无法在轨面上形成完整的水膜或油膜。微观状态

下观察合金涂层表面颗粒发现，坚硬细小（碳化钨钛石墨烯合金粉末涂层硬度最高能达到HV800，相当于HB400的两倍硬度[6]）的表面合金颗粒能刺破水膜或油膜，并刺入踏面金属层（通常硬度在HB295~310之间[7]）

（三） 高耐磨性能：能承受车轮在涂层上长期碾压 （四） 高耐冲击性能

（五） 良好的与钢轨轨面的结合性能 （六） 良好的导电性能 （七） 不影响钢轨的探伤

（八） 高耐腐蚀性（合金涂层不生锈）

（九） 涂层与钢轨具有相同的热收缩率，不会在钢轨表面形成龟裂纹 2.3 防滑原理 2.3.1

微观状态下普通钢轨与特种涂层钢轨与车轮的接触结构对比分析

当钢轨轨面被雨水淋湿或油污污染时，在车轮与钢轨接触变形区之间形成一层水膜或油膜，这层水膜或油膜相当于一种润滑剂，导致车轮与钢轨的粘着急剧衰减，如图四所示。当钢轨轨面增加一层合金涂层之后，由于合金涂层表面粗糙，形成尖峰与峰谷，雨水淋湿钢轨后停留在峰谷而尖峰及合金颗粒则刺破水膜或油膜进入车轮踏面，形成可靠的粘着，如图五及图六红色局部放大图所示。

合金颗粒形成的尖峰，其硬度比车轮高，非常耐磨且通过热喷涂牢固结合在钢轨轨面，因此车轮在钢轨上滚动时并不会将刺入车轮踏面的合金颗粒带走而形成快速磨耗，这就是说，合金涂层在增加粘着的同时还能保持较长的耐磨寿命周期。

刺入踏面的合金颗粒带来更加优良的导电性能，这也解释了图四图五中电阻测量的差异：

图四 图五

图六图七

图八

2.3.2

破坏水膜或油膜的形成

合金涂层形成的粗糙表面，微观状态下可以看到涂层表面形成了很多均匀分布的沟壑，雨水或油污在污染轨面之后，只能存留在沟壑的谷底部位，不能在车轮和钢轨之间形成平滑的水膜或油膜，尖峰在与车轮的接触变形区会在重载作用力的作用下，刺入车轮踏面，破坏水膜或油膜的形成，如图八所示。 2.3.3

粘着系数的改善

3. 新型防滑钢轨的制程工艺

新型防滑钢轨的生产工艺，简单来说，就是在普通钢轨的生产制程中，增加轨面表面滚花、热喷砂消除滚花表面应力、超音速等离子热喷焊[8]碳化钨钛石墨烯涂层等工艺，在保持普通钢轨轮廓尺寸不变的前提下，在普通钢轨轨面上形成一层结合牢固、保持原钢轨各项物理机械性能不变、提升轨面摩擦系数的合金涂层。 3.1 普通钢轨轨面滚花

普通钢轨在成型过程中温度较高，工艺上有利于实现表面滚花。成型冷却后的高锰钢材质钢

轨硬度较高，滚花比较困难，因此需要在钢轨型材制成过程中尚未冷却的环节进行表面滚花处理。

表面滚花工艺是为了增加热喷涂覆盖面积，最大化增强合金涂层与轨面的结合力。合金粉末涂层“填埋”在滚花形成的沟壑之中，与“沟壑”四周多维度结合，当承载车轮复杂工况的重压时，不会产生龟裂或剥离现象。

图九

3.2 热喷砂消除表面应力

滚花工艺完成之后，有可能在轨面形成残余应力，需要进行喷砂消除。同时，喷砂也能将滚花过程中形成的尖峰击打成圆滑的尖部过渡，将滚花形成的尖锐谷底的击打成圆滑的谷底过渡。

3.3 超音速等离子喷焊

超音速等离子喷焊是近几年由军用控制转民用的新技术，关键设备或喷枪不再受到西方国家禁止出口控制，进口比较容易。

值得一提的是，合金涂层材料配方是试验配方，涂层喷焊需要经过若干次分别完成，较普通钢轨生产流程复杂的多，成本也要高很多。

图十是涂层部位示意简图，图十一为图十局部放大图。

图十图十一

图十二是实验室制作的样品图：

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