王 竣，王開云，劉建新

(西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031)

當(dāng)車輪在鋼軌上滾動(dòng)時(shí)，輪軌在相互接觸的部位發(fā)生彈性變形，形成橢圓形的接觸區(qū)，并在輪軌接觸區(qū)內(nèi)存在粘著區(qū)和滑動(dòng)區(qū)。通常把輪軌間最大切向作用力叫做粘著力，把粘著力與鋼軌對(duì)車輪的法向反力之比值叫做粘著系數(shù)［1］。針對(duì)粘著系數(shù)，國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者做了大量的基礎(chǔ)性研究工作。例如:文獻(xiàn)［1－4］定義了粘著系數(shù)的概念，闡述了影響粘著系數(shù)的因素;文獻(xiàn)［5］提出了改善粘著的具體方法;文獻(xiàn)［6－7］建立了輪軌模擬試驗(yàn)機(jī)分析不同工況對(duì)粘著系數(shù)的影響;文獻(xiàn)［8］研究了水潤(rùn)情況下的輪軌粘著。然而對(duì)于粘著系數(shù)的研究，目前僅限于粘著系數(shù)的影響因素以及改善的具體方法等方面，關(guān)于粘著系數(shù)對(duì)于機(jī)車安全性能影響的研究并不多見。鑒于此，本文以機(jī)車為研究對(duì)象，深入研究粘著系數(shù)對(duì)于機(jī)車安全性能的影響，以期為鐵路機(jī)車安全運(yùn)營(yíng)提供理論參考。

1 雨水對(duì)粘著系數(shù)影響的調(diào)研分析

粘著系數(shù)的概念是一種量度，其具有一定的隨機(jī)性，且隨著位置、時(shí)間、車輪和軌道狀況而變化。因此，根據(jù)軌道表面狀態(tài)、軌道斷面、軸載荷、機(jī)車運(yùn)行速度、車輪直徑、機(jī)車結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方式、線路不平順性和天氣情況(如雨、雪、冰、霜、陰、晴)等的不同，在同一個(gè)地方可獲得粘著系數(shù)不同的變化［1］。

文獻(xiàn)［1］指出輪軌表面有水時(shí)對(duì)粘著系數(shù)的影響非常大。輪軌表面存在粗糙度，輪軌接觸發(fā)生在微小凸起部分，而粘著力是由微小凸起部分的彈性或塑性變形產(chǎn)生的。圖1是在水潤(rùn)情況下不同粗糙度時(shí)速度與粘著系數(shù)的關(guān)系。從圖中可以看出:粗糙度越大，粘著系數(shù)就越大;粗糙度越小，粘著系數(shù)也就越小，且隨著速度的增加粘著系數(shù)變小。

圖1 水潤(rùn)狀態(tài)下粘著系數(shù)與速度的關(guān)系

文獻(xiàn)［3］指出發(fā)生不利的粘著狀態(tài)是指發(fā)生在當(dāng)線路僅稍為潮濕時(shí)而呈現(xiàn)的粘著狀態(tài)。例如，剛一下雨，粘著系數(shù)就從約0.30突然下降到0.1，如圖2所示。另外，大雨所引起的粘著系數(shù)的降低幅度并不太大。

圖2 天氣狀態(tài)對(duì)粘著系數(shù)的影響

文獻(xiàn)［4］根據(jù)日本山手線的觀測(cè)結(jié)果得到:在開始下雨時(shí)粘著力下降最為明顯，尤其是在小雨時(shí)。當(dāng)列車經(jīng)過(guò)新大久保車站時(shí)開始下小雨，此時(shí)粘著系數(shù)逐漸下降。列車通過(guò)池袋車站后，粘著系數(shù)下降極為明顯。然而，列車在通過(guò)軌道沒(méi)有被淋濕的高架鐵路時(shí)，粘著系數(shù)與下雨前基本相同。這時(shí)，從制動(dòng)缸計(jì)算起，上述軸的對(duì)應(yīng)粘著系數(shù)為0.06，發(fā)生滑動(dòng)時(shí)在滑動(dòng)點(diǎn)測(cè)得試驗(yàn)轉(zhuǎn)向架的粘著系數(shù)為0.06，恢復(fù)粘著后為0.08 ～0.1，這與測(cè)速軸的特性完全相對(duì)應(yīng)。

文獻(xiàn)［5］指出，低粘著總是和濕軌道有關(guān)。經(jīng)驗(yàn)表明，最低的粘著系數(shù)值出現(xiàn)于小雨或冷凝作用導(dǎo)致軌面輕微潮濕時(shí)。粘著系數(shù)在干燥軌道和完全潮濕軌道上是相同的，測(cè)得的最低粘著系數(shù)為0.17。鋼軌輕微水濕后，最低的粘著系數(shù)為0.08。

文獻(xiàn)［6］建立了JD－1輪軌模擬試驗(yàn)機(jī)，在實(shí)驗(yàn)機(jī)上分別進(jìn)行了干態(tài)工況突然加水和水介質(zhì)條件下的粘著特性試驗(yàn)。筆者研究了水介質(zhì)條件下速度、軸重以及蠕滑率對(duì)于粘著的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:干態(tài)工況加水后的粘著系數(shù)比干態(tài)時(shí)的粘著系數(shù)降低了50%～60%。

綜上所述，輪軌表面有水時(shí)對(duì)粘著系數(shù)的影響比較大，小雨時(shí)粘著系數(shù)可突然下降到0.1以下，而大雨所引起的粘著系數(shù)的降低幅度并不太大。

2 動(dòng)力學(xué)模型

本文以某C0－C0機(jī)車為基礎(chǔ)，利用多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立了動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，如圖3所示。轉(zhuǎn)向架二系懸掛裝置采用6個(gè)橡膠堆對(duì)稱布置，分別布置在構(gòu)架兩側(cè)。車體的垂向載荷主要由橡膠堆支撐，另外配有2個(gè)橫向減振器。在構(gòu)架側(cè)梁上設(shè)置有垂向限位裝置，限制車體的垂向運(yùn)動(dòng);在車體和構(gòu)架側(cè)梁間裝有橫向止擋，限制車體的橫向運(yùn)動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)裝置采用滾動(dòng)抱軸式懸掛。驅(qū)動(dòng)單元一端通過(guò)電機(jī)吊桿和吊桿座裝在構(gòu)架上，在電機(jī)吊桿端配有彈性部件，可容許輪對(duì)和構(gòu)架之間相對(duì)位移，另一端以抱軸式相連于輪對(duì)上。

C0－C0型機(jī)車由車體、構(gòu)架、輪對(duì)、電機(jī)、電機(jī)吊桿組成。模型的自由度和拓?fù)潢P(guān)系如圖4所示。

圖3 C0－C0軸式機(jī)車動(dòng)力學(xué)仿真模型

圖4 C0－C0軸式機(jī)車模型自由度和拓?fù)潢P(guān)系

3 雨水對(duì)機(jī)車的行車安全性能影響分析

由前面分析可知:小雨時(shí)粘著系數(shù)不超過(guò)0.1，可以0.05和0.1值代表小雨時(shí)的粘著系數(shù)，而正常的粘著系數(shù)為0.25～0.3。因此，大雨時(shí)的粘著系數(shù)可介于前二者之間，為0.15和0.2。

3.1 直線性能分析

粘著系數(shù)取值為0.05～0.30，機(jī)車速度分別為60、80、100 km/h 時(shí)，輪對(duì)沖角、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)、輪重減載率隨粘著系數(shù)變化的關(guān)系如圖5～8所示。

圖5 輪對(duì)沖角隨粘著系數(shù)及運(yùn)行速度的變化關(guān)系

圖6 輪軌橫向力隨粘著系數(shù)及運(yùn)行速度的變化關(guān)系

圖7 脫軌系數(shù)隨粘著系數(shù)及運(yùn)行速度的變化關(guān)系

圖8 輪重減載率隨粘著系數(shù)及運(yùn)行速度的變化關(guān)系

圖5～8表明:

1)隨著粘著系數(shù)增加，輪對(duì)沖角逐漸增加，但增幅不大。以速度為100 km/h為例，粘著系數(shù)為0.05時(shí)的輪對(duì)沖角為0.017 rad，粘著系數(shù)為0.2和0.3時(shí)的輪對(duì)沖角分別為 0.018 rad和0.019 rad。隨著機(jī)車速度的增加，輪對(duì)沖角也逐漸增大。以粘著系數(shù)0.25為例，速度為60 km/h時(shí)的輪對(duì)沖角為0.001 5 rad，速度為80 km/h和100 km/h時(shí)的沖角值分別為0.001 8 rad和0.001 9 rad。

2)對(duì)于輪軌橫向力，粘著系數(shù)在0.05～0.3。隨著粘著系數(shù)的增加，輪軌橫向力值幾乎呈線性增長(zhǎng)。例如，機(jī)車速度為100 km/h，粘著系數(shù)為0.05和0.2時(shí)的輪軌橫向力分別為39.67 kN和56.02 kN，后者較前者增加了42.21%。隨著機(jī)車速度的增加，輪軌橫向力增加。以粘著系數(shù)0.25為例，100 km/h時(shí)的輪軌橫向力值比60 km/h和80 km/h時(shí)的值分別增加了17.11%和25.92%。

3)粘著系數(shù)在0.05～0.3，脫軌系數(shù)隨著粘著系數(shù)的增加而增大，增長(zhǎng)幅度也較明顯。例如:機(jī)車運(yùn)行速度為80 km/h，粘著系數(shù)為0.1時(shí)的脫軌系數(shù)為0.27，粘著系數(shù)為0.15時(shí)的輪脫軌系數(shù)為0.35，后者較前者增加了29.63%左右。相同粘著系數(shù)的情況下，隨著速度的變化，脫軌系數(shù)的值也略有增加。例如:粘著系數(shù)為0.25，60～100 km/h 時(shí)的脫軌系數(shù)分別為 0.38、0.42 和 0.49，但所有工況下的脫軌系數(shù)均小于安全限值。

4)粘著系數(shù)在0.05～0.3，機(jī)車運(yùn)行速度分別是60、80、100 km/h時(shí)，輪重減載率隨著粘著系數(shù)的增加略有增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)幅度不大，且所有工況下的輪重減載率均小于安全限值。例如:當(dāng)速度為100 km/h時(shí)，粘著系數(shù)為0.05時(shí)的輪重減載率為0.21，粘著系數(shù)為0.15時(shí)的輪重減載率為0.21，粘著系數(shù)為0.25時(shí)輪重減載率為0.22。

上述分析表明:粘著系數(shù)在機(jī)車以60～100 km/h的速度通過(guò)直線時(shí)對(duì)行車安全性能影響較明顯，尤其是對(duì)輪軌橫向力的影響較大，且粘著系數(shù)越大，安全性能指標(biāo)值越大。

3.2 曲線性能分析

為了更清晰地對(duì)比分析粘著系數(shù)的影響，在曲線段沒(méi)有考慮軌道隨機(jī)不平順的情況。

當(dāng)機(jī)車以100 km/h的速度通過(guò)半徑為800 m的平面曲線時(shí)，不同天氣條件下的輪軌安全性能指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 輪軌安全性能指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果

表1結(jié)果表明粘著系數(shù)對(duì)機(jī)車(100 km/h)通過(guò)曲線時(shí)的行車安全性能影響不明顯。例如:粘著系數(shù)在0.05～0.3時(shí)，輪對(duì)沖角均為0.048 rad左右，輪軸橫向力在25～40 kN變化，脫軌系數(shù)為0.18 ～0.31 左右，輪重減載率在 0.37 ～0.39 內(nèi)波動(dòng)。

以下小雨為例(粘著系數(shù)為0.1)，圖9～12分別給出了輪對(duì)沖角、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)及輪重減載率等安全性能指標(biāo)的時(shí)間歷程。從圖9～12可以看出:機(jī)車動(dòng)態(tài)通過(guò)曲線軌道時(shí)，具有明顯的輪軌相互作用特征，如圖9～12所示。

圖9 輪對(duì)沖角的時(shí)間歷程

圖10 輪軌橫向力的時(shí)間歷程

圖11 脫軌系數(shù)的時(shí)間歷程

圖12 輪重減載率的時(shí)間歷程

4 結(jié)論

1)輪軌表面有水時(shí)對(duì)粘著系數(shù)的影響非常大，小雨時(shí)粘著系數(shù)可突然下降到0.1以下，而大雨所引起的粘著系數(shù)的降低并不太大。因此，小雨時(shí)應(yīng)盡量控制機(jī)車輪對(duì)的輸出扭矩，防止輪對(duì)的空轉(zhuǎn)打滑。

2)粘著系數(shù)對(duì)機(jī)車通過(guò)直線軌道時(shí)的輪軌橫向力和脫軌系數(shù)的影響較明顯。當(dāng)機(jī)車通過(guò)曲線軌道時(shí)，粘著系數(shù)對(duì)其運(yùn)用的安全性能也有一定程度的影響。

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