常崇義，陳 波，蔡園武，王俊彪

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081； 2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速輪軌關(guān)系試驗室，北京 100081)

列車的起動、加速、減速和停車等都與輪軌黏著特性有著直接關(guān)系。影響輪軌黏著特性的因素很多，如運(yùn)行速度、軸重、沖角、輪軌接觸表面狀態(tài)等。當(dāng)輪軌黏著力不足時，牽引時將引起車輪空轉(zhuǎn)，導(dǎo)致列車無法正常啟動加速；制動時將引起車輪滑行，導(dǎo)致列車制動距離超限。同時，無論是車輪空轉(zhuǎn)還是滑行，必將造成鋼軌和車輪表面擦傷。這不僅影響高速列車的運(yùn)行品質(zhì)，而且增加維護(hù)成本。

輪軌黏著方面的研究主要采用數(shù)值仿真、試驗臺試驗和線路實車試驗的方式。輪軌黏著數(shù)值模型主要有Carter的二維滾動接觸理論[1]、Vermeulen和Johnson的橢圓接觸理論[2]、Kalker的三維蠕滑率和蠕滑力線性定律及其簡化理論[3-5]及CONTACT程序、ALE有限元輪軌滾動模型[6-8]、混合潤滑理論模型[9-12]等，這些數(shù)值模型還無法考慮高頻振動、輪軌界面第三介質(zhì)對輪軌黏著的影響，難以準(zhǔn)確模擬高速輪軌間的黏著過程。因此，國內(nèi)外學(xué)者在研究輪軌黏著時都會優(yōu)先選擇通過試驗手段揭示輪軌黏著機(jī)理。目前，許多科研機(jī)構(gòu)仍然使用小比例試驗臺進(jìn)行輪軌黏著特性研究[13-16]，其都是基于Hertz接觸相似理論。然而，由于輪軌滾動接觸關(guān)系中的非線性特性，用一般相似理論無法直接從小比例試驗臺的試驗結(jié)果中精確估計實際線路運(yùn)行狀態(tài)；另一方面，從低速小比例試驗臺很難獲得高速輪軌黏著規(guī)律。線路實車試驗是研究輪軌黏著系數(shù)的較好方法，但是其試驗成本較高，容易擦傷車輪和鋼軌等。全尺寸高速輪軌關(guān)系試驗臺的黏著試驗既可以克服低速小比例試驗臺一般相似關(guān)系的不足，也可以克服線路黏著試驗成本較高的缺點，且各種影響因素可控，能進(jìn)行高速輪軌黏著的單因素影響研究。

1990年，Ohyama[17]利用200系動車組在日本新干線軌面噴水條件下進(jìn)行測試，獲得30～270 km·h-1速度范圍內(nèi)的輪軌黏著系數(shù)分布。本文利用全尺寸高速輪軌關(guān)系試驗臺，研究水介質(zhì)條件下的高速輪軌黏著特性，試驗研究噴水量、輪軌接觸表面粗糙度、噴水溫度、軸重和運(yùn)行速度對水介質(zhì)條件下高速輪軌黏著系數(shù)的影響規(guī)律。

1 全尺寸高速輪軌關(guān)系試驗臺

全尺寸高速輪軌關(guān)系試驗臺[18]由軌道輪系統(tǒng)(模擬軌道)、黏著輪系統(tǒng)(模擬車輪)、液壓激振系統(tǒng)、軌道接觸界面環(huán)境模擬系統(tǒng)、軌道輪型面數(shù)控鏇修裝置、高壓液壓供應(yīng)單元、潤滑單元、校準(zhǔn)儀、測量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成。該試驗臺可以模擬干燥、潮濕、涂油條件下的輪軌界面環(huán)境，試驗過程中可以測量黏著輪轉(zhuǎn)速、軌道輪轉(zhuǎn)速、輪軌接觸力、輪對橫移量、輪對沖角、液壓激振力、電機(jī)扭矩、制動力矩等性能參數(shù)，可進(jìn)行高速輪軌黏著、蠕滑、脫軌、磨耗、疲勞、制動、噪聲等試驗。全尺寸高速輪軌關(guān)系試驗臺主要技術(shù)性能指標(biāo)見表1。

表1 全尺寸高速輪軌關(guān)系試驗臺主要技術(shù)性能指標(biāo)

2 基于全尺寸高速輪軌關(guān)系試驗臺的輪軌黏著試驗方法

2.1 輪軌黏著特性曲線數(shù)學(xué)定義

輪軌黏著特性通常采用縱向黏著力系數(shù)與縱向蠕滑率變化曲線表示。在試驗臺模擬試驗中，縱向黏著力系數(shù)μx為

(1)

式中：Fx為輪軌縱向黏著力；FN為輪軌接觸正壓力。

縱向蠕滑率ξx為

(2)

式中：Rw和Rr為分別為黏著輪與軌道輪接觸點處的半徑；nw和nr為分別為黏著輪和軌道輪的轉(zhuǎn)速。

2.2 試驗前準(zhǔn)備工作

為了消除輪軌接觸表面污染，試驗前用酒精或除銹劑清洗黏著輪和軌道輪表面，以保證滾動接觸表面干凈、干燥。試驗前需要測量黏著輪和軌道輪的直徑，使用Miniprof測量尺測量黏著輪和軌道軌的型面，使用硬度計測量黏著輪和軌道輪的踏面表面硬度，適用粗糙度儀測量黏著輪和軌道輪接觸表面的粗糙度。設(shè)定垂向和橫向載荷、速度、黏著輪與軌道輪的相對橫移量和沖角，確定變速箱檔位。輪軌接觸環(huán)境條件選擇干燥清潔或者噴水。測量并控制試驗環(huán)境溫度為0～40 ℃。

2.3 試驗過程基本步驟

(1) 用黏著輪正上方的垂向激振器施加垂向載荷，另一個垂向激振器控制位移(控制導(dǎo)向框的平衡位置)，橫向激振器控制黏著輪無橫移，搖頭激振器控制黏著輪無沖角。

(2) 啟動軌道輪驅(qū)動電機(jī)，驅(qū)動軌道輪旋轉(zhuǎn)，黏著輪通過輪軌摩擦跟隨軌道輪旋轉(zhuǎn)，使軌道輪和黏著輪接觸點處的速度達(dá)到指定試驗速度。

(3) 根據(jù)輪軌接觸環(huán)境條件選擇干燥清潔或者噴水，開始施加環(huán)境模擬條件。輪軌黏著噴水試驗裝置如圖1所示。

(4) 然后逐漸增加黏著輪轉(zhuǎn)速，而軌道輪轉(zhuǎn)速保持恒定狀態(tài)。使輪軌縱向蠕滑率從零逐漸增加到1%，然后再逐漸減小至零。

(5) 停止施加輪軌接觸環(huán)境條件，逐漸利用軌道輪驅(qū)動電機(jī)使軌道輪和黏著輪均減速至零。

圖1 輪軌黏著試驗噴水裝置圖

3 水介質(zhì)條件下輪軌黏著特性及其影響規(guī)律

輪軌黏著試驗中黏著輪材料為ER8，踏面為S1002CN型，車輪踏面滾圓附近的硬度分布為260～320 HB；軌道輪材料為U71MnK，廓形為TB60，軌道輪軌頂滾動圓附近的硬度分布為310～380 HB。對現(xiàn)場高速動車組車輪踏面粗糙度進(jìn)行了跟蹤測試，線路實車試驗測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：車輪鏇修后運(yùn)行約2萬km后，車輪踏面滾圓附近的表面粗糙度Ra分布在0.4～0.6 μm之間。

3.1 噴水量的影響

1)試驗條件

試驗速度為250 km·h-1，施加70 kN試驗垂向恒定載荷(相當(dāng)于軸重為14 t)，車輪接觸表面粗糙度Ra為0.45～0.55 μm，軌道輪接觸表面的粗糙度Ra為 0.20～0.30 μm。試驗中可調(diào)整輪軌接觸界面單位時間的噴水量(單位時間的噴水量相差足夠大，以便模擬大雨和小雨的區(qū)別)，因此設(shè)定輪軌接觸環(huán)境條件分別為干燥清潔、單位時間的噴水量分別為50，100，150，200和250 mL·min-1，環(huán)境溫度及噴水溫度均為常溫。

2)試驗結(jié)果

輪軌接觸表面干燥清潔、噴水量分別為50，100，150，200和250 mL·min-1(常溫)條件下250 km·h-1速度時的牽引黏著力系數(shù)隨時間的變化曲線如圖2所示。從圖2中可以看出：在輪軌接觸干燥清潔條件下牽引黏著力系數(shù)達(dá)到最高點后波動較小，而在噴水量50 mL·min-1條件下牽引黏著力系數(shù)達(dá)到最高點后波動最大，之后隨著噴水量的增加牽引黏著力系數(shù)達(dá)到最高點后波動逐漸減弱，噴水量達(dá)到200 mL·min-1后牽引黏著力系數(shù)達(dá)到最高點后波動基本消失。這種現(xiàn)象與噴水量形成的輪軌接觸表面水膜狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)噴水量較小時，由于輪軌接觸表面的干燥與潮濕混合狀態(tài)不穩(wěn)定，干燥時輪軌摩擦系數(shù)較高，潮濕時輪軌摩擦系數(shù)較低，因此導(dǎo)致了輪軌間牽引黏著力系數(shù)的波動。當(dāng)噴水量增加到200 mL·min-1后，輪軌接觸表面水膜形成完整的穩(wěn)定分布，因此輪軌間牽引黏著力系數(shù)的波動就消失了。

不同輪軌接觸環(huán)境條件下的輪軌黏著特性曲線如圖3所示。從圖3可以看出：在干燥清潔條件下，輪軌黏著特性曲線飽和點處的縱向蠕滑率為4.5‰，其隨著噴水量的增加逐漸減小，當(dāng)噴水量增加到200 mL·min-1后，黏著特性曲線飽和點處的縱向蠕滑率為2.2‰。

圖2 250 km·h-1速度下不同輪軌接觸環(huán)境條件下牽引力系數(shù)的時程曲線

圖3 250 km·h-1速度下不同輪軌接觸環(huán)境條件下輪軌黏著特性曲線

輪軌黏著系數(shù)隨噴水量的變化趨勢如圖4所示。從圖4可以看出：輪軌黏著系數(shù)隨噴水量的增加逐漸減小，當(dāng)噴水量達(dá)到200 mL·min-1后輪軌黏著系數(shù)隨噴水量的增加已不再減小(保持不變)。200 km·h-1速度下，輪軌黏著系數(shù)從輪軌接觸界面干燥清潔時的0.46、隨噴水量的增加逐漸減小到0.09，減小了約80%。

圖4 250 km·h-1時輪軌黏著系數(shù)隨噴水量的變化趨勢

3.2 輪軌接觸表面粗糙度的影響

1)試驗條件

輪軌接觸表面粗糙度作為輪軌間界面狀態(tài)的重要組成部分，在水介質(zhì)條件下其對輪軌黏著有著不可忽視的影響。利用全尺寸高速輪軌關(guān)系試驗臺試驗研究了噴水量對輪軌黏著的影響，結(jié)果表明輪軌黏著系數(shù)隨噴水量的增加逐漸減小，當(dāng)噴水量達(dá)到200 mL·min-1后輪軌黏著系數(shù)隨噴水量的增加已不再減小(保持不變)，因此在研究輪軌表面粗糙度對高速輪軌黏著特性的影響試驗中輪軌接觸界面的噴水量設(shè)為(常溫)200 mL·min-1。

試驗速度分別為100和250 km·h-1，施加70 kN試驗垂向恒定載荷。黏著輪踏面接觸表面粗糙度Ra分別為0.30～0.40，0.45～0.55，0.70～0.80和1.00～1.10 μm，軌道輪軌頂接觸表面粗糙度為0.20～0.30 μm，輪軌接觸界面的噴水量設(shè)為(常溫)200 mL·min-1。

2)試驗結(jié)果

試驗速度為100 km·h-1時，不同表面粗糙度時輪軌黏著特性曲線如圖5所示。從圖5可以看出：黏著特性曲線在縱向蠕滑率從0至飽和點處范圍內(nèi)牽引黏著力系數(shù)均線性增加；表面粗糙度影響牽引黏著力系數(shù)最大值(即輪軌黏著系數(shù))，輪軌黏著系數(shù)隨表面粗糙度的增加而增大；當(dāng)車輪踏面表面粗糙度在0.7～1.1 μm范圍內(nèi)時，縱向蠕滑率超過飽和點后牽引黏著力系數(shù)隨縱向蠕滑率的增加下降較為緩慢。

圖5 100 km·h-1速度下不同表面粗糙度時輪軌黏著特性曲線

試驗速度為250 km·h-1時，不同表面粗糙度時輪軌黏著特性曲線如圖6所示。從圖6可以看出：在此試驗速度下，表面粗糙度對輪軌黏著特性曲線的影響規(guī)律與100 km·h-1試驗速度時類似；當(dāng)車輪踏面表面粗糙度為0.3～0.4和0.45～0.55 μm時，輪軌黏著特性曲線較為接近。

圖6 250 km·h-1速度下不同粗糙度時輪軌黏著特性曲線

輪軌接觸界面在水介質(zhì)條件下，試驗速度為100和250 km·h-1時輪軌黏著系數(shù)隨車輪接觸表面粗糙度的變化規(guī)律如圖7所示。從圖7可以看出：在水介質(zhì)條件下，輪軌黏著系數(shù)隨輪軌接觸表面粗糙度的增加而增大；100 km·h-1速度下，輪軌黏著系數(shù)從Ra為0.30～0.40 μm時的0.088增大到Ra為1.0～1.1 μm時0.160，增大了約82%；250 km·h-1速度下，輪軌黏著系數(shù)從Ra為0.30～0.40 μm時的0.032增大到Ra為1.00～1.10 μm時的0.155，增大了約384%，比100 km·h-1速度下的增大幅度更大；在不同表面粗糙度時，速度對輪軌黏著系數(shù)的影響程度不同，在表面粗糙度較低時速度對輪軌黏著系數(shù)影響較大，隨著表面粗糙度的增加，速度對輪軌黏著系數(shù)的影響逐漸減弱，在表面粗糙度為1.00～1.10 μm時速度對輪軌黏著系數(shù)影響已經(jīng)很小。

圖7 輪軌黏著系數(shù)隨表面粗糙度的變化趨勢

3.3 噴水溫度的影響

1)試驗條件

試驗速度分別為100和250 km·h-1，施加70 kN試驗垂向恒定載荷。黏著輪接觸表面粗糙度Ra為0.45～0.55 μm，軌道輪軌頂接觸表面粗糙度Ra為0.20～0.30 μm，輪軌接觸界面的噴水量為200 mL·min-1，噴水溫度分別為0，20，40和60 ℃。

2)試驗結(jié)果

100和250 km·h-1速度時不同噴水溫度對輪軌黏著特性的影響如圖8和圖9所示。從圖8和圖9可以看出：噴水溫度也對輪軌黏著系數(shù)的大小造成一些影響。

圖8 100 km·h-1速度下不同噴水溫度對輪軌黏著特性的影響

圖9 250 km·h-1時不同噴水溫度對輪軌黏著特性的影響

輪軌接觸界面在水介質(zhì)條件下輪軌黏著系數(shù)隨噴水溫度的變化規(guī)律如圖10所示。從圖10可以看出：在水介質(zhì)條件下輪軌黏著系數(shù)隨著噴水溫度的升高而增大；100 km·h-1速度下輪軌黏著系數(shù)從噴水溫度為0 ℃時的0.085增大到噴水溫度為60 ℃時的0.110，增大約29%；250 km·h-1速度下輪軌黏著系數(shù)從噴水溫度為0 ℃時的0.032增大到噴水溫度為60 ℃時的0.040，增大幅度較為緩慢，增大約20%，由此可見在高速區(qū)段噴水溫度對輪軌黏著系數(shù)的影響較低速區(qū)段小。從另外一個角度分析，100 km·h-1速度下，噴水溫度為常溫時(20 ℃)輪軌黏著系數(shù)為0.100，0 ℃(下雪)時下降為0.085，下雪時較常溫時下降15%左右；250 km·h-1速度下，噴水溫度為常溫時(20 ℃)輪軌黏著系數(shù)為0.036，0 ℃(下雪)時減小為0.032，下雪時比常溫時減小11%左右。

圖10 不同速度時輪軌黏著系數(shù)隨噴水溫度的變化規(guī)律

3.4 軸重的影響

1)試驗條件

試驗速度為100 km·h-1，黏著輪接觸表面粗糙度為0.45～0.55 μm，軌道輪軌頂接觸表面粗糙度為0.20～0.30 μm，分別施加40，50，60，70和80 kN(分別相當(dāng)于軸重為8，10，12，14和16 t)試驗垂向恒定載荷。輪軌接觸界面的噴水量為(常溫)200 mL·min-1。

2)試驗結(jié)果

100 km·h-1不同軸重時輪軌黏著特性曲線如圖11所示。從圖11可以看出：試驗速度為100 km·h-1時，縱向蠕滑率從0增加到1.5‰時，牽引黏著力系數(shù)均是線性增加；縱向蠕滑率從1.5‰至飽和點范圍內(nèi)，其是非線性增加；軸重會影響牽引黏著力系數(shù)的最大值(黏著系數(shù))，輪軌黏著系數(shù)隨軸重的增加而減小。

圖11 100 km·h-1速度下不同軸重時輪軌黏著特性曲線

輪軌接觸界面在水介質(zhì)條件下、100 km·h-1速度時輪軌黏著系數(shù)隨軸重的變化規(guī)律如圖12所示。從圖12可以看出：輪軌黏著系數(shù)在水介質(zhì)條件下隨著軸重變化的總趨勢是隨軸重的增加而減??；從軸重為40 kN時的0.125 5減小到軸重為50 kN時的0.106，減小率為0.0195/10 kN，減小較快；減小到軸重為70 kN時的0.101，軸重為50～70 kN范圍內(nèi)的減小率為0.000 25/10 kN，減小較緩慢；減小到輪重為80 kN時0.0915，軸重為70～80 kN范圍內(nèi)的減小率為0.009 5/10 kN，減小較快。在動車組常用軸重10～16 t范圍內(nèi)，輪軌黏著系數(shù)從0.106減小到0.091 5，軸重對動車組輪軌黏著系數(shù)的影響較小，只有10%左右。

圖12 100 km·h-1速度時輪軌黏著系數(shù)隨軸重的變化規(guī)律

3.5 運(yùn)行速度等級的影響

1)試驗條件

試驗中，黏著輪接觸表面粗糙度為0.45～0.55 μm，軌道輪軌頂接觸表面粗糙度為0.20～0.30 μm，施加70 kN試驗垂向恒定載荷。試驗速度范圍為40～400 km·h-1。輪軌接觸界面的噴水量為(常溫)200 mL·min-1。

2)試驗結(jié)果

水介質(zhì)條件下不同速度時的輪軌黏著特性曲線如圖13所示。從圖13可以看出：輪軌黏著系數(shù)隨著速度的增加而下降，速度不僅影響輪軌黏著系數(shù)的大小，還影響其從0增大至飽和點過程中線性增長的斜率，速度越高線性增長斜率越小；速度還影響?zhàn)ぶ匦郧€中飽和點的位置，40 km·h-1速度時輪軌黏著特性曲線飽和點位于縱向蠕滑率為2.6‰處，隨著速度的增加飽和點對應(yīng)的縱向蠕滑率逐漸減小，380 km·h-1速度時飽和點對應(yīng)的縱向蠕滑率為1.4‰。

圖13 水介質(zhì)條件下不同速度時的輪軌黏著特性曲線

輪軌接觸界面在水介質(zhì)條件下輪軌黏著系數(shù)隨速度的變化規(guī)律如圖14所示。從圖14可以看出：在水介質(zhì)條件下，輪軌黏著系數(shù)隨速度變化的總趨勢是其隨速度的增加而減?。粡?0 km·h-1速度時的0.226減小到200 km·h-1速度時的0.054，減小較快；從200 km·h-1速度到400 km·h-1速度時減小至0.038，減小較緩慢。

圖14 水介質(zhì)條件下輪軌黏著系數(shù)隨速度的變化規(guī)律

根據(jù)試驗結(jié)果擬合出輪軌黏著系數(shù)μ與速度v(單位為 km·h-1)的關(guān)系表達(dá)式為

μ=5.71v-0.864

(3)

4 結(jié) 論

(1)在噴水量從無到有的增加階段，輪軌黏著系數(shù)隨噴水量的增加逐漸減??；但是當(dāng)噴水量達(dá)到200 mL·min-1后輪軌黏著系數(shù)隨噴水量的增加將不再減小(保持不變)。

(2)輪軌黏著系數(shù)在水介質(zhì)條件下隨著輪軌接觸表面粗糙度的增加而增加；在不同的速度區(qū)段表面粗糙度對輪軌黏著系數(shù)的影響不同，在高速區(qū)段表面粗糙度的影響比低速區(qū)段的更大；在表面粗糙度較低時，速度對輪軌黏著系數(shù)的影響較大，隨著表面粗糙度的增加，速度對輪軌黏著系數(shù)的影響逐漸減弱。

(3)輪軌黏著系數(shù)隨著噴水溫度的升高而增大，噴水溫度為0 ℃(下雪)時的輪軌黏著系數(shù)較常溫時下降11%～15%。

(4)輪軌黏著系數(shù)在水介質(zhì)條件下隨軸重的增加而減小，在動車組常用軸重10～16 t范圍內(nèi)，軸重對輪軌黏著系數(shù)的影響只有10%左右。

(5)水介質(zhì)條件下，在40～200 km·h-1速度范圍內(nèi)，輪軌黏著系數(shù)隨速度的增加減小得較快；在200～400 km·h-1速度范圍內(nèi)，減小得較緩慢。

(6)噴水量、輪軌接觸表面粗糙度、運(yùn)行速度對水介質(zhì)條件下的輪軌黏著系數(shù)影響較大，噴水溫度和軸重的影響較小。因此，可以通過增加輪軌接觸表面粗糙度有效提高水介質(zhì)條件下的輪軌黏著系數(shù)。