張振先，譚 江，黃雙超，趙 鑫，溫澤峰，梁樹林

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111;2.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031)

輪軌黏著是輪軌型軌道交通工具動力行為的物理基礎，決定牽引力、制動力以及導向力的潛在水平，通常由定義為輪軌間可傳遞最大黏著力(或切向力)與法向力比值的輪軌黏著系數(簡稱黏著系數)表征。在開放環(huán)境中服役的輪軌系統(tǒng)接觸界面常會受到雨水、油污、冰雪和樹葉等污染，形成復雜、多變的界面第三介質，極大地影響輪軌間的黏著水平。世界范圍內的廣泛試驗和模擬研究表明[1-13]，干燥條件下黏著系數在0.3以上，無塵埃等污染時可達0.6～0.65；輪軌接觸界面存在水時，黏著系數會降至0.25以下，且隨速度的增加而降低，400 km·h-1時可降至0.02～0.04；存在油、樹葉等污染物時，黏著系數亦會隨速度的增加而降低，且大概率比同速度、水介質下更低。當輪軌黏著低至無法滿足正常牽引或制動要求時，即為低黏著問題，可導致車輪空轉和打滑，損傷接觸表面的同時，造成列車失控，進而引發(fā)列車晚點、停過站臺、錯過信號等事故，甚至造成列車碰撞。撒增黏砂仍然是目前最常用的低黏著應對措施，現有數值模擬手段尚無法就包含增黏砂的復雜第三介質進行建模，相關研究只能在雙盤對滾等試驗機上開展。

本文利用西南交通大學新近建成的車輪—鋼軌高速接觸疲勞試驗機[12]，在20 ℃左右的室溫環(huán)境下試驗了水、油和樹葉3種污染下的低黏著和增黏試驗。最高試驗速度為200 km·h-1，重點研究不同第三介質下輪軌黏著特性，以及中間粒徑分別為0.500，0.725和0.925 mm的細(S)、中(M)和粗(L)砂的增黏效果，并試驗噴砂量的影響。根據試驗結果，提出動車組運行現場適用的最佳噴砂量和最佳增黏砂粒徑。

1 試驗背景、設備和內容

文獻中具有代表性的增黏試驗及其主要結論見表1。從表1可見：以往增黏試驗研究僅涉及20 km·h-1以下的低速和靜態(tài)工況，尚無高速工況下砂子增黏試驗結果的報道。

1.1 試驗機

試驗時所用車輪—鋼軌高速接觸疲勞試驗機也屬于雙盤對滾試驗機，主要結構如圖1所示，其中軌盤6和輪盤7呈上下布置，直徑分別為400和350 mm，設計最高速度為300 km·h-1。

表1 文獻中具有代表性的增黏試驗及其主要結論

A，B—220 kW交流電機；1—安裝基礎；2—底座；3—機架；4—垂直加載裝置；5—輪系升降系統(tǒng)；6—軌盤；7—輪盤；8—蛇行運動裝置；9—沖角平臺；10—沖角調整裝置

圖1 車輪—鋼軌高速接觸疲勞試驗機

輪軌試樣尺寸結構如圖2所示。其中居上的軌盤接觸面為柱面，輪盤接觸面橫向初始廓形為半徑100 mm的圓弧。設置載荷時，保證測試輪、軌盤間最大接觸壓力與真實輪軌相同。且Hertz接觸理論計算結果表明，動車組14 t軸重下的真實輪軌接觸可由試驗機上251 kg的法向載荷模擬。

圖2 輪軌試樣尺寸結構示意圖(單位：mm)

試驗中，輪、軌盤由2臺相互獨立的220 kW交流變頻電機分別驅動，通過設置其轉速差實現預定蠕滑率的模擬。目前，試驗機可實現最高200 km·h-1速度(對應輪盤轉速3 032 r·min-1)下的平穩(wěn)、長時間運行，試驗速度調整精度約為10～12 km·h-1?？紤]到高速鐵路主要由大半徑曲線和直線段組成，試驗中未考慮輪對橫移和沖角等與曲線通過相關的參數，雖然試驗機有相應的調節(jié)功能。另外，試驗時未施加額外激勵，但試驗結果中包含了輪、軌盤接觸面粗糙度激勵下的試驗機本身振動信息。實測結果表明，模擬輪粗糙度在2.51～3.89間變化。

試驗大致過程如下：①開機，輪、軌盤進入低速運行狀態(tài)；②將輪、軌盤速度升至試驗速度，保持兩盤速度近似相等(即無速度差)；③通過液壓加載系統(tǒng)施加垂向載荷至指定值，此過程中兩盤保持近似純滾動(蠕滑率近似為零)；④調整2臺交流電機的轉速差，實現不同蠕滑率模擬；⑤試驗完成后，卸載，降速，關機。試驗中用到的水、油和樹葉以及增黏砂通過獨立于試驗機主體的噴射系統(tǒng)施加，可以在上述過程中的任一時刻啟動或停止。

為噴射各種液體(包括水、油和由樹葉加水攪碎而成的樹葉懸濁液)和增黏砂，試驗機設有3套噴射裝置，主要由液體箱或砂箱、噴射管路及流速控制閥門組成。水儲存在開口液體箱內，由水泵抽取并噴射到接觸界面。樹葉懸濁液置于施加了空氣壓力的密閉液體箱內，在壓力和重力作用下進入管路，最終噴到接觸界面，且箱內設有1個防止沉淀和管路堵塞的攪拌機，保證樹葉懸濁液勻質噴出。增黏砂置于砂箱內，在重力作用下掉落至噴砂管路，然后由壓縮空氣經噴嘴吹出。3種介質的預設流速均可通過調整相應的流速或風壓控制閥門實現，噴嘴末端距輪軌接觸界面距離為70 mm。對于油介質試驗，由于噴撒量很小，采用大型輸液管來施加。另外，為防止碾壓后細砂進入試驗機軸承等核心部件及收集噴出的液體，分別設置了圖2所示的防護罩及吸氣式收集裝置。

1.2 主要試驗參數定義及介質準備

所有試驗均對應動車組的典型軸重14 t，即輪重7 t，速度在50～200 km·h-1范圍內變化。蠕滑率ξ定義為

(1)

式中：ωw和ωr分別為輪、軌盤轉速；rw和rr為它們的對應半徑。

ξ>0時對應牽引狀態(tài)，ξ<0時對應制動狀態(tài)，ξ=0時對應純滾動工況。以下僅試驗了牽引工況。為表述方便，定義牽引系數μ為

(2)

式中：FT和FN分別為輪軌盤間切、法向接觸力。

顯而易見，測量結果中的最大牽引系數即為黏著系數。

試驗時，水取自自來水(流速為425 mL·min-1)，油選用長城46#潤滑油(流速為6滴·s-1)，樹葉取自成都本地常見樹種的新鮮樹葉，經加水攪碎后供試驗使用(如圖3所示)。增黏砂取自鐵路機車車輛現場，試驗前，使用標準篩子篩選出S，M和L這3種不同粒徑砂子，其中間粒徑分別為0.500，0.725和0.925 mm，如圖4所示。試驗中設置了40，70和100 g·min-1這3種撒砂量，其中，40 g·min-1是試驗機噴射裝置可實現的最低撒砂量。

圖3 試驗用成都本地樹葉

圖4 標準篩篩取的不同粒徑砂子照片

2 試驗結果

2.1 水介質下

2.1.1 增黏砂粒徑的影響

撒砂量為40 g·min-1時，水介質和100 km·h-1速度下噴撒M砂時的原始測量結果如圖5(a)所示。圖中：采樣次數對應的采樣頻率為22 Hz，約每1.15 r采樣1次；并且低速時，采樣頻率跟速度呈線性關系，即保持約每1.15 r采樣1次，隨著速度的增加，對應的采樣頻率逐漸增至最大32 Hz，以后不再隨速度變化。從圖5(a)可見，牽引系數在3%蠕滑率左右時達到最大，之后趨于基本穩(wěn)定，更多測量結果亦如是，故下文以3%蠕滑率時實測牽引系數的平均值作為黏著系數。為簡化表述，不同蠕滑率時段內的平均牽引系數在下文簡稱牽引系數。

1.5%蠕滑率時不同增黏砂粒徑下的實測牽引系數如圖5(b)所示。從圖5(b)可見：撒砂后牽引系數較僅水介質下顯著增大，但波動范圍也因砂粒造成的振動而增加，另外，增黏效果隨粒徑增大略有增強。

將圖5中所示工況的實測牽引系數按不同蠕滑率進行平均，得到撒砂量為40 g·min-1、速度為100 km·h-1下水介質加不同粒徑砂子的黏著—蠕滑特性曲線，如圖6所示。從圖6可更清晰地看出：增黏效果隨增黏砂粒徑的增大而略有增強，S，M和L砂可使黏著系數由僅存在水介質時的0.111分別增至0.318，0.338和0.343。此趨勢與表1中各文獻一致。鑒于此，下文分析的增黏試驗結果均針對L砂。

圖5 水介質和100 km·h-1速度下增黏試驗原始測量結果

圖6 水介質加不同粒徑砂子時黏著—蠕滑特性曲線

2.1.2 撒砂量的影響

不同撒砂量下水介質和1.5%蠕滑率時牽引系數隨速度變化情況如圖7所示。從圖7可見：增黏效果大致隨撒砂量的增加而增強，即100 g·min-1下的牽引系數最大；當撒砂量從40 g·min-1增至70 g·min-1時，同一速度下的牽引系數基本不變，而增至100 g·min-1時，牽引系數明顯上升；增黏工況下的牽引系數依然隨速度的升高而降低。例如，40 g·min-1撒砂量下，50，100，150和200 km·h-1速度下的牽引系數分別為0.32，0.27，0.24和0.20。

圖7 水介質和1.5%蠕滑率下牽引系數隨速度變化情況

關于撒砂量的影響，本試驗結論與文獻[10]一致，但各文獻的結論并不一致(見表1)，造成這些結論差異的原因可能來自試驗機尺寸、試驗速度、增黏砂粒徑和試驗盤相對尺寸、噴砂量及施加方法等方面的不同。從節(jié)約成本和降低軌道污染的角度考慮，建議優(yōu)選40 g·min-1作為試驗臺撒砂量。所以，下文所展示增黏試驗結果都對應40 g·min-1撒砂量。

2.1.3 水加砂時黏著蠕滑特性

不同速度和水加砂介質下的黏著—蠕滑特性曲線如圖8所示。圖中：實心或空心符號所處位置表示不同蠕滑率下牽引系數，其原始結果的波動范圍由誤差限表示。由圖8可見，特性曲線隨速度的增加而降低，且高速下的波動范圍較低速下更大(其原因應該是高速下試驗機振動加劇)。需說明的是，圖8中0%蠕滑率對應的牽引系數并不等于0，而為0.01～0.02，由試驗機振動和電機轉速控制誤差所致，這也可以做如下理解：本試驗機的牽引系數測試精度約為0.01～0.02。

水介質和水加砂介質下黏著系數隨速度變化曲線(50 km·h-1下的黏著系數取2.5%蠕滑率對應的結果)如圖9所示。從圖9可見：隨著速度由50 km·h-1增至200 km·h-1，增黏(水加砂介質)工況的黏著系數由0.403逐漸減至0.251，遠高于水介質下的0.136～0.064；增黏工況下黏著系數大于0.2的事實表明，水加砂條件下的輪軌黏著水平完全能滿足動車組在200 km·h-1以下的牽引和制動需求[13]。

圖8 不同速度和水加砂介質下黏著—蠕滑特性曲線

圖9 水和水加砂下黏著系數隨速度變化曲線

2.2 油、樹葉介質下

油介質下不同速度時黏著—蠕滑特性曲線如圖10所示，加砂和不加砂條件下黏著系數隨速度變化曲線如圖11所示。由圖10和圖11可見：隨著速度由50 km·h-1增至200 km·h-1，撒砂后的黏著系數由0.267逐漸減至0.181，也遠高于油介質下的0.092～0.049。

圖10 油介質下不同速度時黏著—蠕滑特性曲線

樹葉懸濁液加砂時的黏著—蠕滑特性曲線如圖12所示，加砂和不加砂條件下黏著系數隨速度變化如圖13所示。由圖12和圖13可見：隨著速度由50 km·h-1增至200 km·h-1，撒砂后的黏著系數由0.346逐漸減至0.216，亦遠高于樹葉懸濁液介質下的0.119～0.055。

圖11 油和油加砂下黏著系數隨速度變化曲線

圖12 不同速度和樹葉懸濁液加砂下黏著—蠕滑特性曲線

圖13 樹葉懸濁液及加砂下黏著系數隨速度變化曲線

綜上，油、樹葉介質撒砂后的輪軌黏著水平亦均可以滿足動車組在200 km·h-1以下的牽引和制動需求[13]。

2.3 不同介質下測試結果的對比與討論

將水、油和樹葉懸濁液介質下和增黏后的黏著系數繪制在一起，結果如圖14所示。從圖14中可見：無論撒不撒增黏砂，油、樹葉懸濁液和水條件下的黏著系數均依次升高，即樹葉懸濁液的潤滑效果介于油和水之間。此試驗現象與以往文獻報道略有不同，例如Arias-Cuevas[7]，Zhu[14]和Wang等[9]均報道樹葉污染下的黏著系數較油脂更低。

圖14 水、油和樹葉懸濁液介質下及加砂后黏著系數隨速度變化曲線

造成這種現象的原因主要有3點：①本文采用的試驗機體積龐大，內部結構復雜、空間狹小，試驗速度高達200 km·h-1，無法保障手工施加葉片(文獻中小/微型、低速試驗臺上的做法)的有效性和安全性，所以采用了噴灑樹葉懸濁液的方式，但懸濁液含水量遠大于樹葉，且其中固體樹葉顆粒過小，不利用在接觸表面形成現場觀測的黑色樹葉污染層(配以微量水時，表現出極低黏著；是滾壓條件下樹葉有機質與鋼化學反應的結果)；②速度高也可能在一定程度上影響結果；③試驗盤加工成本高昂、安裝過程復雜，不可能像小/微試驗一樣準備很多不同的試驗盤隨時更換，只能在每次試驗前對其接觸表面進行徹底清洗，但持續(xù)改變的微觀接觸幾何也可能影響試驗結果。然而，從3種介質試驗結果中發(fā)現，雖然樹葉懸濁液含水量高(樹葉顆粒含量相對較低)，但其試驗結果仍顯著低于水介質工況，已然很靠近油介質工況，說明樹葉顆粒的潤滑效果確實很好，這與文獻報道一致。

2.4 增黏砂副作用

增黏砂在增黏的同時，水、油或樹葉和碾碎砂粒的共同作用也會對輪軌觸表面造成損傷，形成大量的如圖15(a)所示的麻坑狀損傷，其表面形態(tài)與圖15(b)所示現場頻繁撒增黏砂后的機車車輪表面非常相近。這些損傷一方面會增加輪軌接觸表面粗糙度，另一方面也會在某些情況下促進車輪滾動接觸疲勞的萌生，增加車輪維修成本，甚至威脅運行安全。

3 討 論

總結車輪—鋼軌高速接觸疲勞試驗機試驗結果，其最佳增黏策略或控制技術如下：①增黏砂粒徑增大，增黏效果增強，最佳撒砂粒徑取0.85～1.0 mm(L砂)或適當再稍大一點；②雖然黏著系數隨著撒砂量的增加而稍稍上升，但40 g·min-1撒砂量下的黏著水平已能滿足牽引和制動要求，所以最佳撒砂量取40 g·min-1。由于試驗機比例效應、鋼軌盤模擬等因素，試驗工況不同于運行現場，因此，上述試驗機最佳增黏策略必須經過適當修正，才能應用到現場。

圖15 水介質下增黏試驗后接觸表面與現場機車車輪踏面

現場噴撒的增黏砂因列車運動而沿縱向連續(xù)分布，所以噴出的增黏砂只要能充分覆蓋輪軌接觸斑寬度即能滿足要求。觀測表明，試驗機配備的Φ10 mm噴砂管所噴出的增黏砂可覆蓋接觸界面上18 mm寬的范圍。中國標準動車組配備Φ12 mm噴砂管(見圖16，8輛編組時有4根軸裝有8組噴砂裝置)，其截面面積是試驗機噴管的1.44倍。因此，現場Φ12 mm噴砂管噴出的砂子應該能完全覆蓋現場的接觸斑寬度(20 mm以內)。若噴砂管噴出的增黏砂分布密度是增黏的關鍵，則現場最佳噴砂量應該為57.6 g·min-1(=1.44×40 g·min-1)。基于上述比值，再考慮到砂粒對輪軌接觸表面的損傷，建議增黏砂最佳粒徑為 1.0～2.0 mm。

圖16 中國標準動車組裝備的噴砂管及其尺寸

上述估計并未考慮現場因各種氣流所致沙粒飛濺造成的有效砂粒損失、鋼軌無限長和適當冗余度等因素。為此，建議引入2.0～3.0的安全系數或有效增黏砂系數，即現場最佳撒砂量為115.2～172.8 g·min-1，取整115～175 g·min-1，而最佳粒徑保持1.0～2.0 mm不變。此最佳撒砂量與2008年英國鐵路報告的每列車2 000 g·min-1(但并未指明具體是什么列車、幾節(jié)編組以及多少組噴砂裝置)[15]和TB/T 3254—2011《機車、動車用撒砂裝置》中要求的0.3～1.5 L·min-1(約500～2 535 g·min-1)噴砂量有著顯著差距。必須承認，受制于現場諸多可量化和不可量化的因素，上述最佳撒砂量和最佳粒徑的推理過程并不十分嚴謹，未來仍需實驗室全比例試驗或現場試驗給予驗證。

4 結 論

(1)車輪—鋼軌高速接觸疲勞試驗機的測試結果顯示，無論在水、油或樹葉介質下，撒砂均可有效恢復輪軌黏著水平，且撒砂后黏著系數依然隨速度增高而下降，200 km·h-1下黏著系數在0.18以上。

(2)試驗機上開展的水介質下增黏試驗表明，增黏效果隨增黏砂粒徑的增大(在0.4～1.0 mm范圍內)而稍稍增強，撒砂量在40～100 g·min-1范圍內增加也有助于增黏。考慮到成本和黏著需求，確定試驗機的最佳撒砂量為40 g·min-1，最佳粒徑為0.85～1.00 mm。

(3)考慮到現場噴砂管直徑、復雜氣流所致砂粒損失、無限長鋼軌及適當冗余度等因素，建議現場最佳撒砂量為115～175 g·min-1，最佳粒徑為1.0～2.0 mm。

(4)同一速度下，油、樹葉懸濁液和水3種介質對應的黏著系數均依次增加，加增黏砂后亦如此，即其潤滑效果依次下降。

(5)增黏砂會導致接觸表面麻坑損傷，其外貌與經常增黏的機車車輪踏面非常類似。