常崇義，陳 波，梁海嘯，高 翔，蔡園武

（1. 中國(guó)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. 高速鐵路系統(tǒng)試驗(yàn)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)室，北京 100081；3. 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)中心轉(zhuǎn)向架開(kāi)發(fā)部，山東 青島 266111；4. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

輪軌黏著系數(shù)是衡量輪軌間傳遞最大切向力能力的指標(biāo)，根據(jù)輪軌之間相互作用關(guān)系和黏著利用機(jī)制的不同可分為牽引黏著系數(shù)和制動(dòng)黏著系數(shù)。影響輪軌黏著系數(shù)的因素有速度、軸重、沖角和輪軌接觸表面狀態(tài)等［1-2］。在清潔干燥條件下，輪軌黏著系數(shù)較高，一般在0.25～0.60 之間［3-4］，不會(huì)對(duì)列車的牽引和制動(dòng)產(chǎn)生不利影響。與清潔干燥條件相比，常見(jiàn)的雨雪天氣會(huì)造成輪軌黏著系數(shù)明顯減小。在雨雪天氣下，列車的運(yùn)行速度和輪軌接觸表面粗糙度是影響輪軌黏著系數(shù)的重要因素［5～7］。在水介質(zhì)條件下，輪軌黏著系數(shù)隨著輪軌接觸表面粗糙度的增大而增大，且在高速區(qū)段的增大幅度較低速區(qū)段大［7］。為了摸清符合我國(guó)普速鐵路的輪軌牽引黏著系數(shù)，從1988年至1991年通過(guò)線路試驗(yàn)，獲得了中國(guó)機(jī)車車輛在干、濕軌面時(shí)120 km·h-1速度以內(nèi)的輪軌牽引黏著系數(shù)［8］。1990年，日本利用200 系和951 型電動(dòng)車組在日本新干線軌面噴水條件下進(jìn)行輪軌牽引黏著系數(shù)測(cè)試，獲得270 km·h-1速度以內(nèi)的輪軌牽引黏著系數(shù)分布圖［9］。法國(guó)和德國(guó)也根據(jù)本國(guó)高速鐵路的特點(diǎn)和輪軌黏著利用的方式，通過(guò)試驗(yàn)研究建立了自己的輪軌牽引黏著系數(shù)分布圖［10］，但是這些測(cè)試和試驗(yàn)的最高速度均不超過(guò)300 km·h-1。

輪軌黏著系數(shù)對(duì)高速列車的安全運(yùn)行至關(guān)重要，我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了復(fù)興號(hào)動(dòng)車組時(shí)速350 km 實(shí)際運(yùn)營(yíng)，目前正在開(kāi)展下一代時(shí)速400 km 高速動(dòng)車組的基礎(chǔ)性研究。高速輪軌黏著極限是否可以支撐更高速度下動(dòng)車組的加、減速要求是一個(gè)迫切需要研究的現(xiàn)實(shí)課題。到目前為止，300 km·h-1以上的輪軌黏著系數(shù)只能靠經(jīng)驗(yàn)方法處理獲得，缺乏有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

本文利用全尺寸高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)，采用與線路輪軌牽引黏著系數(shù)測(cè)試時(shí)基本相同的試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)，在將試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果與線路試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，研究時(shí)速400 km 速度級(jí)內(nèi)水介質(zhì)條件下車輪踏面低、中、高粗糙度水平時(shí)的牽引黏著系數(shù)分布圖，并與日本新干線的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析，提出我國(guó)高速輪軌水介質(zhì)條件下的牽引黏著系數(shù)與速度的關(guān)系表達(dá)式。

1 試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)與線路試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證

利用1∶1高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)，依據(jù)高速輪軌黏著試驗(yàn)方法［7］，開(kāi)展時(shí)速400 km速度級(jí)內(nèi)輪軌間水介質(zhì)條件下的牽引黏著試驗(yàn)。為驗(yàn)證試驗(yàn)臺(tái)和黏著試驗(yàn)方法的有效性，在高速輪軌臺(tái)架黏著試驗(yàn)中采用與線路黏著測(cè)試時(shí)基本相同的試驗(yàn)條件，將試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)與線路試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。線路牽引黏著系數(shù)試驗(yàn)的情況：CR400BF型動(dòng)車組在大西客專雨雪天氣條件下進(jìn)行滿級(jí)牽引時(shí)部分車輪出現(xiàn)了空轉(zhuǎn)，通過(guò)車輪空轉(zhuǎn)信號(hào)分析輪軌黏著破壞點(diǎn)，利用牽引桿上測(cè)力傳感器測(cè)得的牽引力數(shù)據(jù)除以軸重獲得牽引黏著系數(shù)，線路黏著試驗(yàn)時(shí)大西客專鋼軌接觸表面縱向粗糙度Ra為0.6～0.8 μm。

在高速輪軌臺(tái)架黏著試驗(yàn)中采用與線路黏著試驗(yàn)基本相同的試驗(yàn)條件，如對(duì)軌道輪進(jìn)行打磨處理，輪軌間噴0～5 ℃的冰水等。

試驗(yàn)臺(tái)與大西客專線路的牽引黏著系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖1所示。從圖1看出：利用試驗(yàn)臺(tái)測(cè)得軌道輪接觸表面縱向粗糙度Ra為0.6～0.8 μm 范圍內(nèi)的牽引黏著系數(shù)成帶狀分布，且在160～300 km·h-1速度范圍內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)與線路試驗(yàn)的結(jié)果有較好的一致性；在120～160 km·h-1和300～350 km·h-1速度范圍內(nèi)線路試驗(yàn)的牽引黏著系數(shù)與試驗(yàn)臺(tái)的略有差別，主要原因是線路黏著試驗(yàn)受動(dòng)車組牽引特性曲線的限制，而試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)則沒(méi)有這方面的限制。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)與線路牽引黏著系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2 時(shí)速400 km速度級(jí)內(nèi)輪軌牽引黏著試驗(yàn)方案

噴水量、輪軌接觸表面粗糙度、速度對(duì)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?。?］。在高速條件下噴水量大于200 ml·min-1時(shí)輪軌黏著系數(shù)隨噴水量的增加將不再減?。ū３植蛔儯?］，試驗(yàn)中輪軌接觸界面的噴水量為300 ml·min-1（常溫）。利用Mitutoyo粗糙度測(cè)量?jī)x對(duì)我國(guó)服役高速動(dòng)車組車輪和高速鐵路鋼軌接觸表面粗糙度進(jìn)行了大量調(diào)查，得到的車輪接觸表面名義滾動(dòng)圓處粗糙度的散點(diǎn)圖如圖2所示，鋼軌接觸表面光帶中心處粗糙度的散點(diǎn)圖如圖3所示。從圖2看出：車輪周向粗糙度（車輪橫向紋理）主要集中在0.4～0.6 μm范圍內(nèi)。從圖3看出：軌頂縱向粗糙度（鋼軌橫向紋理）主要集中在0.4～0.6 μm 范圍內(nèi)。輪軌接觸表面橫向紋理的粗糙度對(duì)水介質(zhì)條件下的輪軌黏著影響更大，并且起主導(dǎo)作用［5］。因此，試驗(yàn)中把車輪接觸表面名義滾動(dòng)圓處周向粗糙度分別控制在0.3～0.4，0.4～0.6和0.7～0.8 μm范圍內(nèi)；為了偏安全考慮，把軌道輪接觸表面光帶中心處的縱向粗糙度控制在0.3～0.4 μm范圍內(nèi)。

圖2 車輪接觸表面名義滾動(dòng)圓處粗糙度分布

圖3 鋼軌接觸表面光帶中心處粗糙度分布

試驗(yàn)工況1：高速輪軌臺(tái)架黏著試驗(yàn)中車輪材料為ER8 車輪鋼，踏面為L(zhǎng)MA型面；軌道輪材料為U71MnK 鋼軌鋼，廓形為TB60型面。試驗(yàn)速度范圍為40～440 km·h-1，輪對(duì)橫移量為0 mm，輪對(duì)沖角為0 mrad，施加85 kN 試驗(yàn)垂向恒定載荷（相當(dāng)于軸重17 t），最大縱向蠕滑率為1%，每個(gè)工況重復(fù)3次試驗(yàn)。

試驗(yàn)工況2：車輪踏面為S1002CN型面，試驗(yàn)速度范圍為50～400 km·h-1，施加70 kN 試驗(yàn)垂向恒定載荷（相當(dāng)于軸重14 t），其他條件與試驗(yàn)工況1相同。

3 時(shí)速400 km速度級(jí)內(nèi)輪軌間水介質(zhì)條件下?tīng)恳ぶ囼?yàn)結(jié)果

3.1 車輪粗糙度影響

1）車輪低粗糙度水平（Ra為0.3～0.4 μm）

車輪低粗糙度水平和水介質(zhì)條件下17 t 和14 t軸重時(shí)牽引黏著系數(shù)隨速度的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 車輪低粗糙度時(shí)牽引黏著系數(shù)隨速度變化規(guī)律

從圖4 看出：車輪低粗糙度水平和水介質(zhì)條件下?tīng)恳ぶ禂?shù)隨速度的增加而減??；牽引黏著系數(shù)從40 km·h-1速度時(shí)的0.141～0.180 減小至200 km·h-1時(shí)的0.034～0.036，且隨速度的增加減小得較快；速度繼續(xù)增加到440 km·h-1牽引黏著系數(shù)減小為0.016～0.021，且隨速度的增加減小得較為緩慢；在相同速度下，14 t軸重時(shí)的牽引黏著系數(shù)比17 t軸重的稍大。

根據(jù)17 t軸重的試驗(yàn)結(jié)果，擬合出車輪低粗糙度水平和水介質(zhì)條件下?tīng)恳ぶ禂?shù)與速度的關(guān)系表達(dá)式為

式中：μ為牽引黏著系數(shù)；v為速度，km·h-1。

2）車輪中等粗糙度水平（Ra為0.4～0.6 μm）

車輪中等粗糙度水平和水介質(zhì)條件下17 t 和14 t 軸重時(shí)輪軌牽引黏著系數(shù)隨速度的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 車輪中等粗糙度時(shí)牽引黏著系數(shù)隨速度變化規(guī)律

從圖5 看出：車輪中等粗糙度水平和水介質(zhì)條件下?tīng)恳ぶ禂?shù)隨速度的增加而減?。粻恳ぶ禂?shù)從40 km·h-1速度時(shí)的0.130～0.180，隨速度的增加緩慢減小到440 km·h-1時(shí)的0.022～0.025；在相同速度下，14 t 軸重時(shí)的牽引黏著系數(shù)與17 t軸重的差別不大。

根據(jù)17 t軸重的試驗(yàn)結(jié)果，擬合出車輪中等粗糙度水平和水介質(zhì)條件下?tīng)恳ぶ禂?shù)與速度的關(guān)系表達(dá)式為

3）車輪高粗糙度水平（Ra為0.7～0.8 μm）

車輪高粗糙度水平和水介質(zhì)條件下輪軌牽引黏著系數(shù)隨速度的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 車輪高粗糙度時(shí)牽引黏著系數(shù)隨速度變化規(guī)律

從圖6 看出：車輪高粗糙度水平和水介質(zhì)條件下?tīng)恳ぶ禂?shù)隨速度的增加而減?。粻恳ぶ禂?shù)從40 km·h-1速度時(shí)的0.173～0.201，隨速度的增加緩慢減小到440 km·h-1時(shí)的0.041～0.045；在相同速度下，14 t 軸重時(shí)的牽引黏著系數(shù)與17 t軸重的差別不大。

根據(jù)17 t軸重的試驗(yàn)結(jié)果，擬合出車輪高粗糙度水平和水介質(zhì)條件下?tīng)恳ぶ禂?shù)與速度的關(guān)系表達(dá)式為

3.2 輪軌牽引黏著系數(shù)分布規(guī)律

輪軌滾動(dòng)接觸界面水介質(zhì)條件下，車輪踏面低、中、高粗糙度水平下17 t軸重時(shí)的牽引黏著系數(shù)分布規(guī)律如圖7所示。

圖7 水介質(zhì)條件下高速輪軌牽引黏著系數(shù)分布規(guī)律

從圖7 看出：在水介質(zhì)條件下車輪表面粗糙度水平一定時(shí)牽引黏著系數(shù)隨速度的增加而減?。徊煌乃俣葏^(qū)間車輪表面粗糙度水平對(duì)黏著系數(shù)影響不同。在40～80 km·h-1速度范圍內(nèi)Ra為0.3～0.4 μm 時(shí)的牽引黏著系數(shù)比Ra為0.4～0.6 μm 時(shí)略高，且隨著速度的增加Ra分別為0.3～0.4 μm和0.4～0.6 μm時(shí)對(duì)應(yīng)的牽引黏著系數(shù)的差值逐漸縮小到0；在80～440 km·h-1范圍內(nèi)，相同速度下低粗糙度對(duì)應(yīng)的牽引黏著系數(shù)也低；在40～440 km·h-1速度范圍內(nèi)，Ra分別為0.4～0.6 μm 和0.7～0.8 μm 時(shí)對(duì)應(yīng)的牽引黏著系數(shù)的差值始終保持在0.036左右。

車輪表面低、中、高粗糙度水平下輪軌牽引黏著系數(shù)隨速度的變化率如圖8所示。

從圖8 看出：車輪表面粗糙度影響牽引黏著系數(shù)隨速度增加的變化率，速度在40～200 km·h-1范圍內(nèi)車輪表面粗糙度Ra為0.3～0.4 μm時(shí)的牽引黏著系數(shù)隨速度的增加減小得較快，牽引黏著系數(shù)減小幅度為80%左右，而Ra為0.7～0.8 時(shí)牽引黏著系數(shù)減小幅度為44%左右；在200～440 km·h-1范圍內(nèi)牽引，黏著系數(shù)隨速度的增加減小得較慢。

圖8 車輪低、中、高粗糙度水平時(shí)輪軌牽引黏著系數(shù)隨速度增加的變化率

3.3 與日本新干線試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

日本新干線軌面噴水條件下測(cè)試獲得的30～270 km·h-1速度范圍內(nèi)牽引黏著系數(shù)分布［9］如圖9所示，利用日本新干線30～300 km·h-1速度范圍內(nèi)的輪軌黏著系數(shù)分布的下限擬合出的輪軌黏著系數(shù)與速度的關(guān)系為μ=13.6/(v+85)。測(cè)試中使用的200系新干線動(dòng)車組的車輪直徑為860～910 mm，設(shè)計(jì)軸重為17 t［11］，新干線鋼軌采用日本JISE 1101-2001 標(biāo)準(zhǔn)60 kg·m-1鋼軌，車輪采用JPARC圓弧型車輪型面。

圖9 水介質(zhì)條件下試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)與日本新干線測(cè)試結(jié)果對(duì)比

利用1∶1 高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)獲得車輪表面中等粗糙度水平（Ra為0.40～0.60 μm）時(shí)水介質(zhì)條件下的輪軌黏著系數(shù)分布規(guī)律（軸重17 t，輪徑910 mm），與日本200 系新干線動(dòng)車組的線路濕軌測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖9所示。

從圖9 看出：在40～270 km·h-1范圍內(nèi)1∶1高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)與日本200 系新干線動(dòng)車組現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的輪軌黏著系數(shù)分布規(guī)律基本一致，進(jìn)一步說(shuō)明全尺寸試驗(yàn)臺(tái)黏著試驗(yàn)結(jié)果與線路試驗(yàn)結(jié)果能取得較好的一致性。

利用1∶1 高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)獲得的車輪中等粗糙度水平下40～440 km·h-1速度范圍內(nèi)輪軌黏著系數(shù)分布的下限，擬合出的黏著系數(shù)與速度的關(guān)系為

式（4）把輪軌黏著系數(shù)的速度范圍通過(guò)高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)從40～300 km·h-1拓展到440 km·h-1，推薦用于我國(guó)高速列車水介質(zhì)條件下?tīng)恳ぶ禂?shù)的計(jì)算。

4 結(jié) 論

（1）在試驗(yàn)條件基本相同的情況下，全尺寸輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)與大西客運(yùn)專線實(shí)車在160～300 km·h-1速度范圍內(nèi)的牽引黏著系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果獲得較好的一致性，驗(yàn)證了臺(tái)架試驗(yàn)方法的有效性。

（2）在水介質(zhì)條件下，同等輪軌粗糙度水平時(shí)牽引黏著系數(shù)隨速度的增加而減小。速度較低時(shí)（40～200 km·h-1）的牽引黏著系數(shù)隨速度的增加減小較快，速度較高時(shí)（200～440 km·h-1）的牽引黏著系數(shù)隨速度的增加減小較慢。

（3）在水介質(zhì)條件下，對(duì)于40～440 km·h-1速度范圍內(nèi)的各個(gè)速度級(jí)，車輪高粗糙度水平（Ra為0.7～0.8 μm）時(shí)的牽引黏著系數(shù)比中等粗糙度水平（Ra為0.4～0.6 μm）時(shí)的均增加0.036左右。

（4）在水介質(zhì)條件下，利用高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)獲得的車輪中等粗糙度水平（Ra為0.40～0.6 μm）時(shí)的牽引黏著系數(shù)結(jié)果與日本200 系新干線動(dòng)車組在40～270 km·h-1范圍內(nèi)的結(jié)果有較好的一致性，說(shuō)明試驗(yàn)臺(tái)結(jié)果的可用性。