吳萌嶺，周嘉俊，馬天和，劉寅虎

（1 同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804；2 南京浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司，南京 211800）

黏著機(jī)理的研究是軌道車輛輪軌關(guān)系的核心問題。輪軌間的黏著現(xiàn)象是列車牽引、制動(dòng)作用發(fā)生的基礎(chǔ)，鐵道車輛的制動(dòng)尤其離不開輪軌的黏著。列車制動(dòng)時(shí)黏著力不足會(huì)引起車輪滑行，造成車輪擦傷，導(dǎo)致停車距離超限，嚴(yán)重影響軌道車輛的運(yùn)營(yíng)安全。

輪軌間的黏著系數(shù)與許多因素有關(guān)，影響?zhàn)ぶ禂?shù)的主要因素是接觸表面的幾何形狀、軸重、環(huán)境溫度、輪軌之間的相對(duì)滾動(dòng)滑動(dòng)速度、摩擦接觸振動(dòng)等，但是實(shí)際應(yīng)用中，最關(guān)鍵的因素是輪軌表面狀態(tài)。當(dāng)在有水、油、樹葉等“第三介質(zhì)”污染的軌面條件下，輪軌間黏著系數(shù)將大大降低。

對(duì)于輪軌間黏著的研究，一般認(rèn)為，黏著系數(shù)與滑移率、速度關(guān)系較大，每種速度和滑移率都對(duì)應(yīng)某個(gè)黏著系數(shù)值，如圖1 所示。但是，目前對(duì)于黏著系數(shù)值的大小及影響因素，尚無統(tǒng)一的定論。

圖1 黏著系數(shù)—滑移率—速度曲線

1 輪軌黏著

1.1 黏著系數(shù)定義

通常把輪軌之間的最大切向作用力叫做黏著力，把黏著力與鋼軌對(duì)車輪的法向反力之比叫做黏著系數(shù)。黏著系數(shù)是表示車輛與鋼軌間黏著狀態(tài)的指標(biāo)，它表示了車輛的牽引力或制動(dòng)力傳遞給鋼軌的可能程度，具體地說就是車輪圓周方向的切向力與車輪垂直載荷之比的最大值［1］。

目前除了黏著系數(shù)這個(gè)名稱以外，還有假定黏著系數(shù)、要求黏著系數(shù)、計(jì)算黏著系數(shù)、有效黏著系數(shù)、實(shí)際黏著系數(shù)、可用黏著系數(shù)、利用黏著系數(shù)、牽引和制動(dòng)黏著系數(shù)［2］。

1.2 輪軌間黏著特性

輪軌間的黏著特性可以用黏著系數(shù)—滑移率曲線來描述。早在19 世紀(jì)，Hertz 發(fā)表了《論彈性固體的接觸》，基于Hertz 的理論，可以對(duì)輪軌接觸的法向力進(jìn)行計(jì)算。在干燥軌面的條件下，英國(guó)學(xué)者CARTER 于上世紀(jì)20 年代，利用解析法求解了二維彈性體滾動(dòng)接觸問題，并劃分出接觸斑中黏著區(qū)和滑動(dòng)區(qū)，得出了輪軌間切向力和蠕滑率之間的關(guān)系［3］。所得的黏著系數(shù)—滑移率關(guān)系如圖2（a）所示。后來在此基礎(chǔ)上，又發(fā)展出了JOHNSON K L 的三維無自旋彈性球滾動(dòng)接觸理論［4］、VERMEULEN P J 和JOHNSON K L 的 橢 圓接 觸 理 論［5］、沈 志 云 的 沈 氏 理 論［6］、KALKER［7-8］簡(jiǎn)化理論和精確理論、POLACH［9］的快速解法等。雖然Kalker 的輪軌蠕滑理論在鐵路中得到了廣泛的應(yīng)用，但是速度對(duì)黏著系數(shù)的影響在Kalker 的理論并未考慮。然而，試驗(yàn)結(jié)果卻表明速度對(duì)黏著系數(shù)的影響是顯著的。隨著滑移率的增大，輪軌間切向力首先會(huì)不斷增大到一飽和值，隨后便會(huì)開始下降，如圖2（b）所示。為了考慮速度的影響，各國(guó)學(xué)者從許多方面做出了不懈努力。ORE［10］、OHYAMA T［11］、KALKER［12］等嘗試在KALKER 理論中在滑動(dòng)區(qū)采用動(dòng)摩擦系數(shù)，在黏著區(qū)應(yīng)用靜摩擦系數(shù)。我國(guó)的陳厚嫦還嘗試在Kalker 理論基礎(chǔ)上考慮函數(shù)型摩擦系數(shù)［13］，對(duì)簡(jiǎn)化理論和精確理論進(jìn)行了修改。

圖2 黏著系數(shù)—滑移率特性曲線

雖然基于彈性力學(xué)黏著特性的理論研究已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但是對(duì)于實(shí)際黏著系數(shù)飽和點(diǎn)的大小及所對(duì)應(yīng)的滑移率，目前還是沒有定論。

在制動(dòng)工況下，黏著系數(shù)決定了可施加的制動(dòng)力的大小。當(dāng)制動(dòng)力大于黏著力時(shí)，輪對(duì)會(huì)出現(xiàn)滑行現(xiàn)象，車輪的運(yùn)行狀態(tài)將從微滑區(qū)過渡到滑動(dòng)區(qū)。目前的絕大多數(shù)輪軌滾動(dòng)接觸的研究，研究領(lǐng)域都局限于微滑區(qū)。但是制動(dòng)滑行工況，車輪的黏著狀態(tài)涉及到微滑區(qū)和滑動(dòng)區(qū)之間的過渡。對(duì)于滑動(dòng)區(qū)、微滑到滑動(dòng)的過渡過程的黏著研究，目前無論是理論還是試驗(yàn)都存在不足，尤其是由“第三介質(zhì)”引發(fā)的低黏著工況。目前對(duì)于有水、油、樹葉等“第三介質(zhì)”污染的低黏著工況，試驗(yàn)測(cè)試是最好的研究途徑。

2 水介質(zhì)工況下黏著試驗(yàn)研究

以最常見的水介質(zhì)為“第三介質(zhì)”，探究水介質(zhì)工況下的制動(dòng)黏著特性，利用1∶1 滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行黏著系數(shù)的測(cè)量試驗(yàn)。為取得較為完整的黏著系數(shù)—滑移率曲線，試驗(yàn)中將滑移率范圍盡量擴(kuò)大。

2.1 試驗(yàn)條件

制動(dòng)系統(tǒng)綜合試驗(yàn)臺(tái)為1∶1 全尺寸滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，利用帶有60 軌軌頭形狀，1.25 m 直徑的軌道輪來模擬無限長(zhǎng)的平直軌道。列車使用假車體和CRH380A 拖車轉(zhuǎn)向架進(jìn)行模擬，如下圖3 所示。試驗(yàn)臺(tái)由最右側(cè)的兩個(gè)牽引電機(jī)提供動(dòng)力，驅(qū)使軌道輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向架上面的輪對(duì)旋轉(zhuǎn)。試驗(yàn)臺(tái)最左側(cè)為4 個(gè)飛輪組，用以模擬列車的慣量。飛輪組左側(cè)為同步齒輪箱，保證帶有軌道輪的兩根軸轉(zhuǎn)速一致。假車體被與地面固連的反力架所固定，假車體上可以加載不同重量的砝碼以模擬不同的軸重。

圖3 制動(dòng)綜合系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)示意圖

試驗(yàn)中采用水泵及噴嘴向試驗(yàn)臺(tái)軌道輪與車輪接觸處噴水，如圖4 所示。噴水的水量為每個(gè)接觸面500 mL/min，由于水介質(zhì)的存在，每次試驗(yàn)開始前，均需要讓輪軌接觸區(qū)充分潤(rùn)滑，再進(jìn)行制動(dòng)。

圖4 噴頭位置示意圖

2.2 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)在水潤(rùn)滑的工況下進(jìn)行，為探究制動(dòng)工況下的黏著特性，輪軌間的滑移率盡量要設(shè)置地較大。試驗(yàn)選取3 種軸重等級(jí)、6 種速度等級(jí)，滑移率預(yù)設(shè)值為25%。試驗(yàn)流程如下：

（1）使用牽引電機(jī)將軌道輪與車輪牽引至一定速度。

（2）牽引至目標(biāo)速度后穩(wěn)定后，將電機(jī)控制模式切換為轉(zhuǎn)矩控制模式，以維持軌道輪在制動(dòng)過程中保持恒定速度。

（3）開啟水泵對(duì)輪軌接觸點(diǎn)灑水。

（4）對(duì)EBCU（電子制動(dòng)控制單元）預(yù)設(shè)防滑排氣滑移率極限值。

（5）開始對(duì)轉(zhuǎn)向架上一根軸施加制動(dòng)，實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)向架軸速、軌道輪速、扭矩儀力矩等參數(shù)。

（6）當(dāng)滑移率達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)EBCU 控制制動(dòng)缸一次排空。

（7）重復(fù)試驗(yàn)。

（8）改變?cè)囼?yàn)速度，重復(fù)1～7 步，直到全部速度工況試驗(yàn)完畢。

（9）改變軸重，重復(fù)1～8 步，直到全部軸重試驗(yàn)完畢。

試驗(yàn)過程中灑水一直進(jìn)行，通過采集記錄輪對(duì)受到的正壓力和切向力，軌道輪與制動(dòng)輪對(duì)的速度，實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻下的黏著系數(shù)—滑移率曲線。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)行了3 種軸重等級(jí)、6 種速度等級(jí)的黏著測(cè)試試驗(yàn)，軸重與速度的序號(hào)根據(jù)數(shù)值由小到大排列。每組包含5 次重復(fù)試驗(yàn)。通過5 組重復(fù)工況，擬合出當(dāng)前工況下的黏著系數(shù)—滑移率曲線。數(shù)據(jù)截取制動(dòng)開始指令和防滑閥排氣指令之間的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性較好。其中軸重等級(jí)1、速度等級(jí)1～6 及速度等級(jí)1、軸重等級(jí)1～3 的試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。隨著滑移率的增大，切向力與正壓力的比值先是增大到某一飽和值，該飽和值對(duì)應(yīng)的滑移率大約為1%左右。隨后在滑移率大約1%～5%的區(qū)段上，切向力與正壓力的比值隨著滑移率的增大而減小。但是如果滑移率進(jìn)一步增大，切向力與正壓力的比值將會(huì)出現(xiàn)一種上升的趨勢(shì)，且能夠上升到的數(shù)值遠(yuǎn)大于飽和值點(diǎn)的數(shù)值。

圖5 黏著系數(shù)—滑移率曲線

從圖中5 可以看出，在0～5%滑移率范圍內(nèi)，切向力與正壓力的比值隨著滑移率是先上升到某一飽和值點(diǎn)后下降的。隨著速度的增大，相同軸重下的飽和值點(diǎn)逐漸下降；相同速度條件下，飽和值點(diǎn)隨著軸重的增大而下降。這些0～5%滑移率范圍內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果，從趨勢(shì)上和經(jīng)典輪軌滾動(dòng)接觸理論是符合的。0～5%滑移率范圍內(nèi)，全部工況的飽和值點(diǎn)與速度及軸重的關(guān)系如下圖6 所示。

圖6 1%滑移率對(duì)應(yīng)的飽和值與速度、軸重關(guān)系

但是如果進(jìn)一步增大滑移率，切向力與正壓力的比值不像傳統(tǒng)理論所描述的一直下降，反而有所上升，到達(dá)25%滑移率時(shí)該比值是1%對(duì)應(yīng)飽和點(diǎn)該比值的1.2～1.6 倍，這是基于彈性力學(xué)的輪軌滾動(dòng)接觸理論所無法解釋的。目前對(duì)于水介質(zhì)工況下，5%～25% 滑移率之間出現(xiàn)切向力與正壓力比值上升的原因，尚未知曉。作者推測(cè)是由于輪軌間的大滑移作用產(chǎn)生了劇烈摩擦，極高的摩擦熱導(dǎo)致輪軌接觸區(qū)域內(nèi)水膜破裂，從而導(dǎo)致該現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3 結(jié) 論

（1）利用1∶1 滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行水介質(zhì)下的制動(dòng)黏著系數(shù)測(cè)量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明在滑移率0～5%范圍內(nèi)，切向力與正壓力的比值隨著滑移率先上升后下降。在大約1%滑移率處對(duì)應(yīng)著切向力與正壓力比值的飽和值點(diǎn)。隨著速度的增大，相同軸重下的飽和值點(diǎn)逐漸下降；相同速度條件下，該飽和值點(diǎn)隨著軸重的增大而下降。

（2）隨滑移率的增大切向力與正壓力的比值上升到一定的飽和值后，隨后略有下降，當(dāng)超過5%滑移率后，該比值又有上升的趨勢(shì)。