復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境下高速輪軌最佳撒砂增黏策略試驗(yàn)

張振先，譚 江，黃雙超，趙 鑫，溫澤峰，梁樹林

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111;2.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(chǔ)，決定牽引力、制動力以及導(dǎo)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(shù)(簡稱黏著系數(shù))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(fù)雜、多變的界面第三介質(zhì)，極大地影響輪軌間的黏著水平。世界范圍內(nèi)的廣泛試驗(yàn)和模擬研究表明[1-13]，干燥條件下黏著系數(shù)在0.3以上，無塵埃等污染時(shí)可達(dá)0.6～0.65；輪軌接觸界面存在水時(shí)，黏著系數(shù)會降至0.25以下，且隨速度的增加而降低，400 km·h-1時(shí)可降至0.02～0.04；存在油、樹葉等污染物時(shí)，黏著系數(shù)亦會隨速度的增加而降低，且大概率比同速度、水介質(zhì)下更低。當(dāng)輪軌黏著低至無法滿足正常牽引或制動要求時(shí)，即為低黏著問題，可導(dǎo)致車輪空轉(zhuǎn)和打滑，損傷接觸表面的同時(shí)，造成列車失控，進(jìn)而引發(fā)列車晚點(diǎn)、停過站臺、錯(cuò)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(yīng)對措施，現(xiàn)有數(shù)值模擬手段尚無法就包含增黏砂的復(fù)雜第三介質(zhì)進(jìn)行建模，相關(guān)研究只能在雙盤對滾等試驗(yàn)機(jī)上開展。

本文利用西南交通大學(xué)新近建成的車輪—鋼軌高速接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)[12]，在20 ℃左右的室溫環(huán)境下試驗(yàn)了水、油和樹葉3種污染下的低黏著和增黏試驗(yàn)。最高試驗(yàn)速度為200 km·h-1，重點(diǎn)研究不同第三介質(zhì)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(xì)(S)、中(M)和粗(L)砂的增黏效果，并試驗(yàn)噴砂量的影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，提出動車組運(yùn)行現(xiàn)場適用的最佳噴砂量和最佳增黏砂粒徑。

1 試驗(yàn)背景、設(shè)備和內(nèi)容

文獻(xiàn)中具有代表性的增黏試驗(yàn)及其主要結(jié)論見表1。從表1可見：以往增黏試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果的報(bào)道。

1.1 試驗(yàn)機(jī)

試驗(yàn)時(shí)所用車輪—鋼軌高速接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)也屬于雙盤對滾試驗(yàn)機(jī)，主要結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)最高速度為300 km·h-1。

表1 文獻(xiàn)中具有代表性的增黏試驗(yàn)及其主要結(jié)論

A，B—220 kW交流電機(jī)；1—安裝基礎(chǔ)；2—底座；3—機(jī)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(yùn)動裝置；9—沖角平臺；10—沖角調(diào)整裝置

圖1 車輪—鋼軌高速接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)

輪軌試樣尺寸結(jié)構(gòu)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(shè)置載荷時(shí)，保證測試輪、軌盤間最大接觸壓力與真實(shí)輪軌相同。且Hertz接觸理論計(jì)算結(jié)果表明，動車組14 t軸重下的真實(shí)輪軌接觸可由試驗(yàn)機(jī)上251 kg的法向載荷模擬。

圖2 輪軌試樣尺寸結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

試驗(yàn)中，輪、軌盤由2臺相互獨(dú)立的220 kW交流變頻電機(jī)分別驅(qū)動，通過設(shè)置其轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)預(yù)定蠕滑率的模擬。目前，試驗(yàn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)最高200 km·h-1速度(對應(yīng)輪盤轉(zhuǎn)速3 032 r·min-1)下的平穩(wěn)、長時(shí)間運(yùn)行，試驗(yàn)速度調(diào)整精度約為10～12 km·h-1。考慮到高速鐵路主要由大半徑曲線和直線段組成，試驗(yàn)中未考慮輪對橫移和沖角等與曲線通過相關(guān)的參數(shù)，雖然試驗(yàn)機(jī)有相應(yīng)的調(diào)節(jié)功能。另外，試驗(yàn)時(shí)未施加額外激勵(lì)，但試驗(yàn)結(jié)果中包含了輪、軌盤接觸面粗糙度激勵(lì)下的試驗(yàn)機(jī)本身振動信息。實(shí)測結(jié)果表明，模擬輪粗糙度在2.51～3.89間變化。

試驗(yàn)大致過程如下：①開機(jī)，輪、軌盤進(jìn)入低速運(yùn)行狀態(tài)；②將輪、軌盤速度升至試驗(yàn)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(diào)整2臺交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速差，實(shí)現(xiàn)不同蠕滑率模擬；⑤試驗(yàn)完成后，卸載，降速，關(guān)機(jī)。試驗(yàn)中用到的水、油和樹葉以及增黏砂通過獨(dú)立于試驗(yàn)機(jī)主體的噴射系統(tǒng)施加，可以在上述過程中的任一時(shí)刻啟動或停止。

為噴射各種液體(包括水、油和由樹葉加水?dāng)囁槎傻臉淙~懸濁液)和增黏砂，試驗(yàn)機(jī)設(shè)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(nèi)，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(nèi)，在壓力和重力作用下進(jìn)入管路，最終噴到接觸界面，且箱內(nèi)設(shè)有1個(gè)防止沉淀和管路堵塞的攪拌機(jī)，保證樹葉懸濁液勻質(zhì)噴出。增黏砂置于砂箱內(nèi)，在重力作用下掉落至噴砂管路，然后由壓縮空氣經(jīng)噴嘴吹出。3種介質(zhì)的預(yù)設(shè)流速均可通過調(diào)整相應(yīng)的流速或風(fēng)壓控制閥門實(shí)現(xiàn)，噴嘴末端距輪軌接觸界面距離為70 mm。對于油介質(zhì)試驗(yàn)，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(xì)砂進(jìn)入試驗(yàn)機(jī)軸承等核心部件及收集噴出的液體，分別設(shè)置了圖2所示的防護(hù)罩及吸氣式收集裝置。

1.2 主要試驗(yàn)參數(shù)定義及介質(zhì)準(zhǔn)備

所有試驗(yàn)均對應(yīng)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(nèi)變化。蠕滑率ξ定義為

(1)

式中：ωw和ωr分別為輪、軌盤轉(zhuǎn)速；rw和rr為它們的對應(yīng)半徑。

ξ>0時(shí)對應(yīng)牽引狀態(tài)，ξ<0時(shí)對應(yīng)制動狀態(tài)，ξ=0時(shí)對應(yīng)純滾動工況。以下僅試驗(yàn)了牽引工況。為表述方便，定義牽引系數(shù)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(jié)果中的最大牽引系數(shù)即為黏著系數(shù)。

試驗(yàn)時(shí)，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(jīng)加水?dāng)囁楹蠊┰囼?yàn)使用(如圖3所示)。增黏砂取自鐵路機(jī)車車輛現(xiàn)場，試驗(yàn)前，使用標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)中設(shè)置了40，70和100 g·min-1這3種撒砂量，其中，40 g·min-1是試驗(yàn)機(jī)噴射裝置可實(shí)現(xiàn)的最低撒砂量。

圖3 試驗(yàn)用成都本地樹葉

圖4 標(biāo)準(zhǔn)篩篩取的不同粒徑砂子照片

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 水介質(zhì)下

2.1.1 增黏砂粒徑的影響

撒砂量為40 g·min-1時(shí)，水介質(zhì)和100 km·h-1速度下噴撒M砂時(shí)的原始測量結(jié)果如圖5(a)所示。圖中：采樣次數(shù)對應(yīng)的采樣頻率為22 Hz，約每1.15 r采樣1次；并且低速時(shí)，采樣頻率跟速度呈線性關(guān)系，即保持約每1.15 r采樣1次，隨著速度的增加，對應(yīng)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(shù)在3%蠕滑率左右時(shí)達(dá)到最大，之后趨于基本穩(wěn)定，更多測量結(jié)果亦如是，故下文以3%蠕滑率時(shí)實(shí)測牽引系數(shù)的平均值作為黏著系數(shù)。為簡化表述，不同蠕滑率時(shí)段內(nèi)的平均牽引系數(shù)在下文簡稱牽引系數(shù)。

1.5%蠕滑率時(shí)不同增黏砂粒徑下的實(shí)測牽引系數(shù)如圖5(b)所示。從圖5(b)可見：撒砂后牽引系數(shù)較僅水介質(zhì)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(qiáng)。

將圖5中所示工況的實(shí)測牽引系數(shù)按不同蠕滑率進(jìn)行平均，得到撒砂量為40 g·min-1、速度為100 km·h-1下水介質(zhì)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(qiáng)，S，M和L砂可使黏著系數(shù)由僅存在水介質(zhì)時(shí)的0.111分別增至0.318，0.338和0.343。此趨勢與表1中各文獻(xiàn)一致。鑒于此，下文分析的增黏試驗(yàn)結(jié)果均針對L砂。

圖5 水介質(zhì)和100 km·h-1速度下增黏試驗(yàn)原始測量結(jié)果

圖6 水介質(zhì)加不同粒徑砂子時(shí)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(zhì)和1.5%蠕滑率時(shí)牽引系數(shù)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(qiáng)，即100 g·min-1下的牽引系數(shù)最大；當(dāng)撒砂量從40 g·min-1增至70 g·min-1時(shí)，同一速度下的牽引系數(shù)基本不變，而增至100 g·min-1時(shí)，牽引系數(shù)明顯上升；增黏工況下的牽引系數(shù)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(shù)分別為0.32，0.27，0.24和0.20。

圖7 水介質(zhì)和1.5%蠕滑率下牽引系數(shù)隨速度變化情況

關(guān)于撒砂量的影響，本試驗(yàn)結(jié)論與文獻(xiàn)[10]一致，但各文獻(xiàn)的結(jié)論并不一致(見表1)，造成這些結(jié)論差異的原因可能來自試驗(yàn)機(jī)尺寸、試驗(yàn)速度、增黏砂粒徑和試驗(yàn)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(yàn)臺撒砂量。所以，下文所展示增黏試驗(yàn)結(jié)果都對應(yīng)40 g·min-1撒砂量。

2.1.3 水加砂時(shí)黏著蠕滑特性

不同速度和水加砂介質(zhì)下的黏著—蠕滑特性曲線如圖8所示。圖中：實(shí)心或空心符號所處位置表示不同蠕滑率下牽引系數(shù)，其原始結(jié)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(yīng)該是高速下試驗(yàn)機(jī)振動加劇)。需說明的是，圖8中0%蠕滑率對應(yīng)的牽引系數(shù)并不等于0，而為0.01～0.02，由試驗(yàn)機(jī)振動和電機(jī)轉(zhuǎn)速控制誤差所致，這也可以做如下理解：本試驗(yàn)機(jī)的牽引系數(shù)測試精度約為0.01～0.02。

水介質(zhì)和水加砂介質(zhì)下黏著系數(shù)隨速度變化曲線(50 km·h-1下的黏著系數(shù)取2.5%蠕滑率對應(yīng)的結(jié)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(zhì))工況的黏著系數(shù)由0.403逐漸減至0.251，遠(yuǎn)高于水介質(zhì)下的0.136～0.064；增黏工況下黏著系數(shù)大于0.2的事實(shí)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(zhì)下黏著—蠕滑特性曲線

圖9 水和水加砂下黏著系數(shù)隨速度變化曲線

2.2 油、樹葉介質(zhì)下

油介質(zhì)下不同速度時(shí)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(shù)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(shù)由0.267逐漸減至0.181，也遠(yuǎn)高于油介質(zhì)下的0.092～0.049。

圖10 油介質(zhì)下不同速度時(shí)黏著—蠕滑特性曲線

樹葉懸濁液加砂時(shí)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(shù)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(shù)由0.346逐漸減至0.216，亦遠(yuǎn)高于樹葉懸濁液介質(zhì)下的0.119～0.055。

圖11 油和油加砂下黏著系數(shù)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(shù)隨速度變化曲線

綜上，油、樹葉介質(zhì)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(zhì)下測試結(jié)果的對比與討論

將水、油和樹葉懸濁液介質(zhì)下和增黏后的黏著系數(shù)繪制在一起，結(jié)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(shù)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(yàn)現(xiàn)象與以往文獻(xiàn)報(bào)道略有不同，例如Arias-Cuevas[7]，Zhu[14]和Wang等[9]均報(bào)道樹葉污染下的黏著系數(shù)較油脂更低。

圖14 水、油和樹葉懸濁液介質(zhì)下及加砂后黏著系數(shù)隨速度變化曲線

造成這種現(xiàn)象的原因主要有3點(diǎn)：①本文采用的試驗(yàn)機(jī)體積龐大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹小，試驗(yàn)速度高達(dá)200 km·h-1，無法保障手工施加葉片(文獻(xiàn)中小/微型、低速試驗(yàn)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(yuǎn)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(xiàn)場觀測的黑色樹葉污染層(配以微量水時(shí)，表現(xiàn)出極低黏著；是滾壓條件下樹葉有機(jī)質(zhì)與鋼化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果)；②速度高也可能在一定程度上影響結(jié)果；③試驗(yàn)盤加工成本高昂、安裝過程復(fù)雜，不可能像小/微試驗(yàn)一樣準(zhǔn)備很多不同的試驗(yàn)盤隨時(shí)更換，只能在每次試驗(yàn)前對其接觸表面進(jìn)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(yàn)結(jié)果。然而，從3種介質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，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(yàn)結(jié)果仍顯著低于水介質(zhì)工況，已然很靠近油介質(zhì)工況，說明樹葉顆粒的潤滑效果確實(shí)很好，這與文獻(xiàn)報(bào)道一致。

2.4 增黏砂副作用

增黏砂在增黏的同時(shí)，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(xiàn)場頻繁撒增黏砂后的機(jī)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(jìn)車輪滾動接觸疲勞的萌生，增加車輪維修成本，甚至威脅運(yùn)行安全。

3 討 論

總結(jié)車輪—鋼軌高速接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，其最佳增黏策略或控制技術(shù)如下：①增黏砂粒徑增大，增黏效果增強(qiáng)，最佳撒砂粒徑取0.85～1.0 mm(L砂)或適當(dāng)再稍大一點(diǎn)；②雖然黏著系數(shù)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(yàn)機(jī)比例效應(yīng)、鋼軌盤模擬等因素，試驗(yàn)工況不同于運(yùn)行現(xiàn)場，因此，上述試驗(yàn)機(jī)最佳增黏策略必須經(jīng)過適當(dāng)修正，才能應(yīng)用到現(xiàn)場。

圖15 水介質(zhì)下增黏試驗(yàn)后接觸表面與現(xiàn)場機(jī)車車輪踏面

現(xiàn)場噴撒的增黏砂因列車運(yùn)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(yàn)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)動車組配備Φ12 mm噴砂管(見圖16，8輛編組時(shí)有4根軸裝有8組噴砂裝置)，其截面面積是試驗(yàn)機(jī)噴管的1.44倍。因此，現(xiàn)場Φ12 mm噴砂管噴出的砂子應(yīng)該能完全覆蓋現(xiàn)場的接觸斑寬度(20 mm以內(nèi))。若噴砂管噴出的增黏砂分布密度是增黏的關(guān)鍵，則現(xiàn)場最佳噴砂量應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)動車組裝備的噴砂管及其尺寸

上述估計(jì)并未考慮現(xiàn)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(dāng)冗余度等因素。為此，建議引入2.0～3.0的安全系數(shù)或有效增黏砂系數(shù)，即現(xiàn)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(bào)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(jī)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(rèn)，受制于現(xiàn)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(yán)謹(jǐn)，未來仍需實(shí)驗(yàn)室全比例試驗(yàn)或現(xiàn)場試驗(yàn)給予驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

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

(2)試驗(yàn)機(jī)上開展的水介質(zhì)下增黏試驗(yàn)表明，增黏效果隨增黏砂粒徑的增大(在0.4～1.0 mm范圍內(nèi))而稍稍增強(qiáng)，撒砂量在40～100 g·min-1范圍內(nèi)增加也有助于增黏。考慮到成本和黏著需求，確定試驗(yàn)機(jī)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(xiàn)場噴砂管直徑、復(fù)雜氣流所致砂粒損失、無限長鋼軌及適當(dāng)冗余度等因素，建議現(xiàn)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(zhì)對應(yīng)的黏著系數(shù)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(dǎo)致接觸表面麻坑損傷，其外貌與經(jīng)常增黏的機(jī)車車輪踏面非常類似。