水介質下輪軌制動黏著試驗研究*

吳萌嶺，周嘉俊，馬天和，劉寅虎

（1 同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804；2 南京浦鎮海泰制動設備有限公司，南京 211800）

黏著機理的研究是軌道車輛輪軌關系的核心問題。輪軌間的黏著現象是列車牽引、制動作用發生的基礎，鐵道車輛的制動尤其離不開輪軌的黏著。列車制動時黏著力不足會引起車輪滑行，造成車輪擦傷，導致停車距離超限，嚴重影響軌道車輛的運營安全。

輪軌間的黏著系數與許多因素有關，影響黏著系數的主要因素是接觸表面的幾何形狀、軸重、環境溫度、輪軌之間的相對滾動滑動速度、摩擦接觸振動等，但是實際應用中，最關鍵的因素是輪軌表面狀態。當在有水、油、樹葉等“第三介質”污染的軌面條件下，輪軌間黏著系數將大大降低。

對于輪軌間黏著的研究，一般認為，黏著系數與滑移率、速度關系較大，每種速度和滑移率都對應某個黏著系數值，如圖1 所示。但是，目前對于黏著系數值的大小及影響因素，尚無統一的定論。

圖1 黏著系數—滑移率—速度曲線

1 輪軌黏著

1.1 黏著系數定義

通常把輪軌之間的最大切向作用力叫做黏著力，把黏著力與鋼軌對車輪的法向反力之比叫做黏著系數。黏著系數是表示車輛與鋼軌間黏著狀態的指標，它表示了車輛的牽引力或制動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］。

目前除了黏著系數這個名稱以外，還有假定黏著系數、要求黏著系數、計算黏著系數、有效黏著系數、實際黏著系數、可用黏著系數、利用黏著系數、牽引和制動黏著系數［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—滑移率曲線來描述。早在19 世紀，Hertz 發表了《論彈性固體的接觸》，基于Hertz 的理論，可以對輪軌接觸的法向力進行計算。在干燥軌面的條件下，英國學者CARTER 于上世紀20 年代，利用解析法求解了二維彈性體滾動接觸問題，并劃分出接觸斑中黏著區和滑動區，得出了輪軌間切向力和蠕滑率之間的關系［3］。所得的黏著系數—滑移率關系如圖2（a）所示。后來在此基礎上，又發展出了JOHNSON K L 的三維無自旋彈性球滾動接觸理論［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用，但是速度對黏著系數的影響在Kalker 的理論并未考慮。然而，試驗結果卻表明速度對黏著系數的影響是顯著的。隨著滑移率的增大，輪軌間切向力首先會不斷增大到一飽和值，隨后便會開始下降，如圖2（b）所示。為了考慮速度的影響，各國學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 理論中在滑動區采用動摩擦系數，在黏著區應用靜摩擦系數。我國的陳厚嫦還嘗試在Kalker 理論基礎上考慮函數型摩擦系數［13］，對簡化理論和精確理論進行了修改。

圖2 黏著系數—滑移率特性曲線

雖然基于彈性力學黏著特性的理論研究已經有了長足的進展，但是對于實際黏著系數飽和點的大小及所對應的滑移率，目前還是沒有定論。

在制動工況下，黏著系數決定了可施加的制動力的大小。當制動力大于黏著力時，輪對會出現滑行現象，車輪的運行狀態將從微滑區過渡到滑動區。目前的絕大多數輪軌滾動接觸的研究，研究領域都局限于微滑區。但是制動滑行工況，車輪的黏著狀態涉及到微滑區和滑動區之間的過渡。對于滑動區、微滑到滑動的過渡過程的黏著研究，目前無論是理論還是試驗都存在不足，尤其是由“第三介質”引發的低黏著工況。目前對于有水、油、樹葉等“第三介質”污染的低黏著工況，試驗測試是最好的研究途徑。

2 水介質工況下黏著試驗研究

以最常見的水介質為“第三介質”，探究水介質工況下的制動黏著特性，利用1∶1 滾動試驗臺進行黏著系數的測量試驗。為取得較為完整的黏著系數—滑移率曲線，試驗中將滑移率范圍盡量擴大。

2.1 試驗條件

制動系統綜合試驗臺為1∶1 全尺寸滾動試驗臺，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的平直軌道。列車使用假車體和CRH380A 拖車轉向架進行模擬，如下圖3 所示。試驗臺由最右側的兩個牽引電機提供動力，驅使軌道輪旋轉，帶動轉向架上面的輪對旋轉。試驗臺最左側為4 個飛輪組，用以模擬列車的慣量。飛輪組左側為同步齒輪箱，保證帶有軌道輪的兩根軸轉速一致。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 制動綜合系統試驗臺示意圖

試驗中采用水泵及噴嘴向試驗臺軌道輪與車輪接觸處噴水，如圖4 所示。噴水的水量為每個接觸面500 mL/min，由于水介質的存在，每次試驗開始前，均需要讓輪軌接觸區充分潤滑，再進行制動。

圖4 噴頭位置示意圖

2.2 試驗流程

試驗在水潤滑的工況下進行，為探究制動工況下的黏著特性，輪軌間的滑移率盡量要設置地較大。試驗選取3 種軸重等級、6 種速度等級，滑移率預設值為25%。試驗流程如下：

（1）使用牽引電機將軌道輪與車輪牽引至一定速度。

（2）牽引至目標速度后穩定后，將電機控制模式切換為轉矩控制模式，以維持軌道輪在制動過程中保持恒定速度。

（3）開啟水泵對輪軌接觸點灑水。

（4）對EBCU（電子制動控制單元）預設防滑排氣滑移率極限值。

（5）開始對轉向架上一根軸施加制動，實時采集轉向架軸速、軌道輪速、扭矩儀力矩等參數。

（6）當滑移率達到預設值時EBCU 控制制動缸一次排空。

（7）重復試驗。

（8）改變試驗速度，重復1～7 步，直到全部速度工況試驗完畢。

（9）改變軸重，重復1～8 步，直到全部軸重試驗完畢。

試驗過程中灑水一直進行，通過采集記錄輪對受到的正壓力和切向力，軌道輪與制動輪對的速度，實時計算出當前時刻下的黏著系數—滑移率曲線。

2.3 試驗結果

進行了3 種軸重等級、6 種速度等級的黏著測試試驗，軸重與速度的序號根據數值由小到大排列。每組包含5 次重復試驗。通過5 組重復工況，擬合出當前工況下的黏著系數—滑移率曲線。數據截取制動開始指令和防滑閥排氣指令之間的數據，試驗結果重復性較好。其中軸重等級1、速度等級1～6 及速度等級1、軸重等級1～3 的試驗結果如圖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，該飽和值對應的滑移率大約為1%左右。隨后在滑移率大約1%～5%的區段上，切向力與正壓力的比值隨著滑移率的增大而減小。但是如果滑移率進一步增大，切向力與正壓力的比值將會出現一種上升的趨勢，且能夠上升到的數值遠大于飽和值點的數值。

圖5 黏著系數—滑移率曲線

從圖中5 可以看出，在0～5%滑移率范圍內，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后下降的。隨著速度的增大，相同軸重下的飽和值點逐漸下降；相同速度條件下，飽和值點隨著軸重的增大而下降。這些0～5%滑移率范圍內的試驗結果，從趨勢上和經典輪軌滾動接觸理論是符合的。0～5%滑移率范圍內，全部工況的飽和值點與速度及軸重的關系如下圖6 所示。

圖6 1%滑移率對應的飽和值與速度、軸重關系

但是如果進一步增大滑移率，切向力與正壓力的比值不像傳統理論所描述的一直下降，反而有所上升，到達25%滑移率時該比值是1%對應飽和點該比值的1.2～1.6 倍，這是基于彈性力學的輪軌滾動接觸理論所無法解釋的。目前對于水介質工況下，5%～25% 滑移率之間出現切向力與正壓力比值上升的原因，尚未知曉。作者推測是由于輪軌間的大滑移作用產生了劇烈摩擦，極高的摩擦熱導致輪軌接觸區域內水膜破裂，從而導致該現象的出現。

3 結 論

（1）利用1∶1 滾動試驗臺進行水介質下的制動黏著系數測量試驗，試驗結果證明在滑移率0～5%范圍內，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%滑移率處對應著切向力與正壓力比值的飽和值點。隨著速度的增大，相同軸重下的飽和值點逐漸下降；相同速度條件下，該飽和值點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，當超過5%滑移率后，該比值又有上升的趨勢。