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第1章 輪軌關系與黏

1.1 輪軌關系

1825年9月27日，世界上條行駛蒸汽機車的性公用運輸設施，英國斯托克頓——達靈頓的鐵路正式通車，這是近代鐵路運輸業(yè)的開端。1876年，英國商人在上海修建的淞滬鐵路，被認為是在中國土地上修建的條鐵路。經(jīng)過100多年的發(fā)展，鐵路機車從蒸汽機車時展到內(nèi)燃機車時代，然后又跨越到電力機車時代。21世紀以來，鐵路運輸業(yè)得到空前的發(fā)展，高速鐵路網(wǎng)全球性的建設高峰時期已經(jīng)到來。

截至2016年底，我國鐵路營業(yè)里程已達到12.4萬km，其中高速鐵路2.2萬km，居世界位，占世界高鐵總里程的60%以上。尤其京滬高鐵、京廣高鐵、哈大高鐵、蘭新高鐵等一批重大項目建成通車，基本形成了以"四縱四橫"為主骨架的高速鐵路網(wǎng)。根據(jù)我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的規(guī)劃目標，到2025年，我國高速鐵路將達到3.8萬km左右，在已有的"四縱四橫"的基礎上，形成以"八縱八橫"主通道為骨架、區(qū)域連接線銜接、城際鐵路為補充的新的高速鐵路網(wǎng)[1]。

伴隨高鐵的快速發(fā)展，高速鐵路走出去已成為國家戰(zhàn)略。繼"客運高速"后，"貨運重載"也成為中國鐵路建設新重點。2014年4月2日，大秦鐵路成功組級實施了牽引重量3萬t重載列車運行試驗，成為世界上僅有幾個掌握3萬t鐵路重載技術的國家之一，使我國重載鐵路運輸技術達到水平。

鐵路運輸系統(tǒng)的基本工作原理是借助于輪軌滾動接觸作用，可以將數(shù)百噸甚至數(shù)萬噸列車的重量傳遞到軌道上，并能沿軌道由低速到高速發(fā)生移動[2]。如圖1.1所示，車輪和鋼軌分別具有不同的型面，當輪對沿軌道滾動時，每個車輪要傳遞幾噸到幾十噸載荷到鋼軌，輪軌材料因擠壓形成的接觸斑面積僅有約拇指大小，輪對和鋼軌不僅發(fā)生結構彈性變形、接觸斑附近材料發(fā)生彈性變形，而且在接觸斑處的小區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)塑性變形。輪對在軌道上滾動過程中，相對鋼軌不僅存在橫向滑動和縱向滑動，而且在輪軌接觸界面之間還存在相對轉(zhuǎn)動[3~5]，即產(chǎn)生輪軌白旋運動，因此輪軌接觸斑存在有橫向蠕滑力、縱向蠕滑力和白旋蠕滑力。當輪對發(fā)生橫向運動和搖頭運動時，尤其是車輛通過小半徑曲線、軌縫和道岔時，輪軌之間將發(fā)生沖擊振動。輪對過大的橫移導致輪緣和鋼軌內(nèi)側(cè)發(fā)生貼靠時，輪軌之間就要發(fā)生兩點接觸[6]。

圖1.1 輪軌關系問題

輪軌關系研究涉及剛體運動幾何學、機械設計、車輛動力學、摩擦學、固體力學(滾動接觸力學、彈塑性理論、斷裂力學和有限元等)、振動與噪聲、熱力學及材料學等方面的知識。此外，輪軌系統(tǒng)始終處在一個開放的環(huán)境中，輪軌接觸容易受到外界環(huán)境的影響，經(jīng)常服役于高寒、高溫、高濕、腐蝕、雨雪、高原風沙、霧霾、柳絮等極其復雜的環(huán)境中。因此，輪軌關系是一個復雜、多學科交叉、強非線性耦合系統(tǒng)。隨著鐵路事業(yè)的發(fā)展，多年來輪軌關系研究已逐漸分化為若干個既相互獨立又相互關聯(lián)的分支。目前輪軌關系研究內(nèi)容主要包括輪軌磨耗、滾動接觸疲勞、輪軌材料匹配、輪軌黏著、脫軌、輪軌噪聲、輪軌幾何型面匹配設計等方面[3](見圖1.1)。

輪軌關系問題作為鐵路運輸中基礎性的關鍵科學技術問題之一，是國際性難題，為此世界各國尤其是鐵路發(fā)達國家都投入了大量的人力和物力開展輪軌關系系列問題的研究[3]。為促進這項世界性難題的研究，國際輪軌系統(tǒng)接觸力學和磨耗會議(International Conference on Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel Systems)、國際重載運輸大會(International Heavy-haul Transport Congress)，國際輪軸大會(International Wheelset Congress)和國際車輛系統(tǒng)動力學會議(International Symposium on Dynamics of Vehicle on Roads and Tracks)等都設專題交流討論輪軌關系問題的研究進展。

1.2 輪軌界面黏

鐵路運輸過程當中，通過車輪與鋼軌接觸斑之間的黏著-蠕滑來傳遞牽引力。因此，輪軌界面黏著特性是影響列車牽引與制動的直接也是主要的因素，輪軌界面的黏著行為直接影響機車牽引功率的發(fā)揮、輪軌表面損傷、列車運行穩(wěn)定性和列車制動等諸多方面。機車處于牽引工況時，當機車的牽引力大于輪軌黏著力時，將造成車輪的持續(xù)空轉(zhuǎn)，使車輪踏面和鋼軌表面形成擦傷。[7]。機車處于制動工況，當機車的制動力大于輪軌黏著力時，將造成車輪的打滑，車輪打滑也會使鋼軌和車輪表面形成擦傷，如圖1.2所示。車輪與鋼軌擦傷會成為列車運行過程中的激擾，對車輛的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性造成嚴重影響。擦傷還有可能導致車輪和鋼軌表面出現(xiàn)熱裂紋、疲勞裂紋等一系列問題，嚴重的可能成為斷軌的誘發(fā)因素。同時車輪和鋼軌的擦傷也會增加機車車輛和軌道的維護成本。

圖1.2 輪軌擦傷

在車輪載荷P的作用下(見圖1.3)，輪軌接觸區(qū)發(fā)生彈塑性變形，形成橢圓形接觸斑。當車輪受到驅(qū)動力矩M作用向前滾動時，車輪和鋼軌材料在接觸區(qū)周圍發(fā)生彈塑性變形，從而在輪軌接觸面之間產(chǎn)生切向力F，且F=M/r(r為車輪半徑)。車輪切向力F即為牽引力，使機車車輪滾動前行。輪軌表面的這種接觸狀態(tài)常稱為黏著，黏著是一種狀態(tài)、現(xiàn)象[8]。輪軌界面黏著是一個動態(tài)變量，受到很多復雜因素的影響，它會隨時間、地點和環(huán)境因素的不同而發(fā)生變化，根據(jù)Hertz接觸理論，新輪軌接觸區(qū)域近似為一個橢圓，這個橢圓接觸斑又分為黏著區(qū)和蠕滑區(qū)，如圖1.4所示[9]。

圖1.3 車輪滾動模擬

圖1.4 輪軌黏著和蠕滑區(qū)[9]

黏著系數(shù)是表示車輪與鋼軌界面之間黏著狀態(tài)的重要指標[7]。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，是車輪網(wǎng)周方向的切向力與車輪垂直載荷之比的值。把輪軌界面?zhèn)鬟f的切向力F與垂向靜載荷P的比值定義為黏著系數(shù)μ：

1.1

輪軌接觸區(qū)域可能達到的黏著，稱為可用黏著?？赡莛ぶmax則對應圖1.5中車輪牽引力F的峰值，因此把Fmax與靜載荷P的比值定義為可用黏著系數(shù)μmax：

1.2

圖1.5 輪周牽引力與蠕滑率的關系

目前，除了黏著系數(shù)和可用黏著系數(shù)，還有假定黏著系數(shù)、要求黏著系數(shù)、計算黏著系數(shù)、利用黏著系數(shù)、黏著利用系數(shù)、制動牽引黏著系數(shù)等。[7]。

1) 假定黏著系數(shù)：假定輪軌間的垂向載荷在運行過程中是固定不變的，即黏著力的變化是由黏著系數(shù)的變化引起的，黏著力與運動狀態(tài)的關系就簡化成了黏著系數(shù)與運動狀態(tài)的關系。此時，黏著系數(shù)就成為假定值，它和假定不變的輪軌間垂向載荷的乘積就等于黏著力[10]。

2) 要求黏著系數(shù)：是指輪軌間的切向力除以輪軌間的垂向載荷得到的比值。此時的切向力不一定是切向力。要使車輪不滑行，要求黏著系數(shù)必須小于或等于實際黏著系數(shù)。

3) 計算黏著系數(shù)：它是根據(jù)線路上實測的輪軌黏著系數(shù)，再綜合其他影響因素修正后得到的，也就是黏著系數(shù)公式所計算出的黏著系數(shù)[7]。

我國內(nèi)燃機車的計算黏著系數(shù)公式為(寸為速度，下同)

1.3

我國電力機車的計算黏著系數(shù)公式為

1.4

歐洲鐵路常用的機車計算黏著系數(shù)公式為

1.5

日本既有線機車車輛計算黏著系數(shù)公式為

1.6

日本新干線動車組計算黏著系數(shù)公式為

1.7

4) 利用黏著系數(shù)[7]：根據(jù)不同應用條件的客觀要求(如防滑器的摩擦磨損特性、是否裝有閘瓦、閘片、車輪踏面狀態(tài)、軸重轉(zhuǎn)移狀況、氣候情況、運行區(qū)段線路情況、制動距離要求、列車運行速度等)進行人為選取。不同季節(jié)、不同地點、不同車型的利用黏著系數(shù)有所不同。在實際使用中，一般是先根據(jù)公式算得的黏著系數(shù)，再進行一定量的增減，作為設計依據(jù)。

5) 黏著利用系數(shù)：是把利用黏著系數(shù)與根據(jù)公式所得的黏著系數(shù)進行比較，將其比值作為黏著利用系數(shù)，它代表黏著利用程度。

6) 制動牽引黏著系數(shù)：輪對的運用工況是影響輪軌黏著系數(shù)的一個有效因素，因此制動黏著系數(shù)和牽引黏著系數(shù)大小是不同的，分別對應于輪軌系統(tǒng)的制動和牽引工況。

輪軌接觸行為的復雜性和強非線性耦合作用，導致輪軌界面黏著特性的復雜多變，使黏著系數(shù)具有性，變化范圍很大，受外界因素影響大，影響輪軌界面黏著的主要因素總結如圖1.6所示。

圖1.6 輪軌界面黏著影響因素

影響輪軌界面黏著的因素主要有：①輪軌界面狀態(tài)，當輪軌表面存在第三介質(zhì)污染物[11](水、油、油脂、水油混合、冰、雪、落葉、表面氧化鐵銹、霧霾、柳絮等)時，輪軌界面黏著特性將發(fā)生很大的變化，往往會造成輪軌黏著系數(shù)降低。例如，水介質(zhì)對黏著的影響尤為常見并且是影響的因素。因為水的存在形式具有多樣性，它包括液態(tài)水和蒸汽，如霧、露水等，會在輪軌表面形成很薄的水膜，對輪軌產(chǎn)生潤滑作用，使得黏著系數(shù)迅速降低[9]。②環(huán)境因素，當輪軌所處的外部環(huán)境因素改變時，如溫度(高寒、高溫)、濕度、磁場等發(fā)生變化時，輪軌黏著系數(shù)將隨之改變。試驗研究發(fā)現(xiàn)，相對濕度超過85%時輪軌黏著系數(shù)將急劇下降[4]。③運行參數(shù)，主要包括速度、軸重、蠕滑率、輪徑、曲線半徑等參數(shù)，這些參數(shù)的影響主要取決于現(xiàn)場的應用條件。④輪軌接觸狀態(tài)：主要包括輪軌表面粗糙度、軌道線路工況(坡道、曲線半徑)、沖角、氣動載荷等。⑤牽引力發(fā)揮[9]，機車所用的傳動形式在產(chǎn)生黏著的過程中起重要作用。交流牽引特性與輪軌接觸特性非常吻合。在相似軌面污染的情況下，與用直流電機驅(qū)動車輪情況相比，采用交流電機驅(qū)動車輪能提高黏著力。因此，交流牽引動力能夠在低速情況T產(chǎn)生高黏著，在高速情況下產(chǎn)生的黏著力也高于直流牽引動力。

1.3 輪軌黏著研究方法

輪軌界面黏著是一個復雜而多變的瞬態(tài)問題，而且很容易受外界條件影響，很難進行計算。目前針對輪軌黏著問題的研究主要有試驗研究和數(shù)值建模仿真研究兩種方法。

鑒于輪軌界面黏著的復雜性，輪軌黏著試驗成為研究黏著特性的主要方法和手段，試驗依靠不同類型和尺寸的試驗機進行。目前主要試驗方法有線路試驗、全尺寸輪軌模擬試驗、小比例輪軌模擬試驗和小尺寸雙盤對滾試驗。

輪軌黏著線路試驗一般通過實際運營的列車或?qū)ｉT試驗列車在實際線路上開展試驗，能真實測量實際運營過程中輪軌界面黏著系數(shù)的變化，但線路試驗結果是現(xiàn)場綜合影響因素的結果，一般獲得的輪軌黏著系數(shù)變化較大，離散性大，不利于輪軌黏著行為影響的分析與研究，且線路試驗由于耗時長、費用高而無法專門開展。日本在開發(fā)新型增黏噴砂器和增黏新材料過程中進行了多次線路輪軌增黏試驗，為優(yōu)化提高輪軌黏著行為提供了重要的結果[12]。在日本新干線951型試驗電車上進行的增黏試驗中，灑水時鋁磨耗粉末具有較好的殘留效果，車輛沒有發(fā)生滑行和空轉(zhuǎn)。而在新干線961型試驗電車上進行的下雪時的增黏試驗中，在軌而上降雪5cm條件下使用增黏滑塊減少頭車軸車輪的滑行和空轉(zhuǎn)，但從第二軸以后幾乎沒有發(fā)生滑行和空轉(zhuǎn)現(xiàn)象[13]。

全尺寸輪軌模擬試驗是在實驗室內(nèi)進行與現(xiàn)場輪軌尺寸相同的輪軌黏著行為