（机械工程专业论文）油介质下轮轨粘着特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 列车的运行要借助于轮轨之间粘着和制动，轮轨之间的最大粘着力受到接触斑上 的粘着系数( 摩擦系数) 的限制，因此轮轨关系中粘着问题是与高速铁路运营密切关 联的带有基础性的研究课题，轮轨粘着问题的研究对提高和控制列车牵引力利用，保 障我国高速铁路的运营安全具有非常重要的理论指导作用。 论文利用j d 1 轮轨模拟试验机开展了不同介质下的轮轨粘着试验，研究了油、油 水混合物、油水砂混合物、磁场、粗糙度、速度等对轮轨粘着系数的影响，分析了介 质对轮轨粘着特性的影响机理。论文通过研究得到以下几个结论： 1 污油、油水混合物、油水砂混合物三种介质工况下，轮轨粘着系数均随轴重增 加而增大；相同轴重条件下，油水砂介质下的轮轨粘着系数最大，油水介质下的轮轨 粘着系数最小。 2 污油、油水混合物、油水砂混合物三种介质工况下，轮轨粘着系数均随速度增 加而降低。 3 水油介质工况下，轮轨粘着力较小，磁场作用后将显著增加轮轨粘着力，其中 水介质下轮轨粘着力增加2 0 ，油介质下增加达5 0 。 4 水油介质工况下，磁场作用时速度对轮轨粘着力影响不大。 5 水油介质工况下，轮轨表面粗糙度对轮轨粘着特性具有明显影响，随表面粗糙 度减小轮轨粘着系数呈现降低趋势。 关键词：粘着系数；轮轨；油：水：磁力 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t r a i n sn mm u s tb e 、析t h 廿1 ea i do fr a i l w h e e la d l l e s i o na i l db r ：l l 【e ，t l l el 鹕e s ta d h e s i o n f 0 ei sl 血i t e db yt h ea d l l e s i o nc o e 街c i 即t ( 衔c t i o nc o e 伍c i 饥t ) o fc o n t a c tz o n eb e 研e 朗 w h e e l r a i l ，n l e r e f o r et l l ea d l l e s i o no f 、h e e 忻a i li s c l o s e l yr e l a t e d t oh i 曲s p e c dm i l w a y o p 吲c o rw i t hb a s i cr e s e a r c h w h e e l r a i la d h e s i o nr e s e a r c hw i l li n l p r o v et h eu s eo f h i 曲。s p e e d 胁昀c t i o n ，吼s u r e 也eh i 曲s p e e dr a i l r o a d so p e r 撕o ns a f e 吼 t h ea d h e s i o ne x p 耐m e i l t so f 、h l r a i lw e r ec a 砸e do u t u s i n gaj d 1w h e e l r a i l s i i i l u l a t i o nt e s t i n gm 耐l i n el l l l d e rd i 仃酹e n tm e d i u l nc o n d i t i o n s r h ee f f e c t so fo i l w a t e r 勰d s 勰d i n go na d l l e s i o nc o e 伍c i e n to f 、他e e 竹a i lh 嬲b e c i ls t u d i c di n ( 1 e t a i l s f u n l l c n i l o r e t h e e 依娥o fd i f l 衙tm e d i u mo na d l l e s i o nc h 觚蛾舐s t i co f ，h e e l r a i lh a sb e c na n a l l i ，z e d m a i n c o n c l u s i o n sa 1 ed r a w va sf o u o w s ： 1 w i t l la ni n c r e 弱i n ga x l el o a d ，t h ea d h e s i o nc o e 伍c i e mo fw h e e l r a i lw o u l di n c r e 觞e 1 l i i d e ro i l ，o i l 觚dw 锄e rm 政t l l r e ，o i l ，w a t e ra i l ds 龇i dm i x t l l r ec o n d i t i o n s u n e rt l l es 锄ea x l e l o a dc o n d i t i o n ，t h ea d h e s i o nc o e 伍c i 锄t 岫d e ro i l ，w a t e r 觚ds 锄dm i x t u r ei s l a r g e s t t l l e a d h e s i o nc o e 伍c i e n ti ss m a l l e s tw i mm i x e do i la n dw a t e r - 2 w i 也观i i l c r e 硒i n gs p e e d ，t h ea d h e s i o nc o e 衔c i e i l to fw h e e l r a j ld e c r e a s e su 1 1 d e ro i l w a t e ra n ds a n d i n gc o n d i t i o n s 3 t h ea d l l e s i o nf o r c eo fw h e e l r a i li ss m a l ll l l l d e rw a t e ra n do i l c o n d i t i o n s t h e m 孵l e t i c6 e l dc 趾i 1 1 c r e 嬲eo b v i o u s l ya d h e s i o nf o r c eo fw h e e l r a i lu n d e rw a t e r 锄do i l c o n d i t i o n s t h ei i l c r e a u s em t eo fa d h e s i o nf 1 0 r c eu 1 1 d e rw a t e rc o n d i t i o ne x c e e d s2 0 锄dm e i n c r e 勰er a t eo fa ( 1 h 懿i o nf o r c eu n d e ro i lc o n d i t i o ni s5 0 4 u n d e rw a t e r 趾do i lc o n d i t i o n s ，m es p e c dh a u sn oo b v i o u se 仔t0 na d l h e s i o nf o r c eo f w h e 训m i lw h 锄m a 弘萌cf i e l di su s c d 5 t h es l l i f a c c r o u g l l n 髓s o fw h e e l r a i lh a sa0 b v i o u si n n u c eo n a d l l e s i o n 6 h a r a 曲e r i s t i cu n d e rw a t e ra n do i lc o n d i t i o n s w i t l lt h ed e c r c 嬲eo fs u r f a c er o u g l m e s s ，也e a d h e s i o nc o e 伍c i e n to fw h e e l r a i lh a sa s l i g h td r o p k e yw o r d s ：a 曲e s i 仙c 佑c i e n t ；w h e 出r a n ；伽；w a t e r ； m a g n e l e i cf o r c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 轮轨粘着概述 第1 章绪论 轮轨关系问题是铁路运输中基础性的关键科学技术问题之一。轮轨关系问题研究 十分复杂，其涉及刚体运动几何学、机械设计、动力学、摩擦学、固体力学、热力学、 振动和噪音等多个学科。列车的运行借助于轮轨之间粘着和制动作用，轮轨之间的最 大粘着力要受到接触斑上的粘着系数( 摩擦系数) 的限制。粘着系数定义为牵引力与 法向力的比值，它对环境条件十分敏感，如轴重、速度、污染、气候等。实际机车车 辆的设计和加工中，都希望尽可能地发挥和利用粘着效果，但是许多问题，如随着车 速的提高粘着系数下降，轴重对轮轨粘着系数的影响等，至今还未弄清楚。随着我国 高速和重载铁路的发展，对轮轨粘着问题的研究就显得十分重要和急迫。 1 1 1 轮轨粘着 机车的车轮牵引力依赖于轮轨间的粘着。在车轮载荷重p 的作用下( 图1 1 ) ，轮 轨接触区域发生弹塑性变形，形成椭圆形接触区域。当车轮受到驱动力矩m 作用下向 前滚动时，车轮和钢轨材料在接触区周围发生弹塑性变形，从而在轮轨接触面之间产 生切向力，且f = 朋缓( 天为机车车轮半径) 。车轮切向力f 即为牵引力，使机车车轮 滚动前行。轮轨表面的这种接触状态常称为粘着，粘着是一种状态、现象【l 】。 粘着是一个动态随机变量，受到很多复杂因素的影畹，它会随时间、地点和环境 因素的不同而发生变化。根据h e n z 接触理论，新轮轨接触区域近似为一个椭圆，这个 椭圆接触斑又分为粘着区和蠕滑区，如图1 2 所示【2 1 。 图1 1 车轮滚动模拟 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 2 粘着系数 图1 2 粘着和蠕滑区 轮轨间传递的切向力，与垂向静载荷重尸的比值定义为粘着系数p ( 图1 1 ) = f 尸( 1 1 ) 轮轨接触区域可能达到的最大粘着，称为可用粘着。最大可能粘着力r 眦则对应 图1 - 3 中车轮牵引力，的峰值。可认为r 嗽与静载荷重p 之比值称为可用粘着系数： 1 1 3 蠕滑率 图l - 3 轮周牵引力与蠕滑的关系 ( 1 2 ) 动车车轮向前滚动时，在m 的作用下，车轮滚动前进的速度d 总是小于车轮的圆 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 周速度尺国，轮轨接触区域产生向后弹性变形，此现象称为蠕滑。用无量纲蠕率来表 示其大小。蠕滑率y 的定义为： 尺缈一u 7 = u ( 1 3 ) 式中：r 一车轮半径：一车轮回转角速度；d 一车轮前进速度。 1 。2 轮轨粘着研究进展 1 2 1 轮轨粘着国内研究现状 随着社会的发展，科技水平的不断提高，高速列车速度记录一次次被刷新。速度 的提高必然出现许许多多隐性问题待解决。如轮轨接触粘着问题，“轮轨粘着”是铁路 行业的俗称，通俗一点讲轮轨接触滚动行进中的滚动摩擦力，就可以认为是由轮轨粘 着力所产生的。轮轨接触区域产生的粘着实际上是一种特殊类型摩擦学问题，轮轨粘 着特性不仅与接触斑压力、两个接触物体材质、相对运动状态、两个接触表面的粗糙 度、环境情况等因素有关，同时也受到车轮蠕滑、车轮滚动速度和传动系统振动的影 响【2 引。 铁路机车牵引动力是以轮轨关系为主要特征，粘着成为限制其制动力和牵引力很 好发挥的关键性因素。它不仅涉及到铁路工程，还与机车制造、机车运营、机务运用 等许多重要部门有关。因此，粘着是一个复杂的综合性技术问题【4 】。而且是节约成本方 面的一个重要的经济问题。 列车高速安全运行的最基本条件是具有良好的轮轨粘着特性【5 】。为了使铁路运行达 到高速化、实现高加速化和高减速化，就必须充分理解轮轨的粘着特性。与粘着现象 关联的因素很多，相关研究报告已经很多，但至今仍存在诸多物理现象不能完全解释 清楚。其中，轮轨接触区域存在的水分，粘着力会大幅度地降低，这是造成机车车轮 滑行或空转的一个原因。最终会使车轮踏面和钢轨表面受到损伤，从而使噪声和振动 不断增大。依据弹性流体润滑理论( e h l ) 的分析，得出结论：轮轨接触区域存在水 膜使粘着系数降低的机理。大家都清楚，附着在钢轨表面的落叶和油脂，就会出现基 础粘着系数明显降低的现象；相反，如果在受污染的轨面喷撤增粘材料( 砂、陶瓷粉) 或增粘研磨器、修正钢轨及使用踏面清扫器等，便会出现基础粘着系数提高的现象。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 也就是说，轮轨接触部位物理摩擦特性决定基础粘着系数是“真的粘着系数”。相对来 说，实用粘着系数是根据转向架的结构和运行控制程序、轴重转移特性等，即依机车 车型及形式多样的“表面粘着系数”。机车运行中最为关键的是实用粘着。近些年来， 随着实用粘着系数的增大，机车依靠驱动和制动控制技术不断向前发展。不过，实用 粘着系数的上极限值大小和基础粘着系数值的大小有关系，在基础粘着系数非常低的 运行环境下，要想得到必需的加减速度是非常困难的。轮轨接触面之间，像水这种物 质存在机会是最多的，并且相态多样。因此，定量掌握有水膜存在时的基础粘着特性 是很重要的【6 】。 从粘着机理上研究得出的结论是： ( 1 ) 轮轨粘着力随蠕滑率变化情况，在出现全滑动的小蠕滑区，轮轨粘着力随蠕 滑率的增大而线性增大；在达到全滑动后，粘着力则随蠕滑率增大而减小。 ( 2 ) 在干态情况下，粘着系数表现较大，可以达到0 5 左右，从总体情况来说， 粘着系数一般不随车轮滚动前进的速度大小而变化。 ( 3 ) 在水介质润滑条件下，速度大小变化使得粘滑特性曲线的变化规律性非常明 显，速度越高，粘滑特性曲线分布越低，对应的粘着系数越小。 ( 4 ) 在油介质润滑条件下，随速度的变化粘着系数基本上不发生明显变化，并且 粘着系数值相当小，只有0 0 5 左右。 ( 5 ) 根据试验测得粘着系数值进行统计模拟计算，数值计算结果与试验结果吻合 得非常好，其数值模拟计算的方法可用于实际相应铁路工程工况的理论分析2 羽。 从影响粘着因素方面研究得出结论是：各种污染物和地理气候条件的影响。 线路状态好坏的影响，如钢轨的表面状态、线路质量、弯道、有缝轨与无缝轨( 即短 轨与长轨) 。机车本身结构参数与性能的影响，如结构参数、粘着重量、各牵引电 动机机械特性存在的差异、传动系统特性、机车牵引力速度特性、机车功率调节方式、 动轴驱动方式、轴重转移。改善粘着性能方式：撒砂、安装防空装置、增粘闸瓦【7 。3 1 。 从轮轨接触振动对轮轨粘着的影响方面研究，结论是：轮轨接触振动是轮轨滚动 接触过程中必然产生的一种物理现象，最严重的后果是产生轮轨脱离接触现象。将轨 道考虑为半空间弹性体，忽略车辆悬挂特性，得出当列车行驶速度低于3 0 0 妇汕时， 基本上不会出现接触损失或失效现象：但当列车行驶速度大于3 5 0 l a d ：l h 时，随着机车 速度的提高，发生接触损失的概率急剧增大。如果考虑轨道刚度和车辆悬挂系统，这 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 一现象会有什么变化，值得深入研究。由于货运机车脱轨模拟试验中，机车轮轨脱离 接触瞬间现象已经清晰拍摄到。轮轨接触所产生的振动对轮轨粘着特性影响很大。当 前进速度增大时，由于轮轨平均接触力不断下降才导致轮轨粘着系数下降【1 4 】。 1 2 2 轮轨粘着国外研究现状 在全世界范围内，伴随着科技水平的不断提高，铁路运输的不断向前发展，特别 是大功率内燃和电力机车的相继出现，列车的轴功率有很大的提高，粘着对轮轨之间 的中低速大牵引力的限制作用日益明显。因此，早在第二次世界大战初期，工业较发 达的国家就开始了针对粘着这一物理现象进行了专门的试验，和粘着系数值的测定工 作以及粘着的有效利用与改善研究。近十几年来，对于粘着现象这一课题研究发展速 度很快，并且初见成效，使粘着利用率在多个国家有可观的提高。必须以大量实际测 量数据的技术处理为基础来测定粘着系数，这样得到的统计结果才较为准确。因此， 开展粘着的试验研究工作放在运营线路上，耗资大、困难多、持续周期长，如果没有 充足的经费和必要的技术基础条件是无法完全展开，无法立即克服。国外有关资料特 别指出，认为秋天的落叶是各种污染因素中最有害的。发现有路堑地段影响最多，风 吹落大量树叶被集中在铁路道床上，当列车运行该地段时，列车底部产生的气流作用 下，一部分树叶被气流带到钢轨表面，且被车轮辗压，使钢轨表面粘附一层黑色叶浆 ( 如图1 4 ) 。在较潮湿的环境下，得到粘着系数值仅为0 0 5 。因为轮轨粘着现象的复 杂性，在2 0 世纪中叶以后才有了有价值的研究，近几十年来，随着高速重载铁路的快 速持续发展，发达国家对铁路轮轨粘着机理的研究更加深入【2 硼。 ( a ) 表面粘附的树叶 图1 4 树叶模拟实验 ( b ) 表面黑色叶浆 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 在高速铁路，从制动和驾驶的角度来说，轮轨之间的粘着在维持铁路安全并稳定 运行中起着非常重要的作用，尤其是在潮湿的环境中轮轨分界处【”】。 最近落马洲和法国国营铁路公司共同研究结果，对粘着这一物理现象进行了详细 描述。他们已经证明，“第三物质”是由轮轨间各类氧化颗粒构成，通过高精度仪器进 行现场定点测试大规模的机车接触情况，已经确定了“第三物质”对粘着特性有一定的 作用。在轮轨干摩擦条件下，粘土对轮轨之间的粘着系数影响，也就是说，日本新干 线车速高达3 0 0 公里时，最大牵引系数并没有受很大的影响。而在下雨和雪的潮湿条 件下，粘着系数是大大减低的。高速铁路的不断发展，如果使列车停在指定的距离范 围内，就需要相当大小的粘着力来保证这一过程的精确完成【幡18 1 。 1 9 8 5 年o h y 锄a 使用了比例大约为1 ：2 的实验装置，在水介质污染情况下，对高 速轮轨产生的粘着现象进行了深入研究【1 9 】，并对接触表面粗糙度、赫兹压力和滚动速 度的粘着系数影响情况进行了分析研究( 图1 5 和图1 6 ) ，结果表明：在有水介质 存在于接触表面时，两个接触表面纹理越细，对应粘着系数就越小，而且粘着系数近 似饱和( 或最大) 时其相应的蠕滑率斜率变化越小，主要是因为接触表面纹理越细， 接触表面之间构成的水膜面积就越大，水膜承担的接触压力就会增大，而水膜承担切 向的剪切力比较小，故出现较低的粘着系数。在接触表面纹理较细且有水介质润滑 条件下，接触赫兹压力越大，粘着系数就越大，但对接触表面纹理较粗糙的情况则相 反。这是由于接触表面越光滑，并受到高赫兹压力作用，从而使得水膜厚度减少或遭 到破坏，接触表面固体面积增大，固体接触部分所承受的压力增大，切向摩擦力就会 变大，粗糙表面的峰值对应的变形大，峰值处的接触表面剪切能力降低，切向摩擦力 减小。在水介质润滑且表面粗糙度不变情况下，滚动前进的速度越高，粘着系数就 会越低，主要原因是伴随滚动速度增大，对应水膜厚度就会增加【2 0 2 1 1 。 0 1 5 墓o 1 0 馁 o 0 5 5 01 0 01 5 0 2 。2 5 0 速室f 妇，h ， 图1 5 水润滑下粘着系数与速度关系曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 装 垛 椎 撂 图1 6 不同粗糙随粘着蠕滑特性曲线 o h y a m a 和他的合作者用大型尺寸实验装置研究接触表面在干洁状态和用小型试 验装置在石蜡污染表面情况下研究了高速粘着现象，以及进行了现场试验粘着系数实 测2 2 2 3 1 。得出结论是：在接触表面干洁情况下，随着滚动速度提高，得出的粘着系 数值较分散，没有出现下降的趋势，在少量石蜡存在的情况下，粘着系数值降低到0 1 以下，但粘着系数没有受到速度影响；在s h 玳瓦删s e n 高速路线上，采用洒水方 式对不同型号的车进行试验来测量粘着系数，得出与伴随车运行速度的提高而粘着系 数下降的趋势相同。又在室内进行了动静摩擦系数的粘滑试验，研究发现在钢轨接触 表面上有液态石蜡存在时，静摩擦系数值约为o 3 0 4 5 ，当相对滑移速度为3 0 m m s 时，动摩擦系数值接近o 1 。当h e 胞接触压力从4 0 0 m p a 增加到6 0 0 m p a 时，摩擦系 数值下降趋势较小。当滑动速度增至3 0 m 州s 时，动摩擦系数下降趋势明显，而滑动速 度大于3 0 m m s 时，摩擦系数近似于一个定值，将此值当做动摩擦系数。对于水润滑表 面和干洁表面情况，伴随滑动速度的增大，摩擦系数处于下降趋势，并趋于一个不确 定值，此情况与b o c h e t 试验研究有相同的结果。1 9 8 9 年在日本，n a g 弱ek 设计一种 特殊转向架安装在列车上，在轮轨表面的多种状态下现场试验，分别在j r y a 吼a n o t c ( 东京) 环形线和日本北部t o h o k t n l l 】k 等线路上进行【2 4 1 ，得到结论是：在较干燥 的气候条件下，主干线上的粘着系数峰值随轨面状况变化，大约在3 1 0 范围之间变 化；轨面干洁情况，列车速度不影响粘着系数；在下雨时候，粘着系数下降大， 并且滚动速度越大，粘着系数值越小；霜冻气候使粘着系数大幅度降低；影响轨 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 面粘着系数的主要有害物质是泥土、树叶、油等。 水对轮轨粘着的影响是众所周知的，有水存在的轮轨粘着是随着速度的增加急剧 下降。这对铁路系统运输造成极大的危害，无法安全运营。所以研究人员根据弹性流 体润滑理论对水做了大量的研究得出如下结论：水温变化时列车行驶速度及表面粗糙 度( 均方根粗糙度l 蝴s ) 对粘着系数有影响。随列车运行速度不断升高而粘着系有一个 下降的降量，根据表面粗糙度和水温不一样有很大差别。如果水温降低，水的粘度就 会增大，从而水膜厚度增加，粘着系数降低【6 】。轮轨接触表面无液态介质存在下的弹塑 性计算的峰值大于有液态介质时弹塑性计算的峰值，由于有液态介质存在接触表面时， 在凹陷部位液态介质不可压缩和不易自由流动特性，且液态介质承受压力所致。是否 有液态介质存在于接触表面，轮轨接触表面应力分布情况表明，很重的压应力存在于 钢轨表面，其值远远超过了材料本身的屈服强度极限【2 5 1 。从而使得凸起部位长时间弹 性变形，久而久之因疲劳而剥离轨面( 图1 7 ) ，造成轨面严重磨损。将所有的凸起磨 平，并且有水的存在，填平凹陷部位使得轮轨微观表面出现平面，就有了粘着降低的 时刻点和时刻接触面。当接触表面有液态介质存在时，在凹陷部位液态介质不能随易 流动和不可压缩特性，从而使液态介质承受了部分压力，部分载荷也油液态介质传递 豳】。真正有效牵引力利用率就会下降，便出现了打滑或空转，粘着不足的现象。 撒砂法是改善机车运行的粘着最古老而实用的方法之一。并且是价格低廉而有效 的方法。除了撒砂以外，许多铁路系统选用了减摩剂来改善粘着，那些减摩剂中含些 砂子颗粒和其它固体颗粒，以此来改善在一定污染状况下的粘着。k l l n l a r 用实验的方 法分析比较在干洁表面状况下和撤过砂机车的磨损和粘着情况。结论是：由于砂子的 使用增加了轮轨的磨损率，在油接触的轮轨状况下，砂子可以改善粘着。虽然砂子已 经广泛作为自然污染物最有效的改良剂，但我们对砂子颗粒的大小是怎样影响轮轨粘 着、电绝缘性和磨损研究甚少，不仅不利砂子颗粒的选取，而且阻碍以砂子为基础减 摩剂的发展【2 7 1 。北美机车在撤砂和不撒砂情况下的轮轨磨损与粘着关系( 图1 8 所示) 。 得出结论是：提高粘着的方式：a 控制蠕滑发；b 撤砂法。撤砂可以提高轮轨表面被污 染时的粘着力，但这样会增加轮轨磨损量及轮轨断面发生恶化，大大消弱了这一效益， 因磨损使轮轨更换频率增加造成维修费用的明显增加。为了达到提高粘着力的要求， 应优先使用撒砂法外的其它方式，如蠕滑控制法，来保证磨损率下降和减缓轨道的恶 化。在必须采用撒砂法时，应采取低量撒砂，并精确地把砂子撤进轮轨接触区域 2 8 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图1 7 钢轨表面剥离 图1 8 撤砂和不撒砂条件下粘着蠕滑关系 根据涡流制动的缺点，需要电流激磁线圈较多、钢轨会发热等，妨碍正常使用。 电磁轨道制动的缺点决不可忽视，车辆上蓄电池充电状态或受电弓与其顶部的导线接 触是否良好决定其制动力大小。它可起短暂作用，不然的话线圈绕组会表现出过热现 象。而研发出的永磁性轨道制动则没有此缺点。最早是在1 9 8 3 年采用永磁性轨道制动 机试验的，与瑞士客运局合作、由b 0 4 62 0 2 4 ( 有轨电车2 0 0 0 ) 完成的试验。比使用电 磁轨道制动机的车停车距离要短。瑞士联邦铁路希望，新型轨道制动机能安装在新型 机车上。至此以前，多元永磁性制动机先进行了试验。用永磁性轨道制动机替代在标 准型客运车的n 型转向架上电控制动机，较使用电控制动机的停车距离稍徽缩短。法 国铁路局期望，当坡道达到9 0 的山地区间时，列车不用第二司机来操纵。要达到此 需求，就必须有一种永不衰竭性的制动机并且它不取决于轮轨之间的粘着系数大小。 永磁性轨道制动机作用原理，得出的结论是：使用黑肥皂和1 的c 1 c i l s e o f 溶液进行试 验研究。采用了同样的润滑条件在u i c 相应的试验里。因在润滑条件下，钢轨表面的 -，l，l。一，|lli|ll1 1 j f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 摩擦系数将明显地增加，允许有4 0 甚至更大的滑行率发生。当滑行率下降到2 0 时， 滑动变化平缓造成的结果是随着滑行的增加，改善摩擦系数可达到4 0 左右，且能保 持一个较大的值。为使在全部钢轨状态下，在滑行率低时，机车车辆能获取最大限度 的粘着且还能保持停车距离很短，这样可以最大程度的保护车轮【2 9 】。 一些研究人员从化学和物理的角度对粘着进行了研究，氧化铝颗粒和聚苯乙烯球 乳胶在理论上的结合，可使实验性研究粘着在氧化硅表面进行。当微粒和表面接触时， 边界元素技术用于微米级粒子和平面表面建立静电相互作用模型，这种方法可以定量 评价微粒的几何形状和表面粗糙度对静电相互作用的影响。静电相互作用是以范德华 力把微粒粘着在一起的。微粒本身和培养基、表面粗糙度和严重变形是影响结合模型 粘着力的原因。测量在不同水溶液中的离子强度和p h 值，当微粒与表面接触时，尽管 表面的范德华力很强，但是实验结果表明了在某些情况下，静电相互作用力有助于增 强整体粘着力。边界元素法技术是用来预测当微粒与表面接触时静电相互作用力对粘 着的影响。范德华模型能准确预测粘着力，当微粒高度不对称时，如氧化铝微粒，静 电相互作用力对整体粘着力影响更大。研究得出粘着力受p h 值和离子强度的影响。从 这方面进行粘着机理的研究，有助于我们对轮轨材料中的成分进行分析选择和增粘液 的研究【3 0 - 3 6 1 。 高速列车的发展法国一直处于世界领先地位，在1 9 9 0 年创造了5 1 5 3 公里小时的 世界最高时速纪录。将有望再次打破被法国人自己保持了1 6 年的世界纪录，新型列车 时速将至少达到5 5 0 公里纠、时。可见，人类是多么的渴望高速列车，使其成为我们日 常生活的重要便利交通工具，使得两地之间距离更近。除了这些最最主要的要属于安 全度和舒适度。高速列车的发展中是离不开轮轨之间粘着的研究，它是列车高速、安 全、运营的重要保证。 1 3 影响轮轨粘着的因素 大量试验研究结果表明，各种污染物对轮轨粘着都会产生不同程度的影响。对轮 轨粘着影响因素中研究最多的属于水的各种状态和油介质。少量的水和油在轮轨微观 表面接触区域形成很薄的薄膜，此两种类型的介质属于液态状，必然会在轮轨之间产 生一定的润滑作用，从而在轮轨接触区域形成了弹性流体润滑状态，导致粘着系数下 降。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 影响轮轨粘着的主要因素有：表面状态和环境因素；轴重：速度；轮轨 材料性质；轮轨振动。 1 3 1 表面状态和环境因素 轮轨表面状态及周围环境状况对轮轨粘着的影响最大，主要污染物有水、冰、雪、 油、树叶、土、铁锈等等。其中水对粘着的影响尤为常见和并且是影响最大的因素。 因为水存在形式多样性，它包括液态水和蒸汽，如雾、露水等它们会在轮轨表面形成 很薄的水膜，对轮轨产生润滑作用，从而使得粘着系数迅速降低。比如，日本宫津线 上，每到秋季清晨，内燃动车列车通过该线时经常发生空转。经过实测和试验证实， 秋天落叶聚集轨面是造成空转的原因。可见，轮轨的表面状态对轮轨的粘着系数影响 实在很大【3 7 】。 1 3 2 轴重 根据物理学知识可知，随着轴重的增加意味着提高轮轨接触面上的正压力p ，相 应的接触面积区域会增加( 即粘着区域增大) ，粘着力( 或牵引力) 增大了，意味着法 向载荷的增大，粘着蠕滑曲线有所下降。这意味着加大法向载荷( 即提高轴重) ，在粘着 系数相同的情况下，相应的蠕滑率要大一些；换句话说，轴重增大，在相同的蠕滑率 情况下，粘着系数有所下降【3 8 4 2 1 。可见，法向载荷的大小对于粘着系数是有影响的但 对轮轨粘着系数影响较小，一味的提高轴重，会使轮轨的接触压力增大，出现轮轨接 触表面疲劳破坏和压溃现象( 图1 9 ) 。 1 3 3 速度 图1 9 轨面压溃 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 速度对轮轨粘着水平有一定的影响，国内外对此因素进行了大量实验研究，粘着 系数是随速度的增大而下降的。但水介质的存在与轮轨之间时，使轮轨粘着力随列车 运行速度的提高而急剧下降，当速度增加到一定值之后，下降趋势减缓，并趋于一定 值【5 1 。可见在干燥的轨面，速度对轮轨粘着的影响很小。只是在污染物存在的情况下， 才会随速度变化明显。 1 3 4 轮轨材料性能 轮轨材料的各个方面的性能对粘着水平有一定的影响，如材料的物理性、化学性 能、工艺性能和机械性能等。其中物理性包括密度、熔点、热膨胀系数、导热性、导 电性、磁性等；化学性能包括耐腐蚀性和热安定性；机械性能包括弹性、塑性、强度、 疲劳、硬度、韧性；工艺性能包括铸造性能、切削加工性能、锻造性能、热处理工艺 性能。对这些性能逐个研究，弄清楚其影响粘着的机理，综合分析各个性能相互之间 的关系，合理选取材料的性能，使轮轨粘着达到最佳粘着状态。 1 3 5 轮轨振动 在轮轨接触滚动中，接触具有弹性，可以视为一个弹簧系统，把钢轨和车轮的质 量同它联系起来，再加上车轮上的悬挂系统构成一个振动系统。把接触表面不平顺( 表 面粗糙度和波纹度等) 作为振动系统的激励，常会导致运动和接触载荷的动态变化， 即发生轮轨接触振动现象。轮轨滚动接触过程中必然产生轮轨接触振动的物理现象。 在轮轨接触振动中，因接触变形和接触载荷之间表现为非线性关系，接触刚度是非线 性的，当接触体向下移动时，接触刚度增加；向上移动时，接触刚度降低。所以轮轨 接触振动表现出非对称性和非线性。这类非对称和非线性的振动，会引起接触体与其 配对体上的平均水平面下降，即接触副间隙变大，从而接触的实际面积减小，摩擦系 数下降，造成轮轨粘着力降低【1 4 1 。 1 3 6 轮轨表面粗糙度 在列车车轮和钢轨表面，由于制造及使用过程中的磨损，表面就会有微米量级的 微观表面粗糙度。与接触表面光滑平整的相比，不可忽视轮轨的表面粗糙度对接触表 面的应力应变情形的影响。这是由于粗糙的接触表面有不同深度的凹凸存在，在滚动 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 接触过程中，接触表面发生在凸起的部位，而凹下部位的表面不接触，造成了接触表 面压力的分布非常不均匀。较大的接触压力由凸起部位承受，就会使凸起部位材料的 应力超限，从而凸起部位材料就会产生塑性。因此，非常有必要对轮轨接触表面粗糙 度进行弹塑性分析。由于轮轨接触表面之间有雨水或油等多种液态存在，并且粘附在 轮轨表面的凹陷处，从而大大加快了钢轨的疲劳破坏的速度。尤其在曲线钢轨上，由 于在曲线轨上，受到列车的横向冲击力非常大，从而钢轨的磨损严重，工程上采用涂 抹润滑剂( 如润滑油等) 使摩擦系数降低，减少轮轨之间的磨损量。常常因有油的存在， 剥离和龟裂等破坏现象在曲线钢轨严重得多比没有油存在的情况下，这种现象已经为 许多学者通过实验手段得到了验证【2 纠。 1 4 提高轮轨粘着系数的措施 1 4 1 清除轨面上落叶及污染物 机车在运行的过程中，车轮会碾过飘落在轨道上的树叶，挤压出其所含的油和水 分并分布在轮轨表面。时间久了，这些有机物会很牢固的粘着在轮轨表面，- 不易清除。 正因为如此，必须在车轮碾过之前，在每一个车轮附近安装专用清扫装置，清扫未被 车轮碾压的树叶等有机污染物。设计能清除已经被碾压过的有机污染物的装置，由专 用车辆进行清扫，清除轨面大面积长期碾压形成的污物，保证列车的安全运行。 1 4 2 清除潮气和水 由于天气变化无常，列车运行中会常常碰到大雾和下雨天气，这样就会对轮轨粘 着造成很大影响。为增加粘着，在列车前方采用气流干燥钢轨，通过这种方式可以清 除轨面的潮气和水，清洁这些物质目的是为了增加轨面粗糙度，从而使得轮轨粘着有 所改善。研究发现刚打磨过的钢轨上，能够获得目前已知的最高粘着水平。为了获得 清洁干净的轨面，研究人员做了大量的研究，即在列车前方，采用等离子火焰清洁钢 轨。此法没有根本上解决粘着的问题，只是暂时起了一定作用。这种方法局限性比较 大，只能用于下雨过后的潮湿的轨面或是大雾和露水等静止的状态水污染轨面，而机 车运行过程中，如果一直下着雨，这样方法无法满足完全清除轨面的水分，轨面仍然 是湿的，粘着无法改善。还有像冬天遇到霜降等冷空气这样的气候，轨面会形成薄博 的结冰现象，使用任何清除潮气和水的方法，不会瞬间使车轮滚过时轨面接触部分干 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 燥，达不到预期的效果。 1 4 3 撒砂或其他增粘剂 在轮轨接触区撤砂是改善粘着最常用的方法之一，至今依然广泛使用。改善轮轨 粘着效果相当明显。在轮轨接触区撒砂具有如下特点：( 1 ) 通过撤砂破坏轮轨表面污 染物薄膜，从而使得轮轨恢复原有的金属表面接触。( 2 ) 撤砂可以增加摩擦力，砂子 颗粒可以轮轨表面的氧化物磨损掉，恢复新鲜的金属表面。( 3 ) 撒砂可使得轮轨表面 粗糙度更大，使水对粘着的影响减轻。经过大量研究发现，撤砂虽是有助于增加粘着， 可是对轮轨磨损加剧，维修费用增加。总的来说，对轮轨表面进行清洁是改善粘着的 最佳方法，而用任何其他材料都会对轮轨表面进行二次污染及可能带来不可预计的负 面影响。 1 4 4 使用粘着控制装置 在研究粘着之初，人们就开始将改善粘着工作的重心放在轨面污染上。7 0 年代末 期和8 0 年代，诸多研究人员认为采用现代电机控制系统，粘着有很大程度的改善。如： 微滑监控仪、自适应蠕滑控制装置、车轮蠕滑控制装置等。对于斩波器型电动车辆， 日本采用现代化的控制系统a c c ，依靠测蠕滑速度及其差值大小进行控制。防空装置 也能起到改善粘着性能的作用。当机车运行中的一根动轴或所有动轴发生空转时，快 速扳回控制手来降低轴功率，并立即撒砂。然后，再提升控制手柄来提高机车功率。 有效地防止空转的发生就必须在机车上安装性能可靠的防空转装置，能有效提高粘着 系数。通过英国研发的一种检测系统把检测出牵引电机电流的异常变化作为信号，来 激发自动控制系统运作，为了使输出功率降低，就得减弱牵引发电机的励磁，片刻后 使励磁再恢复到9 0 ，继续补偿剩余的1 0 。试验结果表明，该装置作用十分有效， 在于分之几秒内对空转的遏止作用即可完成，粘着损失不足机动轮的1 4 转，空转控制 的自动化基本上实现了。以雷达检测机车速度的电子防空转装置装在由美国g m 公司 制造的g p 5 0 型3 5 0 0 马力内燃机车上。要使动轮始终保持蠕滑率为1 5 的最佳状态， 就必须调节牵引电机供给电流的大小，在平常的o 1 8 o 2 0 基础上可将粘着系数值大 小提高l 3 f 4 】。 可以看出国外研制的这些防空转装置能够很好的改善粘着系数，这样就促使我们 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 从这个方向进行更深入的研究，研究出适合我国自己的机车性能的防空转装置，灵敏 度更高、可靠性能更高、价格低廉的产品广泛使用于我们自己研发的车辆。 1 4 5 增粘闸瓦 西德发明制造了增粘闸瓦。这种特殊闸瓦的主要成分是锰铁( 粘度为0 0 7 5 0 6 毫 米) 其中还有聚乙烯、酚树醋和石棉占一定的比例。当机车使用空气制动时，与平常一 样的作用方式，同样是把增粘闸瓦压在动车轮踏面上。在此作用过程中，就可以清除 附着在踏面上的油污等其他污染物质，同时磨擦热量使闸瓦表面的热塑性成分表现为 流体状。锰铁微粒和该流体状物质就在车轮踏面上构成一层薄膜，伴随动轮一起滚动， 锰铁微粒被不断轧碎，即粘着系数可以有所提高。试验表明，当机车运行速度为3 0 公 里时和6 0 公里时时，粘着系数值可分别提高到o 4 6 和0 4 2 。使用此种闸瓦不需要改 变机车结构。因此，是提高粘着简便易行的一种方法【4 】。 1 5 论文研究意义和内容 1 5 1 论文研究意义 轮轨关系中的粘着问题是与铁路运营密切关联的带有基础性的研究课题。随着我 国高速重载铁路的快速发展，轮轨粘着问题变得越来越重要，这不仅关系到高速铁路 的安全运营，也对高速轮轨损伤具有重要的影响。轮轨粘着问题是研究提高高速机车 的牵引力，高速机车车辆牵引和列车制动时不损伤轮轨接触表面，高速重载列车速度 高，质量大列车系统动量和动能都很大，列车在制动或紧急制动过程中，不仅需要轮 轨界面之间有较好的粘着效果，而且需要闸瓦和车轮踏面或制动盘之间有较好的粘着 效果。 在轮轨交通运输中，机车动轮和轮轨之间粘着力是驱动机车运行的最终动力，形 成主要的牵引力与制动力，牵引与制动功率的发挥均受到轮轨粘着的控制，因此轮轨 粘着问题的研究对高速铁路的开通运营具有非常重要的意义。研究成果将为降低我国 轮轨损伤、保障列车运营安全提供必要的技术支持和理论指导。 1 5 2 论文研究内容 利用j d 1 轮轨试验机进行了油介质作用下的轮轨粘着试验，系统研究了油介质下 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 速度、轴重、磁场、表面粗糙度等对轮轨粘着系数的影响，主要研究内容如下： ( 1 ) 研究了油介质条件下轴重和速度对轮轨粘着系数的影响； ( 2 ) 研究了油、油水混合物和油水砂混合物三种介质对轮轨粘着系数的影响； ( 3 ) 研究了油和水介质作用下磁场对轮轨粘着力的影响； ( 4 ) 研究了水油介质作用下表面粗糙度对轮轨粘着系数的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 1 试验装置 第2 章模拟试验简介 2 1 1 j d 一1 轮轨模拟试验机 1 9 8 6 年成功研制的国内第一台轮轨模拟试验机，它不但能随意改变轮轨粘着牵引 力( 制动力) 的大小，而且还可以精确测定对应的蠕滑率。它可以模拟任一类型机车 的车轮，并作用在各种工况下任一类型钢轨上，包括直线、牵引、曲线、纯滚动、制 动等工况。研究关于轮轨粘着、磨损机理、材质匹配、界面污染、蠕滑、塑性流动、 润滑、几何形状匹配，以及轮轨接触应力和磨损变化规律等重要问题【4 3 1 。 试验机模拟的基本原则是要求基本上重现原始的轮轨应力分布与接触区形状。并 要求有相当的试验持续时间，试验机的比例尺为1 ：4 1 ：6 。本实验用的是比例为1 ： 5 的j d 1 轮轨摩擦模拟试验机，具体布局如下图2 1 所示。 9 la 一 l ，。d u i l4 。，“飞c m - 卜1m 二 ，e 1r 日。 l 睨r 卜一 u 一 ， 叫 l ， f c ： o ， _ 一 卜 士 ， l i 一- 一 l 一 、坦、皇 a 、& 一z q d i o 2 0 4 型直流电动机c 一变速箱 l 一垂向加载油缸；2 一加载装置小车；3 轭架与心轴：4 一万向轴： 5 一模拟小轮试样；6 一模拟试样芯轴；7 一模拟大轮：8 一油缸悬挂梁； p 回转平台；1 旺基础平台； 1 1 一制动力压电式传感器；1 2 _ 测速电机 图2 1 巾1 轮轨模拟试验机 2 1 2 模拟准则 试验采用h e n z 压力模拟准则进行。根据赫兹接触理论，h e n z 压力模拟准则的数 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 掌表达式为： ( g o ) 坳2 ( 吼) 删 ( 2 1 ) ( 扔) 肠62 ( 口6 ) 删 ( 2 2 ) 式中：( 吼) 硒和( g 。) 。砌分别是实验室和现场的最大接触压力：( 扔) 蛐和( 扔) 删分别是 实验室和现场轮轨接触椭圆的长半轴与短半轴的比值。现场工况和实验室工况下轮轨 接触结构布置情况如图2 2 和图2 3 所示。 2 2 试验过程 一 、 ， 、 l 。 一一丁 l 、 。 k ： 图2 2 现场工况轮轨接触示意图 图2 3 实验室工况轮轨接触示意图 试验中模拟内燃机车( 轮径为1 0 5 0 l i l m ，轴重为2 3 t ) 和电力机车( 轮径为1 2 5 0 m m ， 轴重为2 3 t ) 锥形踏面车轮运用于6 0 k g m 直线钢轨。根据h e r t z 压力模拟准则，利用 h e r t z 理论可得出小轮的横向主曲率半径。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 根据轮轨粘着蠕滑特性，用轮轨间传递产生的切向力，与垂向载荷尸之比值定义 为粘着系数p ： = f p ( 2 3 ) 将轮轨模拟试验过程中的蠕滑率定义为【4 】： 三：垡：墨：二竺墨：1 一丛：1 5 f( 2 4 ) 7 嘭，名蟛名。 式中：芎为蠕滑率；q 、q 分别为模拟轮和模拟轨的角速度；凡、b 分别为模 拟轮和模拟轨的半径；f 为瓯和q 的比值。试验过程中蠕滑率芎：o 5 。 2 3 试验参数与轮轨材料 2 3 1 试验参数计算 2 3 1 1 转速 依据实验方案里的设计要求，将现场车速固定为1 0 0 妇蚰进行试验，对应现场机 车轮轮径为1 2 5 0 m m ，换算为实验室模拟车轮的转速如下： 2 万。尺。国模拟小轮=