（机械工程专业论文）坡道条件下轮轨粘着特性试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来中国铁路飞速发展，高速和重载趋势日益明显，轮轨粘着越来越成为影响 机车牵引和制动性能的主要因素之一，但由于高速轮轨技术的应用使得轮轨粘着问题 的研究变得更加复杂。坡道线路是铁路线路中常见的轨道类型，在既有和新建线路的 坡道区段，如何充分利用轮轨粘着作用，对列车安全运行影响巨大。因此坡道线路轮 轨粘着问题的研究对铁路发展具有十分重要的意义。 通过改进巾1 轮轨摩擦模拟试验机模拟轮夹具，采用h e n z 模拟准则，研究了坡 道条件下的轮轨粘着特性，分析了不同介质( 干态、油、水) 条件下坡道对轮轨粘着系 数的影响。论文通过研究得到以下几个结论： 1 上坡轨道条件 ( 1 ) 不同介质下上坡道条件下的轮轨粘着系数较平直轨道有明显减小，减小在 3 0 左右。 ( 2 ) 干态工况下不同速度下的粘着系数均在0 2 5 以上，不同速度的粘着系数相差 不大。 ( 3 ) 上坡道条件下水介质将使轮轨粘着系数降低，不同加水量下的粘着系数相差 不大，其值约为0 1 。 ( 4 ) 上坡道油介质条件下，轮轨表面损伤比平直轨道更严重。 ( 5 ) 上坡道轨道粘着系数与现有计算公式计算结果相接近。 2 下坡轨道条件 ( 1 ) 干态和水介质状态下轮轨粘着系数都较平直轨道条件下有明显的下降，粘着 系数为平直轨道条件下的5 0 6 0 ，油介质状态下粘着略高于于千态工况。 ( 2 ) 下坡轨道粘着系数小于现有计算公式的运算结果，实际应用中可酌情按照比 例换算。 关键词：坡道；轮轨接触；粘着系数：夹具：介质 西南交通大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t 第1 i 页 i nm er e c e n ty e a r s ，m eh i 曲一s p e e dr a i l 、a yd e v e l o p sr 印i d l yi i lc l l i n a ，觚dt 1 1 e 勺呤i l do f 1 1 i g l l s p e e da i l dh e a v y - h a u l i sm o r ea n dm o r es i g i l i f i c a m w h e e l - r a i la d h e s i o ni sb e c o m i n g o n eo ft l l em o s ti m p o r t 肌tf a c t o r sf o rm el o c o m o t i v e 仃a c t i o na n db r a k i r 培p e r f b 皿a a n c e a s m e 印p l i c a t i o no fm el l i 曲s p e e dt e c h n o l o 戥恤r e s e a r c ho f t h ei s s u eo fw h e e l - r a i la d h e s i o n i sm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d r a m pl i n ei so n eo ft l l er e g u l a rl i n et ) ，p e s f o r 吐1 er 觚1 p s e c t i o ni i lb o me x i s t i n ga n dn e wl i n e s ，h o wt 0u s et h ew h e e l - r a i la d h e s i o nm o r ee 伍c i e n t l yi s o fg r e a ts i g i l i f i c a i l c et om es a f e t ) ，o f 仃a i n so p e r a t i o n n m s ，恤s t i j d yo ft 1 1 ew h e e 协a i l a c m e s i o nu d n e rt l l er 啪pc o n d i t i o nl l a sa ni l n p o r t a ms i g n i f i c a t i o n t h e 础l e s i o nc b a 】阻c t e r i s t i c0 fw h e e l r a i lh a sb e e ni n v e s t i g a t e du s i n gaj d - 1w h e e l r a i l s 硫u l a t i o nt e s t i n gm a c l l i n ea i l dh e n zs i m u l a t i o nm l e su i l d e rt h er 锄pc o n d i t i o n t h ee 位c t o fr a m p0 na d l l e s i o nc o e m c i e n to f 、 r h e e l r a i lh a sb e e ns t u d i e du i l d e rd i e f m n tm e d i u m ( d r y c o n d ，w a t e ra 1 1 do i l ) c o n d i t o n sm d e t a i l s m 血c o n c l u s i o n sa r ed r a w 髂f o l l o w s ： 1 u n d e rm ea s c e n tc o n d i t i o n ： ( 1 ) t l l ea d h e s i o nc o e m c i e n to fw h e e l r a i l u d i l e rd i 髓r e n tm e d i 啪sa 1 1 da s c e m c o n d i t i o r 塔h a v ea s i g i l i f i c a n td r o pc o m p a r e dw i mt h es 仃a i g h tl e v e ln a c kc o n d i t i o n t h e d e c r e a s er a t ei s 枇u t3 0 ( 2 ) n l ea d h e s i o nc o e 缅c i e n ti 1 1t 1 1 ea s c e n tt r a c ku n d e rd 巧c o n m t i o na r ea l la b o v e0 2 5 n ed i 毹r e n c eo fa d l l e s i o nc o e 伍c i e 鹏啪d e rd i 船r e n ts p e e dc o n d i t i o ni ss 锄1 1 ( 3 ) t h ew a t e fm e d i 啪、0 u l dd e c r e a s ea d h e s i o nc o e 伍c i e n to fw h e e 忻a i li i l 廿1 e 嬲c e n t 缸a c k t h ed i f f e r e n c eo fa d h e s i o nc o e 佑c i e m su 1 1 d e rd i f f e r e n tw a t e rv o l u m ec o n d i t i o ni s s 撇u 锄dt l l ea d l l e s i o nc o e m c i e mi sa b o u to 1 ( 4 ) t h es u r f a c ed a m g eo fw h e e l r a i li i lt l l ea s c e m 仃a c ki sm o r es e v e r et l l a ni i lt h e s 臼a i g h tl e v e ln - a c ku n d e r0 i lc o n d i t i o n ( 5 ) t h ea d l l e s i o nc o e 伍c i e mi i lt h ee x p e r i m e n t su l n e rt 1 1 ea u s c e n tc o n d i t i o ni sc l o s et 0 n l ec a l c u l a t e dr e s u l t s 2 u n d e rt l l ed e s c e n tc o n d i t i o n ： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 ( 1 ) 1 1 1 ea d l l e s i o nc o e m c i e n t so f 、h e e l r a i l 岫d e r 觚dd d ，锄dw a t e rc o n d i t i o i l sd e c r e a s e d o b v i o u s l yc o m p a r e d 晰mm er e s u l t si n 恤c o n d i t i o no fs 仃a i 出l e v e l 仃a c k t h ea d h e s i o n c o e m c i e n ti sa b o u t5 0 - 6 0 o f 也a ti nt l l e s 忱a i g h tl e v e lc o n d i t i o n b u t 吐i ea d l l e s i o n c o e 伍c i e n t so fw h e e l r a i ll l l l d e ro i lo n d i t i o ni st a l l e rt h a i ls 缸a i g h tl e v e l ( 2 ) t h ea d h e s i o nc o e m c i e n t si i lt h ee x p e 池e n t su 1 1 d e rt l l ed e s c e n tc o n d i t o na r es m a l l e rt l l a n 仕i ec a l c u l a t e dr e s u l t s t h e r e f o r e t 1 1 e 珊l e s i o nc o e 伍c i e m ss h o u l db ec o 玎e c t e di i la c t u a l a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：r a m p ；w h e e l r a i lc o n t a c t ；a d h e s i o c o e m c i e n t ：c l a m p i n ga p p a r a t u s ； m e d i u m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 伴随着“铁路跨越式发展”的总战略，中国铁路飞速发展，高铁项目和各地地铁、 城际轨道的相继建设和使用，铁路发展水平已经达到了一个相当的高度：“十一五” 期间，全国铁路营业里程达到9 1 万公里，快速客运网总规模达到2 万公里以上。 而“十二五”铁路规划纲要显示，“十二五”末全国铁路运营里程将增加到1 2 万公里左右， 其中快速铁路4 5 万公里左右，这说明在未来几年，中国铁路还将处于飞速发展的状态， 铁路在国民经济中所担当的地位将更加重要。 由于铁路列车运行速度的提高，运行安全越来越受到各方人士的瞩目。通过几代 人的研究，许多在关系列车运行的重大问题得到了解决，但仍有一些关键的基本问题 未得到透彻的解答，同时一些低速时的隐性问题及高速条件下新出现的问题已经严重 影响到高速列车及地铁车辆的运行质量，很多问题亟待解决，例如铁路列车运用中最 基本的轮轨关系中的粘着问题。对于以轮轨关系为主要特征的铁路牵引动力系统来说， 粘着是限制机车车辆牵引力和制动力有效发挥的决定性因素之一，它涉及到机车设计 制造、铁路工程、工务和机务运用等许多重要部门，因而它又是一个复杂的、综合性 的技术性基础问题，并且是节约成本方面的一个重要的基本因素。 1 1 轮轨间的摩擦与粘着 1 1 1 轮轨间的摩擦 轮轨接触示意图如1 1 所示，在车轮载荷重尸的作用下，轮轨接触区域发生弹性 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 材料在接触区附近发生弹性变形，从而轮轨接触面间产生切力，即车轮牵引力，使车 轮滚动前进。列车运行过程中，动轮与钢轨的刚性接触同时存在摩擦作用，从列车启 动到安全运行过程，摩擦力是由最大静摩擦力的理想滚动状态转变为一种滚中带滑的 状态，而这种介于理想滚动状态和避免空转的滚中带滑状态就是粘着状态，随着机车 的牵引运行当动轮转速的线速度超过列车运行的速度，使滑动摩擦作用大大超过滚动 摩擦作用，就会造成机车动轮的空转甚至滑行，后果严重的会引起轮对和钢轨的擦伤， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 通常状况下轮对擦伤较钢轨擦伤更为严重：如下图1 2 ，分别为牵引和制动工况典型的 轮对及钢轨擦伤实物图。 图1 1 轮轨接触示意图 ( a ) 车轮制动擦伤( b ) 钢轨擦伤( c ) 闸瓦制动擦伤 图1 2 典型的轮轨擦伤 1 。1 2 轮轨粘着 “轮轨粘着“是一铁路俗语轮轨间的粘着力可以通俗的理解为机车运行过程中，车 轮和钢轨相对运行的同时伴随着相对滚动，这个相对滚动过程产牛的摩擦力即为粘着 力。在学术理论和应用中一般定义为：由于正压力而保持动轮与钢轨接触处相对静止 的现象称为粘着。其实质就是在滚滑接触条件下轮轨摩擦副接触界面的摩擦力，又同 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 时不损伤轮轨接触表面的材料【2 】，研究轮轨粘着其目的就是为了有效提高机车牵引力。 机车的牵引、加减速和制动是靠轮轨接触斑的相互作用传递切向力来实现的，这种轮轨 间的相互作用特性称为粘着特性。 1 1 3 粘着系数 在铁路牵引和制动理论中，在分析轮轨间纵向力问题时，由于用“粘着”代替了静 摩擦这个概念。相应地，在粘着状态下轮轨间纵向水平作用力的最大值就称为粘着力， 而把粘着力与轮轨间垂直载荷之比称为粘着系数。 轮轨间传递的切向力f 与垂向静载荷重尸的比值定义为粘着系数( 图1 1 ) = ，尸( 1 1 ) 早期一些机车在不同速度下的粘着系数如下表： 表1 1 机车不同运行速度下的计算粘着系数表 1 1 4 轮轨滚动接触蠕滑率 如图1 1 示，依据h e n z 接触理论及其假定条件，新的钢轨和车轮实际接触区域近 似为一个椭圆，这个椭圆形接触斑又分为粘着区和蠕滑区。而轮轨蠕滑的定义为：具 有弹性的钢制车轮在弹性的钢轨上以一定的速度运行时，在车轮与钢轨的接触面之间 产生的相对微小的滑动。其实质为动车车轮向前滚动时，车轮的滚动前进速度u 总是低 于车轮的圆周力矩m 的作用，从而引起蠕滑。 在二维的滚动接触理论中，一般采用c a n e r 理论来定义纵向和横向蠕滑率： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ，车轮的横向速度纯滚动使得横向速度 ，1 ，一_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ 一 。 由车轮纯滚动产生的进速度 ，车轮的时的前进速度纯滚动时的前进速度 锨= 一 由车轮纯滚动产生的前进速度 通常在轮轨接触试验研究中，我们只分析纵向蠕滑率，一般蠕滑率7 的定义为 尺国一d y = ( 1 1 ) d 式中：尺一车轮半径；彩一车轮回转角速度；d 一车轮前进速度。 1 。1 5 坡道条件下的轮轨粘着 坡道问题一直以来是铁路建设和运用中的较为困扰的问题，随着现代建筑施工技 术：高架桥、隧道等施工方式的采用和新型大功率机车车辆的使用，其中一些问题已 经得到解决，同时由于我国国情和地貌，坡道线路仍将处于饱和运营状态，一些问题 依然影响着铁路运输安全和效率。 坡道条件下的粘着，其主要因素来自于机车轴重转移。机车轴重，是指静止状态 下的机车在每个轮对施加于钢轨的质量。在设计机车过程中，要根据机车总体布局规 划对机车在每个转向架上的重量进行分配和计算，以便最终使得各轴的轴重近似相等。 而在实际运用中，当机车产生和传递牵引力时，各轴的轴重会发生变化：有的增载， 有的减载，这种实际状态即称为轴重转移。坡道条件下，由于坡道倾斜，列车轴重转 移更为明显，粘着问题更为突出，尤其在阴雨天气特别是小雨天或者钢轨有油情况下， 轮轨粘着作用会大幅降低，对列车运行产生很大的影响阳3 。在笔者查阅的许多论文中， 坡道条件下的轮轨粘着基本上多作为平直轨道粘着问题的一个分支，许多的结论直接 引用，有针对性的研究并未深入展开，所以进行坡道粘着模拟研究试验很有现实意义。 1 2 国内外关于轮轨粘着的研究现状 1 2 1 平直轨道轮轨粘着 轮轨间实际存在的粘着，是轮轨牵引力传递可能达到最大的粘着，称为可用粘着。 轮轨间的可用粘着是客观存在的，是由轮轨接触物理状态所决定了的，一般不能人为 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 的改变。机车在运用中的实际粘着不能超过可用粘着，只能尽可能的接近它【3 。5 】。 具有较好的轮轨粘着特性是列车高速安全运行的最基本条件之一【7 】。世界范围内， 随着铁路技术的发展及铁路相关技术水平的提高，尤其是大功率交流传动电力和内燃 机车的广泛使用，轮轨高速系统作为相对安全系数很高的高速系统得到了广泛的认可 和应用，机车功率大幅度增长，轮轨间的粘着对低速和中速大牵引力的限制作用日益 突出，从制动和驾驶的角度来说，不论高速与低速系统，轮轨之间的粘着是维持铁路 安全并稳定运行中非常重要的因素之一，因此在世界范围内，对轮轨粘着问题的研究 也有了相当的认识，尤其近二三十年来，随着高速重载铁路的持续发展，铁路发达国 家对轮轨粘着问题的研究更加深入。由于在既有运营线路上开展与粘着相关的试验研 究测定粘着系数，困难多、耗资大、持续周期长，缺乏充足的经费和必要的技术条件， 致使基于应用现场的研究工作难以开展，所以许多学者多采用模拟试验研究，同时通 过现场数据的收集与模拟实验比对，对轮轨粘着有了较为统一的认识。轮轨接触区域 产生的粘着现象，其实质是一种较为特殊的摩擦问题，与轮轨间的粘着特性有关因素 有：轮轨接触斑压力、车轮和钢轨的材质、轮轨相对运动的状态、钢轨和车轮的外形 尺寸和轮轨表面的微观形貌及粗糙度、以及列车运行所处的自然环境状况等因素，同 时还受到列车运行时车轮相对滚动速度、车轮蠕滑以及列车牵引制动时机车轨道系统 振动等因素的影响【5 吲。如果要使铁路达到进一步高速化以及实现快速加载和快速制动， 就必须对钢轨与车轮的粘着特性充分理解。 与粘着现象关联的因素有很多，相关的研究报告学术文章也很多，但至今仍存在 许多物理现象只是通过试验进行逆向分析，对其机理并未明确。例如高速铁路技术， 近年来高铁技术迅速发展并广泛应用。法国高速列车t g v 技术一直处于世界高铁技术 的领先地位，1 9 9 0 年就创造了5 1 5 3 k n 讹的世界高铁最高速度，而中国高铁4 6 8 1 的实际运营速度也成为了世界纪录。高铁列车除了它的快捷更重要的是其安全性和舒 适性，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。法国国营铁路公司和落马洲合作研究表明，“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，粘土或着沙尘对轮轨 之间的粘着系数影响很小，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 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 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【1 3 川。其中，与钢轨接触区域的水分，有时会造成粘着力大幅度下 降，成为造成机车车轮空转或滑行的一个原因。其结果会使车轮和钢轨的踏面受到损 伤，出现振动和噪声并不断增大。根据弹性流体润滑理论饵h l ) 的分析得出，车轮与钢 轨接触区域存在水膜使的金属承载作用减小从而粘着系数下降。我们知道，附着在面 钢轨表面的落叶、油脂，会使基础粘着系数显著下降；相反，如果在受污染的轨面喷 撒增粘材料( 砂、陶瓷粉) 或使用踏面清扫器、增粘研磨器及修正钢轨等，则会使基础粘 着系数有所提高。也就是说，基础粘着系数是由轮轨接触部分物理摩擦特性所决定的 运用中实际粘着系数。相对而言，所谓实用粘着系数是依据转向架的结构和轴重移动 特性、运行控制方式等，即随机车车型及形式而不同的“表面粘着系数”。机车运行中 最重要的是实用粘着。近年来，机车驱动和制动控制技术随着实用粘着系数的提高而 不断向前发展。不过，实用粘着系数的上限值与基础粘着系数有关，在基础粘着系数 很低的运行条件下，要得到必需的加速或减速度是相当困难的。 水这种物质是存在于轮轨接触面中间机会最多，并且形态多样。因此，定性及定 量的掌握有水膜存在时的轮轨基础粘着特性是很重要的【8 引。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，使安全运营系数降低。 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：水温不同时 列车行车速度及表面粗糙度( 均方根粗糙度r m s ) 对粘着系数的影响。随着列车运行速 度的升高而下降的粘着系数下降量，依据水温和表面粗糙度的不同而有很大差别。如 果水温下降，水的粘性就会增高，从而水膜的厚度增大，粘着系数减小【9 ，1 2 】。轮轨接触 区域在没有液态介质存在条件下，基于弹塑性理论的计算结果表明：轮轨粘着系数峰 值通常比有液态介质存在的条件下计算结果要大，从微观角度分析，一般认为这是由 于轮轨接触区域实际为凸点接触，当有存在液态介质时，液态介质充满了接触表面凹 下的部位，使得液态介质不能自由流动，同时由于液体的压缩性较小，使得液态介质 承受部分轮轨接触压力所致。从在轮轨接触区域是否存在液态介质的情况下得出的微 观表面应力的分布显示，在钢轨表面存在很大的压应力，其幅值超过了材料的屈服极 刚2 5 1 。从而使得凸出部位长时间弹性变形，经过长时间应力循环导致凸起因疲劳而剥 离轨面，造成轨面磨损。将所有的凸起部分磨平，并且有水的存在，填平凹下部位使 得轮轨接触微观表面就会出现平面，就出现了粘着下降的时刻点和时刻接触面。当接 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 触表面有液态介质存在时，在凹下的部位液态介质不易自由流动和不可压缩特性，引 起了液态介质承受了压力，液态介质也传递了部分载荷【2 6 1 。真正有效牵引力利用率就 会下降，因此会导致打滑或空转以及粘着不足的现象。 o h y 锄a 在1 9 8 5 年使用比例大约为1 ：2 的实验装置，模拟试验了水介质条件下的高 速轮轨系统粘着特性l l2 。，分析了轮轨接触区域表面状态、轮轨相对滚动速度以及h e 泡 解除条件下压力对轮轨粘着系数的影响，结论是：一、在有水介质存在的接触区域， 轮轨接触表面粗糙度越小，轮轨粘着系数相应较小，并且当轮轨粘着系数趋响饱和或 最大时所对应的车轮蠕滑率曲线的斜率越小，分析其原因是由于接触区接触面积越小， 接触表面上水膜形成的面积越大，接触表面由水膜承受的压力比重增大，而水膜承受 的切向剪切力较小，因袭粘着系数相对较低。二、在较光滑的轮轨接触表面同时存在 水介质状况下，h e n z 接触压力就越大，相应轮轨粘着系数也越大；但对于较为粗糙的 轮轨接触表面，情况则刚好相反，这是由于接触区域表面较为光滑时的，轮轨表面凹 下区域形成的水膜厚度所受的高h e n z 压力作用而减少甚至遭到破坏，而使得固体接触 表面积增大，使得固体接触凸起部位承受的压力载荷增大，使得由这部分形成的切向 摩擦作用增大，导致接触表面粗糙区域的峰值发生较大变形，甚至导致凸起部位塑性 变形，使得峰值部位接触面的剪切作用降低，在这一过程中，还伴随水膜承受的法向 载荷面积增大，水膜作用所产生的切向摩擦作用降低。三、在轮轨接触区域表面的粗 糙度保持稳定并且有水介质存在的条件下，动轮滚动相对速度越高，轮轨粘着系数就 越低，这是由于当动轮滚动速度增加，水膜厚度增加【1 5 】。后来o h y 锄a 和他的合作者使 用大型尺寸实验装置研究了轮轨接触表面在干态条件下，使用轻小型试验设备，研究 了钢轨在石蜡污染条件下的轮轨高速系统粘着现象，并对现场的轮轨粘着系数进行试 验实测【珀 l 引，得出以下结论：第一、在干态光洁的轮轨接触表面，随着滚动速度提高， 测试得到的粘着系数数据较为分散，粘着系数没有明显的下降趋向，当有少量石蜡介 质污染物存在情况下，轮轨粘着系数会下降至0 1 甚至更低，但速度的增减影响粘着系 数的程度很低，几乎可以忽略；第二、在日本新干线线路上，通过对轨面洒水，同时 针对各类车型进行轮轨粘着系数现场试验测量，数据表明轮轨粘着系数变化趋势随同 列车行进速度的增加而下降，各类型机车轮轨粘着系数的变化趋势是近似一样的。后 来o h v 锄a 通过在室内进行轮轨材料动静摩擦系数的粘滑试验测试，发现当液态的石蜡 污染物附着在轮轨材料接触面上时，其静摩擦系数值在o 3 0 4 5 之间，当轮轨接触表 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 面相对的滑动速度达到3 0 m m s 时，轮轨材料的动摩擦系数值约为o 1 。当增大赫兹接触 压力，从4 0 0 m a 增加到6 0 0 a 时，轮轨摩擦系数会有较小幅度的下降。当相对滑动速 度从o m m s 逐渐增加到3 0 m m s 时，动摩擦系数会有较为明显的下降，然而当相对滑动 速度大于3 0 m m s 时，摩擦系数会趋向于稳定，这个稳定值既可作为计算应用的动摩擦 系数，对于干态接触表面和水污染接触表面，当相对滑动速度增加，摩擦系数却一直 呈下降趋势，并不是趋于一个确定值。日本学者n a g a s ek 在1 9 8 9 年设计了特殊的转向 架，此转向架安装了特殊的测试设备，安装在运营列车上，可进行轮轨接触表面不同 介质状态下的现场测试，测试分别在日本东京以及日本北部等地区的新干线线路上进 行【2 0 1 ，得到结论是： 1 在天气干燥时，线路上的轮轨粘着系数其最大值将会随着路面状况起伏变化， 其影响效果介于3 l o ： 2 清洁干燥的轨面上，列车运行速度对轮轨粘着系数的影响很小； 3 雨天情况下，轮轨粘着系数将大幅度下降：随着轮轨间相对滚动速度增大，粘 着系数将减小； 4 露水、霜冻和雾气会使粘着系数大幅下降； 5 当钢轨表面上附着“第三介质”等有害物质时，包括油、泥土、树叶等影响粘着 系数的介质。潮湿的树叶落在轨面时，由于列车通过的碾压会在钢轨表面形成一层落 叶浆，它的存在会使粘着系数降低，如果轨面干燥对轮轨影响不大，但若天降小雨， 雨水会使落叶浆稀释，形成一种膏脂状物质使轮轨粘着系数急速下降至0 0 3 左右【2 1 2 3 1 。 由于水的蒸发作用，水介质对轮轨粘着的影响是短暂的，干的磨屑对粘着影响几 乎没有，而当水和磨屑形成膏状物质存在于轮轨接触表面就会使粘着下降，并且这种 膏状物质量越大黏着下降就越大，因此在小雨或者霜雾天气就很容易形成这种物质， 而在中到大雨天气，由于水流冲刷的作用，会使这种膏状物质随着水流流出钢轨表面， 改善了轮轨接触区的表面状态，使得轮轨粘着系数增大。 1 2 2 改善轮轨粘着的方法 改善轮轨粘着的方法有很多阱2 5 1 ，撤砂法是改善机车运行粘着作用，最古老的方 法之一。并且是价格低廉且较为行至有效的方法。除了撒砂以外，相关铁路部门也选 用了在轮轨间增加减摩物质来改善粘着，这些减摩剂中含有砂子颗粒和其它固体颗粒， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 用以改善在一定污染状况下的粘着。k u m a r 用实验的方法分析比较在干洁表面状况下 和撒过砂机车的磨损和粘着情况，实验表明在油接触的轮轨状况下，砂子确实可以有 效改善论轨间的粘着，同时结论表明砂子的使用增大了车轮和钢轨的磨损率。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 。北美机车在撒砂和不撒砂情况下的轮轨磨损与粘着。得出结论是： 提高粘着的方式：a 控制蠕滑发；b 撒砂法。撒砂可以提高轨道被污染时的粘着力，但 由此而产生的轮轨磨损量加大及轮轨断而恶化，大大抵繁消了这一效益，因为磨损以 及对轮轨的更频更换会造成维修费用的明显增加。为了满足提高粘着力的需求，应优 先采取撒砂法外的其它方法，如蠕滑控制法，以确保降低磨损率和减轻轨道的恶化。 在必须撒砂时，应采取低量撒砂并把砂子精确地撒进轮轨接触区【2 8 】。 一些研究人员从化学和物理的角度对粘着进行了研究，陶瓷材料、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【2 9 3 6 1 。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。 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，粘着系数较大，可以达到0 5 左右，但总的来说，粘着系数基本上不 随车轮滚动速度而变化。 3 在水润滑条件下，速度变化引起粘滑特性曲线的变化规律是非常明显的，速度越 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 高，粘滑特性曲线分布越低，粘着系数越小。 4 在油润滑情况下，粘着系数基本上不随速度的变化而发生明显变化，而且粘着系 数相当小，只有o 0 5 左右。 5 根据测得粘着系数进行统计模拟计算，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【3 7 4 2 1 。 从影响粘着因素方面研究得出结论是： 1 地域气候条件和各种污染物的影响。 2 线路状态好坏的影响：a 钢轨的表面状态；b 线路质量；c 弯道；d 有缝轨与无 缝轨( 即短轨与长轨) 。 3 机车本身结构参数与性能的影响：其中包括：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、 动轴驱动方式和轴重转移。一般在应用中改善粘着性能方式：撤砂、安装防空装置和 安装增粘闸瓦【4 3 ，5 。 从轮轨接触振动对轮轨粘着的影响方面研究，其结论是：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 妯【l l l 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 k n 讹时，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，这一现象会有 什么变化，值得深入研究，这是因为在货运机车脱轨行为试验研究中，实验人员已经清 晰拍摄到了轮轨脱离瞬间的轮轨接触现象。因此，轮对和钢轨之间的接触振动对轮轨 之间的粘着有很大影响：当列车运行速度增加时，由于轮轨间的平均接触力的下降会使 粘着系数减小【5 2 1 。 1 3 基于国内外研究的一些结论 1 3 1 轮轨粘着的主要影响因素 1 钢轨表面状态及环境影响因素 轮轨接触表面状态以及周围环境状况对轮轨粘着的影响程度最大。这些环境介质 包括树叶、植物、油、油脂、水、冰、雪和钢轨上的铁锈对轨道的污染影响以及轮轨 接触区域表面微观粗糙度等。最大影响因素是秋季掉落在钢轨上的树叶。在英格兰、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 日本和美国，落叶给维持列车正常运行带来了较为严重的问题，在上述情况下已经检 测得粘着系数可低至0 0 3 ( 其中杉树和松树树叶使粘着下降趋势最大) 左右。大雨并 不是使粘着下降的主要因素。但是，蒙蒙细雨或夜间在轨道上形成的露水或霜似乎对 粘着影响很大，分析认为此时形成的有机物、污物、铁锈和湿气构成的粘性膏状物质， 这是引起粘着下降的主要原因。轨面上的主要污染源之一是潮气与油、油脂和从列车 掉落在轨面上的柴油结合在一起形成的污染物。对于铁路运输系统，当货物列车和旅 客车列车驶过同一条线路时情况更是如此。 如图1 3 示，水介质( 包括液态水和水蒸汽，霜露) 对粘着的影响相当大。干燥 条件下轮轨粘着系数可达o 4 以上，在下小雨或空气湿度较大时，以及轨面上有露水情 况下，粘着系数很低，对于清洁轨，情况均是这样，同时随着速度增大粘着系数会下 降。当轨面上有粉尘、铁锈磨屑、落叶、油和油脂时，粘着显著下降。当气温低于露 点时，水开始在表面覆盖有诸如油、污物、铁锈、粉尘或树叶一类润滑剂的轨面上凝 结。这层薄薄的水膜与其他磨屑碎片混合在一起，形成糊状的润滑剂膏，从而显著降 低粘着。下小雨或蒙蒙细雨时湿度较高，对粘着有同样的影响。因为薄薄的水膜与其 他磨屑碎片混合在一起。有时，铁锈与油和油脂混合形成一层剪切强度低的膏体，使 粘着系数减少到清洁轮轨系统粘着系数的1 5 l 6 。当雨下得很大时，粘着也要下降， 但不如下小雨时或湿度较大是下降明显。这是由于大雨能将轨面的磨屑、油和树叶之 类物质清除掉，使剪切强度低的膏体不能形成。 弘； 1 7 i 砌? 向j 5 0i o o1 5 02 0 0：5 03 0 【j 图1 3 粘着系数与运行速度、气候条件间的关系 6 5 4 3 ： ， o 雌 附 吣 虻 o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 结合图1 3 ，可将水介质的影响归结为表面污染，因此得到以下结论： l 、在没有磨屑的钢轨表面上，水作为一钟附加的边界润滑剂，会使轮轨粘着系数 降至o 2 左右； 2 、当磨屑存在时，水可与磨屑混合形成一层剪切强度低的膏状物质，湿度小时， 膏体驻留在轨面上，使粘着系数显著降低至0 0 5 ； 3 、下大雨时，磨屑膏状混合物被冲刷掉，因此能获得较高的粘着状态。 2 轮轨材料、金相及硬度 车轮和钢轨材料的金相组织对轮轨粘着水平有一定的影响。工程技术人员发现可 以采用特殊合金，例如镍合金制造的车轮，可有效的改善轮轨粘着特性，但是此种材 料成本较高，从整个铁路系统的经济方面考虑，广泛推广和使用这种材料并不可行。 许多的生产厂商和研究机构仍在研究其他一些相对经济可行的替代金相组织材料，未 来或有可能有助于改善轮轨粘着水平。 3 列车走行速度 一般认为，当机车运行速度增加时粘着系数会略有减小。其原因是，当列车运行 速度增加时，轮轨间接触区的接触状态发生了改变，相对的滑移区面积增大，从而速 度的变化影响了轮轨间切向力传递的状态。当轨面干燥时，速度的增减对粘着系数变 化影响很小；当钢轨表面潮湿或轨面有水时，车轮高速回转使轮轨间的水受垂向压力 作用，形成很薄的一层水膜，使轮轨接触由金属凸起变成水膜和金属凸起共同承担， 实际轮轨接触面积减少，导致车体转向架之间传递切向力能力下降，随着速度增高， 粘着系数会明显的下降。 4 轨道质量 轨道的质量对列车运行能获得的粘着有直接影响。由于钢轨接头引起的冲击，在 钢轨接头处引起车轮牵引力下降，导致粘着显著下降，对此可以采用无缝长钢轨，可 以获得较高的粘着特性及良好的走行品质。状态良好的焊接无缝长钢轨，当轨面清洁 时，可获得较高的粘着系数。在小半径曲线线路，钢轨扭曲和轨道不平顺会造成机车 的爬行和钢轨侧磨，造成轮轨表面质量下降从而使粘着下降。实际上在曲线区段由于 轨道超高以及钢轨导向作用，会造成钢轨内侧和车轮轮缘磨损增大，工务部门常采用 在钢轨内侧涂润滑油以及机务采用轮缘喷油以减缓磨损量，但研究发现这种轨道润滑 措施会使轮轨粘着下降o 0 7 左右。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 5 机车轮对蠕滑控制 随着列车运行和转向架的蛇形运动，当轮对沿钢轨滚动并自正中位置横移或偏转 时，轮轨间在纵向、横向和垂直于接触平面的回转方向产生相对位移，这种牵引动轮 都发生的微观滑移即“蠕滑”现象，是与车轮的粘着水平密切相关的一个重要参数，直 到2 0 世纪7 0 年代初，车轮的蠕滑一直被限定在较小的范围内( 约1 ) ，以获得与此 蠕滑水平相对应的粘着水平。车轮踏面外形是影响蠕滑率的重要因素之一，合理的踏 面外形有助于轮轨粘着的利用。在新型人工控制系统中，均采用增大蠕滑的方法来增 加轮轨间的粘着。 6 机车轴重及轴重转移 机车设计上可以尽量减少轴重转移，在设计达到最好效果情况下，以到最小的轴 重转移，这样的状况可以使机车运行时一半轮对所承受载荷均匀增大，而剩下的一半 载荷相应的均匀减小，载荷增加量等于载荷减小量相同。由于轴重转移的客观存在， 可能在载荷减小最多的轮对首先发生空转，接下来会导致连锁反应，引起所有机车轮 对空转。实际上，这是轮轨粘着重量减小的一个类型，但这种情况也可以视作可利用 的轮轨粘着系数一变小，而不是实际情况下的机车粘着重量变化，即未产生机车轴 重转移。但是，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。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。 7 车轮和轨道的几何形状 轨道的几何形状，例如曲线轨道，由于横向蠕滑力和自旋蠕滑力矩的增大，导致 纵向粘着发生一定程度的下降。由于机车在曲线上运行时，机车轮对在运行方向上和 轨道曲线切线方向形成夹角角，工程上称之为冲角，冲角的存在会使轮对在钢上产生 横向的蠕滑以及轮对摇头，由于车轮与钢轨之间可以传递的蠕滑力会受到轮轨粘着作 用的限制，造成曲线区段粘着系数下降( 俗称粘降) 。因此最大粘着系数所对应的的 蠕滑率会随着线路曲率增大而增加。轮轨廓形和车轮滚动半径对轮轨粘着也有影响， 合理的轮轨外形尺寸以及轮轨间的外形配合会较小轮轨的接触振动从而有效增大轮轨 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 间的粘着利用率，现场运用中常采用打磨钢轨和旋轮的方法消除钢轨和车轮外形的损 伤。 1 3 2 改善轮轨粘着的途径 通过上文，我们知道影响计算粘着系数的因素主要有轮轨接触表面状态、运行速度、 机车转向架构造和环境气候等因素，所以，在现场应用时往往也采用与之对应的措施 改善轮轨粘着： l 改善轮轨接触面的状态 ( 1 ) 在轮轨接触表面喷洒增粘剂，最常用的是撒砂，但同时存在一个问题，即喷洒 增粘材料会加剧钢轨和车困得磨损，从而增加了维护维修费用，所以现在很多研究在 讨论更为经济并且降低磨好的增粘材料，最近日本在试验在轮轨接触部位喷洒陶瓷材 料。 ( 2 ) 采用机械机构来清洁钢轨表面，比如在机车转向架安装专用清扫装置，以清除 附着在钢轨表面的树叶、雪等物质；定期打磨钢轨、更换磨损较为严重的钢轨材料； 对机车轮对进行旋切，保证其有较好的踏面外形。 2 改善机车走行部性能 ( 1 ) 使机车动轮具有相同的轮径，合理布局机车总体，使机车重量在动轴均衡分布； ( 2 ) 保持机车走行部件的清洁； ( 3 ) 在机车转向架增设粘着控制装置； ( 4 ) 安装使用新型增粘闸瓦。 3 优化机车电控设计 ( 1 ) 采用无级控制调速系统，使机车传递的牵引力均匀变化。 1 4 论文研究意义与内容 1 4 1 坡道条件下的轮轨粘着 首先介绍坡道附加阻力，如图1 3 示( i 即为坡度) ： i = b c a c i = b c a c 1 0 0 0 = 10 0 0 t a n 0 【 由于a 很小，所以i _ l o o o t a i l 昨1 0 0 0 s i 眦，因此坡道单位附加阻力：w i - w j q = q s m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 1 0 0 0 q = 1 0 0 0 s i 觚i 。 图1 3 坡道示意图 坡道的存在会使机车轴重分布不均匀，伴随列车运行过程中的振动及蛇形作用， 会使轮轨粘着系数下降，特别是内燃机车由于燃油的晃动，轴重转移更加不均匀，粘 着下降的影响更为明显。一直以来，坡道问题的研究往往归结为线路建设和机车选型 的一个重要参数f 5 4 5 刀，但对于坡道粘着针对性的研究并未展开，仅把坡道问题列在平 直轨道的一个分支，把坡道看作是平直轨道的一个特例，例如，在研究中把坡道列为 轨道几何形状的问题进行讨论分析。在文献【5 8 ，5 9 】中，作者专门把下坡制动中的粘着问 题进行了分析讨论，通过分析下坡制动过程中轮轨受力状况，建立力学模型，依据现 场收集到的数据和相关试验分析，讨论了介质对于轮轨粘着的影响，认为轮轨表面状 况对粘着系数的影响最大，研究表明：钢轨表面水膜的厚度与速度的o 6 次方成正比， 同理，当钢轨表面上有落叶、污油或其它污物时，也会使轮轨粘着系数显著下降。 1 4 2 论文研究意义 安全是铁路发展的生命线，随着我国高速铁路和重载高速货运的快速发展，轮轨 粘着的有效利用将提高列车安全运营具有重要的意义。良好的轮轨粘着能有效地改善 轮轨系统的工作性能、延长轮轨使用寿命，降低铁路设备的维护维修费用，有重大的 经济意义。深入透彻