（机械设计及理论专业论文）轮轨黏着特性试验研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 摘要 随着高速重载铁路的快速发展，对轮轨间的黏着问题研究提出了更高的要求，尤 其是速度的提高，使轮轨黏着问题的研究变得更加复杂。良好的轮轨黏着能有效地改 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。深入透彻的分析研究这个问题，从最根本上保障列车运行安全，保证乘 客的生命安全。 本论文研究了干态和各种介质工况下的轮轨黏着特性，以及对旧的增粘方法的理 论研究和对新的增粘方法的提出。论文研究结果为我国重载与高速铁路的发展及轮轨 黏着特性的研究提供了参考依据，具有一定的工程意义。本文取得的主要结果和结论 如下： 1 、干态工况下，随蠕滑率的增：b 轮轨黏着系数先增加而后降低直至稳定。蠕滑率 为1 5 时黏着系数最大。随着速度的提高，轮轨黏着系数有所下降；而降低轴重有利 于提高轮轨的黏着系数。新模拟轮与模拟轨转动产生的黏着系数要小于旧的模拟轮与 模拟轨转动产生的黏着系数。新模拟轮与模拟轨转动产生的黏着系数与生锈的模拟轮 与模拟轨转动产生的黏着系数相差无几。随着冲角的增加，轮轨纵向黏着系数有所下 降，而横向黏着系数呈现上升趋势。 2 、干态工况下运行的模拟轮轨突然转入水介质工况时，黏着系数出现大幅下降， 下降了约5 0 6 0 。水介质工况下，黏着系数随蠕滑率的增加出现先增加而后下降，最 后逐渐趋于稳定。蠕滑率为1 时黏着系数最大。随着速度的增加，轮轨黏着系数下降 较大。随着轴重的增加，黏着系数有所上升。利用三因素四水平试验方法仅考虑速度、 轴重和轨道曲线半径时，干态工况下，影响轮轨黏着系数变化的因素由大及小分别为 轴重，速度，轨道曲线半径；水介质! 工况下，影响轮轨黏着系数变化的因素由大及小分 别为速度，轴重，轨道曲线半径。 3 、在污油、油水混合物、油水砂混合物介质条件下，轮轨黏着系数均远远小于 干态工况下轮轨黏着系数。其中油水砂介质下的轮轨黏着系数最大，约为0 0 8 ：污油 介质下黏着系数次之，约为0 0 5 ；油水介质下的轮轨黏着系数最小约为0 0 3 。通过比 较三种油介质混合物试验后轮轨表面，发现油水砂试验后轮轨表面磨损最为明显，磨 痕最宽；污油介质试验后轮轨表面磨损最小，磨痕最窄；油水介质工况下轮轨表面的 磨损情况处于污油介质和油水砂介质之间。 第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 4 、坡道工况下，干态时轮轨黏着系数在0 2 3 0 3 3 之间；有水时轮轨黏着系数在 0 0 8 , - 4 ) 1 1 之间；有污油存在时轮轨黏着系数约为0 0 3 。坡道运行时，在干态和水介质工 况下，轮轨黏着系数随速度的增加而减小。干态工况下轮轨黏着系数随轴重的增加而 减小；在水介质工况下，轮轨黏着系数随轴重的增加而上升。在平直道运行时，污油 介质工况下磨痕最窄，磨损最小；水介质工况下次之；干态工况下磨痕最宽，磨损最 大；在坡道运行时，水介质工况下磨痕最窄，磨损最小；干态工况下次之；污油介质 工况下磨痕最宽，磨损最大。 5 、水介质工况下撒砂可增加轮轨黏着系数3 5 6 5 ：干态工况下撒砂对轮轨黏着 系数有较小影响。水介质下撒砂的增粘效果主要取决于砂子颗粒的直径及撤砂量，大 砂粒直径的增粘效果更佳。随着速度的增加，水介质工况下撤砂的增加效果越差。水 介质工况下撒粗砂比撒细砂磨损严重。撒粗砂后模拟轮试件表面硬度高于撒细砂后模 拟轮试件表面硬度。水介质工况下撒砂会出现两条轨迹，内轨迹区域磨损相对严重， 外轨迹与内轨迹之间区域磨损相对较小。 6 、水和油介质工况下施加磁场作用后可显著增加轮轨黏着系数，其中水介质下 增幅达2 0 以上，油介质下增加达到5 0 。水和油介质工况下，施加磁场时速度对轮 轨黏着系数影响不大；不同磁场强度对轮轨黏着系数有一定的影响作用，随着磁场强 度的增加，轮轨黏着系数也相应增加：并且两侧磁场最强的部分能吸附轮轨磨损产生 的铁屑，从而减少了轮轨之间的第三体磨损。 7 、通过c o n t a c t 计算程序可以得知：蠕滑率为0 时，粘着区很大，蠕滑区几乎为 0 ；随着蠕滑率的增加，粘着区减小，蠕滑区增加，当蠕滑率为1 3 8 时为临界状态， 即接触斑内粘着区较减小为0 ，蠕滑区增大至全部接触斑；随着蠕滑率的继续增加，接 触斑内由蠕滑区变为宏观滑动区。纵向黏着力主要产生在轮轨蠕滑区。在蠕滑率开始 增长阶段o _ _ o 7 时，轮轨黏着系数大致呈现线性增长；随后随着蠕滑率的增大，轮轨 黏着系数增长缓慢，直至出现最大值0 3 6 2 ，此时蠕滑率为1 3 8 ；当蠕滑率继续增大 时，轮轨黏着系数出现小幅下降，直至稳定。 关键词：轮轨：黏着；撒砂：加磁：坡道：磨损 西南交通大学博士研究生学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e d h e a v y - h a u lr a i l ，s t u d i e so nt h ea d h e s i o n b e t w e e nw h e e la n dr a i lr e q u i r e df o rh i g h e rl e v e l i np a n i 砌瓯d u et ot h ei n c r e a s i n gs p e e d ， t h er e s e a r c ho na d h e s i o ni nw h e e l - r a i lh a sb e c o m em o r ec o m p l e x s u f f i c i e n tw h e e l r a i l a d h e s i o nc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ec a p a c i t yo ft h ew h e e l - r a i ls y s t e m ，e x t e n dt h el i f eo f w h e e la n dr a i l ，r e d u c ec o s t so fr a i l w a ye q u i p m e n tm a i n t e n a n c e t h u s ，i tc a l lb r i n gg r e a t e c o n o m i cb e n e f i t s a b o v ea l l ，o n l yi n - d e p t ha n dt h o r o u g ha n a l y s i so ft h i si s s u e ，c a nw e g u a r a n t e es a f eo p e r a t i o no f t r a i n sa n d e n s u r ep a s s e n g e rs a f e t y t h i sp a p e rs t u d i e st h ew h e e l - r a i la d h e s i o np r o p e r t i e su n d e rt h ed 巧c o n d i t i o n sa n d 谢t hav a r i e t yo fm e d i a ，a sw e l la st h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nt h eo l dm e t h o d st oi n c r e a s e v i s c o s i t ya n dp r o p o s e sn e wm e t h o d s i m e r e s u l t so f p a p e rp r o v i d ea ni m p o r t a n tr e f e r e n c e b a s i sf o rt h ed e v e l o p m e n to fh e a v y - h a u la n dh i g h - s p e e dr a i la n dr e s e a r c ho nc h a r a c t e r i s t i c s o fw h e e l - r a i la d h e s i o n ，w i t hg r e a ts c i e n t i f i cs i g n i f i c a n c e t h i sm a i nr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n s o b t a i n e do f p a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 、w h e nu n d e rt h ed r yc o n d i t i o v s ，w h e nt h ec r e e p a g ei sl e s st h a n1 5 ，t h ea d h e s i o n c o e f f i c i e n ti n c r e a s e sr a p i d l y w h e nc r e e p a g ei sa b o u t1 5 ，a d h e s i o nc o e f f i c i e n tr e a c h e s t h em a x i m u mv a l u e ，a n dt h e n , a st h ec r e e p a g ei n c r e a s e s ，t h ea d h e s i o nc o e f f i c i e n td e c l i n e s s l i g h t l ya n dg r a d u a l l yb e c o m e ss t a b l ea tl a s t a d h e s i o nc o e f f i c i e n td e c r e a s e sw i 廿1t h e i n c r e a s i n go fs p e e d w i t ht h ea x l el o a dd e c r e a s e d ，a d h e s i o nc o e f f i c i e n ti n c r e a s e s t h e a d h e s i o nc o e f f i c i e n to b t a i n e db yn e w , d m u l a t i n gw h e e li ss m a l l e rt h a nt h a to b t a i n e db yo l d s i m u l a t i n gw h e e l ，m e a n w h i l e ，t h e r ei sn od i f f e r e n c eb e t w e e nt h ea d h e s i o nc o e f f i c i e n t o b t a i n e db yn e ws i m u l a t i n gw h e e la n dt h a to b t a i n e db yr e s t e ds i m u l a t i n gw h e e l w i t ht h e d e c r e a s eo ft h er a d i u so fc u r v e ，w h i l et h el a t e r a la d h e s i o nc o e f f i c i e n ti n c r e a s e sb u t l o n g i t u d i n a la d h e s i v ec o e f f i c i e n td e c r e a s e s 2 、t h ea d h e s i o nc o e f f i c i e n td e c r e a s e sf i f t yt os i x t yp e r c e n tw h e na d d i n gw a t e r b e t w e e nw h e e la n dr a i lu n d e rd d ，c o n d i t i o nc o m p a r e dw i t hd 巧c o n d i t o n w h e nu n d e rw a t e r c o n d i t i o n s ，s p e e di st h em a i nf a c t o rc a u s i n ga d h e s i o nc o e f f i c i e n td e c r e a s i n ga n dt h e a d h e s i o nc o e f f i c i e n tb e c o m e ss m a l l e r w h e ns p e e di sh i g h e r a st h ec r e e p a g ei n c r e a s e s ，t h e 第页西南交通大学博士研究生学位论文 a d h e s i o ne o e f f i c i e n ti n c r e a s e sb e f o r ei tr e a c h e st h em a x i m u mv a l u e ，a f t e rt h a tt h e c o e f f i c i e n td e c l i n e ss l i g h t l ya n dg r a d u a l l yb e c o m e ss t a b l ea tl a s t a sf a ra si n f l u e n c ed e g r e e o ft h r e et e s t i n gf a c t o r sw h i c hh a v ee f f e c to na d h e s i o nc o e f f i c i e n ti sc o n c e r n e d ，a x l el o a di s t h ef i r e so n e ，t h e ns p e e d ，f i n a l l yt r a c kc u r v er a d i u su n d e rd r yc o n d i t i o n ，a n ds p e e di st h e f i r s to n e ，t h e na x l el o a d , f i n a l l yt r a c kc u r v er a d i u su n d e r w a t e rm e d i u mc o n d i t i o n 3 、t h ea d h e s i o nc o c 伍c i e n tu n d e rw a s t eo i l ，o i l w a t e rm i x t u r e ，o i l - w a t e r - s a n dm i x t u r e c o n d i t i o ni ss m a l l e rt h a nt h ea d h e s i o nc o e f f i c i e n tu n d e rd r yc o n d f i o n b yc o m p a r i n gt h e s u r f a c eo ft h er a i l w h e e la f t e re x p e r i m e n tu n d e rt h r e ek i n d so f m i x t u r e so fo i ld i e l e c t r i c ，t h e w e a ro fr a i l - w h e e ls u r f a c ea f t e re x p e r i m e n tu n d e ro i l - w a t e r - s a n dm i x t u r ei st h em o s t o b v i o u sa n dt h ew e a rs c a ri st h ew i d e s t ；w h i l eu n d e rw a s t eo i ld i e l e c t r i cc o n d i t i o n st h e w e a ri st h es m a l l e s ta n dt h ew e a rs c a ri st h en a r r o w e s t ；a n du n d e ro i l - w a t e rm e d i u mt h e w e a ri st h em e d i a t e 1 1 1 ea d h e s i o nc o e f f i c i e n to fw h e e l - r a i lu n d e ro i l w a t e r - s a n dm e d i ai s t h el a r g e s t ，u n d e rt h eo i l - w a t e rm e d i at h ea d h e s i o nc o e f f i c i e n to fw h e e l - r a i li st h es m a l l e s t 4 、w i t ht h er a m pc o n d i t i o n ，t h ea d h e s i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e no 2 3a n do 3 3u n d e rd r y c o n d i t i o na n dt h ea d h e s i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e n0 0 8a n d o 11u n d e rw a t e rc o n d i t i o n ；b y c o m p a r i n gt h es u r f a c eo ft h er a i l w h e e la f t e re x p e r i m e n tu n d e rt h r e ek i n d so fm i x t u r e so f o i ld i e l e c t r i c ，t h ew e a ro fr a i l - w h e e ls u r f a c ea f t e re x p e r i m e n tu n d e ro i ls a n di st h em o s t o b v i o u sa n dt h ew e a rs c a ri st h ew i d e s t ；w h i l eu n d e rw a s t eo i ld i e l e c t r i cc o n d i t i o n st h e w e a ri st h es m a l l e s ta n dt h ew e a rs c a ri st h en a r r o w e s t ；a n du n d e ro i l - w a t e rm e d i u mt h e w e a ri st h em e d i a t e n l ea d h e s i o nt o e m c i e n to fw h e e l r a i lu n d e ro i l w a t e r - s a n dm e d i ai s t h el a r g e s t ，u n d e rt h eo i l w a t e rm e d i at h ea d h e s i o nc o e f f i c i e n to fw h e e l r a i li st h es m a l l e s t 5 、t h ea d h e s i o nc o e f f i c i e n to f w h e e f r a i li n c r e a s e sb y3 5 - 6 5 w h e ns a n dw a ss p r a y e d i n t oc o n t a c ts u r f a c eu n d e rw e tc o n d i t i o n h o w e v e r , t h ea d h e s i o nc o e f f i c i e n ti n c r e a s e s s l i g h t l yw h e n s a n dw a ss p r a y e du n d e rd 巧c o n d i t i o n t h ea d h e s i o ni m p r o v i n gp r o p e r t i e so f s a n dm a i n l yd e p e n do nd i a m e t e ro fs a n dp a r t i c l ea n ds a n dv o l u m eu n d e rw a t e rm e d i u m c o n d i t i o n s ，a n dt h es a n d 谢雠lb i g g e rd i a m e t e rw o u l dc o n t r i b u t et o b e t t e ra d h e s i o n i m p r o v i n gp r o p e r t i e s ，w h i c hm e a n st h a tt h ea d h e n s i o nc o e f f i c i e n to fw h e e l r a i li n c r e a s e 丽ms a n dv o l u m es p r a y e di n c r e a s i n g a d d i t i o n a l l y , t h ea d h e s i o ni m p r o v i n gp r o p e r t i e so f s a n dr e d u c e dw i t hs p e e di n c r e a s i n g ，i n n e ra n de x t e r n a lt r a c ka p p e a r e do ns i m u l a t i n g s p e c i m e ns u r f a c ea f t e re x p e r i m e n tu n d e rw a t e rm e d i u mc o n d i t o n s ，w h i l et h ew e a rd e g r e e 西南交通大学博士研究生学位论文第v 页 o fi n n e rt r a c kw a sm o r es e r i o u st h a te x t e r n a lt r a c k r e s u l t sa l s os h o w e dw e a l d e g r e eo f s p e c i m e n ，s u r f a c ew h i c hs p r a y e dc o a r s es a n do l lw a sm o r es e r i o u st h a nt h a ts p r a y e df i n e s a n do n ；a c c o r d i n g l y , h a r d n e s so fs p e c i m e ns u r f a c es p r a y e dc o a r s es a n do nw a sb i g g e rt h a n 6 、t h em a g n e t i cf i e l dc a ni n c r e a s eo b v i o u s l ya d h e s i o nc o e f f i c i e n to fw h e e l r a i lu n d e r w a t e ra n do i lc o n d i t i o n s n l ei n c r e a s er a t eo fa d h e s i o nc o e 伍c i e n tu n d e rw a t e rc o n d i t i o n e x c e e d s2 0 a n dt h ei n c r e a s er a t eo fa d h e s i o nc o e m c i e n tu n d e ro i lc o n d i t i o ni s5 0 u n d e rw a t e ra n do i lc o n d i t i o n s ，t h es p e e dh a sn oo b v i o u se f f e c t o na d h e s i o nc o e f f i c i e n to f w h e e l r a i lw h e nm a g n e t i cf i e l di su s e d d i f f e r e n tm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ho ft h ew h e e l - r a i l a d h e s i o nh a v eac e r t a i ni n f l u e n c e ，a st h em a g n e t i cf i e l ds t r e n g t hi n c r e a s e s ，ac o r r e s p o n d i n g i n c r e a s ei nw h e e l r a i la d h e s i o n ；a n ds o m eo ft h es t r o n g e s tm a g n e t i cf i e l do nb o t hs i d e so f t h ew h e e l - r a i lw e a l c a nb ep r o d u c e db ya d s o r p t i o no fi r o n ，t h e r e b yr e d u c i n gt h et h i r db o d y b e t w e e nt h ew h e e la n dr a i lw e a r 7 、n u m e r i c a lm e t h o d sc o n t a c th a sb e e ne m p l o y e dt h a ts t u d yt h ee f f e c to fs l i p r a t i ot ow h e e l r a i la d h e s i v ec o e f f i c i a a t w h e nt h es l i pr a t i oi s a m o n go - 1 3 8 ，谢n 1t h e i n c r e a s e so ft h es l i pr a t i o ，t h ea d h e s l i o na r e ai nt h ec o n t a c ta r e ad e c r e a s e s ，t h es l i pa r e a i n c r e a s e s ，l o n g i t u d i n a la d h e s i v e f o r c ed e n s i t yi n c r e a s e s ，a n dt h ea d h e s i o nc o e f f i c i e n t i n c r e a s e st o o w h e nt h es h pr a t i oi s1 3 8 ，t ot h ea b o u n d a r ys t a t i o n ，t h e nt h ec o n t a c ta r e a i sc o m p l e t e l ys h p ，l o n g i t u d i n a la d h e s i v ef o r c ed e n s i t yg ot ot h eb i g g e s t ，a l s ot h ea d h e s i o n c o e f f i c i e n t w 1 1 i l et h es l i pr a t i oi sm o r et h a n1 3 8 ，t h ec o n t a c ta r e ai sm a c r o s c o p i ca r e a ， l o n g i t u d i n a la d h e s i v ef o r c ed e n s i t yd e c r e a s e sal i t t l e ，t h a ta d h e s i o nd e c r e a s e sa n dg r a d u a l l y b e c o m e ss t a b l e k e y w o r d ： w h e e l r a i l ，a d h e s i o n ，s p r a y i n gs a n d ，m a g n e t i c ，r a m p ，w e a r 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 1 1 铁路发展史 第1 章绪论 。1 8 2 5 年9 月2 7 日，世界上第一条行驶蒸汽机车的永久性公用运输设施，英国斯 托克顿一达灵顿的铁路正式通车。斯托克顿达灵顿铁路的正式开业运营，标志了近代 铁路运输业的开端【1 】。1 8 7 6 年，英国商人在上海修建的淞沪铁路，被认为是在中国土 地上修建的第一条铁路【2 】。经过1 0 0 一多年的发展，铁路机车从蒸汽机车时代发展到内 燃机车时代，然后又跨越到电力机车时代【3 】。2 1 世纪，铁路运输业出现了空前的发展， 高速铁路网全球性的建设高峰时期已经到来【4 1 。 1 1 1 重载铁路的发展 现代重载铁路的概念是在1 9 8 6 年9 月由国际重载协会( 砌a ) 确定的，即重载 铁路必须能让每列车载重量大于5 0 l o o t ，单轴轴重超过2 1 t 的列车通过，并且每年的 总运量要大于2 0 0 0 万吨的线路方能称作重载铁路。为了保持与时代同步发展，1 9 9 4 年6 月国际重载铁路协会( m e a ) 召开年度委员会会议，会议对重载铁路的概念作 了修正。按照现在的新规定，重载铁路必须符合下列3 条准则中的至少2 条：1 、常 规运营或计划运营的单元列车或组合列车的总吨位至少达到5 0 0 0 吨。2 、在一长度至 少为1 5 0 k m 的指定干线运输区段，每年运送或计划运送的有收入的货物总重量至少 要达到2 0 0 0 万吨。3 、常规运营或计划运营的机车车辆轴重须达到2 5 吨或以上。 重载铁路的特点是车辆载重力：大、列车编挂辆数多。铁路重载运输是提高线路输 送能力、提高运输效率的重要措施，特别是对于幅员辽阔的大陆国家，更具有重要的 现实意义。货运重载化是世界铁路发展的重要方向之一，也是目前我国解决铁路运输 能力紧张的重要举措【5 】。 我国大秦铁路运煤专线年运量已突破4 亿吨，实现了一条变四条的“魔术变身”； 实现了世界重载强国中拥有亿吨以上年运量重载铁路的“条数之最”；以占世界铁路 6 的营业里程，完成了世界铁路2 5 的工作量，运输效率“世界第一”。单轴功率 1 6 0 0 千瓦、单机牵引1 万吨的重载机车成套技术装备，被人们称为“世界机车金字塔 尖”1 6 。 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 1 1 2 高速铁路的发展 高速铁路【刀是指通过改造原有线路( 直线化、轨距标准化) ，使营运速率大于或 等于2 0 0 公里每小时，或修建新的专门的“新线”，使营运速率大于或等于每小时2 5 0 公里的铁路系统。高速铁路不仅要求列车营运速度达到一定标准，在操作、路轨、车 专 辆方面都需要配合做相应的提升。广义高速铁路还包括了使用磁悬浮技术的高速轨道 运输系统。 ： 高速铁路发展从根本上说就是一个技术不断创新、运行速度不断提高来满足社会 经济发展需要的过程f 8 9 】，主要特征表现为高速铁路建设标准等级不断提高、建设里 程不断增加、参与建设的国家和地区不断增多 1 0 , 1 1 o 1 1 2 1 国外高速铁路发展概况 到现在为止，运营2 0 0 k m h 以上高铁的国家有十多个，其总长度超过1 3 0 0 0 k m ， 其中日本2 3 0 0 k m ，法国1 7 6 7 k m ，德国1 0 0 0 k m 。同时，俄罗斯、澳大利亚、韩国等 国家正在大力修建本国的高速铁路，对高速铁路发展规划与筹建工作还有土耳其、美 国等国家。 经过5 0 多年的技术发展，世界高铁形成以日法德三个技术原创国为代表的技术 格局。日本建成了新干线高速铁路系统，法国建成了t g v 高速铁路系统，德国建成 了i c e 高速铁路系统。 ( 1 ) 日本高速铁路 一九五九年，日本开始修建全世界第一条高铁，从东京到大阪，其总长度为 5 1 5 4 k m ，最高速度为2 1 0 k m h ，一九六四年十月一日，即东京奥运会开幕十天前建成 通车，成为当年东京奥运会顺利举办的功臣。使东京到大阪的行车时间缩短了5 0 以 上( 从6 5 h 缩减为3 h 1 0 m i n ) ，而现在的行车时间则进一步减至2 h 2 5 m i n 。年均运送 人数超过一点二亿人次，日均超过三十六万人次，使东京到大阪以及沿途停靠的几个 主要城市的运输状况得到极大的改善。该铁路代表了当时最好的高铁技术水平，并将 其第一次带入商业运营阶段n 羽。东海道新干线开通两年后开始盈利，八年收回全部成 本。新干线以其安全可靠，准时等优点得到大众的好评。 新干线高速铁路系统的典型特征是全部修建新线，旅客列车专用。日本已投入运 营的新干线相关数据统计如表1 1 所示。 西南交：通大学博士研究生学位论文第3 页 表1 1 日本运营中的高速铁路 ( 2 ) 法国高速铁路 随着日本新干线的通车，铁路技术强国法国也进行了高铁的修建。一九八一年投 入运营的法国t g v ( t r a i nag r a n d e v i t e s s e 法语翻译为超高速列车) 巴黎东南线是继日 本新干线后世界上开通的第二条高速铁路，其最高运行速度为2 7 0 k m h ，超过新干线， 是当时的世界最高运营速度。该线路开通后，运营量大幅增长，效益也非常好。仅用 1 0 年时间就还清了线路建设和车辆购置的贷款本息。它的修建开辟了一条以低价建造 高速铁路的新途径，把高速铁路的发展推向了一个新的平台。t g v 在2 0 0 7 年创造了 目前世界上最高试验速度5 7 4 8 k m h 1 3 1 。 t g v 高速铁路系统的典型特征是部分修建新线，部分改造旧线，旅客列车专用。 法国高速铁路相关统计数据如表1 ：! 所示。 表1 2 法国运营中的高速铁路 ( 3 ) 德国高速铁路 一九八六年德国实施高铁计划i c e ，到一九九七年有两条高铁线路建成并通车( 曼 海姆斯图加特和汉诺威一威尔斯堡) ，其最高运营速度为2 8 0 k m h ，最高试验速度 为4 0 6 9 k m h ，创造了当时的试验速度记录1 4 】。目前，德国运营中的高速铁路数据如 图1 3 所示。 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 表1 3 德国运营中的高速铁路 i c e 高速铁路系统的典型特征是全部修建新线，旅客列车及货物列车混用。德国 i c e 连接的区域除了包括德国主要的大城市，还跨越了相邻的几个国家。 ( 4 ) 其他国家高速铁路 目前，西班牙投入运营的高速题录里程为12 9 0 k m 。意大利投入运营的高速铁路 里程为4 6 8 k m 。英国海峡隧道连接线一期长6 9 k m ；俄罗斯6 5 4 k m ；韩国4 2 6 k m ；荷 兰9 5 k m 等发达国家均先后开始了高铁的建设。欧洲东部和中部的波兰、捷克、希腊 等国家也在进行干线铁路的全面提速改造【1 5 。隶属北美的美国也在积极的进行高铁建 设。 1 1 2 2 国内高速铁路的发展概况 长久以来，我国铁路行业的发展颇为缓慢，曾被业内视为夕阳产业。1 9 9 7 年、1 9 9 8 年、2 0 0 0 年、2 0 0 1 年以及2 0 0 4 年五次铁路大面积提速后仍距高速铁路定义的2 0 0 k m h 以上有一定差距。 2 0 0 7 年4 月1 8 日，通过对既有线路的一些列改造、加固等和对列车相关技术的 提升，在京哈、京广、沪昆等1 8 条既有干线上成功实施了第六次铁路大提速1 6 。提 速后既有线列车的最高运营速度达到2 0 0 k m h 以上。部分区间甚至达到了2 5 0 k m h 。 全国铁路时速2 0 0 k m h 以上的里程达到了6 0 0 3 k m ；其中时速到达2 5 0 k m h 的里程有 8 4 0 k m 。第六次铁路大提速标志这中国铁路迈入了高速化运行的时代。 2 0 0 7 年，通过引进、消化、吸收、再创新，具有自主知识产权的国产系列和谐号 动车组批量下线。截至到2 0 1 0 年1 0 月份，我国高速铁路运营总里程己达7 4 3 1 公里 ( 含既有线提速) ，居世界第一位。和谐号动车组采用的是动力分散方式，可以两端 驾驶，开行列车型号分别是c r h l 型、c r h 2 型、c r h 3 型、c r h 5 型、3 8 0 a 型和3 8 0 b 型，以及c r h 4 0 0 高速综合检测车。 几年来，通过原始创新、集成创新和引进消化再创新，我国高速铁路技术取得了 迅猛发展，在技术上与运营上积累丰硕 1 7 1 9 】。 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 2 0 0 4 年1 月，国务院正式批准了中国铁路历史上第一个中长期铁路网规划。 如图1 - 1 所剥2 0 1 。最近几年，将是中国高速铁路加快建设的时期，所形成高速铁路网 规模将远远超过日本、法国和德国现有高速铁路规模。 1 2 轮轨黏着 图1 - 1 甲国高速铁路网基本构架 铁路运输过程当中，通过车轮和钢轨接触斑之间的黏着蠕滑来传递牵引力。因 此，车轮和钢轨问的黏着特性是影响牵引和制动的最直接也是最主要的因素。机车处 于牵引工况时，当机车的牵引力大二于二轮轨黏着力时，将造成车轮的持续空转，对车轮 表面和钢轨表面形成擦伤。机车处于制动工况时，当机车的制动力大于轮轨黏着力时， 将造成车轮的打滑，车轮打滑也会使钢轨表面和车轮表面形成擦伤。车轮擦伤和钢轨 擦伤成为列车运行过程中的随机激扰，对车辆的稳定性和平稳性造成严重影响。擦伤 还有可能导致车轮和钢轨表面出现热裂纹、疲劳裂纹等一系列问题，严重的可能成为 断轨的诱发因素。车轮和钢轨的擦伤增加钢轨和机车车辆的维护成本【2 1 2 3 1 。 图1 2 a 、1 2 b 是由于空转和打滑造成的车轮和钢轨表面出现的擦伤。图1 2 c 、1 2 d 是由于大的蠕滑率造成的车轮和钢轨表面出现的裂纹和剥离。图1 2 e 是由于轮轨接 触区域的落叶造成的钢轨表面损伤。 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 ( a ) 车轮表面擦伤 ( c ) 车轮表面裂纹 ( b ) 钢轨表面擦伤 ( d ) 钢轨表丽裂纹 ( e ) 轮轨接触区域的树叶导致钢轨表面损伤 图1 2 由于黏着问题造成的轮轨主要表面损伤形式 1 2 1 黏着系数 “蠕滑”即轮轨接触斑金属表层的弹性滑动，包含微量弹性变形和微量滑动，是介 于纯滚动和纯滑动之间的中间形式【2 4 1 。 “黏着系数”是表示车轮与钢轨间黏着状态的指标。它表示了车辆的牵引力或制动 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 力传递给钢轨的可能程度，具体地说是车轮圆周方向的切向力与车轮垂直载荷之比的 最大值【2 5 2 6 1 。黏着系数既不是静摩擦系数，也不是动摩擦系数，而是介于两者之间。 目前，除了黏着系数这个名称外，还有假定黏着系数、要求黏着系数、计算黏着 系数、有效黏着系数、实际黏着系数、可用黏着系数、利用黏着系数、牵引和制动黏 着系数等【2 7 1 。 1 2 1 1 假定黏着系数 假定轮轨间的垂直载荷在运行过程中是固定不变的，即黏着力的变化是由于黏着 系数的变化引起的，黏着力与运动状态的关系就被简化成了黏着系数与运动状态的关 系。此时，黏着系数就成为了假定值，它和假定不变的轮轨间垂直载荷的乘积就等于 黏着力。 1 2 1 2 实际黏着系数 实际黏着系数就是通常所说的黏着系数，也有叫做纯黏着系数，即黏着力与轮轨 间实际的垂直载荷之比值。但是，实际黏着系数在使用中确实比较麻烦的，必须得到 轮轨间实际的垂直载荷才能够求得黏着力【2 引。 1 2 1 3 要求黏着系数 要求黏着系数是指轮轨间的切向力除以轮轨间的垂直载荷得到的比值。此时的切 用力不一定是最大切向力。要使车轮不滑行，要求黏着系数必须小于或等于实际黏着 系数。 1 2 1 4 计算黏着系数 计算黏着系数也可称为可用黏着系数，它是根据线路上实测得的轮轨黏着系数再 综合其他影响因素修正后得到的，也就是黏着系数公式所计算出的黏着系数【2 弦圳。 我国内燃机车的计算黏着系数公式为： 心2 0 2 4 8 + 5 9 ( 7 5 + 2 0 v ) ( 1 - 1 ) 我国电力机车的计算黏着系数公式为： 鸽= o 2 4 + 1 2 ( 1 0 0 + 8 v ) 欧洲铁路常用的机车计算黏着系数公式为： 心= c i 1 6 1 + 7 5 ( 4 4 + v ) 日本既有线机车车辆计算黏着系数公式为： ( 1 2 ) ( 1 3 ) 第8 页西南交通大学博士研究生学位论文 u j = 3 2 7 4 ( 1 8 7 + v ) ( 1 - 4 ) 日本新干线动车组计算黏着系数公式为： 心2 1 3 6 ( 8 5 + v ) ( 1 - 5 ) 1 2 1 5 有效黏着系数 有效黏着系数有两种解释。有的认为“有效黏着