高速轮轨黏着机制进展及模拟试验研究_王文健

2011年11月第36卷第11期润滑与密封LUBRICATION ENGINEERING Nov.2011Vol.36No.11DOI ：10.3969/j.issn.0254－0150.2011.11.025*基金项目：国家自然科学基金项目（50905148）；中国博士后科学基金项目（20100471657）．收稿日期：2011－05－09作者简介：王文健（1980—），男，博士，副研究员，主要从事轮轨磨损与疲劳研究．E-mail ：wwj527@．高速轮轨黏着机制进展及模拟试验研究*王文健张鸿斐刘启跃（西南交通大学摩擦学研究所四川成都610031檿檿檿檿檿檿）摘要：列车的运行要借助于轮轨之间的黏着和制动，轮轨之间的最大黏着力受到接触斑上黏着系数的限制，因此轮轨关系中的黏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。

综述国内外高速轮轨黏着的进展及现状，指出研究面临的主要问题。

介绍轮轨模拟试验机开展的轮轨黏着试验，结果表明：油水砂介质下的轮轨黏着系数最大，油水介质下的轮轨黏着系数最小，利用此模拟试验机可开展轮轨黏着特性研究。

关键词：高速铁路；轮轨；黏着系数；介质中图分类号：U213文献标识码：A文章编号：0254－0150（2011）檿檿檿檿檿檿11－105－4Research Progress of Adhesion Mechanism of High-speed Wheel /rail and Simulation ExperimentsWang WenjianZhang HongfeiLiu Qiyue（Tribology Research Institute ，Southwest Jiaotong University ，Chengdu Sichuan 610031，China ）Abstract ：Trains run must be with the aid of rail /wheel adhesion and brake ，the largest adhesion force between wheel and rail is limited by the adhesion coefficient （friction coefficient ）of contact zone of wheel /rail．Therefore ，the adhesion of high-speed wheel /rail is closely related to the operation of high-speed railway and it is a basic research project．The re-search progress of adhesion mechanism was discussed and the main problem of adhesion of high-speed wheel /rail were giv-en．The adhesion behavior of wheel /rail was investigated using JD-1wheel /rail simulation facilities．The results indicate that the adhesion coefficient is maximal under the mixture of oil ，water and sand condition．The adhesion coefficient is min-imal under the mixture of oil ，water condition．This wheel /rail simulation facilities can be used to investigate the adhesion characteristic of wheel /rail．Keywords ：high-speed railway ；wheel /rail ；adhesion coefficient ；medium 铁路运输是藉轮轨相互作用产生的牵引和制动黏着摩擦力实现列车的运行，随着高速铁路的修建，使得电力机车牵引负荷日益增大，提高机车黏着性能成为一个至关重要的课题。

车轮在轨道上滚动，由于车轮踏面的锥度及轨道弯道、坡道等多种因素影响，存在着不同形式的蠕滑现象，同时由于轮轨之间的牵引和制动黏着摩擦力的作用，使得轮轨之间的作用成为了一种最为复杂的滚动形式，其相互作用过程是一个很复杂的摩擦学过程，轮轨黏着行为直接影响到机车牵引功率的发挥、轮轨表面损伤、列车运行稳定性、列车制动等诸多方面。

高速轮轨关系中黏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，由于高速轮轨黏着问题的复杂性，轮轨黏着方面有价值的研究主要在20世纪中叶以后。

近几十年来，随着高速与重载铁路的发展，铁路发达国家对轮轨黏着问题的研究越来越深入；而我国在此方面的研究才刚刚起步，缺乏系统科学的研究，目前还存在许多问题急需进一步研究与解决，以适应我国高速铁路的快速发展。

因此，高速铁路轮轨黏着问题的研究对提高和控制高速列车牵引力利用具有非常重要的理论指导作用。

1轮轨黏着研究现状早在1980年，Pritchard 等［1］在第七次Leeds-Lyon 摩擦学学术研讨会上发表了一篇世界范围内轮轨黏着问题的研究综述，讨论了牵引黏着问题的许多方面。

由于轮轨共形、共面、塑性变形和第三介质的存在，黏着系数受到许多复杂多变因素的影响，因此轮轨黏着理论研究的开展有一定难度，人们不得不依赖于实验手段来研究轮轨黏着问题。

1.1日本20世纪80年代后，有关轮轨黏着问题的研究工作大部分开展于日本国铁提速实验室（Speedup Labo-ratory），小部分于美国和欧洲。

他们在研究各种参数，如速度、接触应力、表面粗糙度、表面介质等对黏着的影响方面取得了很好的效果。

Ohyama［2］使用了比例大约为1ʒ2的试验装置进行了水污染条件下高速路轨黏着现象研究，研究了接触表面粗糙度、滚动速度和赫兹压力对黏着系数的影响。

Ohyama［3］还利用大型尺寸试验装置研究了接触表面在干洁状态下高速黏着现象以及现场黏着系数试验实测。

Gallardo-Hernandez等［4］使用双盘对滚装置模拟轮轨接触方式研究轮轨黏着，主要侧重于轮轨接触界面污染物（如油、干树叶和湿树叶、沙子）对黏着的影响，研究表明当有油和水介质存在条件下，黏着力与干态相比较急剧下降，轮轨界面上有树叶存在时，轮轨之间的黏着值最低。

然而，通过撒砂作为增黏剂可以使得轮轨之间的黏着值恢复到没有树叶存在时的黏着值。

他们还对实验后的模拟圆盘的接触表面形貌进行了分析，分析得到有砂和树叶存在时圆盘接触表面的摩擦磨损比较严重，而且树叶的存在使得接触表面有较大的塑性变形。

Koan-Sok Baek等［5－6］通过双盘对滚装置模拟轮轨接触方式，实验研究轮轨接触表面在干洁条件下湿度和温度变化时的瞬态牵引系数。

参数为低蠕滑率和低速度。

研究结果主要有：不同蠕滑率下的牵引系数曲线可以归为3种典型的曲线形式；在干燥条件下，圆盘表面的粗糙度和硬度在牵引系数达到最大值之前有略微降低，当牵引系数达到最大值之后表面粗糙度和硬度又有所上升；在模拟实验过程中瞬时牵引系数的变化主要是由表面粗糙度、表面硬度变化、接触表面氧化层等第三介质引起的。

H Chen等［7］利用粗糙表面部分弹性流体动力润滑理论对轮轨在水介质条件下的黏着特性进行了数值计算分析，利用数值模型研究了滚动速度、轮轨表面粗糙度幅值、轮轨表面粗糙度纹理方向、水温、轴重等因素对轮轨黏着的影响。

研究表明：在水介质条件下，粗糙度纹理方向对轮轨黏着系数有重要影响，纵向纹理比横向纹理的黏着系数更大；黏着系数随着水温的上升有所增加；黏着系数随着速度的上升而降低；轴重的增加导致黏着系数增大。

H Chen等［8］选用真实钢轨材料试样与其第三体，通过试验机模拟与实际工况相同的参数，如滑移速度、黏着系数与最大赫兹接触应力，从而在此基础之上充分地揭示了轮轨黏着现象的产生机制。

研究表明：“第三体”具有很大的流变性，其变化特征是一个关于滚动速度、赫兹接触压力及其自身机械特性的函数，这样可以较完整地解释黏着现象的产生机制。

作者通过现场观测提出了接触区域处第三体的3个新流变特性，从而很好地从物理角度解释了黏着的产生原理。

H Chen等［9］通过试验研究了在水污染状态下，轮轨表面粗糙度和水温对黏着的影响。

研究表明，随着表面粗糙度的增加，或者水温的增加，轮轨黏着都会出现上升趋势。

根据试验结果，可知可以通过增加水温、增加表面粗糙度幅值，以及控制粗糙方向的方法来增加轮轨黏着力。

1.2欧洲及美国法国在轮轨黏着方面也做了不少研究工作，法国国铁（SNCF）在实际线路上测定了黏着系数随列车速度变化的关系曲线［10］。

法国的E Niccolini等［11］用真实钢轨和自然“第三体”，以及模拟滑动速度、黏着系数和最大赫兹接触应力，从而揭示了轮轨黏着现象的产生机制。

美国的S Kumar等［12］对轮轨黏着和相关问题进行了研究。

研究表明：机车为了获得高的黏着系数而同时又不想增加蠕滑值时，则必须要增加轮轨之间的接触面积；冲角的增加使得黏着系数严重降低；小的蛇形运动对增加轮轨之间的黏着系数有一定的作用；轮轨接触界面有油、水污染物存在时使得黏着值下降。

S Kumar和钱立新［13］提出了在实验室条件下轮轨关系的模拟技术及其限度，指出黏着系数、蠕滑、接触应力、塑流、磨耗及表面粗糙度均能在实验室进行模拟，但尺寸效应在实验装置设计中占有重要地位。

他们对2种类型的实验室模拟，即赫兹模拟及几何模拟进行了比较，并计算了美国铁路火车与机车在2种模拟下的接触应力。

他们进行了纵向黏着系数－蠕滑相互关系的试验研究，试验中发现：小冲角振幅的蛇行运动实际上能增加最大黏着系数；在轮轨间存在油、水污染时，黏着系数将大大降低，而在油污染情况下撒砂能将黏着系数提高到清洁干燥表面条件时的水平，但撒砂后再受油污染，黏着系数最大值会降到0.15以下。

1.3中国我国铁道科学研究院对影响轮轨黏着的因素，如表面粗糙度、接触温度和接触振动等进行了理论和试验研究，基于轮轨黏着问题的理论研究，将微观摩擦学和轮轨滚动接触理论创造性地结合在一起，建立了轮轨黏着的微观研究模型，获得了新的轮轨黏滑特性曲线，对轮轨黏着系数随列车速度的提高而下降的原因做出了理论解释［14］。

张卫华等［15－16］利用牵引动力国家重点实验室全尺寸试验装置模拟现场条件下的轮601润滑与密封第36卷轨黏着，得到包含有关影响因素的黏着系数曲线，这对实际的轮轨黏着控制和完善现有理论是非常有用的。