水介质条件下轮轨黏着特性研究
２０１０年ｌ０月 第３５卷第１０期 润滑与密封
ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ０ｃｔ． ２０ｌ０ Ｖ０１．３５ Ｎｏ．１０
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４—０１５０．２０１０．１０．０１ １
水介质条件下轮轨黏着特性研究
宋建华 申鹏王文健刘启跃
（西南交通大学牵引动力国家重点实验室摩擦学研究所 四川成都６１００３１）
摘要：以Ｃａｎｅｒ二维滚滚接触理论和粗糙面问的稳态部分弹流理论为基础，存考虑轮轨接触表面有相对滑动情况 下，应用数值分析方法对水介质条件下轮轨黏着特性进行研究，研究滚动速Ｊ叟、轴重对黏着的影响。研究发现：在水介 质条件下，轮轨接触区的区域要比于接触时大，流体动压人口约在Ｈｅｎｚ接触半宽的２倍处；相同轴重条件下，随着滚 动速度增大，流体动压力值增大，而相应的微凸峰接触压力值减小，导致其Ｉ＿ｊ总ｌＪ玉力的比值减小，引起轮轨之间的黏着 系数下降；相同速度条件下，随着轴重的增大，微凸峰接触压力与总压力的比值增大，引起轮轨之间的黏着系数增大。 关键词：黏着特性；部分弹流；水介质；滚动速度：轴重 中图分类号：Ｕ２１１．５文献标识码：Ａ文章编号：０２５４
Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ Ａｄｈｅｓｉｏｎ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ Ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌ ｕｎｄｅｒ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
Ｓｏｎｇ Ｊｉａｎｈｕａ Ｓｈｅｎ Ｐｅｎｇ Ｗａｎｇ Ｗｅｎｊｉａｎ Ｌｉｕ Ｑｉｙｕｅ
（Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｔｒａｃｔｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，
Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｓｉｃｈｕａｎ ６ １ ００３ ｌ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｃａｒｔｅｒ ｔｗｏ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｒｏｌｌｉｎｇ ｃｏｎｔａｃｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｏｕｇｈ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔｅａｄｙ ｐａｒｔｉａｌ ｅｌａｓｔｏ－
ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ，ｂｙ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｓｌｉｄｉｎｇ ｏｆ ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌ ｃｏｎｔａｃｔ ａｒｅａ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｒｏｌｌｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ａｘｌｅ ｌｏａｄ
ｏｎ ｔｈｅ ａｄｈｅｓｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｕｎｄｅｒ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｗｈｅｅｌ ａｎｄ ｒａｉｌ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ．
Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌ ｃｏｎｔａｃｔ ａｒｅａ ｕｎｄｅｒ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｉｓ ｂｉｇｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒ ｄｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ
ｉｎｌｅｔ ｏｆ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｓ ａｔ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｔｗｉｃｅ ｈａｌｆ ｏｆ Ｈｅｒｔｚ ｃｏｎｔａｃｔ ｌｅｎｇｔｈ．Ｗｈｅｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ａｘｌｅ ｌｏａｄ，ｗｉｔｈ
ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｒｏｌｌｉｎｇ ｓｐｅｅｄ，ｔｈｅ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅ ａｓｐｅｒｉｔｙ ｃｏｎｔａｃｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ，ｗｈｉｃｈ ｃａｕｓｅｓ ｔｈｅ
ｒａｔｉｏ ｏｆ ａｓｐｅｒｉｔｙ ｃｏｎｔａｃｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｔｏｔａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌ ｃｏｎｔａｃｔ ａｒｅａ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ，ａｎｄ ｃａｕｓｅｓ ｔｈｅ ａｄｈｅｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉ—
ｃｉｅｎｔ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ．Ｗｈｅｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｒｏｌｌｉｎｇ ｓｐｅｅｄ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ａｘｌｅ ｌｏａｄ，ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ａｓｐｅｒｉｔｙ ｃｏｎｔａｃｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅ
ａｎｄ ｔｏｔａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｅｃｏｍｅｓ ｂｉｇｇｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｃａｕｓｅｓ ｔｈｅ ａｄｈｅｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｄｈｅｓｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｐａｒｔｉａｌ ｅｌａｓｔｏ—ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ；ｗａｔｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；ｒｏｌｌｉｎｇ ｓｐｅｅｄ；ａｘｌｅ ｌｏａｄ
列车的牵引、加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
性称为黏着特性。列车实际运行经验表明：随着列车
运行速度的上升，轮轨黏着系数将有所下降，特别是
轮轨间水介质的存在使得黏着系数急剧降低。由于水
介质条件下轮轨接触区的压力分布及接触斑的形状都
与干态接触时的情况不同，轮轨间的表面粗糙度、赫
兹压力和滚动速度对黏着系数有重大影响。因此，研
究轮轨在水介质作用下的黏着特性很有必要。有关学
者 进行了这方面的研究，大多数是以实验方法研
基金项目：国家自然科学基金项目（５０９０５１４８）；国家９７３计 划资助项目（２００７ＣＢ７１４７０２）；国家重点实验室自主研究课题 （２００８ＴＰＬ—Ｚ０９）． 收稿日期：２０１０—０５—１０ 作者简介：宋建华（１９８２一），硕士研究生．Ｅ．ｍａｉｌ：ｓｏｇｊｉａｎｈ２３２３＠ １６３．ｃｏｎ． 究水介质对黏着的影响，文献［４—６］应用数值分
析方法对水介质条件的黏着特性进行了数值分析，但
研究中没考虑轮轨接触表面相对滑动对黏着的影响。
本文作者主要以Ｃａｒｔｅｒ二维滚滚接触理论 和粗糙面
问的稳态部分弹流理论 为基础，在考虑两接触表面
有相对滑动情况下，应用数值方法对水介质条件下轮
轨黏着特性进行了研究，着重研究了滚动速度、轴重
对黏着的影响。
１ 问题描述
水介质条件下轮轨接触模式图如图１所示。可
知，水介质条件下轮轨接触斑处于部分润滑状态，并
根据Ｃａｒｔｅｒ二维滚动接触理论，建立起水介质条件下
的轮轨黏着数值模型。在二维条件下作如下假设： （１）轮轨表面水介质为等温不可压缩黏性流体，因
此不考虑密压效应；（２）轮轨接触为Ｈｅｒｔｚ线接触，
因此不考虑流体侧泄效应；（３）轮、轨表面的粗糙 ２０１０年第１０期 宋建华等：水介质条件下轮轨黏着特性研究
度均服从正态分布 、
理想表面＝二＝二二 固体粗糙峰
，／
固体粗糙峰
图ｌ 水介质条件下轮轨接触模式图 Ｆｉｇ ｌ Ｔｈｅ￣＇ｈｅｍａ ｇｒａｐｈ ｏｆ ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌ ｃｏｎｔａｃｔ ｕｎｄｅｒ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
２数值模型及其基本方程
２．１ 数值模型
图２为图１所简化的二维水介质条件下轮轨微凸 峰接触和水膜厚度示意图，其中，Ｒ 和尺 分别为轮
轨在车轮滚动方向坐标 上的曲率半径，对于二维接
触工况，有Ｒ ＝ ；“，和“ 分别为轨轨接区域内质
点沿车轮滚动方向的速度；ｈ为名义水膜厚度，它是
不考虑表面微凸峰的干涉变形的粗糙面的中面（图 中的虚线）间的距离；ｈ 为实际的（局部）水膜厚
度，即在某点上两表面间的实际距离，它是一个随机
变量，但其值恒为正值，即ｈ ≥０，ｈ ＝ｈ＋８。＋ ２；
６ 和 是两面各自从中面量起的粗糙度高度，可正
可负，按假设条件，其均方差分别为ｒ，，和 ：；８是
两面合成的粗糙度高度，８＝８，＋６：，则其合成标准
差 ＝ ＋ｏｒ：。
图２ 水介质条件下轮轨微凸峰接触和水膜厚度示意图 Ｆｉｇ ２ Ｔｈｅ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌ ａｓｐｅｒｉｔｉｅｓ ｃｏｎｔａｃｔ ｕｎｄｅｒ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ
２．２基本方程 根据上述数值模型，采用Ｐａｔｉｒ和Ｃｈｅｎｇ的平均
流量模型 。’ 进行建模和计算，则粗糙面线接触稳
态条件下的平均Ｒｅｙｎｏｌｄｓ方程为
（ ）＝“ ｄｈｖ＋Ａｕ（ｒ ｄ＋ｓ （１）
相应的流体边界条件为 当 一 时，ｐ＝０；当 一 时，ｐ＝ ＝０
『 一ｘ ） ｙ≤１
【一十ｃ（ ） ｙ
＝（ ）２ ｈ ）一（ ） （ ）ｃ３，
制ｈ倦 ｅｘｐ［－ｏ ｈ－３ －３ ｔＴ ）Ｊ嚣
ｈ（ｘ）＝ 。。＋ ２一 ２
ｘｆ （ｐ＋ｐ ）ｌｎ（ —ｓ） ｄｓ（５）
模量，且百１＝÷（ ＋１ Ｅ－ｖ￣／，『，Ｅ。，Ｅ：， 。，”：分
・Ｅ・Ｆ÷（台） （６）
对于一般的工程表面，式中 的值等于０．００３～Ｑ ０００ ３，
Ｆ÷（告）根据文献［１３］求得。
由于轮、轨表面粗糙度的概度密度函数服从正态
分布，则局部水膜厚ｈ 为 润滑与密封 第３５卷
刚６：争 ｒｆ（ ）卜 为则方程 、 量纲 结果
ｅｘｐ（ ＿ｈ２） （７）
水介质黏度系数 采用等温Ｒｏｅｌａｎｄｓ关系式
叩＝ ０ｅｘｐ｛（１ｎ，７０＋９．６７）［一１＋（１＋５．１×
１０一 ） ］｝ （８）
式中： 了 ：２・Ｊ９×】旷
Ｐａ～， 为常压下水介质的黏性系数。
水介质条件下，轮轨之间的接触总载荷由接触区
处于接触的微凸峰与水膜共同承担。设水膜承受的载 荷为 ，微凸体峰承担的载荷为 ，则总载荷 为
Ｗ＝ ＋Ｗｏ （９）
式中： ＝Ｊ ｐｄｘ； ＝Ｉ Ｐ ｄｘ。
求出水膜的流体动压力和微凸峰接触所承担的载
荷 和 以后，则总的摩擦力Ｆ（黏着力）为
Ｆ＝ ＋ Ｗ （１０） 式中： 和 分别是水膜动压力和微凸体峰接触摩
擦因数。
的值一般由实验得到，通常可取 ＝０．１～
０．２；而／ａ． 很小。在上式中，微凸体峰接触的摩擦一
般在 ＜１．５～２时才显著。
则轮轨之间的黏着系数为
Ｆ ， １、 —— Ｌ¨
３模型数值方法
３．１基本方程量纲一化 量纲一化的主要目的是为了减少参数，以利于对
结果的讨论和理解，更重要的是为了改善计算过程的
稳定性。用量纲一参数表示的解，应用时不受单位制
度的限制，增加了通用性。
在对压力Ｐ进行量纲一化时选择最大Ｈｅｎｚ接触
压力ｐ 作为量纲一参考量；选择Ｈｅｒｔｚ接触区的半宽
ａ作为坐标变量 的量纲一参考量，即令
２Ｗ Ｅ ，＼／— ，＼／ ４一Ｒ
对参数作量纲一处理
：三ａ；Ｐ＝ ， ＝ｐＰｍ ａ； ： ｈ，ＨＴ＝ ｈＴ，
等， ； ； ＝２叩／。＿； Ｅ； ＝
； ： ， ＝ （ ）＝ ｄＸ （１２）
式中： ：
）＝ ＋ Ｘ２一 （ ）一 ）ｌｎ（ —
ｓ）！ （１３）
＝ｅｘｐ （１ｎｒ／。＋９．６７）［一１＋（１＋５．１×１０一 Ｐ・
Ｐ ） ］ （１４）
ｒ’（尸＋Ｐ。）ｄＸ＝ （１５）
３．２基本方程的离散 将轮轨水润滑区域［Ｘ ，Ｘｏ ］沿Ｘ方向作等距
离散，离散点用下标ｉ表示，即Ｘｏ， ，…，置，…，
，各节点之间的间隔为△：圣 。将基本方程在 ｎ 润滑区域上进行差分离散。 则方程（】２）、（１３）、（１５）离散为
÷Ｐｌ１一（ ÷ ＋÷）Ｐ ＋＋Ｐｉ＋Ｊ】＿
１［ （（ 一（ ） ＋ａｖｊ（（ ） 一（ ｓ）一）】＝
轮轨蠕滑理论及其试验研究
西南交通大学
博士学位论文
轮轨蠕滑理论及其试验研究
姓名：金学松
申请学位级别：博士
专业：机车车辆
指导教师：沈志云
19990901西南交通火学博士学位论文
摘要
滚动接触理论是轮轨关系研究的基础。由于轮轨关系研究十分复杂，其
老Ｅ；Ｉ题没有得到完善解决丽新问题又不断出现，因而导致用现有的轮轨滚动接
触理论不能完善解决轮轨关系研究巾的疑难问题。纵观滚动接触理论与轮轨作
用之关系的研究，大约分三个方面：ａ）理论研究；ｂ）试验研究：Ｃ）应用
研究。本文的第～章就这三个方面的研究历史和现状作了详细论述，并列出了
大约１５０多篇有关这方面或与之有关的研究文献。明确了轮轨滚动接触理论研
究的意义和今后的研究方向。根据第一章的介绍，本文的第二章列出目前常用
于车辆动力学研究中的几个典型Ｈｅｒｔｚ型轮轨蠕滑率／力计算模型，从理论上
对它们作了详细推导，利用实际轮对／轨道滚动接触过程中可能出现蠕滑率值，
计算了轮对和轨道之间的蠕滑力。并在数值上将这几个模型的轮轨力结果与
Ｋａｌｋｅｒ的精确理论（ＣＯＮＴＡＣＴ）的结果作了比较。从理论上和实际应用方面重
新评价了它们在轮轨力计算分析方面的优缺点。供车辆动力学研究人员参考。
Ｋａｌｋｅｒ的三维弹性体非Ｈｅｒｔｚ滚动接触理论（也叫做精确理论）于９０年
代初完成，到目前为止是最完善的精确理论。由于其理论的复杂性和数值实现
速度慢，因而在铁路工业界未得到广泛应用。第三章详细讨论了Ｋａｌｋｅｒ的三
维弹性体非Ｈｅｒｔｚ滚动接触理论在轮轨滚动接触中的应用。非Ｈｅｒｔｚ接触分析
主要体现在轮轨实际变形前接触斑处的法向间隙在计算分析中得到考虑，而不
是按Ｈｅｒｔｚ理论那样用轮轨接触斑处的主曲率半径作为确定接触斑形状的依
据。为此，修改了ＣＯＮＴＡＣＴ程序的输入和输出部分，将轮轨接触几何计算和
ＣＯＮＴＡＣＴ计算能较好地结合起来。本章并全面地分析了轮对运动、轮对／轨道
滚动接触蠕滑率和蠕滑力之关系，得到了大量的有工程应用参考价值的计算结
不同摩擦系数条件下的轮轨滚动接触特性分析
第３ ２卷，第４期 ２ ０ １ １年７月 中 国 铁 道 科 学 ＣＨＩＮＡ ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＣ１ＥＮＣＥ ＶｏＩ．３２ ＮＯ．４ Ｊｕｌｙ，２０１１
文章编号：１００１ ４６３２（２０１１）０４—００６６—０６
不同摩擦系数条件下的轮轨滚动接触特性分析
肖 乾 ，王成国 ，周新建 ，卢 勇
（１．『｝ｊ 铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，北京１Ｏ００８１；
２．华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验窜，江西南昌 ３３００１３）
摘要：以 径为８６０ ｍｍ的ＬＭＡ踏面轮对和６Ｏ ｋｇ・ｍ 钢轨为例，采用有限厄软件ＡＢＡＱＵＳ建直蔓维
轮轨滚动接触有限元模型，利用集群逻辑结构的并行计算平台求解该模型，并对 问摩擦系数下轮轨滚动接触
特性进行分析。研究表明：摩擦系数对接触斑面积、接触区Ｍｉｓｅｓ应力值和法向接触应 影响不大；随着摩擦
系数的增大，接触斑黏着区面积增加，接触区内横向和垂向剪应力增大日．位置向接触区表面靠近；在相 牵引
力矩作，Ｈ下，随着摩擦系数的增加，轮轨纵向剪应力明显增大；接触斑内摩擦力矢量的纵向分量也随之增大，
轮轨摩擦力及其绕原点合力矩的纵向分量也变化明显，最大增幅超过３０ ，自旋力矩值也随之增大｝ｊ‘其 Ｉ 点
在接触斑内沿牵引方向前移。
关键词：轮轨滚动接触；摩擦系数；法向特性；切向特性；并行计算
中图分类号：Ｕ２１１．５ 文献标识码：Ａ
在低速、干燥条件下的轮轨摩擦系数为０．３～
０．５［ ；当轮轨遭受雨雪或油污污染时摩擦系数将
大大降低，一般在０．０５～０．１之间，甚至更低［２］。
大量研究表明：摩擦系数直接影响轮轨滚动接触特
性，从而影响列车的牵引和制动性能【ｓ一】。国内外学
者大多采用试验方法研究轮轨在不同摩擦条件下的
接触特性，但也有不少学者结合经典的轮轨滚动接
触理论进行不同摩擦系数的轮轨滚动接触分析Ｉ ］。
基于弹性半空间的经典轮轨滚动接触理论难以反映
大轴重机车轮轨增黏方式探讨
第３６卷第３期 ２０１３年５月２０日 电力机车与城轨车辆 Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓ＆Ｍａｓｓ Ｔｒａ￣ｓｉｔ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ Ｖ０ｌ＿３６ Ｎｏ．３ Ｍａｙ ２０ｔｈ，２０１３
・技术探讨・
大轴重机车轮轨增黏方式探讨
江海涛 ，高殿柱
（１．成都铁路局机务处，四川成都 ６１００８１；
２．南车株洲电力机车有限公司技术中心，湖南株洲４１２００１）
摘 要：文章阐述国内外机车增黏原理及采用的增黏方式，分析轮轨增加增黏颗粒的影响，从保护机车
车轮和钢轨的角度提出大轴重机车轮轨增黏方式的建议。
关键词：大轴重机车；增黏方式；撒砂装置 中图分类号：Ｕ２６０．１ｌ ５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—１１８７（２０１３）０３－００５７—０４
Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ ｔａｃｋｉｆｙｉｎｇ ｍｏｄｅ ｏｆ ｈｅａｖｙ ａｘｌｅ ｌｏａｄ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ
ＪＩＡＮＧ Ｈａｉ—ｔａｏ ．ＧＡＯ Ｄｉａｎ—ｚｈｕ
（１．Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ Ｄｅｐｔ．，Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｒａｉｌｗａｙ Ｂｕｒｅａｕ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００８１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｒ＆Ｄ Ｃｅｎｔｅｒ，ＣＳＲ Ｚｈｕｚｈｏｕ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｕｚｈｏｕ ４１２００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｔａｃｋｉｆｙｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ａｄｏｐｔｅｄ ｔａｃｋｉｆｙｉｎｇ ｍｏｄｅ ｏｎ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ ａｔ ｈｏｍｅ
ａｎｄ ａｂｒｏｄ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ａｂｏｕｔ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｗｈｅｅｌ—ｒａｉｌ ｔａｃｋｉｆｙｉｎｇ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ．Ｔｈｅ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ａｂｏｕｔ ｔａｃｋｉｆｙｉｎｇ
ｍｏｄｅ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｈｅａｖｙ ａｘｌｅ ｌｏａｄ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ，ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ ｗｈｅｅｌ ａｎｄ ｒａｉｌ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｖｙ ａｘｌｅ ｌｏａｄ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ；ｔａｃｋｉｆｙｉｎｇ ｍｏｄｅ；ｓａｎｄｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ
车轮型面对轮轨黏滑特性影响
第４１卷第６期 ２０１３年６月 同济大学学报（自然科学版） Ｊ０１球ＮＡＩ．ＯＦ Ｔ∞『ＧＪＩ ＵＮＩｖＥＲｓＩＴＹ（ＮＡＴ１ｍＡＩ，ｓＣＩＥＮｃＥ） Ｖｏ１．４１ Ｎｏ．６ Ｊｕｎ．２０１３ 文章编号：０２５３．３７４Ｘ（２０１３）０６—０９０４．０６ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３・３７４ｘ．２０１３．０６．０１７ 车轮型面对轮轨黏滑特性影响 王文健，郭俊，刘启跃 （西南交通大学摩擦学研究所，四川成都６１００３１） 摘要：利用非Ｈｅｒｔｚ滚动接触理论和数值程序Ｃ０ＮＴＡＣＴ 分析了ＬＭ，ＬＭＡ，Ｓ１００２和ＸＰ５５四种车轮型面与我国 ＣＨＮ６０钢轨匹配时的轮轨黏滑特性．数值结果表明：四种车 轮型面与ＣＨＮ６０钢轨匹配时的轮轨接触斑黏滑特性明显不 同，车轮型面对轮轨接触斑面积、黏滑区分布、轮轨摩擦功等 有较大影响；ＬＭ型面与ＣＨＮ６０匹配时的蠕滑区面积和轮 轨摩擦功较大，且接触斑更容易达到饱和状态；ＬＭＡ型面与 ＣＨＮ６０匹配时的黏滑特性较佳，其接触斑面积、黏着区面积 较大；Ｓ１０Ｏ２型面与ＣＨＮ６０匹配时的黏滑特性较ＸＰ５５型面 要好． 关键词：车轮型面；轮轨；黏滑；滑动量 中图分类号：Ｕ２１１．５ 文献标志码：Ａ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｗｈｅｅｌ Ｐｒｏｆｉｌｅ Ｏｉｌ Ｗｈｅｅｌ－ｒａｉｌ Ｓｔｉｃｋ－ｓｌｉｐ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ＷＡＮＧ Ｗｅｎｊｉａｎ，ＧＵＯＪｕｎ，删Ｑ （Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔｉｃｋ—ｓｌｉｐ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｏｆ ｗｈｅｅｌ—ｒａｉ１ ｂｅｔｗｅｅｎ ＵⅥ， ＬＭＡ，￥１００２，ＸＰ５５ ｗｈｅｅ１ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ａｎｄ ＣＨＮ６Ｏ ｒａｉ１ ｉｎ ｓｔａｔｉｃ ｒｏｌｌｉｎｇ ｃｏｎｔａｃｔ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｏｌｌｉｎｇ ｃｏｎｔａｃｔ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａ１ ｅｌａｓｔｉｃ ｂｏｄｉｅｓ ｗｉｔｈ ｎｏｎ－Ｈｅｒｔｚ ｆｏｒｍ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ Ｃ０ＮＴＡＣＴ．Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｉｃｋ－ｓｌｉｐ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｗｈｅｅｌ—ｒａｉｌ ｂｅｔｗｅｅｎ ＬＭ，ＬＭＡ，Ｓ１００２，ＸＰ５５ ｗｈｅｅｌ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ａｎｄ ＣＨＮ６Ｏ ｒａｉ１ ａｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．Ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ ｐｒｏｆｉｌｅ ｈａｓ ａｎ ｏｂｖｉｏｕｓ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔａｃｔ ｚｏｎｅ，ｔｈｅ ｓｔｉｃｋ－ｓｌｉｐ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｗｏｒｋ ｏｆ ｗｈｅｅｌ—ｒａｉｌ．Ｔｈｅ ｓｔｉｃｋ．ｓｌｉｐ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ＬＭＡ ｗｈｅｅｌ ｐｒｏｆｉｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ＣＨＮ６０ ｒａｉ１ ｉＳ ｂｅｔｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ａｒｅａｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔａｃｔ ｚｏｎｅ ａｎｄ ｓｔｉｃｋ ｚｏｎｅ ａｒｅ ｌａｒｇｅｒ． Ｔｈｅ ｓｔｉｃｋ．ｓｌｉｐ ｂｅｈａｖｉｏｒｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ＳＬＯＯ２ ｗｈｅｅｌ ｐｒｏｆｉｌｅ ａｎｄ ＣＨＮ６０ ｒａｉｌ ａｒｅ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ＸＰ５５ ｗｈｅｅ１ ｐｒｏｆｉｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｈｅｅｌ ｐｒｏｆｉｌｅ；ｗｈｅｅｌ—ｒａｉｌ；ｓｔｉｃｋ—ｓｌｉｐ；ｓｌｉｐｐａｇｅ 车轮与钢轨是铁路运输工具的关键零部件，列 车的启动、运行和制动都要靠轮轨之间滚动接触摩 擦来实现，因此，轮轨之间的相互作用行为直接关系 到列车的运行品质、安全和经济效益＿１］．影响轮轨之 间相互作用行为的因素很多，其中一个比较重要的 因素是轮轨踏面的形状．如果轮轨型面匹配性能差， 则可能导致车辆振动加剧，引起轮轨损伤．轮轨型面 匹配关系对于机车车辆的蛇行稳定性、曲线通过性 能、轮轨表面损伤以及脱轨安全性有着重要的影响， 国内外学者在轮轨型面设计方面做了许多研究［２－８］， 设计出了适合于各国国情的不同车轮踏面． 轮轨黏着将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．轮轨黏着影响因素有：轮轨型面、接触表面的粗 糙度和“第三介质”、材料强度、环境温度、轮轨之间 的相对滚动滑动速度 引．轮轨黏着和轮轨接触状态 是密切相关的，如果要使铁路进一步高速化以及实 现高加速和高减速化，就必须充分了解车轮与钢轨 间的黏滑特性．目前，我国高速铁路铺设钢轨为国产 ６Ｏ ｋｇ・ｍ叫钢轨，使用的车轮型面有ＬＭ和ＬＭＡ 型国产车轮踏面、欧洲Ｓ１００２型高速车轮踏面，以及 法国国家铁路ＳＮＣＦ提出的ＸＰ５５型高速车轮踏 面ｒ１ ．上述车轮型面与钢轨的匹配性能将影响我国 高速列车的运行品质，其中不同车轮型面的轮轨黏 滑特性对高速轮轨关系的运行是至关重要的． 经过多年的发展，轮轨滚动接触计算已形成了 较为完善的三维弹性体非Ｈｅｒｔｚ滚动接触理论．本 文利用三维弹性体非Ｈｅｒｔｚ滚动接触理论及数值程 序ＣＯＮＴＡＣＴ并借助于弹性力学中的Ｂｏｓｓｉｎｅｓｑ— Ｃｅｒｒｕｔｉ力一位移公式和Ｇａｕｓｓ一９数值积分方法，分 析了ＬＭ，ＬＭＡ，Ｓ１００２和ＸＰ５５四种车轮踏面与我 国ＣＨＮ６０钢轨匹配时的轮轨黏滑特性．数值结果为 我国高速铁路车轮型面的优化匹配与选用提供有力 收稿日期：２０１２－－０５－－２２ 基金项目：国家自然科学基金（５０９０５１４８）；四川省应用基础项目（２ｏ１１ＪＹＯ１２９）；牵引动力国家重点实验室开放课题（ＴＰＬ１２０４）；中央高校 基本科研业务费专项资金（ＳＷＪＴＵ１２ＣＸ０３７） 第一作者：王文健（１９８Ｏ一），男，副研究员，工学博士，主要研究方向为轮轨关系与设计．Ｅ－ｍａｉｌ：ｗ ５２７＠１６３．ｃｏ
列车轮轨非赫兹型接触粘着蠕滑分析的开题报告
列车轮轨非赫兹型接触粘着蠕滑分析的开题报告
一、研究背景
列车的行驶过程中，车轮与轨道的接触是至关重要的。在高速铁路运行中，车轮与轨道之间的粘着和蠕滑等问题直接影响了列车的安全、稳定性和运行效率。其中，列车轮轨非赫兹型接触粘着蠕滑问题是当前研究的一个重点。
非赫兹型接触的定义：在机械学中，赫兹(Hertz)大变形理论是指两个光滑的球面在接触时的力学特性。但是，在实际接触中，由于接触面不完全光滑，接触区域的形状和压力分布往往是非线性和非对称的，这种接触被称为非赫兹型接触。
列车轮轨非赫兹型接触粘着蠕滑问题需要通过实验和数值模拟等方法进行研究，为相关技术的研究和应用提供理论基础和技术支持。因此，开展列车轮轨非赫兹型接触粘着蠕滑分析研究至关重要。
二、研究内容
本研究的目的是开展列车轮轨非赫兹型接触粘着蠕滑分析研究，具体研究内容包括：
1.列车轮轨非赫兹型接触特性研究。通过实验测量、数值模拟等方法，探索列车轮轨非赫兹型接触的特性，包括接触压力分布、接触区域形状等。
2.板筋混凝土拉张力学性能研究。采用试验室方法，研究板筋混凝土的拉伸性能，包括材料的弯曲强度、拉伸强度、断裂韧性等参数。
3.列车轮轨非赫兹型接触粘着和蠕滑机理研究。通过理论分析和数值模拟，研究列车轮轨非赫兹型接触粘着和蠕滑机理，探讨高速列车行驶过程中存在的问题。 4.列车轮轨非赫兹型接触粘着蠕滑模拟方法研究。采用有限元分析方法，对列车轮轨非赫兹型接触粘着蠕滑进行数值模拟，并通过模拟结果评估其影响因素和解决方法。
三、研究意义
列车轮轨非赫兹型接触粘着蠕滑分析研究的意义在于：
1.为高速列车行驶安全提供理论基础。研究列车轮轨非赫兹型接触特性和粘着蠕滑机理，能够为高速列车行驶安全提供理论依据和技术支持。
2.提高列车行驶效率，减少能源消耗。通过研究列车轮轨非赫兹型接触，优化车轮与轨道之间的接触状况，可以降低列车行驶时的能源消耗，提高运行效率。
环境条件对轮轨黏着特性影响的试验研究
第３３卷第５期 ２ ０ １ １年５月 铁 道 学 报 ＪＯＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＴＨＥ ＣＨＩＮＡ ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＯＣＩＥＴＹ Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．５ Ｍａｙ ２０１１
文章编号：１００１ ８３６０（２０１ｉ）０５—００２６—０５
环境条件对轮轨黏着特性影响的试验研究
申 鹏， 宋建华， 王海洋， 刘启跃
（西南交通大学摩擦学研究所，四川成都 ６１００３１）
摘要：利用ＪＤ－１轮轨模拟试验机研究新与旧模拟轮、新与生锈模拟轮和冲角等参数对轮轨黏着系数的影响。 结果表明：干态和有水工况下，随着冲角的增加，轮轨纵向黏着系数均有所下降，而横向黏着系数均呈现上升趋 势。对比干态和有水工况，发现有水下工况纵向黏着系数下降较多，下降了５０ ～６Ｏ ，但横向黏着系数下降不 明显。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。 关键词：模拟轮；生锈；冲角；黏着系数 中图分类号：Ｕ２１１．５ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８３６０．２０１１．０５．００５
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｎ ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌ
ａｄｈｅｓｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ
ＳＨＥＮ Ｐｅｎｇ。 ＳＯＮＧ Ｊｉａｎ—ｈｕａ， ＷＡＮＧ Ｈａｉ—ｙａｎｇ， ＬＩＵ Ｑｉ—ｙｕｅ （Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３Ｉ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｎｅｗ ａｎｄ ｏｌｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｗｈｅｅｌｓ，ｕｎｒｕｓｔｅｄ ａｎｄ ｒｕｓｔｅｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｗｈｅｅｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ
水介质条件下轮轨黏着特性试验研究
第３ １卷，第３期 ２ ０ １ ０年５月 中 国 铁 道 科 学 ＣＨＩＮＡ ＲＡＩＩ ＷＡＹ ＳＣＩＥＮＣＥ Ｖｏ１．３１ ＮＯ．３ Ｍａｙ．２０１０
文章编号：１００１ ４６３２（２０１０）０３—００５２—０５
水介质条件下轮轨黏着特性试验研究
宋建华，申 鹏，王文健，郭 俊，刘启跃
（西南交通大学牵引动力圉家重点实验室摩擦学研究所，四川成都６１００３１）
摘要：在ＪＤ一１轮轨模拟试验机 进行轮轨在干态工况突然加水和水介质条件下的黏着特性试验，着重 研究水介质条件下小同速度、轴重以及蠕滑率对轮轨黏着的影响。结果表明：在相同的蠕滑率下，干态工况加 水之后轮轨间的黏着系数较千忿时的黏着系数降低了５Ｏ ～６Ｏ ；在水介质条件下，不论是最大黏着值还是稳 定黏着值（机车实际运行黏着区），受车轮速度影响较大，黏着系数随着车轮速度的上升而降低，轴重对黏着系 数的影响较小；黏着系数 达到最大值（饱和值）之前随蠕滑率的增加而线性增加，而后随蠕滑率的增加而下 降，最后逐渐趋于稳定。最大黏着系数所对应的蠕滑率为０．５ 左右。
关键词：黏着系数；蠕滑率；速度；轴重；水介质；轮轨关系 中图分类号：Ｕ２６Ｏ．１１５；Ｕ２１１．５ 文献标识码：Ａ
由于水介质条件下轮轨接触区的压力分布及
接触斑的形状都与于态接触时的情况不同，轮轨间
的表面粗糙度、赫兹压力和滚动速度对黏着系数有
重大影响。因此，研究轮轨在水介质作用下的黏着
特性很有必要。很多学者在水介质条件下轮轨接触
区的压力分布及接触斑的形状方面均进行了研 究口。］，但都只是针对影响黏着较小的原因进行试
验研究或理论分析，而没有对在水介质条件下影响
黏着较大的因素进行系统的试验研究，特别是蠕滑
率的影响。因此，本文针对水介质条件下轮轨接触
区的压力分布及接触斑的形状，对水介质条件下影
响黏着较大的因素速度、轴重、蠕滑率等进行了系
统的试验研究。
１试验部分
１．１试验设备
高速轮轨黏着机制进展及模拟试验研究
２０１１年１１月 第３６卷第１１期 润滑与密封
ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＮＯＶ．２０１１ Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．１１
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４—０１５０．２０１１．１１．０２５
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）
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）１１—１０５—４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ Ａｄｈｅｓｉｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｈｉｇｈ－
ｓｐｅｅｄ Ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ
Ｗａｎｇ Ｗｅｎｊｉａｎ Ｚｈａｎｇ Ｈｏｎｇｆｅｉ Ｌｉｕ Ｑｉｙｕｅ
（Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｓｉｃｈｕａｎ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｒａｉｎｓ １＇１１ｎ 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
高速轮轨黏着特性影响因素研究
第３５卷第３期 ２ ０ １ ３年３月 铁 道 学 报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＨＥ ＣＨＩＮＡ ＲＡＩＬＷＡＹ Ｓ０ＣＩＥＴＹ Ｖｏ１．３５ Ｎｏ．３ Ｍａｒｃｈ ２０１３
文章编号：１００１～８３６０（２０１３）０３—００１８ ０５
高速轮轨黏着特性影响因素研究
吴 兵， 温泽峰， 王 衡禹， 金学松
（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川Ｉ成都 ６１００３１）
摘要：基于轨道及车轮表面粗糙度的考虑，建立在“第三介质”存在时高速轮轨黏着力的二维计算模型。借助于 部分膜弹流理论以多重网格技术为数值计算工具，讨论速度、接触压力、轮径、轮轨表面粗糙度参数及不同“第三 介质”等因素对轮轨间黏着特性的影响，对这些因素引起轮轨黏着特性变化的机理进行数值分析；采用ＪＤ－１型轮 轨接触试验设备，将黏着系数在水、油污染情况下随速度变化的试验结果与高速轮轨黏着数值模型的计算结果进 行对比。结果表明：两者变化趋势一致，数值吻合较好。 关键词：高速；轮轨；第三介质；黏着；表面粗糙度；多重网格 中图分类号：Ｕ２１１．５ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｉ．ｉｓｓｎ．１００１－８３６０．２０１３．０３．００３
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｆａｃｔｏｒｓ Ａｆｆｅｃｔｉｎｇ Ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ Ｗｈｅｅｌ－ｒａｉｌ Ａｄｈｅｓｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
ＷＵ Ｂｉｎｇ， ＷＥＮ Ｚｅ—ｆｅｎｇ， ＷＡＮＧ Ｈｅｎｇ—ｙｕ。 ＪＩＮ Ｘｕｅ—ｓｏｎｇ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｔｒａｃｔｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１。Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａ１ ｍｏｄｅｌ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ａｄｈｅｓｉｏｎ ｆｏｒｃｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ ｍｅｄｉｕｍ ｂｅｔｗｅｅｎ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｗｈｅｅｌ ａｎｄ ｒａｉｌ．Ｔｈｅ ｐａｒｔｉａｌ ｅｌａｓｔｏｈｙｄｒｏｄｙ—
高速轮轨水介质存在下的黏着特性数值研究
1
高速轮轨水介质存在下的黏着特性数值研究
轮轨黏着是关系高速铁路行车安全和正常运营的关键问题。在铁路运输的研究中,轮轨黏着是指车轮和钢轨在滚动接触时的摩擦力。在列车运行过程中牵引力和制动力的实现都依赖于轮轨黏着。一般来说,轮轨表面处于干燥状态时,黏着系数没有太大变化。但是,当遇到雨天或下雪等天气,钢轨表面湿滑,黏着系数变化很大。尤其在高速时,黏着系数会变得很低。由于低黏着造成的列车牵引能力不足而引起的最常见的结果是列车误点,直接影响铁路的正常运营。而低黏着造成的制动力不足则导致制动距离变长,从而引起安全问题,甚至造成列车冒进信号、冲出站台或者列车相撞等严重的行车安全事故。此外低黏着还会引起的车轮在钢轨上空转或滑行,造成车轮踏面或钢轨轨头擦伤。因此,不管是从经济效益还是从列车运行安全方面来讲,对钢轨表面存在水介质情况下的黏着机理的研究显得尤为重要。
由于轮轨黏着对铁路运输的重要作用,围绕此方面的研究已进行多年,但是仍未达成共识,差异较大。考虑到数值研究的困难,目前国内外研究人员的研究手段大部分是以试验研究为主。Ohyama等和 Chen 等利用双盘对滚试验装置对水润滑条件下的轮轨黏着开展了一系列的试验研究。他们的研究表明了接触表面粗糙度和水温对黏着系数有很大的影响。其中值得一提的是,Ohyama 等在文献[5]中对 400km/h 条件下表面粗糙度对黏着系数的影响进行了研究,这是目前黏着试验所达到的最高速度。 Zhang 等运用全比例尺寸的高速轮轨滚动试验台系统研究了水介质存在时高速轮轨黏着特性。此外,Gallardo-Hernandez、Lewis和
Wang等分别研究了水润滑条件下轮轨黏着,得到了水润滑条件下的轮轨蠕滑率/力关系。相比于试验研究数值研究方面进 展比较缓慢。最早Ohyama 等基于膜厚的经验公式,将弹流理论引入到轮轨黏着的研究中,研究了轮轨粗糙表面的介质黏着特性。随后,Chen H 等对水介质的情况进行了完全数值分析。国内杨翊仁等通过探寻最优化方法也获得了二维线接触水介质工况下的完全数值解。然而,由于三维点接触问题远比二维线接触问题复杂和困难,目前的数值研究也仅集中在二维线接触的研究,三维的模拟比较罕见。然而三维模型更能描述轮轨介质接触机理,并且目前仅有的三维计算模型也是基于比例模型,运用轮轨真实模型进2