雨雪天氣的粘著系數對機車安全性能影響分析

王 竣，王開云，劉建新

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都 610031)

當車輪在鋼軌上滾動時，輪軌在相互接觸的部位發生彈性變形，形成橢圓形的接觸區，并在輪軌接觸區內存在粘著區和滑動區。通常把輪軌間最大切向作用力叫做粘著力，把粘著力與鋼軌對車輪的法向反力之比值叫做粘著系數［1］。針對粘著系數，國內外的許多學者做了大量的基礎性研究工作。例如:文獻［1－4］定義了粘著系數的概念，闡述了影響粘著系數的因素;文獻［5］提出了改善粘著的具體方法;文獻［6－7］建立了輪軌模擬試驗機分析不同工況對粘著系數的影響;文獻［8］研究了水潤情況下的輪軌粘著。然而對于粘著系數的研究，目前僅限于粘著系數的影響因素以及改善的具體方法等方面，關于粘著系數對于機車安全性能影響的研究并不多見。鑒于此，本文以機車為研究對象，深入研究粘著系數對于機車安全性能的影響，以期為鐵路機車安全運營提供理論參考。

1 雨水對粘著系數影響的調研分析

粘著系數的概念是一種量度，其具有一定的隨機性，且隨著位置、時間、車輪和軌道狀況而變化。因此，根據軌道表面狀態、軌道斷面、軸載荷、機車運行速度、車輪直徑、機車結構及驅動方式、線路不平順性和天氣情況(如雨、雪、冰、霜、陰、晴)等的不同，在同一個地方可獲得粘著系數不同的變化［1］。

文獻［1］指出輪軌表面有水時對粘著系數的影響非常大。輪軌表面存在粗糙度，輪軌接觸發生在微小凸起部分，而粘著力是由微小凸起部分的彈性或塑性變形產生的。圖1是在水潤情況下不同粗糙度時速度與粘著系數的關系。從圖中可以看出:粗糙度越大，粘著系數就越大;粗糙度越小，粘著系數也就越小，且隨著速度的增加粘著系數變小。

圖1 水潤狀態下粘著系數與速度的關系

文獻［3］指出發生不利的粘著狀態是指發生在當線路僅稍為潮濕時而呈現的粘著狀態。例如，剛一下雨，粘著系數就從約0.30突然下降到0.1，如圖2所示。另外，大雨所引起的粘著系數的降低幅度并不太大。

圖2 天氣狀態對粘著系數的影響

文獻［4］根據日本山手線的觀測結果得到:在開始下雨時粘著力下降最為明顯，尤其是在小雨時。當列車經過新大久保車站時開始下小雨，此時粘著系數逐漸下降。列車通過池袋車站后，粘著系數下降極為明顯。然而，列車在通過軌道沒有被淋濕的高架鐵路時，粘著系數與下雨前基本相同。這時，從制動缸計算起，上述軸的對應粘著系數為0.06，發生滑動時在滑動點測得試驗轉向架的粘著系數為0.06，恢復粘著后為0.08 ～0.1，這與測速軸的特性完全相對應。

文獻［5］指出，低粘著總是和濕軌道有關。經驗表明，最低的粘著系數值出現于小雨或冷凝作用導致軌面輕微潮濕時。粘著系數在干燥軌道和完全潮濕軌道上是相同的，測得的最低粘著系數為0.17。鋼軌輕微水濕后，最低的粘著系數為0.08。

文獻［6］建立了JD－1輪軌模擬試驗機，在實驗機上分別進行了干態工況突然加水和水介質條件下的粘著特性試驗。筆者研究了水介質條件下速度、軸重以及蠕滑率對于粘著的影響。實驗結果表明:干態工況加水后的粘著系數比干態時的粘著系數降低了50%～60%。

綜上所述，輪軌表面有水時對粘著系數的影響比較大，小雨時粘著系數可突然下降到0.1以下，而大雨所引起的粘著系數的降低幅度并不太大。

2 動力學模型

本文以某C0－C0機車為基礎，利用多體動力學軟件SIMPACK建立了動力學計算模型，如圖3所示。轉向架二系懸掛裝置采用6個橡膠堆對稱布置，分別布置在構架兩側。車體的垂向載荷主要由橡膠堆支撐，另外配有2個橫向減振器。在構架側梁上設置有垂向限位裝置，限制車體的垂向運動;在車體和構架側梁間裝有橫向止擋，限制車體的橫向運動。

驅動裝置采用滾動抱軸式懸掛。驅動單元一端通過電機吊桿和吊桿座裝在構架上，在電機吊桿端配有彈性部件，可容許輪對和構架之間相對位移，另一端以抱軸式相連于輪對上。

C0－C0型機車由車體、構架、輪對、電機、電機吊桿組成。模型的自由度和拓撲關系如圖4所示。

圖3 C0－C0軸式機車動力學仿真模型

圖4 C0－C0軸式機車模型自由度和拓撲關系

3 雨水對機車的行車安全性能影響分析

由前面分析可知:小雨時粘著系數不超過0.1，可以0.05和0.1值代表小雨時的粘著系數，而正常的粘著系數為0.25～0.3。因此，大雨時的粘著系數可介于前二者之間，為0.15和0.2。

3.1 直線性能分析

粘著系數取值為0.05～0.30，機車速度分別為60、80、100 km/h 時，輪對沖角、輪軌橫向力、脫軌系數、輪重減載率隨粘著系數變化的關系如圖5～8所示。

圖5 輪對沖角隨粘著系數及運行速度的變化關系

圖6 輪軌橫向力隨粘著系數及運行速度的變化關系

圖7 脫軌系數隨粘著系數及運行速度的變化關系

圖8 輪重減載率隨粘著系數及運行速度的變化關系

圖5～8表明:

1)隨著粘著系數增加，輪對沖角逐漸增加，但增幅不大。以速度為100 km/h為例，粘著系數為0.05時的輪對沖角為0.017 rad，粘著系數為0.2和0.3時的輪對沖角分別為 0.018 rad和0.019 rad。隨著機車速度的增加，輪對沖角也逐漸增大。以粘著系數0.25為例，速度為60 km/h時的輪對沖角為0.001 5 rad，速度為80 km/h和100 km/h時的沖角值分別為0.001 8 rad和0.001 9 rad。

2)對于輪軌橫向力，粘著系數在0.05～0.3。隨著粘著系數的增加，輪軌橫向力值幾乎呈線性增長。例如，機車速度為100 km/h，粘著系數為0.05和0.2時的輪軌橫向力分別為39.67 kN和56.02 kN，后者較前者增加了42.21%。隨著機車速度的增加，輪軌橫向力增加。以粘著系數0.25為例，100 km/h時的輪軌橫向力值比60 km/h和80 km/h時的值分別增加了17.11%和25.92%。

3)粘著系數在0.05～0.3，脫軌系數隨著粘著系數的增加而增大，增長幅度也較明顯。例如:機車運行速度為80 km/h，粘著系數為0.1時的脫軌系數為0.27，粘著系數為0.15時的輪脫軌系數為0.35，后者較前者增加了29.63%左右。相同粘著系數的情況下，隨著速度的變化，脫軌系數的值也略有增加。例如:粘著系數為0.25，60～100 km/h 時的脫軌系數分別為 0.38、0.42 和 0.49，但所有工況下的脫軌系數均小于安全限值。

4)粘著系數在0.05～0.3，機車運行速度分別是60、80、100 km/h時，輪重減載率隨著粘著系數的增加略有增長，但增長幅度不大，且所有工況下的輪重減載率均小于安全限值。例如:當速度為100 km/h時，粘著系數為0.05時的輪重減載率為0.21，粘著系數為0.15時的輪重減載率為0.21，粘著系數為0.25時輪重減載率為0.22。

上述分析表明:粘著系數在機車以60～100 km/h的速度通過直線時對行車安全性能影響較明顯，尤其是對輪軌橫向力的影響較大，且粘著系數越大，安全性能指標值越大。

3.2 曲線性能分析

為了更清晰地對比分析粘著系數的影響，在曲線段沒有考慮軌道隨機不平順的情況。

當機車以100 km/h的速度通過半徑為800 m的平面曲線時，不同天氣條件下的輪軌安全性能指標計算結果見表1。

表1 輪軌安全性能指標的計算結果

表1結果表明粘著系數對機車(100 km/h)通過曲線時的行車安全性能影響不明顯。例如:粘著系數在0.05～0.3時，輪對沖角均為0.048 rad左右，輪軸橫向力在25～40 kN變化，脫軌系數為0.18 ～0.31 左右，輪重減載率在 0.37 ～0.39 內波動。

以下小雨為例(粘著系數為0.1)，圖9～12分別給出了輪對沖角、輪軌橫向力、脫軌系數及輪重減載率等安全性能指標的時間歷程。從圖9～12可以看出:機車動態通過曲線軌道時，具有明顯的輪軌相互作用特征，如圖9～12所示。

圖9 輪對沖角的時間歷程

圖10 輪軌橫向力的時間歷程

圖11 脫軌系數的時間歷程

圖12 輪重減載率的時間歷程

4 結論

1)輪軌表面有水時對粘著系數的影響非常大，小雨時粘著系數可突然下降到0.1以下，而大雨所引起的粘著系數的降低并不太大。因此，小雨時應盡量控制機車輪對的輸出扭矩，防止輪對的空轉打滑。

2)粘著系數對機車通過直線軌道時的輪軌橫向力和脫軌系數的影響較明顯。當機車通過曲線軌道時，粘著系數對其運用的安全性能也有一定程度的影響。

［1］王廣凱，李培曙.淺談制動粘著系數的定義影響因素及測試方法［J］.鐵道車輛.2004，42(9):23 －25.

［2］Sergeant V.影響粘著利用的因素［J］.交流技術與電力牽引，2000(4):11－15.

［3］顧謙，龍沫.從機車設計和運用的觀點論粘著系數［J］.國外鐵道車輛，1982(9):1 －9.

［4］Kazuhiko Nagase.干線運行中輪軌間的粘著系數［J］.國外鐵道車輛，1990(5):35－41.

［5］裴有福，金元生，溫詩鑄.輪軌粘著的影響因素及其控制措施［J］.國外鐵道車輛，1995(2):66－69.

［6］宋建華，申鵬，王文建，等.水介質條件下輪軌黏著特性試驗研究［J］.中國鐵道科學，2010，31(3):52－55.

［7］申鵬.輪軌黏著特性試驗研究［D］.成都:西南交通大學，2012.

［8］Chen H，Ban T，Ishida M，et al.Adhesion between rail/wheel under water lubricated contact［J］.wear，2002，253(1/2):75－81.

［9］翟婉明.車輛－軌道耦合動力學［M］.3版.北京:科學出版社，2007.

［10］王福天.車輛系統動力學［M］.北京:中國鐵道出版社，1994.