基于橫向蠕滑特性的輪軌黏著試驗研究*

胡雅婷 張淑華 堯輝明

(1.上海工程技術大學城市軌道交通學院 上海 201620；2.承德石油高等專科學校汽車工程系 河北承德 067000)

在鐵路運輸中，機車牽引力是通過輪軌承載的滾動接觸界面上的黏著與蠕滑來傳遞的。因此，輪軌間的黏著-蠕滑特性直接影響機車牽引和制動性能。不論是牽引或制動工況，機車車輛都是通過輪軌間的黏著來傳遞動力的。為了使機車發揮更大的輪周牽引力以及防止車輪踏面的擦傷，輪軌間黏著都是不能忽視的一部分[1]。

針對黏著系數，國內外的許多學者做了大量的基礎性研究工作。SERGEANT[2]定義了黏著系數的概念，闡述了影響黏著系數的因素；陳樺[3]介紹了輪軌間的黏著機制，分析了影響黏著系數的主要因素；大野熏[4]研究了輪軌表面污染對黏著的影響；申鵬、張軍、宋建華、ARIASCUEVAS等[5-8]建立了輪軌模擬試驗機，分析了不同工況對黏著系數的影響;CHEN、吳濤等人[9-10]利用三維數值研究的方法對輪軌黏著特性進行了研究；王文健和劉啟躍[11]提出了具體改善黏著的方法。

以上的研究大都是關于輪軌縱向黏著特性，對于輪軌橫向黏著特性的研究非常少。然而橫向黏著特性對列車的橫向穩定及脫軌問題影響很大，因此本文作者通過自主研發的橫向輪軌滾動振動試驗臺，研究在不同介質條件工況下的輪軌橫向黏著特性，為確保列車安全平穩運行提供了參考。

1 試驗部分

試驗在自主研發的橫向輪軌滾動振動試驗臺上(如圖1所示)進行，采用雙輪對滾的接觸方式。該試驗臺裝置由輪軌模擬裝置、垂向加載裝置、軸向驅動約束裝置、角度調節裝置、整體框架支撐裝置等組成，模擬軌為試驗臺的小輪，模擬輪為試驗臺的大輪，用電機來驅動模擬輪軌系統并對轉速進行控制。模擬輪軌試件的材料均由真實的輪軌材料制作而成，以保證模擬過程的準確性以及可靠性。表1給出了模擬輪軌材料的成分及含量。表2給出了模擬輪軌材料的機械性能參數。

試驗時通過改變電機轉速(模擬車輛速度)、絲杠加載力(模擬車輛軸重力)、輪子轉動角度(模擬車輛搖頭角)等不同因素，分別測量不同介質工況下的橫向蠕滑力大小，從而得到不同工況下的橫向蠕滑力特性曲線。試驗臺模型與真實輪軌模型比率為1∶5，因此對應于理論模型軸重力的變化范圍大致為500～900 N。

圖1 橫向輪軌滾動振動試驗臺

表1 模擬輪軌材料成分(質量分數)

表2 模擬輪軌材料的機械性能

2 試驗工況及各相關參數

試驗中橫向黏著系數μ為輪軌間的橫向力F除以法向力N即

(1)

試驗分別在模擬輪軌接觸界面是干態、水介質以及油介質污染下進行。油為合成機油，由機車燃油、機油、齒輪潤滑油等混合物組成(體積比為1∶1∶1)。

以干態條件為例，試驗方法為：(1)固定電機轉速為600 r/min(模擬實際車輛速度為33 km/h)、加載垂向壓力為700 N，在0～5°范圍內調節角度，測量并記錄不同轉動角度下傳感器的數值，并計算得出干態條件下不同轉動角度下的輪軌橫向黏著特性曲線；(2)固定電機轉速和轉動角度，通過調節絲杠加載力的大小改變軸重力(分別為700、800、900 N)，按相同試驗方法測量出不同軸重力工況下的橫向蠕滑力，并計算得出不同軸重力下輪軌橫向黏著特性曲線；(3)固定絲杠加載力和轉動角度，通過調節電機轉速的大小改變車速(分別為33、45、56 km/h)，將按相同試驗方法測量出不同速度工況下的橫向蠕滑力，并計算得出不同速度下輪軌橫向黏著特性曲線。

在水介質和油介質條件下的試驗方法與干態條件下相同。其中在水介質條件下試驗時，將水介質用醫用滴管加在離兩輪接觸斑較近的模擬軌上，讓輪軌接觸斑之間充分形成水膜，以此來模擬雨天工況。在油介質條件下試驗時，用毛刷將合成機油涂抹在模擬軌的表面。

試驗過程中通過垂向載荷傳感器、橫向載荷傳感器將所測的法向力N以及橫向力F傳到采集儀,并傳送至計算機顯示。在記錄數據時待波形圖穩定后記錄10 s的波形，然后先用濾波器將噪聲、振動等干擾波形濾掉，再用采集儀分析出其最大值、最小值及平均值，如圖2所示。

圖2 輪軌法向力與橫向力波形

3 試驗結果及分析

3.1 不同介質工況下的橫向黏著特性

圖3示出了不同介質作用下的輪軌橫向黏著系數變化曲線，可見在不同介質作用下，輪軌間的橫向黏著系數的變化比較大。其中在輪軌試樣的磨合期，隨著橫向蠕滑率的逐漸增大，輪軌橫向黏著系數也快速增大；磨合完成后，橫向黏著系數隨橫向蠕滑率的增加逐漸趨于平穩狀態。干態條件下輪軌接觸面橫向黏著系數最大，最大值為0.6左右。水介質下的輪軌橫向黏著系數下降較為明顯，相比于干態狀態下降約為30%。由于油具有良好的潤滑效果，因此油介質下輪軌接觸面橫向黏著系數相比于水介質條件下更小，其值為0.3左右。

圖3 不同介質作用下輪軌橫向黏著系數變化曲線

3.2 干態、油介質下軸重力對輪軌橫向黏著的影響

圖4示出了不同工況下軸重力對輪軌橫向黏著系數的影響。從圖4(a)可看出，在干態下輪軌橫向黏著系數有隨軸重力增加而增加的趨勢，其中軸重力為900 N時，輪軌間橫向黏著系數可以達到0.55左右，而當軸重力為800 N和700 N時，輪軌間橫向黏著系數分別穩定在0.5和0.45左右。該現象可用粗糙表面間的接觸理論來解釋。因為輪軌的表面并不是光滑的，微凸體的存在使實際的接觸僅發生在很微小的凸起之間。彈性的車輪與軌道相互接觸，在法向力作用下，輪軌間的接觸點產生局部變形形成了接觸斑。隨著軸重力的增加，輪軌間的接觸斑也隨之增大，加快了實際接觸面積的增加，讓更多的微凸體發生接觸，導致黏著力增加，黏著系數也就隨之增大。

從圖4(b)可看出，油介質工況下橫向黏著系數隨著軸重力的增加呈現上升趨勢。這是因為油介質工況下隨軸重力的增加油膜厚度逐漸減小，膜厚的減小會直接導致表面微凸體接觸壓力的增加，因此隨著軸重力的增加橫向黏著系數呈現緩慢的上升趨勢。

圖4中結果表明，油介質工況下不同軸重力對輪軌橫向黏著系數的影響規律與干態工況下的變化規律類似，不同之處是在油介質條件下的橫向黏著系數變化較為平穩，軸重力較大的時候才會有明顯的變化，且油工況下輪軌橫向黏著系數整體都比干態工況下橫向黏著系數要小很多。

圖4 軸重力對輪軌橫向黏著系數的影響

3.3 干態、水介質、油介質下速度對輪軌橫向黏著的影響

圖5示出了不同工況下速度對輪軌橫向黏著系數的影響。如圖5(a)所示：在干態工況下輪軌橫向黏著系數隨著速度的增加而下降。造成這種現象的原因是列車的橫向及垂向振動隨速度的增大而增加，使車輪和鋼軌之間產生了動載荷，輪軌實際傳遞的橫向蠕滑力在黏著量減少的瞬間而降低，導致了橫向黏著系數下降。

圖5 速度對輪軌橫向黏著系數的影響

圖5(b)中水介質工況下輪軌橫向黏著系數隨速度的變化規律，與干態工況下變化規律相同，輪軌橫向黏著系數隨蠕滑率的增加而增大，達到飽和值之后輪軌橫向黏著系數會減小，最后橫向黏著系數逐漸趨于穩定，但此時的橫向黏著系數與干態時的橫向黏著系數相比下降較多。在水潤滑接觸的情況下，列車運行時會使輪軌接觸表面的接觸斑變細，則垂向載荷的大部分都會由水膜承擔，輪軌間的橫向蠕滑力主要是靠粗糙峰之間的剪切作用產生，所以橫向黏著系數就會下降。如果橫向黏著系數在接近于飽和狀態時，其對應的蠕滑率變化就會越來越小。在水潤滑狀態下且處于接觸斑較小的情況下，會發現接觸斑的摩擦因數會變小，導致切向摩擦力的下降從而引起黏著系數的減小。

從圖5(c)可知，隨著車輪轉速的提高，在油介質狀態下輪軌橫向黏著系數保持穩定且變化很小；輪軌橫向黏著系數隨著速度的增加而增大，不同速度下的橫向黏著系數值在0.25～0.35之間。速度在33～56 km/h之間變化時，雖然橫向黏著系數的變化較小，但在速度為56 km/h的時候出現了一個很大的振蕩，這是由于輪軌之間產生橫向振動的結果。在油介質工況下，速度對油膜厚度產生影響，進而導致黏著系數發生變化。這是因為在油潤滑狀態下，隨著列車的速度增加，油膜厚度會有一定程度的降低，造成油脂甩脫，則接觸界面的抗剪切能力就會有所增強，進而黏著系數就會增大。所以油潤滑狀態下速度對橫向黏著特性的影響與水介質工況下的相反，隨著速度的增加橫向黏著系數緩慢地增加，在數值上會有一定的差異。相同條件下，油介質工況下的橫向黏著系數比水介質工況下的小很多。

3.4 撒砂對輪軌橫向黏著的影響

上述研究結果表明，在水介質、油介質以及油水混合物介質下輪軌橫向黏著系數相比干態下急劇下降，嚴重影響列車的牽引以及制動性能，在實際操作中必須采取一定的措施來提高輪軌的橫向黏著系數[12-16]。研究表明，撒砂可以有效提高橫向黏著系數，如圖6所示，撒砂介質工況下的橫向黏著系數相比于干態工況下更大，說明撒砂增大橫向黏著系數效果明顯。

圖6 撒砂介質下輪軌橫向黏著系數變化曲線

為了更好地說明撒砂能夠提高輪軌橫向黏著系數，研究了在水介質條件下撒砂時對輪軌橫向黏著系數的影響，如圖7所示。

圖7 水介質工況下撒砂對輪軌橫向黏著系數影響

水介質條件下在輪軌接觸界面撒砂時，輪軌橫向黏著系數明顯增加。當砂子進入輪軌接觸區域之后，由于輪軌接觸界面間滾動摩擦過程作用會使部分砂粒相互嵌入到輪軌的接觸表面，導致接觸體凸凹不平的固體粗糙峰接觸，產生的切向力可能會變大，從而造成輪軌橫向黏著力的增加，因此在水介質條件下撒砂后會使輪軌橫向黏著系數顯著提高。

4 結論

(1)在不同介質條件下輪軌橫向黏著系數明顯不同，其中在干態條件下輪軌橫向黏著系數最大，水介質條件下次之，油介質條件下最小。水、油介質條件下會使橫向黏著系數明顯下降，特別是油介質會導致輪軌的低黏著，這對列車的安全運行是十分不利的，列車容易發生脫軌等問題。

(2)在不同軸重力下，輪軌橫向黏著蠕滑特性是不同的，在相同蠕滑率情況下，隨軸重力增大黏著系數增大。因此提高軸重力對于提高機車黏著牽引力是十分有利的。

(3)在干態和水介質條件下，輪軌橫向黏著系數隨速度的增加而下降，而在油介質條件下輪軌橫向黏著系數隨著速度的增大而緩慢上升，但變化不是很大。因此，適當調整車速對列車的安全運行會有一定的保障。

(4)在水介質條件下撒砂可以明顯提高橫向黏著系數，但是要注意的是，撒砂量過大會損壞輪軌表面。