時速400km輪軌制動大蠕滑黏著試驗研究（一）
——水介質條件下黏著特性

常崇義，陳 波，蔡園武，王俊彪

（1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道科學技術研究發展中心，北京 100081；2. 高速鐵路與城軌交通系統技術國家工程研究中心輪軌關系實驗室，北京 100081）

隨著列車運行速度的提高，輪軌黏著行為發生變化，將直接影響高速列車牽引和制動時輪軌黏著的利用。輪軌在清潔干燥條件下的黏著系數較高，一般在0.25～0.60之間［1-3］，不會對高速列車牽引和制動產生不利影響。與干燥條件相比，常見的雨雪天氣條件下輪軌黏著系數明顯減小［4-5］，如果高速列車黏著利用不當，就造成輪軌擦傷或制動距離超限，危及行車安全。對于高速列車牽引和早期制動時如何利用小蠕滑過程中的黏著系數（一般小于5%），文獻［4-8］從實車試驗和理論模型方面做了大量的研究，結果表明高速列車輪軌牽引黏著利用的是小蠕滑過程中黏著力系數上升的第1個峰值（黏著系數），這種條件下黏著特性的變化規律和產生機理已經基本掌握。

日本學者［9］利用雙圓盤試驗臺進行100 km·h-1速度時水介質條件下0～20%縱向蠕滑率范圍內的黏著試驗，發現當縱向蠕滑率較大時黏著力系數隨縱向蠕滑率的增加而增加，出現黏著力系數再上升現象。法國國家鐵路公司（SNCF）的學者［10］在1987年利用線路試驗獲得了80～240 km·h-1速度范圍內潮濕軌面條件下制動黏著特性曲線，發現小蠕滑過程中黏著力系數在出現第1個峰值之后，隨著輪軌相對滑動速度的增加黏著力系數再次增加，出現了第2 個峰值。法國TGV 高速列車使用的制動防滑器通過縱向蠕滑率控制，允許的縱向蠕滑率在20%以內，屬于大蠕滑問題（縱向蠕滑率一般大于10%），此方法提高了輪軌制動黏著的利用［11-12］。通過100 km·h-1速度時的室內試驗和80～240 km·h-1速度范圍內的線路試驗，都發現當縱向蠕滑率較大時黏著力系數隨縱向蠕滑率的增加出現黏著力系數再上升現象。在高速輪軌制動黏著利用方面，標準TB/T 3009—2019《機車車輛制動系統用防滑裝置》［13］和UIC 541—05《Brakes-Specifications for the Construction of Vari?ous Brake Parts-Wheel Slide Protection Device（WSP）》［14］要求列車運行速度大于160 km·h-1的情況下允許輪軌之間的相對滑動速度達40 km·h-1，而對于160 km·h-1車速時允許的最大縱向蠕滑率可達25%左右（屬于大蠕滑問題），但現行的標準規定300～400 km·h-1速度范圍內允許的最大縱向蠕滑率只有10%～13.3%，已不能滿足時速400 km制動黏著利用的需要。

高速列車在濕軌條件下制動黏著主要是通過制動防滑控制利用大蠕滑過程中黏著力系數的第2 個峰值（最佳黏著系數），但對于300～400 km·h-1速度范圍內的黏著行為特點還不清楚，制約著時速400 km高速列車制動黏著的有效利用。

本文利用全尺寸高速輪軌關系試驗臺進行黏著試驗，研究試驗速度從100 km·h-1提高到400 km·h-1后對輪軌間水介質條件下制動大蠕滑黏著特性的影響，分析100～400 km·h-1不同速度時的制動大蠕滑黏著行為特點，為提高時速400 km 輪軌制動大蠕滑黏著利用提供依據。

1 高速輪軌關系試驗臺

中國鐵道科學研究院的全尺寸高速輪軌關系試驗臺技術先進、測試與試驗功能完善，最高試驗速度可達500 km·h-1，可開展以輪軌關系為核心的基礎性、前瞻性的基礎應用技術研究；可對輪軌產品進行模擬綜合試驗，優化設計，提高產品可靠性；可顯著提高我國高速輪軌關系的試驗、理論研究水平，為高速輪軌關系的研究提供試驗手段。

高速輪軌關系試驗臺由軌道輪系統、測試輪對系統、液壓激振系統、軌道接觸界面環境模擬系統、軌道輪型面數控鏇修裝置、高壓液壓供應單元、潤滑單元、電氣設備、測量和數據采集系統、控制系統等部分組成。試驗臺及黏著試驗裝置分別如圖1和圖2所示。

圖1 全尺寸高速輪軌關系試驗臺

圖2 黏著試驗裝置

該試驗臺可以模擬干燥、潮濕（水或防凍液介質）、涂油條件下的輪軌界面環境，試驗過程中可測量輪對轉速、軌道輪轉速、輪軌接觸力、輪對橫移量、輪對沖角、液壓激振力、電機扭矩、制動力矩等性能參數。試驗臺可進行高速輪軌黏著、蠕滑、脫軌、磨耗、疲勞、制動、噪聲等試驗，還可進行測力輪對的動態標定試驗及輪軌幾何形狀和材料性能匹配優化試驗。利用全尺寸高速輪軌關系試驗臺進行試驗，既可以克服低速小比例試驗臺一般相似關系不足的問題，又可以克服線路黏著試驗成本高的問題，且各種影響因素可控，能進行單因素的影響試驗。

2 基于高速輪軌關系試驗臺的輪軌制動大蠕滑黏著試驗方法

2.1 輪軌黏著特性的數學定義

輪軌黏著特性通常采用縱向黏著力系數和縱向蠕滑率變化曲線表示。

在試驗臺模擬試驗中，定義縱向黏著力系數μx為

式中：Fx為輪軌縱向黏著力；Fn為輪軌接觸法向力。

縱向蠕滑率ξx可按下式計算。

式中：Rw和Rr分別為車輪和軌道輪接觸點處的半徑；nw和nr為分別為車輪和軌道輪的轉速。

2.2 試驗基本條件

輪軌黏著試驗中，車輪材料為ER8，踏面為LMB-10 型，車輪踏面滾動圓附近的硬度分布為260～320 HB；軌道輪材料為U71MnK，廓形為60N，軌道輪軌頂滾動圓附近的硬度分布為310～380 HB。為消除輪軌接觸表面污染，試驗前用酒精或除銹劑清洗車輪與軌道輪的接觸表面，以保證滾動接觸表面干凈、干燥。試驗前測量車輪和軌道輪的直徑，使用Miniprof輪軌型面測量儀測量車輪和軌道輪的型面。

根據我國高速鐵路車輪與鋼軌接觸表面粗糙度分布情況［6］，試驗中用100號砂紙對車輪與軌道輪的接觸表面進行打磨，使輪軌接觸表面粗糙度Ra為0.40～0.60 μm，并使用Mahr （MarSurf PS1）便攜式粗糙度儀進行測量。

試驗垂向載荷為75 kN（相當于軸重為15 t），測量并控制試驗環境溫度為0～40 ℃。

高速條件下輪軌界面噴水量大于200 mL·min-1后輪軌黏著系數隨噴水量的增加將不再減小（保持不變）［5］，因此試驗中將輪軌接觸界面間的噴水量設為300 mL·min-1（常溫），輪軌黏著試驗噴水示意圖如圖3所示。

圖3 輪軌黏著試驗噴水示意圖

2.3 試驗基本步驟

（1）用垂向激振器施加垂向載荷為75 kN，橫向激振器控制車輪無橫移，搖頭激振器控制車輪無沖角。

（2）啟動軌道輪驅動電機，驅動軌道輪旋轉，車輪通過輪軌摩擦跟隨軌道輪旋轉，使軌道輪和車輪接觸點處的速度達到指定試驗速度。

（3）在輪軌接觸點處開始按300 mL·min-1噴水量進行噴水。

（4）首先使軌道輪保持恒轉速，然后控制車輪轉速，使輪軌縱向蠕滑率逐漸從0開始按變化率為-6%·s-1逐漸控制至-30%（加載過程，負號表示制動），此后將縱向蠕滑率按變化率為6%·s-1逐漸控制至0（卸載過程）。縱向蠕滑率加載速度的設定參考標準UIC B164 RP2《Adhesion during Braking，and Anti-Skid Devices》［15］。

為易于制動大蠕滑黏著特性的呈現，在繪制黏著特性曲線時取縱向蠕滑率的絕對值，輪軌縱向蠕滑率的增加（加載）和減小（卸載）的控制過程如圖4所示。

圖4 加卸載過程的縱向蠕滑率

3 不同速度制動時的大蠕滑黏著特性

3.1 100 km·h-1速度制動時

100 km·h-1速度制動時加載和卸載過程中黏著力系數和縱向蠕滑率時程曲線及完整的輪軌黏著特性曲線如圖5所示。

從圖5看出：在加載過程中，縱向蠕滑率從0開始增加（小于0.5%范圍內），黏著力系數隨縱向蠕滑率的增加呈近似線性快速增加；當縱向蠕滑率增至0.5%時，黏著力系數達到加載過程中的第1 個峰值點（標記為A點），此時的黏著力系數為0.108；此后黏著力系數隨縱向蠕滑率的增加略微減小，直至縱向蠕滑率為4.5%時黏著力系數達到“低谷點”（標記為D點）；然后黏著力系數隨縱向蠕滑率增加緩慢增加，直至最大縱向蠕滑率為27%時達加卸載轉折點（標記為E點）；卸載時縱向蠕滑率從27%開始減小，黏著力系數卻在緩慢增加，縱向蠕滑率減至12.4%時黏著力系數達到卸載過程中的“卸載峰”（標記為C點），此時黏著力系數為0.23；之后黏著力系數隨縱向蠕滑率的減小緩慢減小，縱向蠕滑率低于0.28%以后黏著力系數呈現近似線性的快速減小，與開始的線性快速增加階段相吻合。

圖5 100 km·h-1時輪軌制動大蠕滑黏著特性

該速度時黏著特性的鮮明特點是：黏著力系數在縱向蠕滑率從0 開始增至0.5%時，出現了第1個峰（A點處），A點的黏著力系數與輪軌小蠕滑試驗中的黏著系數［5-6］一致，從開始到A點標記為a 階段，該階段黏著力系數隨縱向蠕滑率的增加成近似線性快速增加；從A點到D點標記為d 階段，黏著力系數隨縱向蠕滑率的增加略微減小，表現為負摩擦特性，呈現明顯的Stribeck 摩擦效應，屬于不穩定階段；從D點到E點標記為c 階段，黏著力系數隨縱向蠕滑率的增加平穩增加，表現為正摩擦特性，屬于加載穩定階段；從E點到C點標記為e 階段，黏著力系數隨縱向蠕滑率的減小緩慢增加，屬于卸載穩定階段；C點的黏著力系數約為A點的2 倍。在此種形態的黏著特性曲線中，d 階段有明顯的Stribeck 摩擦效應，屬于黏著不穩定階段，在輪軌黏著利用時應避免；c 階段和e 階段屬于黏著穩定階段，有利于提高輪軌黏著的利用。

3.2 200 km·h-1速度制動時

200 km·h-1時加載和卸載過程中黏著力系數和縱向蠕滑率時程曲線及完整的輪軌黏著特性曲線如圖6所示。

從圖6看出：在加載過程中，縱向蠕滑率從0開始增加（小于0.35%范圍內），黏著力系數隨縱向蠕滑率的增加呈近似線性快速增加；當縱向蠕滑率為0.35%時，黏著力系數達到加載過程中的A點，此時的黏著力系數為0.055；此后黏著力系數隨縱向蠕滑率的增加略微減小，直至縱向蠕滑率為13%時黏著力系數達到D點；然后黏著力系數隨縱向蠕滑率的增加緩慢增加，直至縱向蠕滑率為27%時黏著力系數達到第2 個峰值點（標記為B點），此時的黏著力系數為0.12；此后黏著力系數隨縱向蠕滑率增加緩慢減小，直至最大縱向蠕滑率為30%時到達E點；卸載時縱向蠕滑率從30%開始減小，黏著力系數卻在增加，縱向蠕滑率減至9.9%時黏著力系數達到卸載過程中的“卸載峰”，此時黏著力系數為0.15；之后黏著力系數隨縱向蠕滑率的減小緩慢減小，縱向蠕滑率低于0.40%以后黏著力系數呈近似線性的快速減小，與開始的線性快速增加階段相吻合。

圖6 200 km·h-1速度時輪軌制動大蠕滑黏著特性

該速度時黏著特性的鮮明特點是：A點的黏著力系數比100 km·h-1速度時小；縱向蠕滑率增加到27%（相對滑動速度54 km·h-1）時黏著力系數出現了第2個峰（B點），B點的黏著力系數約為A點的2 倍；從D點到B點標記為c 階段，黏著力系數隨縱向蠕滑率的增加平穩增加，屬于加載穩定階段；從B點到E點階段，黏著力系數隨縱向蠕滑率的增加略微減小，表現為負摩擦特性，屬于加載不穩定階段；與100 km·h-1速度時的卸載過程相比，卸載過程中也出現了“卸載峰”，C點的黏著力系數約為A點的3 倍。此種形態的黏著特性曲線，從A點到D點（d 階段）和從B點到E點過程中黏著屬于不穩定階段，在輪軌黏著利用時應避免；從D點到B點（c 階段）和從E到C點（e 階段）過程中黏著屬于穩定階段，有利于提高輪軌黏著的利用。

3.3 300 km·h-1速度制動時

300 km·h-1時加載和卸載過程中黏著力系數和縱向蠕滑率時程曲線及完整的輪軌黏著特性曲線如圖7所示。

圖7 300 km·h-1速度時輪軌制動大蠕滑黏著特性

從圖7看出：在加載過程中，縱向蠕滑率從0開始增加（小于0.30%范圍內），黏著力系數隨縱向蠕滑率的增加呈近似線性快速增加；當縱向蠕滑率增至0.30%時，黏著力系數達到加載過程中的A點，此時的黏著力系數為0.07；此后黏著力系數隨縱向蠕滑率的增加略微減小，直至縱向蠕滑率為8.0%時黏著力系數達到D點；此后黏著力系數隨縱向蠕滑率增加又開始緩慢增加，直至縱向蠕滑率為17.3%時黏著力系數達到B點，此時的黏著力系數為0.12；此后黏著力系數隨縱向蠕滑率增加而減小，直至最大縱向蠕滑率為30%時到達E點；卸載時縱向蠕滑率從30%開始減小，黏著力系數隨縱向蠕滑率的減小緩慢減小，縱向蠕滑率低于0.44%以后黏著力系數呈近似線性的快速減小，與開始的線性上升階段相吻合。

該速度時黏著特性的鮮明特點是：黏著力系數在縱向蠕滑率增加到17.3%（相對滑動速度52 km·h-1）時出現了明顯的第2 個峰，B點的黏著力系數約為A點的2 倍；在E點附近，黏著力系數隨縱向蠕滑率減小的略有減小，表現為不穩定性；與200 km·h-1速度時的卸載過程相比，卸載過程中并沒有出現“卸載峰”。此種形態的黏著特性曲線，從A點到D點（d 階段）和從B點到E點過程中黏著處于不穩定階段，在輪軌黏著利用時應避免；從D點到B點（c 階段）的過程中黏著處于穩定階段，有利于提高輪軌黏著的利用。

3.4 400 km·h-1速度制動時

400 km·h-1時加載和卸載過程中黏著力系數和縱向蠕滑率時程曲線及完整的輪軌黏著特性曲線如圖8所示。

圖8 400 km·h-1速度時輪軌制動大蠕滑黏著特性

從圖8看出：在加載過程中，縱向蠕滑率從0開始增加（小于0.27%范圍內），黏著力系數隨縱向蠕滑率的增加呈近似線性快速增加；當縱向蠕滑率為0.27%時，黏著力系數達到縱向蠕滑率加載的A點，此時的黏著力系數為0.044；此后黏著力系數隨縱向蠕滑率的增加緩慢減小直到縱向蠕滑率7.7%時黏著力系數達到D點；此后隨之縱向蠕滑率增加快速增加，直到縱向蠕滑率增加到15.0%時黏著力系數達到B點，此時的黏著力系數為0.065；此后黏著力系數隨縱向蠕滑率的增加明顯減小，直至縱向蠕滑率為22%，此后減小變緩，直至最大縱向蠕滑率為30%時到達E點；卸載時縱向蠕滑率從30%開始減小，黏著力系數隨縱向蠕滑率減小的變化不大，縱向蠕滑率低于0.50%以后黏著力系數呈近似線性的快速減小，與開始的線性上升階段相吻合。

該速度時黏著特性的鮮明特點是：黏著力系數在縱向蠕滑率增加到15%（相對滑動速度60 km·h-1）時出現了明顯的第2 個峰，此時的黏著力系數為0.065，較300 km·h-1速度時減小約50%；與300 km·h-1速度時一樣，卸載過程中也沒有出現“卸載峰”。此種形態的黏著特性曲線，從A點到D點（d 階段）和從B點到E點過程中黏著處于不穩定階段，在輪軌黏著利用時應避免；從D點到B點（c 階段）的過程中黏著處于穩定階段，有利于提高輪軌黏著的利用。

4 結 論

（1）高速輪軌水介質條件下縱向蠕滑率增加到0.3%～0.5%，黏著力系數出現第1 個峰，此處的黏著力系數也稱之為小蠕滑時的黏著系數，其數值隨速度的提高逐漸減小。

（2）通過高速輪軌水介質條件下的制動大蠕滑試驗，發現在縱向蠕滑率從0.5%增加到5%～8%過程中，黏著力系數出現了減小的現象，呈現負摩擦特性，表現出明顯的Stribeck 摩擦效應，此階段不利于黏著的利用。

（3）高速輪軌水介質條件下，如果縱向蠕滑率增加超過一定數值以后（一般為5%～8%），再繼續增加，會出現了黏著力系數再上升的現象。

（4）高速輪軌水介質條件下，制動試驗速度在300～400 km·h-1范圍內，當縱向蠕滑率增加到15%附近時會出現黏著力上升的第2個峰，此處黏著力系數為第1個峰的2倍左右。

（5）高速輪軌水介質條件下，當試驗速度為100～200 km·h-1時，從縱向蠕滑率30%減小（卸載）過程中黏著力系數出現再上升現象，出現縱向蠕滑率“卸載峰”，此處黏著力系數比加載時的第2個峰更高。