淺談磁軌制動(dòng)對(duì)輪軌黏著的影響

李培署，王明星，張笑慰

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

按制動(dòng)力的形成方式劃分，軌道車輛制動(dòng)分為黏著制動(dòng)和非黏著制動(dòng)。目前，壓縮空氣或液壓驅(qū)動(dòng)的盤形/踏面制動(dòng)、動(dòng)力制動(dòng)、旋轉(zhuǎn)渦流制動(dòng)等屬于黏著制動(dòng)方式，其制動(dòng)力大小受輪軌之間黏著力的限制；磁軌制動(dòng)、線性渦流制動(dòng)、風(fēng)阻制動(dòng)等屬于非黏著制動(dòng)方式，其制動(dòng)力大小不受輪軌之間黏著力的限制。隨著列車速度的提高或制動(dòng)減速度的增大，空氣制動(dòng)和動(dòng)力制動(dòng)等受輪軌黏著的影響使其制動(dòng)能力的提升受到限制，發(fā)展非黏著制動(dòng)技術(shù)成為高速旅客列車和部分城軌列車制動(dòng)技術(shù)發(fā)展的重要方向。

作為非黏著制動(dòng)主要作用方式之一的磁軌制動(dòng)，由于其制動(dòng)力不受輪軌黏著的限制，可有效提高列車制動(dòng)減速度，縮短制動(dòng)距離，提高列車運(yùn)營(yíng)安全性，因而在國(guó)外高速動(dòng)車組如TGV-A、ICE-1、ICE-2、ICE-T、X2000等以及對(duì)減速度要求較大的有軌電車等部分城軌車輛上得到大量運(yùn)用。但國(guó)內(nèi)包括京滬高鐵在內(nèi)已開通運(yùn)用的“復(fù)興號(hào)”和CRH系列高速動(dòng)車組均未采用磁軌制動(dòng)，只在有軌電車和少量輕軌車輛上應(yīng)用。未來我國(guó)還將發(fā)展更高速度的動(dòng)車組，為保證緊急制動(dòng)距離滿足要求，磁軌制動(dòng)不失為一種有效的、可供選擇的制動(dòng)方式。

磁軌制動(dòng)在縮短制動(dòng)距離的同時(shí)能對(duì)軌道表面起到清掃作用，在雨雪冰霜等惡劣氣候條件下能夠更有效地改善輪軌黏著。相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[1]在超低黏著條件下，裝有磁軌制動(dòng)的列車，最多可縮短約50%的制動(dòng)距離，從而表明磁軌制動(dòng)在軌道表面狀況不良、低黏著的條件下，作用效果尤為明顯。

但磁軌制動(dòng)裝置在制動(dòng)過程中會(huì)與軌道表面產(chǎn)生劇烈摩擦導(dǎo)致軌面溫度升高，會(huì)對(duì)軌道表面狀態(tài)造成影響，所以在干燥清潔的軌道條件下，磁軌制動(dòng)在提高制動(dòng)減速度的同時(shí)，有可能會(huì)影響輪軌之間的黏著狀態(tài)、從而影響到黏著制動(dòng)的利用，目前國(guó)內(nèi)外尚沒有見到相關(guān)研究報(bào)道，因此，為更好地發(fā)揮磁軌制動(dòng)的作用，提高列車綜合制動(dòng)性能，有必要分析研究磁軌制動(dòng)導(dǎo)致軌道溫升對(duì)輪軌黏著的影響。

1 輪軌黏著的影響因素及黏著系數(shù)計(jì)算

1.1 輪軌黏著影響因素

眾所周知，輪軌黏著狀態(tài)受輪軌表面狀況、速度、載荷、線路狀況(曲線、坡道、道岔)等因素影響，其中輪軌表面狀況的影響最大，潮濕軌道條件下的黏著系數(shù)明顯小于干燥軌道條件下。

而在同樣清潔干燥軌道條件下，輪軌黏著狀況也會(huì)受到輪軌接觸狀況如接觸區(qū)的大小和形狀、接觸材料的力學(xué)特性變化等因素的影響。研究表明，載荷等的變化主要會(huì)影響接觸區(qū)的大小和形狀，從而影響?zhàn)ぶ宛ぶ禂?shù)，載荷增大，黏著力增大，但黏著系數(shù)呈下降趨勢(shì)(黏著系數(shù)下降速率小于載荷增大速率，故黏著力總體上在增加)；速度等的變化會(huì)引起接觸區(qū)的溫度變化，造成材料力學(xué)特性改變而影響?zhàn)ぶ禂?shù)，速度增加則接觸區(qū)域溫度上升，黏著系數(shù)下降[2](也有觀點(diǎn)認(rèn)為速度增加導(dǎo)致黏著系數(shù)下降是因?yàn)檩嗆壷g產(chǎn)生了較大的動(dòng)載荷[3])，大量試驗(yàn)研究結(jié)果以及計(jì)算得到的黏著系數(shù)均表明，隨著速度的提高，黏著系數(shù)下降。

1.2 黏著系數(shù)計(jì)算

輪軌之間的黏著狀態(tài)通常用黏著力和黏著系數(shù)的大小來表示，黏著系數(shù)定義為輪軌之間“最大縱向水平作用力”(即黏著力)與“輪軌間垂直載荷”(或軌道對(duì)車輪的法向支反力)的比值[4]，即：

(1)

式中：μ——黏著系數(shù)；

Ftan——輪軌之間最大切向作用力；

FN——輪軌間法向作用力。

制動(dòng)過程中的黏著類似于物理學(xué)上的摩擦。對(duì)摩擦機(jī)理的分析表明[5]，摩擦產(chǎn)生的機(jī)械能可以通過摩擦副表面材料的彈性變形儲(chǔ)存起來，材料剛好出現(xiàn)塑性變形時(shí)的極限應(yīng)力為抗剪切強(qiáng)度τmax，那么輪軌黏著系數(shù)的計(jì)算模型可簡(jiǎn)化為輪軌接觸區(qū)中可承受的最大剪切應(yīng)力τmax與法向應(yīng)力σN的比值，即：

(2)

輪軌表面可以傳遞的最大切向應(yīng)力τmax是由材料的屈服極限σs決定的，即：

(3)

因而黏著系數(shù)計(jì)算公式可表示為：

(4)

制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的黏著系數(shù)計(jì)算公式通常用速度的函數(shù)表示,主要是通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)歸納整理后擬合而成的，如TB/T 1407—1998《列車牽引計(jì)算規(guī)程》規(guī)定制動(dòng)黏著系數(shù)按下式計(jì)算：

(5)

(6)

式中：V——車輛速度，V≤120 km/h。

另外，日本新干線、德國(guó)鐵路等的制動(dòng)計(jì)算黏著系數(shù)也均用速度的函數(shù)表示，黏著系數(shù)隨著速度的提高而下降。

2 溫度變化對(duì)黏著系數(shù)的影響

研究表明[5]，在輪軌接觸過程中，大量的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｊ軣崮苡绊懀牧系那O限等特性隨之發(fā)生改變，車輪和鋼軌的彈性模量E、屈服極限σs與溫度之間的關(guān)系如圖1所示。從圖1可以看出，隨著溫度的上升，鋼材的屈服極限降低，也就是說輪軌接觸面溫度的升高,對(duì)黏著系數(shù)有決定性影響的屈服極限在降低，與室溫(25 ℃)相比，每升高1 ℃，屈服極限降低約0.69 MPa。

圖1 溫度對(duì)鋼材特性的影響

彈性模量E與溫度θ之間的關(guān)系可用下式表示：

E(θ)=E0-αE×θ

(7)

式中：E0——室溫時(shí)的彈性模量值；

αE——彈性模量E關(guān)于溫度θ的梯度。

故可以建立σs(θ)的模型：

σs(θ)=σs0-ασ×θ

(8)

式中：σs0——室溫時(shí)材料的屈服極限；

ασ——屈服彈性模量關(guān)于溫度θ的梯度。

將式(8)帶入式(4)可得出使用變化的材料特性值修正后的黏著系數(shù)公式：

(9)

另外有限元計(jì)算表明[6]，最大局部溫度出現(xiàn)在必須承受最大法向應(yīng)力的接觸處，溫度分布與法向應(yīng)力大小呈正比例關(guān)系。所以，通過黏著系數(shù)的修正公式(9)可以得出，隨著接觸處溫度的升高，黏著系數(shù)發(fā)生降低。

3 磁軌制動(dòng)對(duì)軌道溫度影響的仿真分析

由于存在劇烈的摩擦、磨耗，無論在高速列車還是在低地板有軌電車等城軌列車上，磁軌制動(dòng)只用于緊急制動(dòng)。制動(dòng)過程中，磁軌制動(dòng)裝置與軌道之間劇烈摩擦將導(dǎo)致磁軌制動(dòng)裝置和軌道接觸面的溫度升高。

國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者為研究緊急制動(dòng)過程中磁軌制動(dòng)器極靴的磨損[7]，以4動(dòng)4拖、8輛編組的CRH2型動(dòng)車組為例建立了磁軌制動(dòng)器極靴動(dòng)態(tài)磨損過程的磨損模型，假定每輛拖車的每臺(tái)轉(zhuǎn)向架安裝2套磁軌制動(dòng)器，則4輛拖車共安裝16套磁軌制動(dòng)器，在緊急制動(dòng)過程中，動(dòng)車組單側(cè)8套磁軌制動(dòng)器依次與鋼軌同一部位接觸。仿真計(jì)算表明，制動(dòng)初速度為250 km/h施加一次緊急制動(dòng)時(shí)，在某一時(shí)刻某一區(qū)段的軌面最高溫度可達(dá)到570.76 ℃，同時(shí)磁軌制動(dòng)器極靴最高溫度為1 124.4 ℃。

針對(duì)在用的某4輛編組城軌列車建立了磁軌制動(dòng)裝置和軌道溫升的仿真模型。假定每輛車的每臺(tái)轉(zhuǎn)向架兩側(cè)各裝一臺(tái)磁軌制動(dòng)器，全列車共裝16臺(tái)，磁軌制動(dòng)器的額定工作電壓為DC 110 V，最大功率1 080 kW，電磁吸力78 kN，最大摩擦因數(shù)0.26，平均摩擦因數(shù)0.12，環(huán)境溫度為40 ℃；計(jì)算時(shí)取長(zhǎng)度為1 m的軌道進(jìn)行仿真，當(dāng)一列車通過時(shí)，該段軌道先后與8臺(tái)磁軌制動(dòng)器摩擦，保守起見，假定摩擦產(chǎn)生的熱量絕大部分傳遞給軌道，且不考慮計(jì)算段的軌道在長(zhǎng)度方向上向其他段軌道傳熱，不考慮計(jì)算段的軌道向地面?zhèn)鳠帷７抡嬗?jì)算結(jié)果表明，初速110 km/h時(shí)施加緊急制動(dòng)，制動(dòng)初始軌面溫度快速上升，某一時(shí)刻某一區(qū)段軌面溫度達(dá)到最大值，最高溫度為277 ℃，如圖2、圖3所示，隨著速度的降低又開始下降。同理對(duì)初速度80 km/h、60 km/h時(shí)的緊急制動(dòng)進(jìn)行仿真，一次緊急制動(dòng)時(shí)，軌面最高溫度分別為214 ℃、180 ℃。

圖2 軌道溫度場(chǎng)云圖

圖3 軌道摩擦面最高溫度變化曲線

從仿真計(jì)算結(jié)果不難看出，緊急制動(dòng)時(shí)磁軌制動(dòng)對(duì)局部區(qū)段軌面溫升有明顯影響，列車速度越高，軌面最高溫度上升越明顯，結(jié)合前面的分析可以得出，干燥清潔軌道條件下使用磁軌制動(dòng)將對(duì)輪軌黏著造成影響，有可能造成局部區(qū)段輪軌黏著降低，速度越高，對(duì)輪軌黏著的影響越大。

實(shí)際上，施加磁軌制動(dòng)時(shí)，磁軌制動(dòng)器和軌道的熱傳導(dǎo)、散熱方式以及軌面的平整度、粗糙度等對(duì)摩擦的影響，都會(huì)影響到軌面溫升，仿真所采用的邊界條件與實(shí)際情況會(huì)存在差異，結(jié)果也會(huì)存在一定誤差。但磁軌制動(dòng)對(duì)局部軌面溫升有較大影響、進(jìn)而影響到輪軌黏著是可以確定的。

4 磁軌制動(dòng)應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)的問題

由于國(guó)內(nèi)尚沒有磁軌制動(dòng)在高速列車上的應(yīng)用案例，所以無法掌握其在高速條件下實(shí)際應(yīng)用所帶來的影響。目前國(guó)內(nèi)有軌電車和少量輕軌列車采用了磁軌制動(dòng)，主要目的是提高列車制動(dòng)減速度，但還沒有結(jié)合應(yīng)用情況，開展磁軌制動(dòng)對(duì)輪軌黏著影響等方面的研究工作，所以本文通過對(duì)試驗(yàn)和運(yùn)用過程中出現(xiàn)的一些問題的分析，進(jìn)行了間接研究。

某裝有磁軌制動(dòng)裝置的城軌列車在實(shí)際應(yīng)用和線路試驗(yàn)過程中多次出現(xiàn)滑行擦傷，據(jù)統(tǒng)計(jì)擦傷均出現(xiàn)在緊急制動(dòng)情況下，且軌面基本處于清潔干燥狀態(tài)。該列車為4輛車編組，全部為動(dòng)車，裝有液壓制動(dòng)系統(tǒng)和磁軌制動(dòng)裝置。每輛車采用相同的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置，其中前三根軸裝有主動(dòng)式夾鉗單元，第四根軸裝有被動(dòng)式夾鉗單元，所有夾鉗單元均有彈簧停放制動(dòng)功能。常用制動(dòng)采用黏著制動(dòng)方式，制動(dòng)時(shí)優(yōu)先采用電制動(dòng)，不足部分由主動(dòng)夾鉗單元施加液壓制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)充，第四根軸的被動(dòng)式夾鉗單元不施加制動(dòng)，以該軸速度作為參考速度進(jìn)行防滑控制；緊急制動(dòng)采用黏著制動(dòng)和非黏著制動(dòng)兩種方式，制動(dòng)時(shí)制動(dòng)夾鉗單元內(nèi)油壓釋放，依靠停放制動(dòng)的彈簧力施加制動(dòng)(黏著制動(dòng))，同時(shí)施加磁軌制動(dòng)(非黏著制動(dòng))，緊急制動(dòng)不具有防滑控制功能。設(shè)計(jì)的列車最大常用制動(dòng)平均減速度(電制動(dòng)+液壓制動(dòng))≥1.0 m/s2，緊急制動(dòng)平均減速度(彈簧力制動(dòng)+磁軌制動(dòng))≥1.3 m/s2。

表1為線路制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的該列車制動(dòng)減速度，試驗(yàn)是在清潔干燥軌道條件下進(jìn)行的。最大常用制動(dòng)時(shí)的減速度全部由黏著制動(dòng)力產(chǎn)生，緊急制動(dòng)時(shí)的減速度由黏著制動(dòng)力(彈簧力制動(dòng))和非黏著制動(dòng)力(磁軌制動(dòng))共同產(chǎn)生，其中磁軌制動(dòng)的減速度為0.3～0.4 m/s2，從而可以得出緊急制動(dòng)時(shí)的黏著制動(dòng)力(彈簧制動(dòng)力)遠(yuǎn)小于最大常用制動(dòng)時(shí)的黏著制動(dòng)力(電制動(dòng)力+液壓制動(dòng)力)，隨著車重的增加表現(xiàn)得尤為明顯。

表1 試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的列車制動(dòng)平均減速度

最大常用制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)無車輪滑行擦傷，且制動(dòng)系統(tǒng)沒有進(jìn)行防滑控制，因此最大常用制動(dòng)時(shí)實(shí)際制動(dòng)力并沒有超過輪軌黏著力，那么相同試驗(yàn)條件下緊急制動(dòng)時(shí)的黏著制動(dòng)力也不應(yīng)該超過黏著力。但緊急制動(dòng)時(shí)出現(xiàn)了滑行擦傷，這一定是因?yàn)閷?shí)際制動(dòng)力超過了黏著力，也就是說干燥條件下的輪軌黏著發(fā)生了改變，黏著力出現(xiàn)下降，結(jié)合前面的分析，很有可能是由于緊急制動(dòng)時(shí)磁軌制動(dòng)的參與，引起局部區(qū)段軌面溫度上升，導(dǎo)致輪軌黏著下降，使得黏著制動(dòng)力在某些時(shí)候超過黏著力造成車輪滑行，再加上沒有防滑控制功能，車輪出現(xiàn)擦傷。

由于試驗(yàn)時(shí)沒有測(cè)試磁軌制動(dòng)裝置與軌道接觸處的軌面溫升，所以無法確定該列車磁軌制動(dòng)對(duì)輪軌黏著的影響程度，也無法對(duì)仿真結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性還有待驗(yàn)證。

5 結(jié)論

通過上述分析研究可以得出：

(1) 磁軌制動(dòng)能對(duì)軌道起到清掃作用，在雨雪冰霜等惡劣氣候條件下，施加磁軌制動(dòng)可有效改善輪軌黏著。但在清潔干燥的軌道條件下，由于施加磁軌制動(dòng)會(huì)造成局部區(qū)段軌面溫度明顯上升，從而導(dǎo)致輪軌黏著降低，且列車速度越高，影響越大。

(2) 在黏著制動(dòng)和非黏著制動(dòng)如磁軌制動(dòng)共同作用的軌道車輛上，也應(yīng)具有良好的防滑控制功能，以防止施加磁軌制動(dòng)造成輪軌黏著降低而出現(xiàn)車輪滑行擦傷。同時(shí)由于磁軌制動(dòng)對(duì)列車減速度和速度有影響，有可能影響到防滑控制的判據(jù)參數(shù)，所以需對(duì)黏著制動(dòng)和非黏著制動(dòng)(磁軌制動(dòng))共同作用時(shí)的防滑控制技術(shù)進(jìn)行研究。

另外，建議通過線路試驗(yàn)對(duì)磁軌制動(dòng)裝置引起的軌面溫升進(jìn)行測(cè)試，一方面為研究磁軌制動(dòng)對(duì)輪軌黏著的影響提供依據(jù)，另一方面也可對(duì)仿真方法進(jìn)行校正完善。

作為非黏著制動(dòng)的另一種主要作用方式的線性渦流制動(dòng)，在國(guó)外高速列車上也有較多應(yīng)用，國(guó)外的研究及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，線性渦流制動(dòng)裝置對(duì)軌道溫度影響較大，若未來我國(guó)高速動(dòng)車組選擇線性渦流制動(dòng)，也有必要研究其對(duì)輪軌黏著的影響。