第1章 轮轨关系与黏

1.1 轮轨关系

1825年9月27日，世界上条行驶蒸汽机车的性公用运输设施，英国斯托克顿——达灵顿的铁路正式通车，这是近代铁路运输业的开端。1876年，英国商人在上海修建的淞沪铁路，被认为是在中国土地上修建的条铁路。经过100多年的发展，铁路机车从蒸汽机车时展到内燃机车时代，然后又跨越到电力机车时代。21世纪以来，铁路运输业得到空前的发展，高速铁路网全球性的建设高峰时期已经到来。

截至2016年底，我国铁路营业里程已达到12.4万km，其中高速铁路2.2万km，居世界位，占世界高铁总里程的60%以上。尤其京沪高铁、京广高铁、哈大高铁、兰新高铁等一批重大项目建成通车，基本形成了以"四纵四横"为主骨架的高速铁路网。根据我国《中长期铁路网规划》的规划目标，到2025年，我国高速铁路将达到3.8万km左右，在已有的"四纵四横"的基础上，形成以"八纵八横"主通道为骨架、区域连接线衔接、城际铁路为补充的新的高速铁路网[1]。

伴随高铁的快速发展，高速铁路走出去已成为国家战略。继"客运高速"后，"货运重载"也成为中国铁路建设新重点。2014年4月2日，大秦铁路成功组级实施了牵引重量3万t重载列车运行试验，成为世界上仅有几个掌握3万t铁路重载技术的国家之一，使我国重载铁路运输技术达到水平。

铁路运输系统的基本工作原理是借助于轮轨滚动接触作用，可以将数百吨甚至数万吨列车的重量传递到轨道上，并能沿轨道由低速到高速发生移动[2]。如图1.1所示，车轮和钢轨分别具有不同的型面，当轮对沿轨道滚动时，每个车轮要传递几吨到几十吨载荷到钢轨，轮轨材料因挤压形成的接触斑面积仅有约拇指大小，轮对和钢轨不仅发生结构弹性变形、接触斑附近材料发生弹性变形，而且在接触斑处的小区域内出现塑性变形。轮对在轨道上滚动过程中，相对钢轨不仅存在横向滑动和纵向滑动，而且在轮轨接触界面之间还存在相对转动[3~5]，即产生轮轨白旋运动，因此轮轨接触斑存在有横向蠕滑力、纵向蠕滑力和白旋蠕滑力。当轮对发生横向运动和摇头运动时，尤其是车辆通过小半径曲线、轨缝和道岔时，轮轨之间将发生冲击振动。轮对过大的横移导致轮缘和钢轨内侧发生贴靠时，轮轨之间就要发生两点接触[6]。

图1.1 轮轨关系问题

轮轨关系研究涉及刚体运动几何学、机械设计、车辆动力学、摩擦学、固体力学(滚动接触力学、弹塑性理论、断裂力学和有限元等)、振动与噪声、热力学及材料学等方面的知识。此外，轮轨系统始终处在一个开放的环境中，轮轨接触容易受到外界环境的影响，经常服役于高寒、高温、高湿、腐蚀、雨雪、高原风沙、雾霾、柳絮等极其复杂的环境中。因此，轮轨关系是一个复杂、多学科交叉、强非线性耦合系统。随着铁路事业的发展，多年来轮轨关系研究已逐渐分化为若干个既相互独立又相互关联的分支。目前轮轨关系研究内容主要包括轮轨磨耗、滚动接触疲劳、轮轨材料匹配、轮轨黏着、脱轨、轮轨噪声、轮轨几何型面匹配设计等方面[3](见图1.1)。

轮轨关系问题作为铁路运输中基础性的关键科学技术问题之一，是国际性难题，为此世界各国尤其是铁路发达国家都投入了大量的人力和物力开展轮轨关系系列问题的研究[3]。为促进这项世界性难题的研究，国际轮轨系统接触力学和磨耗会议(International Conference on Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel Systems)、国际重载运输大会(International Heavy-haul Transport Congress)，国际轮轴大会(International Wheelset Congress)和国际车辆系统动力学会议(International Symposium on Dynamics of Vehicle on Roads and Tracks)等都设专题交流讨论轮轨关系问题的研究进展。

1.2 轮轨界面黏

铁路运输过程当中，通过车轮与钢轨接触斑之间的黏着-蠕滑来传递牵引力。因此，轮轨界面黏着特性是影响列车牵引与制动的直接也是主要的因素，轮轨界面的黏着行为直接影响机车牵引功率的发挥、轮轨表面损伤、列车运行稳定性和列车制动等诸多方面。机车处于牵引工况时，当机车的牵引力大于轮轨黏着力时，将造成车轮的持续空转，使车轮踏面和钢轨表面形成擦伤。[7]。机车处于制动工况，当机车的制动力大于轮轨黏着力时，将造成车轮的打滑，车轮打滑也会使钢轨和车轮表面形成擦伤，如图1.2所示。车轮与钢轨擦伤会成为列车运行过程中的激扰，对车辆的稳定性和平稳性造成严重影响。擦伤还有可能导致车轮和钢轨表面出现热裂纹、疲劳裂纹等一系列问题，严重的可能成为断轨的诱发因素。同时车轮和钢轨的擦伤也会增加机车车辆和轨道的维护成本。

图1.2 轮轨擦伤

在车轮载荷P的作用下(见图1.3)，轮轨接触区发生弹塑性变形，形成椭圆形接触斑。当车轮受到驱动力矩M作用向前滚动时，车轮和钢轨材料在接触区周围发生弹塑性变形，从而在轮轨接触面之间产生切向力F，且F=M/r(r为车轮半径)。车轮切向力F即为牵引力，使机车车轮滚动前行。轮轨表面的这种接触状态常称为黏着，黏着是一种状态、现象[8]。轮轨界面黏着是一个动态变量，受到很多复杂因素的影响，它会随时间、地点和环境因素的不同而发生变化，根据Hertz接触理论，新轮轨接触区域近似为一个椭圆，这个椭圆接触斑又分为黏着区和蠕滑区，如图1.4所示[9]。

图1.3 车轮滚动模拟

图1.4 轮轨黏着和蠕滑区[9]

黏着系数是表示车轮与钢轨界面之间黏着状态的重要指标[7]。它表示了车辆的牵引力或制动力传递给钢轨的可能程度，具体地说，是车轮网周方向的切向力与车轮垂直载荷之比的值。把轮轨界面传递的切向力F与垂向静载荷P的比值定义为黏着系数μ：

1.1

轮轨接触区域可能达到的黏着，称为可用黏着。可能黏着力Fmax则对应图1.5中车轮牵引力F的峰值，因此把Fmax与静载荷P的比值定义为可用黏着系数μmax：

1.2

图1.5 轮周牵引力与蠕滑率的关系

目前，除了黏着系数和可用黏着系数，还有假定黏着系数、要求黏着系数、计算黏着系数、利用黏着系数、黏着利用系数、制动牵引黏着系数等。[7]。

1) 假定黏着系数：假定轮轨间的垂向载荷在运行过程中是固定不变的，即黏着力的变化是由黏着系数的变化引起的，黏着力与运动状态的关系就简化成了黏着系数与运动状态的关系。此时，黏着系数就成为假定值，它和假定不变的轮轨间垂向载荷的乘积就等于黏着力[10]。

2) 要求黏着系数：是指轮轨间的切向力除以轮轨间的垂向载荷得到的比值。此时的切向力不一定是切向力。要使车轮不滑行，要求黏着系数必须小于或等于实际黏着系数。

3) 计算黏着系数：它是根据线路上实测的轮轨黏着系数，再综合其他影响因素修正后得到的，也就是黏着系数公式所计算出的黏着系数[7]。

我国内燃机车的计算黏着系数公式为(寸为速度，下同)

1.3

我国电力机车的计算黏着系数公式为

1.4

欧洲铁路常用的机车计算黏着系数公式为

1.5

日本既有线机车车辆计算黏着系数公式为

1.6

日本新干线动车组计算黏着系数公式为

1.7

4) 利用黏着系数[7]：根据不同应用条件的客观要求(如防滑器的摩擦磨损特性、是否装有闸瓦、闸片、车轮踏面状态、轴重转移状况、气候情况、运行区段线路情况、制动距离要求、列车运行速度等)进行人为选取。不同季节、不同地点、不同车型的利用黏着系数有所不同。在实际使用中，一般是先根据公式算得的黏着系数，再进行一定量的增减，作为设计依据。

5) 黏着利用系数：是把利用黏着系数与根据公式所得的黏着系数进行比较，将其比值作为黏着利用系数，它代表黏着利用程度。

6) 制动牵引黏着系数：轮对的运用工况是影响轮轨黏着系数的一个有效因素，因此制动黏着系数和牵引黏着系数大小是不同的，分别对应于轮轨系统的制动和牵引工况。

轮轨接触行为的复杂性和强非线性耦合作用，导致轮轨界面黏着特性的复杂多变，使黏着系数具有性，变化范围很大，受外界因素影响大，影响轮轨界面黏着的主要因素总结如图1.6所示。

图1.6 轮轨界面黏着影响因素

影响轮轨界面黏着的因素主要有：①轮轨界面状态，当轮轨表面存在第三介质污染物[11](水、油、油脂、水油混合、冰、雪、落叶、表面氧化铁锈、雾霾、柳絮等)时，轮轨界面黏着特性将发生很大的变化，往往会造成轮轨黏着系数降低。例如，水介质对黏着的影响尤为常见并且是影响的因素。因为水的存在形式具有多样性，它包括液态水和蒸汽，如雾、露水等，会在轮轨表面形成很薄的水膜，对轮轨产生润滑作用，使得黏着系数迅速降低[9]。②环境因素，当轮轨所处的外部环境因素改变时，如温度(高寒、高温)、湿度、磁场等发生变化时，轮轨黏着系数将随之改变。试验研究发现，相对湿度超过85%时轮轨黏着系数将急剧下降[4]。③运行参数，主要包括速度、轴重、蠕滑率、轮径、曲线半径等参数，这些参数的影响主要取决于现场的应用条件。④轮轨接触状态：主要包括轮轨表面粗糙度、轨道线路工况(坡道、曲线半径)、冲角、气动载荷等。⑤牵引力发挥[9]，机车所用的传动形式在产生黏着的过程中起重要作用。交流牵引特性与轮轨接触特性非常吻合。在相似轨面污染的情况下，与用直流电机驱动车轮情况相比，采用交流电机驱动车轮能提高黏着力。因此，交流牵引动力能够在低速情况T产生高黏着，在高速情况下产生的黏着力也高于直流牵引动力。

1.3 轮轨黏着研究方法

轮轨界面黏着是一个复杂而多变的瞬态问题，而且很容易受外界条件影响，很难进行计算。目前针对轮轨黏着问题的研究主要有试验研究和数值建模仿真研究两种方法。

鉴于轮轨界面黏着的复杂性，轮轨黏着试验成为研究黏着特性的主要方法和手段，试验依靠不同类型和尺寸的试验机进行。目前主要试验方法有线路试验、全尺寸轮轨模拟试验、小比例轮轨模拟试验和小尺寸双盘对滚试验。

轮轨黏着线路试验一般通过实际运营的列车或专门试验列车在实际线路上开展试验，能真实测量实际运营过程中轮轨界面黏着系数的变化，但线路试验结果是现场综合影响因素的结果，一般获得的轮轨黏着系数变化较大，离散性大，不利于轮轨黏着行为影响的分析与研究，且线路试验由于耗时长、费用高而无法专门开展。日本在开发新型增黏喷砂器和增黏新材料过程中进行了多次线路轮轨增黏试验，为优化提高轮轨黏着行为提供了重要的结果[12]。在日本新干线951型试验电车上进行的增黏试验中，洒水时铝磨耗粉末具有较好的残留效果，车辆没有发生滑行和空转。而在新干线961型试验电车上进行的下雪时的增黏试验中，在轨而上降雪5cm条件下使用增黏滑块减少头车轴车轮的滑行和空转，但从第二轴以后几乎没有发生滑行和空转现象[13]。

全尺寸轮轨模拟试验是在实验室内进行与现场轮轨尺寸相同的轮轨黏着行为