基于橫向蠕滑特性的輪軌黏著試驗(yàn)研究*

胡雅婷 張淑華 堯輝明

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

在鐵路運(yùn)輸中，機(jī)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(jī)車牽引和制動性能。不論是牽引或制動工況，機(jī)車車輛都是通過輪軌間的黏著來傳遞動力的。為了使機(jī)車發(fā)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(shù)，國內(nèi)外的許多學(xué)者做了大量的基礎(chǔ)性研究工作。SERGEANT[2]定義了黏著系數(shù)的概念，闡述了影響?zhàn)ぶ禂?shù)的因素；陳樺[3]介紹了輪軌間的黏著機(jī)制，分析了影響?zhàn)ぶ禂?shù)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(yàn)機(jī)，分析了不同工況對黏著系數(shù)的影響;CHEN、吳濤等人[9-10]利用三維數(shù)值研究的方法對輪軌黏著特性進(jìn)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(guān)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(wěn)定及脫軌問題影響很大，因此本文作者通過自主研發(fā)的橫向輪軌滾動振動試驗(yàn)臺，研究在不同介質(zhì)條件工況下的輪軌橫向黏著特性，為確保列車安全平穩(wěn)運(yùn)行提供了參考。

1 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)在自主研發(fā)的橫向輪軌滾動振動試驗(yàn)臺上(如圖1所示)進(jìn)行，采用雙輪對滾的接觸方式。該試驗(yàn)臺裝置由輪軌模擬裝置、垂向加載裝置、軸向驅(qū)動約束裝置、角度調(diào)節(jié)裝置、整體框架支撐裝置等組成，模擬軌為試驗(yàn)臺的小輪，模擬輪為試驗(yàn)臺的大輪，用電機(jī)來驅(qū)動模擬輪軌系統(tǒng)并對轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。模擬輪軌試件的材料均由真實(shí)的輪軌材料制作而成，以保證模擬過程的準(zhǔn)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(jī)械性能參數(shù)。

試驗(yàn)時通過改變電機(jī)轉(zhuǎn)速(模擬車輛速度)、絲杠加載力(模擬車輛軸重力)、輪子轉(zhuǎn)動角度(模擬車輛搖頭角)等不同因素，分別測量不同介質(zhì)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(yàn)臺模型與真實(shí)輪軌模型比率為1∶5，因此對應(yīng)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(yàn)臺

表1 模擬輪軌材料成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 模擬輪軌材料的機(jī)械性能

2 試驗(yàn)工況及各相關(guān)參數(shù)

試驗(yàn)中橫向黏著系數(shù)μ為輪軌間的橫向力F除以法向力N即

(1)

試驗(yàn)分別在模擬輪軌接觸界面是干態(tài)、水介質(zhì)以及油介質(zhì)污染下進(jìn)行。油為合成機(jī)油，由機(jī)車燃油、機(jī)油、齒輪潤滑油等混合物組成(體積比為1∶1∶1)。

以干態(tài)條件為例，試驗(yàn)方法為：(1)固定電機(jī)轉(zhuǎn)速為600 r/min(模擬實(shí)際車輛速度為33 km/h)、加載垂向壓力為700 N，在0～5°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)角度，測量并記錄不同轉(zhuǎn)動角度下傳感器的數(shù)值，并計算得出干態(tài)條件下不同轉(zhuǎn)動角度下的輪軌橫向黏著特性曲線；(2)固定電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動角度，通過調(diào)節(jié)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(yàn)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(zhuǎn)動角度，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小改變車速(分別為33、45、56 km/h)，將按相同試驗(yàn)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(zhì)和油介質(zhì)條件下的試驗(yàn)方法與干態(tài)條件下相同。其中在水介質(zhì)條件下試驗(yàn)時，將水介質(zhì)用醫(yī)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(zhì)條件下試驗(yàn)時，用毛刷將合成機(jī)油涂抹在模擬軌的表面。

試驗(yàn)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(jī)顯示。在記錄數(shù)據(jù)時待波形圖穩(wěn)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(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同介質(zhì)工況下的橫向黏著特性

圖3示出了不同介質(zhì)作用下的輪軌橫向黏著系數(shù)變化曲線，可見在不同介質(zhì)作用下，輪軌間的橫向黏著系數(shù)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(shù)也快速增大；磨合完成后，橫向黏著系數(shù)隨橫向蠕滑率的增加逐漸趨于平穩(wěn)狀態(tài)。干態(tài)條件下輪軌接觸面橫向黏著系數(shù)最大，最大值為0.6左右。水介質(zhì)下的輪軌橫向黏著系數(shù)下降較為明顯，相比于干態(tài)狀態(tài)下降約為30%。由于油具有良好的潤滑效果，因此油介質(zhì)下輪軌接觸面橫向黏著系數(shù)相比于水介質(zhì)條件下更小，其值為0.3左右。

圖3 不同介質(zhì)作用下輪軌橫向黏著系數(shù)變化曲線

3.2 干態(tài)、油介質(zhì)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(shù)的影響。從圖4(a)可看出，在干態(tài)下輪軌橫向黏著系數(shù)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(shù)可以達(dá)到0.55左右，而當(dāng)軸重力為800 N和700 N時，輪軌間橫向黏著系數(shù)分別穩(wěn)定在0.5和0.45左右。該現(xiàn)象可用粗糙表面間的接觸理論來解釋。因?yàn)檩嗆壍谋砻娌⒉皇枪饣模⑼贵w的存在使實(shí)際的接觸僅發(fā)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(diǎn)產(chǎn)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(shí)際接觸面積的增加，讓更多的微凸體發(fā)生接觸，導(dǎo)致黏著力增加，黏著系數(shù)也就隨之增大。

從圖4(b)可看出，油介質(zhì)工況下橫向黏著系數(shù)隨著軸重力的增加呈現(xiàn)上升趨勢。這是因?yàn)橛徒橘|(zhì)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(dǎo)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(shù)呈現(xiàn)緩慢的上升趨勢。

圖4中結(jié)果表明，油介質(zhì)工況下不同軸重力對輪軌橫向黏著系數(shù)的影響規(guī)律與干態(tài)工況下的變化規(guī)律類似，不同之處是在油介質(zhì)條件下的橫向黏著系數(shù)變化較為平穩(wěn)，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(shù)整體都比干態(tài)工況下橫向黏著系數(shù)要小很多。

圖4 軸重力對輪軌橫向黏著系數(shù)的影響

3.3 干態(tài)、水介質(zhì)、油介質(zhì)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(shù)的影響。如圖5(a)所示：在干態(tài)工況下輪軌橫向黏著系數(shù)隨著速度的增加而下降。造成這種現(xiàn)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(chǎn)生了動載荷，輪軌實(shí)際傳遞的橫向蠕滑力在黏著量減少的瞬間而降低，導(dǎo)致了橫向黏著系數(shù)下降。

圖5 速度對輪軌橫向黏著系數(shù)的影響

圖5(b)中水介質(zhì)工況下輪軌橫向黏著系數(shù)隨速度的變化規(guī)律，與干態(tài)工況下變化規(guī)律相同，輪軌橫向黏著系數(shù)隨蠕滑率的增加而增大，達(dá)到飽和值之后輪軌橫向黏著系數(shù)會減小，最后橫向黏著系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，但此時的橫向黏著系數(shù)與干態(tài)時的橫向黏著系數(shù)相比下降較多。在水潤滑接觸的情況下，列車運(yùn)行時會使輪軌接觸表面的接觸斑變細(xì)，則垂向載荷的大部分都會由水膜承擔(dān)，輪軌間的橫向蠕滑力主要是靠粗糙峰之間的剪切作用產(chǎn)生，所以橫向黏著系數(shù)就會下降。如果橫向黏著系數(shù)在接近于飽和狀態(tài)時，其對應(yīng)的蠕滑率變化就會越來越小。在水潤滑狀態(tài)下且處于接觸斑較小的情況下，會發(fā)現(xiàn)接觸斑的摩擦因數(shù)會變小，導(dǎo)致切向摩擦力的下降從而引起黏著系數(shù)的減小。

從圖5(c)可知，隨著車輪轉(zhuǎn)速的提高，在油介質(zhì)狀態(tài)下輪軌橫向黏著系數(shù)保持穩(wěn)定且變化很小；輪軌橫向黏著系數(shù)隨著速度的增加而增大，不同速度下的橫向黏著系數(shù)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(shù)的變化較小，但在速度為56 km/h的時候出現(xiàn)了一個很大的振蕩，這是由于輪軌之間產(chǎn)生橫向振動的結(jié)果。在油介質(zhì)工況下，速度對油膜厚度產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致黏著系數(shù)發(fā)生變化。這是因?yàn)樵谟蜐櫥瑺顟B(tài)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(qiáng)，進(jìn)而黏著系數(shù)就會增大。所以油潤滑狀態(tài)下速度對橫向黏著特性的影響與水介質(zhì)工況下的相反，隨著速度的增加橫向黏著系數(shù)緩慢地增加，在數(shù)值上會有一定的差異。相同條件下，油介質(zhì)工況下的橫向黏著系數(shù)比水介質(zhì)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(jié)果表明，在水介質(zhì)、油介質(zhì)以及油水混合物介質(zhì)下輪軌橫向黏著系數(shù)相比干態(tài)下急劇下降，嚴(yán)重影響列車的牽引以及制動性能，在實(shí)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(shù)[12-16]。研究表明，撒砂可以有效提高橫向黏著系數(shù)，如圖6所示，撒砂介質(zhì)工況下的橫向黏著系數(shù)相比于干態(tài)工況下更大，說明撒砂增大橫向黏著系數(shù)效果明顯。

圖6 撒砂介質(zhì)下輪軌橫向黏著系數(shù)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(shù)，研究了在水介質(zhì)條件下撒砂時對輪軌橫向黏著系數(shù)的影響，如圖7所示。

圖7 水介質(zhì)工況下撒砂對輪軌橫向黏著系數(shù)影響

水介質(zhì)條件下在輪軌接觸界面撒砂時，輪軌橫向黏著系數(shù)明顯增加。當(dāng)砂子進(jìn)入輪軌接觸區(qū)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(dǎo)致接觸體凸凹不平的固體粗糙峰接觸，產(chǎn)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(zhì)條件下撒砂后會使輪軌橫向黏著系數(shù)顯著提高。

4 結(jié)論

(1)在不同介質(zhì)條件下輪軌橫向黏著系數(shù)明顯不同，其中在干態(tài)條件下輪軌橫向黏著系數(shù)最大，水介質(zhì)條件下次之，油介質(zhì)條件下最小。水、油介質(zhì)條件下會使橫向黏著系數(shù)明顯下降，特別是油介質(zhì)會導(dǎo)致輪軌的低黏著，這對列車的安全運(yùn)行是十分不利的，列車容易發(fā)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(shù)增大。因此提高軸重力對于提高機(jī)車黏著牽引力是十分有利的。

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

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