基于横向蠕滑特性的轮轨黏着试验研究*

2020-10-10胡雅婷张淑华尧辉明

润滑与密封 2020年9期

胡雅婷张淑华尧辉明

(1.上海工程技术大学城市轨道交通学院上海 201620；2.承德石油高等专科学校汽车工程系河北承德 067000)

在铁路运输中，机车牵引力是通过轮轨承载的滚动接触界面上的黏着与蠕滑来传递的。因此，轮轨间的黏着-蠕滑特性直接影响机车牵引和制动性能。不论是牵引或制动工况，机车车辆都是通过轮轨间的黏着来传递动力的。为了使机车发挥更大的轮周牵引力以及防止车轮踏面的擦伤，轮轨间黏着都是不能忽视的一部分[1]。

针对黏着系数，国内外的许多学者做了大量的基础性研究工作。SERGEANT[2]定义了黏着系数的概念，阐述了影响黏着系数的因素；陳樺[3]介绍了轮轨间的黏着机制，分析了影响黏着系数的主要因素；大野熏[4]研究了轮轨表面污染对黏着的影响；申鹏、张军、宋建华、ARIASCUEVAS等[5-8]建立了轮轨模拟试验机，分析了不同工况对黏着系数的影响;CHEN、吴涛等人[9-10]利用三维数值研究的方法对轮轨黏着特性进行了研究；王文健和刘启跃[11]提出了具体改善黏着的方法。

以上的研究大都是关于轮轨纵向黏着特性，对于轮轨横向黏着特性的研究非常少。然而横向黏着特性对列车的横向稳定及脱轨问题影响很大，因此本文作者通过自主研发的横向轮轨滚动振动试验台，研究在不同介质条件工况下的轮轨横向黏着特性，为确保列车安全平稳运行提供了参考。

1 试验部分

试验在自主研发的横向轮轨滚动振动试验台上(如图1所示)进行，采用双轮对滚的接触方式。该试验台装置由轮轨模拟装置、垂向加载装置、轴向驱动约束装置、角度调节装置、整体框架支撑装置等组成，模拟轨为试验台的小轮，模拟轮为试验台的大轮，用电机来驱动模拟轮轨系统并对转速进行控制。模拟轮轨试件的材料均由真实的轮轨材料制作而成，以保证模拟过程的准确性以及可靠性。表1给出了模拟轮轨材料的成分及含量。表2给出了模拟轮轨材料的机械性能参数。

试验时通过改变电机转速(模拟车辆速度)、丝杠加载力(模拟车辆轴重力)、轮子转动角度(模拟车辆摇头角)等不同因素，分别测量不同介质工况下的横向蠕滑力大小，从而得到不同工况下的横向蠕滑力特性曲线。试验台模型与真实轮轨模型比率为1∶5，因此对应于理论模型轴重力的变化范围大致为500～900 N。

图1 横向轮轨滚动振动试验台

表1 模拟轮轨材料成分(质量分数)

表2 模拟轮轨材料的机械性能

2 试验工况及各相关参数

试验中横向黏着系数μ为轮轨间的横向力F除以法向力N即

(1)

试验分别在模拟轮轨接触界面是干态、水介质以及油介质污染下进行。油为合成机油，由机车燃油、机油、齿轮润滑油等混合物组成(体积比为1∶1∶1)。

以干态条件为例，试验方法为：(1)固定电机转速为600 r/min(模拟实际车辆速度为33 km/h)、加载垂向压力为700 N，在0～5°范围内调节角度，测量并记录不同转动角度下传感器的数值，并计算得出干态条件下不同转动角度下的轮轨横向黏着特性曲线；(2)固定电机转速和转动角度，通过调节丝杠加载力的大小改变轴重力(分别为700、800、900 N)，按相同试验方法测量出不同轴重力工况下的横向蠕滑力，并计算得出不同轴重力下轮轨横向黏着特性曲线；(3)固定丝杠加载力和转动角度，通过调节电机转速的大小改变车速(分别为33、45、56 km/h)，将按相同试验方法测量出不同速度工况下的横向蠕滑力，并计算得出不同速度下轮轨横向黏着特性曲线。

在水介质和油介质条件下的试验方法与干态条件下相同。其中在水介质条件下试验时，将水介质用医用滴管加在离两轮接触斑较近的模拟轨上，让轮轨接触斑之间充分形成水膜，以此来模拟雨天工况。在油介质条件下试验时，用毛刷将合成机油涂抹在模拟轨的表面。

试验过程中通过垂向载荷传感器、横向载荷传感器将所测的法向力N以及横向力F传到采集仪,并传送至计算机显示。在记录数据时待波形图稳定后记录10 s的波形，然后先用滤波器将噪声、振动等干扰波形滤掉，再用采集仪分析出其最大值、最小值及平均值，如图2所示。

图2 轮轨法向力与横向力波形

3 试验结果及分析

3.1 不同介质工况下的横向黏着特性

图3示出了不同介质作用下的轮轨横向黏着系数变化曲线，可见在不同介质作用下，轮轨间的横向黏着系数的变化比较大。其中在轮轨试样的磨合期，随着横向蠕滑率的逐渐增大，轮轨横向黏着系数也快速增大；磨合完成后，横向黏着系数随横向蠕滑率的增加逐渐趋于平稳状态。干态条件下轮轨接触面横向黏着系数最大，最大值为0.6左右。水介质下的轮轨横向黏着系数下降较为明显，相比于干态状态下降约为30%。由于油具有良好的润滑效果，因此油介质下轮轨接触面横向黏着系数相比于水介质条件下更小，其值为0.3左右。

图3 不同介质作用下轮轨横向黏着系数变化曲线

3.2 干态、油介质下轴重力对轮轨横向黏着的影响

图4示出了不同工况下轴重力对轮轨横向黏着系数的影响。从图4(a)可看出，在干态下轮轨横向黏着系数有随轴重力增加而增加的趋势，其中轴重力为900 N时，轮轨间横向黏着系数可以达到0.55左右，而当轴重力为800 N和700 N时，轮轨间横向黏着系数分别稳定在0.5和0.45左右。该现象可用粗糙表面间的接触理论来解释。因为轮轨的表面并不是光滑的，微凸体的存在使实际的接触仅发生在很微小的凸起之间。弹性的车轮与轨道相互接触，在法向力作用下，轮轨间的接触点产生局部变形形成了接触斑。随着轴重力的增加，轮轨间的接触斑也随之增大，加快了实际接触面积的增加，让更多的微凸体发生接触，导致黏着力增加，黏着系数也就随之增大。

从图4(b)可看出，油介质工况下横向黏着系数随着轴重力的增加呈现上升趋势。这是因为油介质工况下随轴重力的增加油膜厚度逐渐减小，膜厚的减小会直接导致表面微凸体接触压力的增加，因此随着轴重力的增加横向黏着系数呈现缓慢的上升趋势。

图4中结果表明，油介质工况下不同轴重力对轮轨横向黏着系数的影响规律与干态工况下的变化规律类似，不同之处是在油介质条件下的横向黏着系数变化较为平稳，轴重力较大的时候才会有明显的变化，且油工况下轮轨横向黏着系数整体都比干态工况下横向黏着系数要小很多。

图4 轴重力对轮轨横向黏着系数的影响

3.3 干态、水介质、油介质下速度对轮轨横向黏着的影响

图5示出了不同工况下速度对轮轨横向黏着系数的影响。如图5(a)所示：在干态工况下轮轨横向黏着系数随着速度的增加而下降。造成这种现象的原因是列车的横向及垂向振动随速度的增大而增加，使车轮和钢轨之间产生了动载荷，轮轨实际传递的横向蠕滑力在黏着量减少的瞬间而降低，导致了横向黏着系数下降。

图5 速度对轮轨横向黏着系数的影响

图5(b)中水介质工况下轮轨横向黏着系数随速度的变化规律，与干态工况下变化规律相同，轮轨横向黏着系数随蠕滑率的增加而增大，达到饱和值之后轮轨横向黏着系数会减小，最后横向黏着系数逐渐趋于稳定，但此时的横向黏着系数与干态时的横向黏着系数相比下降较多。在水润滑接触的情况下，列车运行时会使轮轨接触表面的接触斑变细，则垂向载荷的大部分都会由水膜承担，轮轨间的横向蠕滑力主要是靠粗糙峰之间的剪切作用产生，所以横向黏着系数就会下降。如果横向黏着系数在接近于饱和状态时，其对应的蠕滑率变化就会越来越小。在水润滑状态下且处于接触斑较小的情况下，会发现接触斑的摩擦因数会变小，导致切向摩擦力的下降从而引起黏着系数的减小。

从图5(c)可知，随着车轮转速的提高，在油介质状态下轮轨横向黏着系数保持稳定且变化很小；轮轨横向黏着系数随着速度的增加而增大，不同速度下的横向黏着系数值在0.25～0.35之间。速度在33～56 km/h之间变化时，虽然横向黏着系数的变化较小，但在速度为56 km/h的时候出现了一个很大的振荡，这是由于轮轨之间产生横向振动的结果。在油介质工况下，速度对油膜厚度产生影响，进而导致黏着系数发生变化。这是因为在油润滑状态下，随着列车的速度增加，油膜厚度会有一定程度的降低，造成油脂甩脱，则接触界面的抗剪切能力就会有所增强，进而黏着系数就会增大。所以油润滑状态下速度对横向黏着特性的影响与水介质工况下的相反，随着速度的增加横向黏着系数缓慢地增加，在数值上会有一定的差异。相同条件下，油介质工况下的横向黏着系数比水介质工况下的小很多。

3.4 撒砂对轮轨横向黏着的影响

上述研究结果表明，在水介质、油介质以及油水混合物介质下轮轨横向黏着系数相比干态下急剧下降，严重影响列车的牵引以及制动性能，在实际操作中必须采取一定的措施来提高轮轨的横向黏着系数[12-16]。研究表明，撒砂可以有效提高横向黏着系数，如图6所示，撒砂介质工况下的横向黏着系数相比于干态工况下更大，说明撒砂增大横向黏着系数效果明显。

图6 撒砂介质下轮轨横向黏着系数变化曲线

为了更好地说明撒砂能够提高轮轨横向黏着系数，研究了在水介质条件下撒砂时对轮轨横向黏着系数的影响，如图7所示。

图7 水介质工况下撒砂对轮轨横向黏着系数影响

水介质条件下在轮轨接触界面撒砂时，轮轨横向黏着系数明显增加。当砂子进入轮轨接触区域之后，由于轮轨接触界面间滚动摩擦过程作用会使部分砂粒相互嵌入到轮轨的接触表面，导致接触体凸凹不平的固体粗糙峰接触，产生的切向力可能会变大，从而造成轮轨横向黏着力的增加，因此在水介质条件下撒砂后会使轮轨横向黏着系数显著提高。