时速400km速度级内轮轨间水介质条件下牵引黏着系数试验研究

2021-10-19常崇义梁海啸蔡园武

中国铁道科学 2021年5期

常崇义，陈波，梁海啸，高翔，蔡园武

（1. 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道科学技术研究发展中心，北京 100081；2. 高速铁路系统试验国家工程实验室高速轮轨关系试验室，北京 100081；3. 中车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心转向架开发部，山东青岛 266111；4. 中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，北京 100081）

轮轨黏着系数是衡量轮轨间传递最大切向力能力的指标，根据轮轨之间相互作用关系和黏着利用机制的不同可分为牵引黏着系数和制动黏着系数。影响轮轨黏着系数的因素有速度、轴重、冲角和轮轨接触表面状态等［1-2］。在清洁干燥条件下，轮轨黏着系数较高，一般在0.25～0.60 之间［3-4］，不会对列车的牵引和制动产生不利影响。与清洁干燥条件相比，常见的雨雪天气会造成轮轨黏着系数明显减小。在雨雪天气下，列车的运行速度和轮轨接触表面粗糙度是影响轮轨黏着系数的重要因素［5～7］。在水介质条件下，轮轨黏着系数随着轮轨接触表面粗糙度的增大而增大，且在高速区段的增大幅度较低速区段大［7］。为了摸清符合我国普速铁路的轮轨牵引黏着系数，从1988年至1991年通过线路试验，获得了中国机车车辆在干、湿轨面时120 km·h-1速度以内的轮轨牵引黏着系数［8］。1990年，日本利用200 系和951 型电动车组在日本新干线轨面喷水条件下进行轮轨牵引黏着系数测试，获得270 km·h-1速度以内的轮轨牵引黏着系数分布图［9］。法国和德国也根据本国高速铁路的特点和轮轨黏着利用的方式，通过试验研究建立了自己的轮轨牵引黏着系数分布图［10］，但是这些测试和试验的最高速度均不超过300 km·h-1。

轮轨黏着系数对高速列车的安全运行至关重要，我国已经实现了复兴号动车组时速350 km 实际运营，目前正在开展下一代时速400 km 高速动车组的基础性研究。高速轮轨黏着极限是否可以支撑更高速度下动车组的加、减速要求是一个迫切需要研究的现实课题。到目前为止，300 km·h-1以上的轮轨黏着系数只能靠经验方法处理获得，缺乏有效的试验数据支撑。

本文利用全尺寸高速轮轨关系试验台，采用与线路轮轨牵引黏着系数测试时基本相同的试验条件进行试验，在将试验台试验结果与线路试验结果对比验证的基础上，研究时速400 km 速度级内水介质条件下车轮踏面低、中、高粗糙度水平时的牵引黏着系数分布图，并与日本新干线的试验结果进行比较分析，提出我国高速轮轨水介质条件下的牵引黏着系数与速度的关系表达式。

1 试验台试验与线路试验结果对比验证

利用1∶1高速轮轨关系试验台，依据高速轮轨黏着试验方法［7］，开展时速400 km速度级内轮轨间水介质条件下的牵引黏着试验。为验证试验台和黏着试验方法的有效性，在高速轮轨台架黏着试验中采用与线路黏着测试时基本相同的试验条件，将试验台试验与线路试验的结果进行对比分析。线路牵引黏着系数试验的情况：CR400BF型动车组在大西客专雨雪天气条件下进行满级牵引时部分车轮出现了空转，通过车轮空转信号分析轮轨黏着破坏点，利用牵引杆上测力传感器测得的牵引力数据除以轴重获得牵引黏着系数，线路黏着试验时大西客专钢轨接触表面纵向粗糙度Ra为0.6～0.8 μm。

在高速轮轨台架黏着试验中采用与线路黏着试验基本相同的试验条件，如对轨道轮进行打磨处理，轮轨间喷0～5 ℃的冰水等。

试验台与大西客专线路的牵引黏着系数试验结果对比如图1所示。从图1看出：利用试验台测得轨道轮接触表面纵向粗糙度Ra为0.6～0.8 μm 范围内的牵引黏着系数成带状分布，且在160～300 km·h-1速度范围内试验台试验与线路试验的结果有较好的一致性；在120～160 km·h-1和300～350 km·h-1速度范围内线路试验的牵引黏着系数与试验台的略有差别，主要原因是线路黏着试验受动车组牵引特性曲线的限制，而试验台试验则没有这方面的限制。

图1 试验台与线路牵引黏着系数试验结果对比

2 时速400 km速度级内轮轨牵引黏着试验方案

喷水量、轮轨接触表面粗糙度、速度对水介质条件下的轮轨黏着系数影响较大，喷水温度和轴重的影响较小［7］。在高速条件下喷水量大于200 ml·min-1时轮轨黏着系数随喷水量的增加将不再减小（保持不变）［7］，试验中轮轨接触界面的喷水量为300 ml·min-1（常温）。利用Mitutoyo粗糙度测量仪对我国服役高速动车组车轮和高速铁路钢轨接触表面粗糙度进行了大量调查，得到的车轮接触表面名义滚动圆处粗糙度的散点图如图2所示，钢轨接触表面光带中心处粗糙度的散点图如图3所示。从图2看出：车轮周向粗糙度（车轮横向纹理）主要集中在0.4～0.6 μm范围内。从图3看出：轨顶纵向粗糙度（钢轨横向纹理）主要集中在0.4～0.6 μm 范围内。轮轨接触表面横向纹理的粗糙度对水介质条件下的轮轨黏着影响更大，并且起主导作用［5］。因此，试验中把车轮接触表面名义滚动圆处周向粗糙度分别控制在0.3～0.4，0.4～0.6和0.7～0.8 μm范围内；为了偏安全考虑，把轨道轮接触表面光带中心处的纵向粗糙度控制在0.3～0.4 μm范围内。

图2 车轮接触表面名义滚动圆处粗糙度分布

图3 钢轨接触表面光带中心处粗糙度分布

试验工况1：高速轮轨台架黏着试验中车轮材料为ER8 车轮钢，踏面为LMA型面；轨道轮材料为U71MnK 钢轨钢，廓形为TB60型面。试验速度范围为40～440 km·h-1，轮对横移量为0 mm，轮对冲角为0 mrad，施加85 kN 试验垂向恒定载荷（相当于轴重17 t），最大纵向蠕滑率为1%，每个工况重复3次试验。

试验工况2：车轮踏面为S1002CN型面，试验速度范围为50～400 km·h-1，施加70 kN 试验垂向恒定载荷（相当于轴重14 t），其他条件与试验工况1相同。

3 时速400 km速度级内轮轨间水介质条件下牵引黏着试验结果

3.1 车轮粗糙度影响

1）车轮低粗糙度水平（Ra为0.3～0.4 μm）

车轮低粗糙度水平和水介质条件下17 t 和14 t轴重时牵引黏着系数随速度的变化规律如图4所示。

图4 车轮低粗糙度时牵引黏着系数随速度变化规律

从图4 看出：车轮低粗糙度水平和水介质条件下牵引黏着系数随速度的增加而减小；牵引黏着系数从40 km·h-1速度时的0.141～0.180 减小至200 km·h-1时的0.034～0.036，且随速度的增加减小得较快；速度继续增加到440 km·h-1牵引黏着系数减小为0.016～0.021，且随速度的增加减小得较为缓慢；在相同速度下，14 t轴重时的牵引黏着系数比17 t轴重的稍大。

根据17 t轴重的试验结果，拟合出车轮低粗糙度水平和水介质条件下牵引黏着系数与速度的关系表达式为

式中：μ为牵引黏着系数；v为速度，km·h-1。

2）车轮中等粗糙度水平（Ra为0.4～0.6 μm）

车轮中等粗糙度水平和水介质条件下17 t 和14 t 轴重时轮轨牵引黏着系数随速度的变化规律如图5所示。

图5 车轮中等粗糙度时牵引黏着系数随速度变化规律

从图5 看出：车轮中等粗糙度水平和水介质条件下牵引黏着系数随速度的增加而减小；牵引黏着系数从40 km·h-1速度时的0.130～0.180，随速度的增加缓慢减小到440 km·h-1时的0.022～0.025；在相同速度下，14 t 轴重时的牵引黏着系数与17 t轴重的差别不大。

根据17 t轴重的试验结果，拟合出车轮中等粗糙度水平和水介质条件下牵引黏着系数与速度的关系表达式为

3）车轮高粗糙度水平（Ra为0.7～0.8 μm）

车轮高粗糙度水平和水介质条件下轮轨牵引黏着系数随速度的变化规律如图6所示。

图6 车轮高粗糙度时牵引黏着系数随速度变化规律

从图6 看出：车轮高粗糙度水平和水介质条件下牵引黏着系数随速度的增加而减小；牵引黏着系数从40 km·h-1速度时的0.173～0.201，随速度的增加缓慢减小到440 km·h-1时的0.041～0.045；在相同速度下，14 t 轴重时的牵引黏着系数与17 t轴重的差别不大。

根据17 t轴重的试验结果，拟合出车轮高粗糙度水平和水介质条件下牵引黏着系数与速度的关系表达式为

3.2 轮轨牵引黏着系数分布规律

轮轨滚动接触界面水介质条件下，车轮踏面低、中、高粗糙度水平下17 t轴重时的牵引黏着系数分布规律如图7所示。

图7 水介质条件下高速轮轨牵引黏着系数分布规律

从图7 看出：在水介质条件下车轮表面粗糙度水平一定时牵引黏着系数随速度的增加而减小；不同的速度区间车轮表面粗糙度水平对黏着系数影响不同。在40～80 km·h-1速度范围内Ra为0.3～0.4 μm 时的牵引黏着系数比Ra为0.4～0.6 μm 时略高，且随着速度的增加Ra分别为0.3～0.4 μm和0.4～0.6 μm时对应的牵引黏着系数的差值逐渐缩小到0；在80～440 km·h-1范围内，相同速度下低粗糙度对应的牵引黏着系数也低；在40～440 km·h-1速度范围内，Ra分别为0.4～0.6 μm 和0.7～0.8 μm 时对应的牵引黏着系数的差值始终保持在0.036左右。

车轮表面低、中、高粗糙度水平下轮轨牵引黏着系数随速度的变化率如图8所示。

从图8 看出：车轮表面粗糙度影响牵引黏着系数随速度增加的变化率，速度在40～200 km·h-1范围内车轮表面粗糙度Ra为0.3～0.4 μm时的牵引黏着系数随速度的增加减小得较快，牵引黏着系数减小幅度为80%左右，而Ra为0.7～0.8 时牵引黏着系数减小幅度为44%左右；在200～440 km·h-1范围内牵引，黏着系数随速度的增加减小得较慢。

图8 车轮低、中、高粗糙度水平时轮轨牵引黏着系数随速度增加的变化率

3.3 与日本新干线试验结果的对比

日本新干线轨面喷水条件下测试获得的30～270 km·h-1速度范围内牵引黏着系数分布［9］如图9所示，利用日本新干线30～300 km·h-1速度范围内的轮轨黏着系数分布的下限拟合出的轮轨黏着系数与速度的关系为μ=13.6/(v+85)。测试中使用的200系新干线动车组的车轮直径为860～910 mm，设计轴重为17 t［11］，新干线钢轨采用日本JISE 1101-2001 标准60 kg·m-1钢轨，车轮采用JPARC圆弧型车轮型面。