高速輪軌黏著機(jī)理的研究進(jìn)展及其應(yīng)用

常崇義，蔡園武，李蘭，陳波

（1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081；2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)室，北京 100081）

高速輪軌黏著機(jī)理的研究進(jìn)展及其應(yīng)用

常崇義1，2，蔡園武1，2，李蘭1，2，陳波1，2

（1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081；2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)室，北京 100081）

輪軌黏著影響列車牽引和制動(dòng)，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)效率和行車安全至關(guān)重要。論述國(guó)內(nèi)外高速輪軌黏著的研究成果，包括仿真研究和試驗(yàn)研究進(jìn)展情況。在仿真研究方面，介紹國(guó)內(nèi)外輪軌黏著的理論模型發(fā)展和數(shù)值方法；在試驗(yàn)研究方面，介紹國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)對(duì)輪軌黏著機(jī)理進(jìn)行研究，揭示影響輪軌黏著的因素及其影響規(guī)律。分析現(xiàn)場(chǎng)存在的輪軌黏著方面的問(wèn)題以及國(guó)內(nèi)外輪軌黏著的控制與利用情況，包括最新的輪軌增黏措施和防滑防空轉(zhuǎn)技術(shù)，并對(duì)高速輪軌黏著機(jī)理未來(lái)的研究方向進(jìn)行展望。

輪軌黏著特性；黏著系數(shù)；滾動(dòng)接觸；水介質(zhì)；粗糙度；高速；增黏

0 引言

高速輪軌黏著機(jī)理及理論是輪軌關(guān)系研究的核心基礎(chǔ)。高速輪軌黏著特性是高速鐵路所面臨的迫切需要研究的基礎(chǔ)科學(xué)前沿和應(yīng)用科學(xué)熱點(diǎn)問(wèn)題，其研究目的是探索高速輪軌黏著曲線，深入認(rèn)識(shí)輪軌黏著機(jī)理，為有效控制或利用動(dòng)車黏著力提供必要的技術(shù)支撐。輪軌黏著特性直接影響高速列車的牽引、制動(dòng)性能及運(yùn)行品質(zhì)，列車的起動(dòng)、加速、減速和停車等都與黏著特性有直接關(guān)系。列車牽引時(shí)輪軌黏著力不足將會(huì)發(fā)生車輪空轉(zhuǎn)，造成鋼軌擦傷，影響正常啟動(dòng)加速；制動(dòng)時(shí)輪軌黏著力不足將會(huì)引起車輪滑行，造成車輪擦傷，導(dǎo)致停車距離超限。輪軌擦傷不僅影響高速列車的運(yùn)行品質(zhì)，而且也將加劇車輪和鋼軌的損傷，增加維護(hù)成本，危及高速鐵路安全。

近年來(lái)，我國(guó)高速動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)中輪軌黏著引起的問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。在復(fù)雜運(yùn)行條件下，曾發(fā)生多起動(dòng)車組輪對(duì)和鋼軌擦傷、列車冒進(jìn)信號(hào)等故障。為此，開展輪軌黏著機(jī)理研究，加強(qiáng)輪軌黏著控制，以改善列車運(yùn)行性能，提高鐵路運(yùn)營(yíng)效率。

1 高速輪軌黏著的研究情況

1.1 仿真研究進(jìn)展

輪軌黏著對(duì)列車運(yùn)行安全十分重要。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在干燥條件下的輪軌蠕滑理論方面取得了較多成果，主要有英國(guó)學(xué)者Carter[1]的二維滾動(dòng)接觸理論、Johnson K L[2]的三維無(wú)自旋彈性球滾動(dòng)接觸理論、Vermeulen P J和Johnson K L[3]的橢圓接觸理論、沈志云[4]等的修正理論、Kalker J J[5-7]的三維蠕滑率/力線性定律及其簡(jiǎn)化理論和CONTACT程序。Kalker J J的輪軌蠕滑理論在鐵路車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算中應(yīng)用廣泛，但其沒有考慮速度的影響。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，速度對(duì)黏著系數(shù)的影響不可忽視。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面進(jìn)行了深入研究，陳厚嫦[8]提出用函數(shù)型摩擦系數(shù)代替FASTSIM和CONTACT所采用的Block動(dòng)靜摩擦系數(shù)。孫瓊[9]分析輪軌表面粗糙度、溫度和接觸振動(dòng)對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸的影響。文獻(xiàn)[1-9]中使用的輪軌接觸理論及方法假定接觸物體為半空間，使接觸幾何存在很大局限性，意味著有效的接觸面積必須比每個(gè)相關(guān)聯(lián)物體的曲率半徑要小很多，尤其是當(dāng)發(fā)生2點(diǎn)接觸時(shí)在軌角附近接觸半徑和接觸面積較為接近，半空間的假設(shè)就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。CONTACT程序[7]把接觸區(qū)域劃分為單元和帶半空間假設(shè)的邊界元來(lái)分析接觸問(wèn)題，材料模型只能是線彈性模型。有限元方法則不受這2個(gè)假設(shè)的限制。Nachenhorst[10]首次引入嚴(yán)格黏著和滑動(dòng)接觸條件，將用于流體結(jié)構(gòu)作用分析的變形梯度分解法和任意的Arbitrary Lagrangian Eulerian（ALE）有限元方法應(yīng)用于滾動(dòng)接觸問(wèn)題分析，利用精細(xì)的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)有效判別接觸區(qū)域，滾動(dòng)接觸副由彈性體對(duì)剛性體推廣到彈性體對(duì)彈性體，兩維滾動(dòng)接觸推廣到三維滾動(dòng)接觸。Damme[11]利用ALE有限元方法分析輪軌滾動(dòng)彈性接觸問(wèn)題，使其真正變成一個(gè)動(dòng)力問(wèn)題，但該方法的有限元離散是基于位移變分的虛功原理，由于沒有建立摩擦力與相對(duì)滑移速度的本構(gòu)關(guān)系，在虛功平衡方程中，通過(guò)沖擊力和相對(duì)滑移速度的形式來(lái)描述接觸摩擦虛功。該方法未考慮輪軌粗糙接觸表面的切向接觸條件以及輪軌塑性材料的影響。常崇義[12]利用基于ALE有限元的高速輪軌穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)接觸模型，分析高速輪軌穩(wěn)態(tài)滾動(dòng)接觸下接觸斑的接觸狀態(tài)、干燥條件下的黏著特性以及運(yùn)行速度對(duì)高速輪軌黏著曲線的影響，在計(jì)算結(jié)果中明顯觀察到接觸斑的摩擦力分布和相對(duì)滑移速度的自旋效應(yīng)，速度對(duì)于干燥條件下黏著系數(shù)幾乎沒有影響。該方法未考慮輪軌接觸振動(dòng)對(duì)黏著特性的影響。

輪軌表面除了干燥狀態(tài)外，還經(jīng)常存在水、油、砂石等“第三介質(zhì)”。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于輪軌間存在“第三介質(zhì)”的數(shù)值模型研究較少。目前關(guān)于輪軌接觸界面有水介質(zhì)條件時(shí)的數(shù)值模型主要有2種：統(tǒng)計(jì)型模型和確定型模型。統(tǒng)計(jì)型模型主要考慮接觸表面粗糙度的混合流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論結(jié)合微觀固體接觸理論分析輪軌黏著特性。日本Ohyama T[13]首次將彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑理論應(yīng)用到輪軌接觸界面水介質(zhì)存在時(shí)的黏著特性分析，并開展了二維水膜厚度計(jì)算。陳樺[14-17]應(yīng)用Newton-Raphson方法對(duì)輪軌接觸界面水介質(zhì)存在時(shí)的水膜厚度進(jìn)行分析，應(yīng)用彈流理論和微觀固體彈性理論分析了水介質(zhì)條件下的輪軌黏著特性，將數(shù)值計(jì)算獲得的速度和黏著系數(shù)的關(guān)系與日本新干線實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（見圖1），并聯(lián)合應(yīng)用混合潤(rùn)滑理論和微觀固體彈塑性理論建立了三維數(shù)值模型，分析了速度、表面粗糙度、粗糙度紋理方向等與黏著系數(shù)的變化規(guī)律。

圖1 輪軌黏著系數(shù)數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比[17]

吳兵等[18-20]基于平均流量模型分別利用Newton-Raphson方法和多重網(wǎng)格法獲得了二維水介質(zhì)存在時(shí)的黏著特性，并通過(guò)小型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行了驗(yàn)證。吳兵等[21-23]還將二維模型拓展到三維橢圓接觸狀態(tài)，獲得了水介質(zhì)存在時(shí)的高速輪軌黏著系數(shù)。

瑞典KTH的Zhu[24]采用確定性模型，通過(guò)測(cè)量實(shí)際輪軌表面微觀粗糙度研究有水存在時(shí)粗糙表面對(duì)輪軌黏著特性的影響。Tombeger[25]提出考慮界面流體、表面微觀粗糙度及熱效應(yīng)的計(jì)算模型，該模型可以從微觀角度解釋粗糙度和溫度對(duì)黏著系數(shù)的影響，但是該模型并沒有考慮溫度對(duì)于界面流體黏度的影響。這類模型的最大特點(diǎn)是可以較好地反映輪軌表面粗糙度的切向行為，但粗糙峰之間的法向接觸計(jì)算是基于Hertz彈性接觸假設(shè)。此類模型相比于平均流量模型存在以下不足：采用真實(shí)輪軌表面粗糙度計(jì)算量較大；基于彈性假設(shè)，無(wú)法考慮表面粗糙度的彈塑性變形。

從以上國(guó)內(nèi)外關(guān)于輪軌黏著數(shù)值模型的研究可以看出，現(xiàn)有的輪軌蠕滑理論還無(wú)法準(zhǔn)確模擬輪軌黏著特性。ALE有限元輪軌滾動(dòng)模型只能模擬輪軌干燥界面時(shí)的黏著特性，還無(wú)法考慮由于速度提高帶來(lái)的高頻振動(dòng)對(duì)黏著的影響；基于Kalker的傳統(tǒng)蠕滑理論還無(wú)法考慮輪軌界面“第三介質(zhì)”對(duì)輪軌黏著的影響。近年來(lái)隨著混合潤(rùn)滑理論的發(fā)展，以及在輪軌間存在液體介質(zhì)的黏著問(wèn)題研究中的成功應(yīng)用，使問(wèn)題得到部分解決。然而，目前的數(shù)值模型無(wú)法考慮微觀固體彈塑性接觸、界面液體的熱效應(yīng)影響，而且難以模擬輪軌間的黏滑過(guò)程。在輪軌滾動(dòng)接觸過(guò)程中，接觸表面微觀粗糙峰之間很容易發(fā)生彈塑性變形，并且輪軌摩擦?xí)?dǎo)致水膜溫升。因此，有待建立更精確的模型。

1.2 試驗(yàn)研究進(jìn)展

美國(guó)伊利諾斯理工學(xué)院的S Kumar和中國(guó)鐵道科學(xué)研究院的錢立新[26]利用IIT-GMEMD輪軌模擬試驗(yàn)臺(tái)研究牽引、制動(dòng)2種工況下的輪軌縱向、橫向黏著-蠕滑性能，深入研究輪軌沖角、油水污染、接觸面積及蛇行運(yùn)動(dòng)對(duì)輪軌黏著的影響。Hertz模擬和幾何模擬條件下各種載荷的黏著-蠕滑曲線見圖2，可以看出2種情況下的黏著-蠕滑曲線十分相似，隨著車輪載荷的增加，黏著稍微下降。

日本對(duì)輪軌黏著問(wèn)題開展的研究較多，其中以O(shè)hyama T為代表的研究小組最為出色，其研究主要以試驗(yàn)為主。1985年，Ohyama T[27]使用比例約為1∶2的試驗(yàn)裝置對(duì)高速輪軌黏著進(jìn)行研究，分析了水污染條件下接觸表面粗糙度、滾動(dòng)速度和Hertz壓力對(duì)黏著系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)粗糙表面的峰值變形較大而導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低。1989年，Ohyama T[28-29]采用大型尺寸試驗(yàn)裝置研究了干燥條件下的高速輪軌接觸表面黏著現(xiàn)象，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)黏著系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，得出的結(jié)論是在干燥接觸表面條件下，黏著系數(shù)沒有下降趨勢(shì)，結(jié)果比較分散。但當(dāng)接觸面上有水時(shí)，黏著系數(shù)就隨速度的提高而急劇下降（見圖3）。在水潤(rùn)滑條件下，由表面粗糙度引起的室內(nèi)試驗(yàn)黏著系數(shù)有很大差異。由圖3也可看出，表面粗糙度越大，在整個(gè)速度區(qū)內(nèi)，黏著系數(shù)越高[30]。

圖2 Hertz模擬和幾何模擬條件下各種載荷的黏著-蠕滑曲線[26]

圖3 水潤(rùn)滑情況下速度與黏著系數(shù)的關(guān)系（試驗(yàn)值）[30]

目前許多科研機(jī)構(gòu)仍然使用小比例的輪軌試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行輪軌黏著特性研究，試驗(yàn)一般采用Hertz接觸相似理論。但一方面由于輪軌關(guān)系中非線性的存在，無(wú)法用一般相似關(guān)系直接從小比例試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果中精確估計(jì)1∶1線路運(yùn)行狀態(tài)，這是小比例試驗(yàn)臺(tái)根本上的不足，所以小比例的輪軌關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)難以在真正的輪軌研究中發(fā)揮作用。另一方面，低速的輪軌試驗(yàn)臺(tái)很難反映高速輪軌滾動(dòng)接觸時(shí)高頻接觸振動(dòng)的特點(diǎn)，所以很難獲得高速輪軌黏著規(guī)律。

西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張衛(wèi)華等[31-32]基于1∶1整車滾振試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了黏著試驗(yàn)研究。對(duì)于干燥的輪軌接觸表面，試驗(yàn)速度最高為70 km/h，軸重為44 kN和67 kN，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。從圖4可看出，在小蠕滑區(qū)，黏著力隨蠕滑率的提高而線性增大，當(dāng)黏著達(dá)到飽和后，黏著力總體呈下降趨勢(shì)，但在運(yùn)行速度低時(shí)下降緩慢，運(yùn)行速度高時(shí)下降明顯；軸重越大，黏著系數(shù)越小。該實(shí)驗(yàn)室還研究了當(dāng)輪軌表面噴水的情況下輪軌間振動(dòng)對(duì)黏著的影響。試驗(yàn)速度為180 km/h，軸重88 kN，激勵(lì)頻率分別為0、5、15 Hz。在輪軌表面噴水的情況下，振動(dòng)對(duì)黏著有明顯影響，特別是高頻振動(dòng)將引起輪軌間黏著力降低（見圖5）。

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)室已經(jīng)建成最高試驗(yàn)速度500 km/h的1∶1高速輪軌試驗(yàn)臺(tái)，軌道輪直徑達(dá)3 m，輪軌關(guān)系更接近真實(shí)狀態(tài)，較以往的小比例、小尺寸試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果更能反映實(shí)際情況，可以完成高速狀態(tài)下輪軌蠕滑與黏著性能等的試驗(yàn)研究。常崇義等[33]在此試驗(yàn)臺(tái)上開展了干燥條件下高速輪軌黏著性能試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，干燥條件下350～380 km/h速度時(shí)黏著系數(shù)不隨速度增加而下降，但輪軌間振動(dòng)會(huì)造成黏著系數(shù)下降（見圖6）。

線路測(cè)試是研究輪軌黏著特性的最好方法。C F Logston等曾對(duì)北美機(jī)車進(jìn)行線路試驗(yàn)，獲得了干燥、水介質(zhì)及砂石存在時(shí)的黏滑曲線，并提出了機(jī)車增黏措施。1990年，Ohyama T[34]利用200系和951型電動(dòng)車組在日本新干線軌面噴水條件下進(jìn)行測(cè)試，獲得了30～270 km/h和60～210 km/h速度范圍內(nèi)的黏著系數(shù)分布（見圖7）。日本新干線的試驗(yàn)表明，在水介質(zhì)條件下，不同車型動(dòng)車組輪軌黏著系數(shù)有一定的規(guī)律，但各有不同。此外，Nagase、Magel、法國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路公司以及其他很多研究者都進(jìn)行過(guò)輪軌黏著的線路測(cè)試。

圖4 干燥條件下的輪軌黏著特性曲線[31]

圖5 噴水情況下輪軌振動(dòng)對(duì)黏著的影響[31]

圖6 干燥條件下輪軌黏著特性曲線[33]

圖7 日本新干線輪軌黏著系數(shù)分布（水介質(zhì)條件）[34]

1.3 輪軌黏著機(jī)理研究

（1）干燥條件下的輪軌黏著機(jī)理。較準(zhǔn)確的輪軌接觸剛度計(jì)算應(yīng)以輪軌接觸表面微凸體的接觸變形來(lái)考慮。由于載荷與變形的關(guān)系是非線性的，所以振動(dòng)是非線性且是非對(duì)稱的，因?yàn)樵谲囕喯蛳乱苿?dòng)的過(guò)程中，與越來(lái)越多的新微凸體發(fā)生接觸，并且接觸剛度不斷變化，即車輪下移時(shí)，剛度提高；上升時(shí)，剛度降低。這時(shí)，振動(dòng)振幅增大，導(dǎo)致車輪在鋼軌上平均水平面提高，從而使實(shí)際接觸總面積減小。車輪在滾動(dòng)過(guò)程中，其表面微凸體受到鋼軌表面微凸體的微脈沖，這些微脈沖的法向分量不斷引發(fā)車輪的法向振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明，雖然這種脈沖是無(wú)序的，但其組合仍能使車輪不斷進(jìn)行不衰減的法向振動(dòng)。振動(dòng)可使車輪升高，實(shí)際接觸面積減小而降低摩擦力。速度越高，各微凸體之間微脈沖的法向分量就越強(qiáng)，上述振動(dòng)的振幅就越大，車輪移動(dòng)的平均水平面就越高，實(shí)際接觸面積就越?。ㄋ苄宰冃误w積也越?。Σ亮σ簿驮叫?。這些現(xiàn)象說(shuō)明黏著系數(shù)隨速度增高而降低[35]。

（2）水介質(zhì)條件下的輪軌黏著機(jī)理。因降雨等造成車輪與鋼軌接觸部分有水存在，水在輪軌的擠壓下流動(dòng)形成水膜，其厚度隨車輪運(yùn)行速度的提高而增加，水膜厚度增加使固體承載量減小。輪軌間的黏著系數(shù)主要受接觸表面粗糙峰的影響，減小粗糙峰的接觸壓力，可導(dǎo)致黏著系數(shù)降低。理論上，當(dāng)運(yùn)行速度足夠高、水膜厚度足夠大、隔離輪軌表面粗糙峰時(shí)，輪軌間就成為全膜潤(rùn)滑，牽引力大小完全取決于介質(zhì)黏性。因此，隨著運(yùn)行速度不斷提高，輪軌間傳遞的力減小，黏著系數(shù)也將減小[34]。

（3）水介質(zhì)條件下的輪軌增黏機(jī)理。通常，運(yùn)行中的動(dòng)車組車輪踏面微凸體高度偏差的均方根Rz約為2.0 μm，平均值Ra約為0.3 μm?；趶椥粤黧w潤(rùn)滑理論的數(shù)值計(jì)算表明，在動(dòng)車組300 km/h運(yùn)行速度下形成的水膜厚度不超過(guò)1.0 μm。要恢復(fù)或增大黏著系數(shù)，可采取以下方法：保持輪軌表面適當(dāng)?shù)拇植诙?；在輪軌間加入有一定抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度的材料，為保證即使輪軌間的接觸壓力使該材料被碾碎，其粒徑也能保持一定的尺寸，所以要加入比輪軌更硬的粒子材料[36]。

2 輪軌黏著的控制與利用

隨著列車運(yùn)行速度的提高，控制技術(shù)對(duì)抑制黏著力的減小及有效利用可用黏著力是必不可少的。黏著力的控制有2種含義：一是在各種環(huán)境條件下，從摩擦學(xué)（強(qiáng)調(diào)盡可能獲取所需黏著力）角度進(jìn)行控制；二是在轉(zhuǎn)移到宏觀滑行范圍時(shí)，進(jìn)行車輪旋轉(zhuǎn)/滑行控制以檢測(cè)宏觀滑行并協(xié)調(diào)所施加的扭矩。前者是所謂的提高黏著力技術(shù)，而后者是控制技術(shù)，包括提高自身再黏著力，在驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中考慮轉(zhuǎn)矩滑移特性。

由于輪軌黏著物理規(guī)律，通過(guò)單獨(dú)的車輪旋轉(zhuǎn)/滑行控制不可能在超過(guò)蠕滑率飽和點(diǎn)的地方獲取黏著力，目前難以從提高黏著力技術(shù)中得到預(yù)期黏著力。因此，只有協(xié)同推進(jìn)車輪旋轉(zhuǎn)/滑行控制和提高黏著力的相關(guān)研究與開發(fā)，才能持續(xù)提高黏著力。

2.1 黏著力的提高

法國(guó)在實(shí)踐中利用打磨技術(shù)提高輪軌黏著力。該方法遵循的原則是輪軌之間的砂粒破壞邊界潤(rùn)滑膜，通過(guò)后續(xù)剪力產(chǎn)生楔塞作用，從而引起高黏著力。法國(guó)巴黎—里昂高速列車動(dòng)力車配備了打磨裝置，在列車速度達(dá)到約140 km/h時(shí)打磨相當(dāng)有效，而列車速度為200 km/h時(shí)所觀測(cè)的效果則不太明顯。

日本新干線專用的軌道中，不僅存在較小體積的落葉，還存在因潤(rùn)滑產(chǎn)生的少量灰塵。在有水的接觸面，速度對(duì)黏著力的影響最為顯著。這種情況下，表面粗糙度顯著影響?zhàn)ぶ禂?shù)。因此，車輪表面的處理可提高在高速運(yùn)行過(guò)程中的黏著力。日本高速列車在制動(dòng)過(guò)程中通過(guò)研磨子與車輪踏面的研磨使車輪踏面表面形成諸多微凸體，這導(dǎo)致當(dāng)車輪與鋼軌接觸表面有水時(shí)，微凸體支撐的負(fù)載增加。1972年以前未采用研磨子時(shí)車輪擦傷發(fā)生率與1974年以后采用研磨子時(shí)的發(fā)生率存在顯著差異，采用研磨子后的黏著力與傳統(tǒng)鑄鐵塊相比高20%～30%。20世紀(jì)90年代，日本為解決高速低黏著問(wèn)題，在WIN350系試驗(yàn)列車和500系電動(dòng)車組車型上開展了噴射陶瓷粒子的增黏技術(shù)研究工作，在制動(dòng)過(guò)程中粒徑0.3 mm的陶瓷粒子噴射到輪軌之間，這些粒子被車輪碾碎后，變成粒徑10 μm的微小粒子嵌入輪軌表面，這些微小粒子穿破已在輪軌接觸面內(nèi)形成的水膜，增大了固體接觸部分的比率，在輪軌間傳送更大的黏著力，并且還能使鋼軌和車輪接觸表面進(jìn)一步粗糙化，從而提高輪軌間有水時(shí)的黏著力。1997年運(yùn)行試驗(yàn)表明，緊急制動(dòng)時(shí)動(dòng)車組輪對(duì)沒有發(fā)生滑行。

德國(guó)西門子ICE3型動(dòng)車組采用撒砂增加輪軌間的黏著系數(shù)。

我國(guó)高速列車常年保持300 km/h的運(yùn)行速度，并且不可避免地會(huì)經(jīng)過(guò)界面污染的區(qū)域。為防止黏著不足引起安全性問(wèn)題，現(xiàn)有動(dòng)車組都采用了不同方式進(jìn)行增黏。CRH2及CRH380A型動(dòng)車組的每個(gè)車輪都設(shè)有踏面清掃裝置，該裝置不僅對(duì)車輪踏面可能出現(xiàn)的污染物進(jìn)行及時(shí)清理，還能通過(guò)研磨子和車輪踏面的研磨增強(qiáng)在雨雪天的黏著力，避免車輪在牽引、制動(dòng)過(guò)程中空轉(zhuǎn)和打滑。此外，研磨子還具有消除車輪不圓度、修復(fù)車輪表面缺陷以及抑制輪軌間的高頻振動(dòng)等功能。雖然踏面清掃裝置在絕大部分情況下能夠滿足輪軌黏著的需求，但實(shí)車試驗(yàn)表明在極端工況下只采用踏面清掃裝置仍會(huì)引起列車制動(dòng)距離加長(zhǎng)等問(wèn)題，無(wú)法在現(xiàn)有黏著控制策略下達(dá)到理想的制動(dòng)效果。而踏面清掃裝置配合撒砂裝置能大大提高極端工況下列車的制動(dòng)能力。CRH3、CHR380B、CHR380D和CRH5型動(dòng)車組均安裝了撒砂裝置，并普遍采用了制動(dòng)防滑器。

2.2 旋轉(zhuǎn)/滑行控制

旋轉(zhuǎn)/滑行控制關(guān)鍵在于盡可能早地檢測(cè)宏觀滑行。為實(shí)現(xiàn)該目的，采用速度差和時(shí)間差分化的減速度作為評(píng)估指導(dǎo)。當(dāng)采用速度差時(shí)，檢測(cè)宏觀滑行的精確度取決于如何選擇參考速度。理想情況下，建議配備一個(gè)未施加扭矩的參考軸。此外，對(duì)早前檢測(cè)的宏觀滑行，在某些情況下，使用時(shí)間差分化的減速度作為檢測(cè)信號(hào)。在發(fā)生劇烈旋轉(zhuǎn)或滑行前，檢測(cè)宏觀滑行以減小扭矩，產(chǎn)生再黏著力，這是基本的旋轉(zhuǎn)/滑行控制。這種情況下，尤其是在制動(dòng)過(guò)程中，扭矩減小幅度降低造成較多的旋轉(zhuǎn)并引起鎖定。因此，發(fā)生滑行時(shí)，防滑控制迅速響應(yīng)是非常必要的。當(dāng)再黏著力發(fā)生時(shí)，扭矩減小幅度的恢復(fù)意味著有效黏著力的減少，因此及時(shí)增加扭矩很重要。另一方面，盡管有不利的黏著力，過(guò)早地增加扭矩或再應(yīng)用高扭矩會(huì)引起再旋轉(zhuǎn)或再滑行，特別是表面有水時(shí)，反復(fù)的旋轉(zhuǎn)和滑行可能降低黏著系數(shù)。而且低頻率的輪載變化可能引起滑行，從而導(dǎo)致必須考慮制動(dòng)力的高響應(yīng)。某些情況下，當(dāng)電力制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)同時(shí)應(yīng)用時(shí)，制動(dòng)力即刻增加，進(jìn)而引起滑行，因此2個(gè)制動(dòng)作用的協(xié)調(diào)控制也很重要[37]。

法國(guó)巴黎—里昂高速列車被檢測(cè)到滑行時(shí)，制動(dòng)控制壓力保持10%～20%的高滑動(dòng)比逐漸釋放，從而引起高黏著力，但這種方法在低黏著力情況下產(chǎn)生鎖定。此外，由于滑行速度較快，車輪踏面形狀趨于惡化。因此，從根本上更適當(dāng)?shù)酿ぶ刂品椒椋合葯z測(cè)宏觀滑行并迅速減小扭矩，以轉(zhuǎn)換到一個(gè)穩(wěn)定的微動(dòng)滑移范圍用于產(chǎn)生再黏著力，使黏著力有效可用。

3 結(jié)論

綜上所述，近年來(lái)在高速輪軌黏著數(shù)值仿真、試驗(yàn)、增黏技術(shù)方面都取得了較大進(jìn)展，但仍需進(jìn)行深入研究。

（1）在干燥條件下，速度對(duì)輪軌黏著系數(shù)影響的試驗(yàn)研究結(jié)果不完全一致，還需進(jìn)一步深入分析輪軌間振動(dòng)造成黏著系數(shù)下降的原因；在高速條件下，雖然針對(duì)輪軌間存在水介質(zhì)時(shí)輪軌振動(dòng)對(duì)黏著的影響開展了一些試驗(yàn)研究，但還處于定性分析階段。

（2）輪軌接觸界面有水介質(zhì)存在時(shí)，在輪軌載荷作用下微觀固體粗糙峰很容易發(fā)生彈塑性變形，高速情況下輪軌接觸界面摩擦引起水介質(zhì)溫升顯著。因此，三維高速輪軌黏著仿真模型應(yīng)考慮微觀固體彈塑性接觸和界面液體的熱效應(yīng)影響。

（3）輪軌接觸界面有水介質(zhì)存在時(shí)輪軌黏著機(jī)理方面研究達(dá)成共識(shí)：當(dāng)車輪速度增加時(shí)，輪軌接觸區(qū)的水膜增厚，導(dǎo)致固體粗糙峰承載面變小，從而減小了固體粗糙峰的接觸壓力，造成黏著系數(shù)降低。但速度提高以后，輪軌接觸機(jī)理方面的變化所帶來(lái)的影響仍然未知。

（4）根據(jù)輪軌黏著機(jī)理的研究成果，高速動(dòng)車組在牽引和制動(dòng)過(guò)程中黏著力的控制和利用技術(shù)仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

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Research Progress and Application of the Mechanism of High-speed Wheel-rail Adhesion

CHANG Chongyi1，2，CAI Yuanwu1，2，LI Lan1，2，CHEN Bo1，2
（1. Railway Science & Technology Research & Development Center，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. Laboratory for Wheel-rail Relationship of High-speed Railway，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Wheel-rail adhesion is crucial to the efficiency and security of railway operation since it exerts a great influence on the traction and braking performance of trains. This paper presented the research achievements in terms of high-speed wheel-rail adhesion both in China and abroad, including research progress made in simulations and experiments. As for simulative research, the paper demonstrated the theoretical model development and numerical method for wheel-rail adhesion. The experimental methods and results were shown subsequently. Through research on wheel-rail adhesion mechanism, the influence factor and influence mechanism of wheel-rail adhesion were worked out. The paper then analyzed the on-site problems related to wheel-rail adhesion and presented existing methods of controlling and harnessing wheel-rail adhesion both in China and abroad, such as wheel-rail tackification method and anti-skid & anti-slip technique. The paper finally gave an outlook to future research on the mechanism of high-speed wheel-rail adhesion.

wheel-rail adhesion characteristic；adhesion coefficient；rolling contact；water medium；roughness；high-speed；tackification

U211.5

A

1001-683X（2017）11-0024-09

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.11.024

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016G008-C）；中國(guó)鐵道科學(xué)研究院科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2014YJ089）

常崇義（1974—），男，研究員，博士。E-mail：chychang@163.com

責(zé)任編輯 李鳳玲

2017-08-21