時速400km速度級內(nèi)輪軌間水介質(zhì)條件下牽引黏著系數(shù)試驗研究

常崇義，陳 波，梁海嘯，高 翔，蔡園武

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081；2. 高速鐵路系統(tǒng)試驗國家工程實驗室 高速輪軌關(guān)系試驗室，北京 100081；3. 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)中心轉(zhuǎn)向架開發(fā)部，山東 青島 266111；4. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081）

輪軌黏著系數(shù)是衡量輪軌間傳遞最大切向力能力的指標(biāo)，根據(jù)輪軌之間相互作用關(guān)系和黏著利用機(jī)制的不同可分為牽引黏著系數(shù)和制動黏著系數(shù)。影響輪軌黏著系數(shù)的因素有速度、軸重、沖角和輪軌接觸表面狀態(tài)等［1-2］。在清潔干燥條件下，輪軌黏著系數(shù)較高，一般在0.25～0.60 之間［3-4］，不會對列車的牽引和制動產(chǎn)生不利影響。與清潔干燥條件相比，常見的雨雪天氣會造成輪軌黏著系數(shù)明顯減小。在雨雪天氣下，列車的運(yùn)行速度和輪軌接觸表面粗糙度是影響輪軌黏著系數(shù)的重要因素［5～7］。在水介質(zhì)條件下，輪軌黏著系數(shù)隨著輪軌接觸表面粗糙度的增大而增大，且在高速區(qū)段的增大幅度較低速區(qū)段大［7］。為了摸清符合我國普速鐵路的輪軌牽引黏著系數(shù)，從1988年至1991年通過線路試驗，獲得了中國機(jī)車車輛在干、濕軌面時120 km·h-1速度以內(nèi)的輪軌牽引黏著系數(shù)［8］。1990年，日本利用200 系和951 型電動車組在日本新干線軌面噴水條件下進(jìn)行輪軌牽引黏著系數(shù)測試，獲得270 km·h-1速度以內(nèi)的輪軌牽引黏著系數(shù)分布圖［9］。法國和德國也根據(jù)本國高速鐵路的特點和輪軌黏著利用的方式，通過試驗研究建立了自己的輪軌牽引黏著系數(shù)分布圖［10］，但是這些測試和試驗的最高速度均不超過300 km·h-1。

輪軌黏著系數(shù)對高速列車的安全運(yùn)行至關(guān)重要，我國已經(jīng)實現(xiàn)了復(fù)興號動車組時速350 km 實際運(yùn)營，目前正在開展下一代時速400 km 高速動車組的基礎(chǔ)性研究。高速輪軌黏著極限是否可以支撐更高速度下動車組的加、減速要求是一個迫切需要研究的現(xiàn)實課題。到目前為止，300 km·h-1以上的輪軌黏著系數(shù)只能靠經(jīng)驗方法處理獲得，缺乏有效的試驗數(shù)據(jù)支撐。

本文利用全尺寸高速輪軌關(guān)系試驗臺，采用與線路輪軌牽引黏著系數(shù)測試時基本相同的試驗條件進(jìn)行試驗，在將試驗臺試驗結(jié)果與線路試驗結(jié)果對比驗證的基礎(chǔ)上，研究時速400 km 速度級內(nèi)水介質(zhì)條件下車輪踏面低、中、高粗糙度水平時的牽引黏著系數(shù)分布圖，并與日本新干線的試驗結(jié)果進(jìn)行比較分析，提出我國高速輪軌水介質(zhì)條件下的牽引黏著系數(shù)與速度的關(guān)系表達(dá)式。

1 試驗臺試驗與線路試驗結(jié)果對比驗證

利用1∶1高速輪軌關(guān)系試驗臺，依據(jù)高速輪軌黏著試驗方法［7］，開展時速400 km速度級內(nèi)輪軌間水介質(zhì)條件下的牽引黏著試驗。為驗證試驗臺和黏著試驗方法的有效性，在高速輪軌臺架黏著試驗中采用與線路黏著測試時基本相同的試驗條件，將試驗臺試驗與線路試驗的結(jié)果進(jìn)行對比分析。線路牽引黏著系數(shù)試驗的情況：CR400BF型動車組在大西客專雨雪天氣條件下進(jìn)行滿級牽引時部分車輪出現(xiàn)了空轉(zhuǎn)，通過車輪空轉(zhuǎn)信號分析輪軌黏著破壞點，利用牽引桿上測力傳感器測得的牽引力數(shù)據(jù)除以軸重獲得牽引黏著系數(shù)，線路黏著試驗時大西客專鋼軌接觸表面縱向粗糙度Ra為0.6～0.8 μm。

在高速輪軌臺架黏著試驗中采用與線路黏著試驗基本相同的試驗條件，如對軌道輪進(jìn)行打磨處理，輪軌間噴0～5 ℃的冰水等。

試驗臺與大西客專線路的牽引黏著系數(shù)試驗結(jié)果對比如圖1所示。從圖1看出：利用試驗臺測得軌道輪接觸表面縱向粗糙度Ra為0.6～0.8 μm 范圍內(nèi)的牽引黏著系數(shù)成帶狀分布，且在160～300 km·h-1速度范圍內(nèi)試驗臺試驗與線路試驗的結(jié)果有較好的一致性；在120～160 km·h-1和300～350 km·h-1速度范圍內(nèi)線路試驗的牽引黏著系數(shù)與試驗臺的略有差別，主要原因是線路黏著試驗受動車組牽引特性曲線的限制，而試驗臺試驗則沒有這方面的限制。

圖1 試驗臺與線路牽引黏著系數(shù)試驗結(jié)果對比

2 時速400 km速度級內(nèi)輪軌牽引黏著試驗方案

噴水量、輪軌接觸表面粗糙度、速度對水介質(zhì)條件下的輪軌黏著系數(shù)影響較大，噴水溫度和軸重的影響較?。?］。在高速條件下噴水量大于200 ml·min-1時輪軌黏著系數(shù)隨噴水量的增加將不再減?。ū３植蛔儯?］，試驗中輪軌接觸界面的噴水量為300 ml·min-1（常溫）。利用Mitutoyo粗糙度測量儀對我國服役高速動車組車輪和高速鐵路鋼軌接觸表面粗糙度進(jìn)行了大量調(diào)查，得到的車輪接觸表面名義滾動圓處粗糙度的散點圖如圖2所示，鋼軌接觸表面光帶中心處粗糙度的散點圖如圖3所示。從圖2看出：車輪周向粗糙度（車輪橫向紋理）主要集中在0.4～0.6 μm范圍內(nèi)。從圖3看出：軌頂縱向粗糙度（鋼軌橫向紋理）主要集中在0.4～0.6 μm 范圍內(nèi)。輪軌接觸表面橫向紋理的粗糙度對水介質(zhì)條件下的輪軌黏著影響更大，并且起主導(dǎo)作用［5］。因此，試驗中把車輪接觸表面名義滾動圓處周向粗糙度分別控制在0.3～0.4，0.4～0.6和0.7～0.8 μm范圍內(nèi)；為了偏安全考慮，把軌道輪接觸表面光帶中心處的縱向粗糙度控制在0.3～0.4 μm范圍內(nèi)。

圖2 車輪接觸表面名義滾動圓處粗糙度分布

圖3 鋼軌接觸表面光帶中心處粗糙度分布

試驗工況1：高速輪軌臺架黏著試驗中車輪材料為ER8 車輪鋼，踏面為LMA型面；軌道輪材料為U71MnK 鋼軌鋼，廓形為TB60型面。試驗速度范圍為40～440 km·h-1，輪對橫移量為0 mm，輪對沖角為0 mrad，施加85 kN 試驗垂向恒定載荷（相當(dāng)于軸重17 t），最大縱向蠕滑率為1%，每個工況重復(fù)3次試驗。

試驗工況2：車輪踏面為S1002CN型面，試驗速度范圍為50～400 km·h-1，施加70 kN 試驗垂向恒定載荷（相當(dāng)于軸重14 t），其他條件與試驗工況1相同。

3 時速400 km速度級內(nèi)輪軌間水介質(zhì)條件下牽引黏著試驗結(jié)果

3.1 車輪粗糙度影響

1）車輪低粗糙度水平（Ra為0.3～0.4 μm）

車輪低粗糙度水平和水介質(zhì)條件下17 t 和14 t軸重時牽引黏著系數(shù)隨速度的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 車輪低粗糙度時牽引黏著系數(shù)隨速度變化規(guī)律

從圖4 看出：車輪低粗糙度水平和水介質(zhì)條件下牽引黏著系數(shù)隨速度的增加而減??；牽引黏著系數(shù)從40 km·h-1速度時的0.141～0.180 減小至200 km·h-1時的0.034～0.036，且隨速度的增加減小得較快；速度繼續(xù)增加到440 km·h-1牽引黏著系數(shù)減小為0.016～0.021，且隨速度的增加減小得較為緩慢；在相同速度下，14 t軸重時的牽引黏著系數(shù)比17 t軸重的稍大。

根據(jù)17 t軸重的試驗結(jié)果，擬合出車輪低粗糙度水平和水介質(zhì)條件下牽引黏著系數(shù)與速度的關(guān)系表達(dá)式為

式中：μ為牽引黏著系數(shù)；v為速度，km·h-1。

2）車輪中等粗糙度水平（Ra為0.4～0.6 μm）

車輪中等粗糙度水平和水介質(zhì)條件下17 t 和14 t 軸重時輪軌牽引黏著系數(shù)隨速度的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 車輪中等粗糙度時牽引黏著系數(shù)隨速度變化規(guī)律

從圖5 看出：車輪中等粗糙度水平和水介質(zhì)條件下牽引黏著系數(shù)隨速度的增加而減小；牽引黏著系數(shù)從40 km·h-1速度時的0.130～0.180，隨速度的增加緩慢減小到440 km·h-1時的0.022～0.025；在相同速度下，14 t 軸重時的牽引黏著系數(shù)與17 t軸重的差別不大。

根據(jù)17 t軸重的試驗結(jié)果，擬合出車輪中等粗糙度水平和水介質(zhì)條件下牽引黏著系數(shù)與速度的關(guān)系表達(dá)式為

3）車輪高粗糙度水平（Ra為0.7～0.8 μm）

車輪高粗糙度水平和水介質(zhì)條件下輪軌牽引黏著系數(shù)隨速度的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 車輪高粗糙度時牽引黏著系數(shù)隨速度變化規(guī)律

從圖6 看出：車輪高粗糙度水平和水介質(zhì)條件下牽引黏著系數(shù)隨速度的增加而減??；牽引黏著系數(shù)從40 km·h-1速度時的0.173～0.201，隨速度的增加緩慢減小到440 km·h-1時的0.041～0.045；在相同速度下，14 t 軸重時的牽引黏著系數(shù)與17 t軸重的差別不大。

根據(jù)17 t軸重的試驗結(jié)果，擬合出車輪高粗糙度水平和水介質(zhì)條件下牽引黏著系數(shù)與速度的關(guān)系表達(dá)式為

3.2 輪軌牽引黏著系數(shù)分布規(guī)律

輪軌滾動接觸界面水介質(zhì)條件下，車輪踏面低、中、高粗糙度水平下17 t軸重時的牽引黏著系數(shù)分布規(guī)律如圖7所示。

圖7 水介質(zhì)條件下高速輪軌牽引黏著系數(shù)分布規(guī)律

從圖7 看出：在水介質(zhì)條件下車輪表面粗糙度水平一定時牽引黏著系數(shù)隨速度的增加而減??；不同的速度區(qū)間車輪表面粗糙度水平對黏著系數(shù)影響不同。在40～80 km·h-1速度范圍內(nèi)Ra為0.3～0.4 μm 時的牽引黏著系數(shù)比Ra為0.4～0.6 μm 時略高，且隨著速度的增加Ra分別為0.3～0.4 μm和0.4～0.6 μm時對應(yīng)的牽引黏著系數(shù)的差值逐漸縮小到0；在80～440 km·h-1范圍內(nèi)，相同速度下低粗糙度對應(yīng)的牽引黏著系數(shù)也低；在40～440 km·h-1速度范圍內(nèi)，Ra分別為0.4～0.6 μm 和0.7～0.8 μm 時對應(yīng)的牽引黏著系數(shù)的差值始終保持在0.036左右。

車輪表面低、中、高粗糙度水平下輪軌牽引黏著系數(shù)隨速度的變化率如圖8所示。

從圖8 看出：車輪表面粗糙度影響牽引黏著系數(shù)隨速度增加的變化率，速度在40～200 km·h-1范圍內(nèi)車輪表面粗糙度Ra為0.3～0.4 μm時的牽引黏著系數(shù)隨速度的增加減小得較快，牽引黏著系數(shù)減小幅度為80%左右，而Ra為0.7～0.8 時牽引黏著系數(shù)減小幅度為44%左右；在200～440 km·h-1范圍內(nèi)牽引，黏著系數(shù)隨速度的增加減小得較慢。

圖8 車輪低、中、高粗糙度水平時輪軌牽引黏著系數(shù)隨速度增加的變化率

3.3 與日本新干線試驗結(jié)果的對比

日本新干線軌面噴水條件下測試獲得的30～270 km·h-1速度范圍內(nèi)牽引黏著系數(shù)分布［9］如圖9所示，利用日本新干線30～300 km·h-1速度范圍內(nèi)的輪軌黏著系數(shù)分布的下限擬合出的輪軌黏著系數(shù)與速度的關(guān)系為μ=13.6/(v+85)。測試中使用的200系新干線動車組的車輪直徑為860～910 mm，設(shè)計軸重為17 t［11］，新干線鋼軌采用日本JISE 1101-2001 標(biāo)準(zhǔn)60 kg·m-1鋼軌，車輪采用JPARC圓弧型車輪型面。

圖9 水介質(zhì)條件下試驗臺試驗與日本新干線測試結(jié)果對比

利用1∶1 高速輪軌關(guān)系試驗臺獲得車輪表面中等粗糙度水平（Ra為0.40～0.60 μm）時水介質(zhì)條件下的輪軌黏著系數(shù)分布規(guī)律（軸重17 t，輪徑910 mm），與日本200 系新干線動車組的線路濕軌測試結(jié)果對比如圖9所示。

從圖9 看出：在40～270 km·h-1范圍內(nèi)1∶1高速輪軌關(guān)系試驗臺試驗與日本200 系新干線動車組現(xiàn)場測試的輪軌黏著系數(shù)分布規(guī)律基本一致，進(jìn)一步說明全尺寸試驗臺黏著試驗結(jié)果與線路試驗結(jié)果能取得較好的一致性。

利用1∶1 高速輪軌關(guān)系試驗臺獲得的車輪中等粗糙度水平下40～440 km·h-1速度范圍內(nèi)輪軌黏著系數(shù)分布的下限，擬合出的黏著系數(shù)與速度的關(guān)系為

式（4）把輪軌黏著系數(shù)的速度范圍通過高速輪軌關(guān)系試驗臺試驗從40～300 km·h-1拓展到440 km·h-1，推薦用于我國高速列車水介質(zhì)條件下牽引黏著系數(shù)的計算。

4 結(jié) 論

（1）在試驗條件基本相同的情況下，全尺寸輪軌關(guān)系試驗臺與大西客運(yùn)專線實車在160～300 km·h-1速度范圍內(nèi)的牽引黏著系數(shù)試驗結(jié)果獲得較好的一致性，驗證了臺架試驗方法的有效性。

（2）在水介質(zhì)條件下，同等輪軌粗糙度水平時牽引黏著系數(shù)隨速度的增加而減小。速度較低時（40～200 km·h-1）的牽引黏著系數(shù)隨速度的增加減小較快，速度較高時（200～440 km·h-1）的牽引黏著系數(shù)隨速度的增加減小較慢。

（3）在水介質(zhì)條件下，對于40～440 km·h-1速度范圍內(nèi)的各個速度級，車輪高粗糙度水平（Ra為0.7～0.8 μm）時的牽引黏著系數(shù)比中等粗糙度水平（Ra為0.4～0.6 μm）時的均增加0.036左右。

（4）在水介質(zhì)條件下，利用高速輪軌關(guān)系試驗臺獲得的車輪中等粗糙度水平（Ra為0.40～0.6 μm）時的牽引黏著系數(shù)結(jié)果與日本200 系新干線動車組在40～270 km·h-1范圍內(nèi)的結(jié)果有較好的一致性，說明試驗臺結(jié)果的可用性。