淺談磁軌制動對輪軌黏著的影響

李培署，王明星，張笑慰

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

按制動力的形成方式劃分，軌道車輛制動分為黏著制動和非黏著制動。目前，壓縮空氣或液壓驅(qū)動的盤形/踏面制動、動力制動、旋轉(zhuǎn)渦流制動等屬于黏著制動方式，其制動力大小受輪軌之間黏著力的限制；磁軌制動、線性渦流制動、風(fēng)阻制動等屬于非黏著制動方式，其制動力大小不受輪軌之間黏著力的限制。隨著列車速度的提高或制動減速度的增大，空氣制動和動力制動等受輪軌黏著的影響使其制動能力的提升受到限制，發(fā)展非黏著制動技術(shù)成為高速旅客列車和部分城軌列車制動技術(shù)發(fā)展的重要方向。

作為非黏著制動主要作用方式之一的磁軌制動，由于其制動力不受輪軌黏著的限制，可有效提高列車制動減速度，縮短制動距離，提高列車運(yùn)營安全性，因而在國外高速動車組如TGV-A、ICE-1、ICE-2、ICE-T、X2000等以及對減速度要求較大的有軌電車等部分城軌車輛上得到大量運(yùn)用。但國內(nèi)包括京滬高鐵在內(nèi)已開通運(yùn)用的“復(fù)興號”和CRH系列高速動車組均未采用磁軌制動，只在有軌電車和少量輕軌車輛上應(yīng)用。未來我國還將發(fā)展更高速度的動車組，為保證緊急制動距離滿足要求，磁軌制動不失為一種有效的、可供選擇的制動方式。

磁軌制動在縮短制動距離的同時(shí)能對軌道表面起到清掃作用，在雨雪冰霜等惡劣氣候條件下能夠更有效地改善輪軌黏著。相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[1]在超低黏著條件下，裝有磁軌制動的列車，最多可縮短約50%的制動距離，從而表明磁軌制動在軌道表面狀況不良、低黏著的條件下，作用效果尤為明顯。

但磁軌制動裝置在制動過程中會與軌道表面產(chǎn)生劇烈摩擦導(dǎo)致軌面溫度升高，會對軌道表面狀態(tài)造成影響，所以在干燥清潔的軌道條件下，磁軌制動在提高制動減速度的同時(shí)，有可能會影響輪軌之間的黏著狀態(tài)、從而影響到黏著制動的利用，目前國內(nèi)外尚沒有見到相關(guān)研究報(bào)道，因此，為更好地發(fā)揮磁軌制動的作用，提高列車綜合制動性能，有必要分析研究磁軌制動導(dǎo)致軌道溫升對輪軌黏著的影響。

1 輪軌黏著的影響因素及黏著系數(shù)計(jì)算

1.1 輪軌黏著影響因素

眾所周知，輪軌黏著狀態(tài)受輪軌表面狀況、速度、載荷、線路狀況(曲線、坡道、道岔)等因素影響，其中輪軌表面狀況的影響最大，潮濕軌道條件下的黏著系數(shù)明顯小于干燥軌道條件下。

而在同樣清潔干燥軌道條件下，輪軌黏著狀況也會受到輪軌接觸狀況如接觸區(qū)的大小和形狀、接觸材料的力學(xué)特性變化等因素的影響。研究表明，載荷等的變化主要會影響接觸區(qū)的大小和形狀，從而影響?zhàn)ぶ宛ぶ禂?shù)，載荷增大，黏著力增大，但黏著系數(shù)呈下降趨勢(黏著系數(shù)下降速率小于載荷增大速率，故黏著力總體上在增加)；速度等的變化會引起接觸區(qū)的溫度變化，造成材料力學(xué)特性改變而影響?zhàn)ぶ禂?shù)，速度增加則接觸區(qū)域溫度上升，黏著系數(shù)下降[2](也有觀點(diǎn)認(rèn)為速度增加導(dǎo)致黏著系數(shù)下降是因?yàn)檩嗆壷g產(chǎn)生了較大的動載荷[3])，大量試驗(yàn)研究結(jié)果以及計(jì)算得到的黏著系數(shù)均表明，隨著速度的提高，黏著系數(shù)下降。

1.2 黏著系數(shù)計(jì)算

輪軌之間的黏著狀態(tài)通常用黏著力和黏著系數(shù)的大小來表示，黏著系數(shù)定義為輪軌之間“最大縱向水平作用力”(即黏著力)與“輪軌間垂直載荷”(或軌道對車輪的法向支反力)的比值[4]，即：

(1)

式中：μ——黏著系數(shù)；

Ftan——輪軌之間最大切向作用力；

FN——輪軌間法向作用力。

制動過程中的黏著類似于物理學(xué)上的摩擦。對摩擦機(jī)理的分析表明[5]，摩擦產(chǎn)生的機(jī)械能可以通過摩擦副表面材料的彈性變形儲存起來，材料剛好出現(xiàn)塑性變形時(shí)的極限應(yīng)力為抗剪切強(qiáng)度τmax，那么輪軌黏著系數(shù)的計(jì)算模型可簡化為輪軌接觸區(qū)中可承受的最大剪切應(yīng)力τmax與法向應(yīng)力σN的比值，即：

(2)

輪軌表面可以傳遞的最大切向應(yīng)力τmax是由材料的屈服極限σs決定的，即：

(3)

因而黏著系數(shù)計(jì)算公式可表示為：

(4)

制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的黏著系數(shù)計(jì)算公式通常用速度的函數(shù)表示,主要是通過對實(shí)測數(shù)據(jù)歸納整理后擬合而成的，如TB/T 1407—1998《列車牽引計(jì)算規(guī)程》規(guī)定制動黏著系數(shù)按下式計(jì)算：

(5)

(6)

式中：V——車輛速度，V≤120 km/h。

另外，日本新干線、德國鐵路等的制動計(jì)算黏著系數(shù)也均用速度的函數(shù)表示，黏著系數(shù)隨著速度的提高而下降。

2 溫度變化對黏著系數(shù)的影響

研究表明[5]，在輪軌接觸過程中，大量的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋Ｊ軣崮苡绊?，材料的屈服極限等特性隨之發(fā)生改變，車輪和鋼軌的彈性模量E、屈服極限σs與溫度之間的關(guān)系如圖1所示。從圖1可以看出，隨著溫度的上升，鋼材的屈服極限降低，也就是說輪軌接觸面溫度的升高,對黏著系數(shù)有決定性影響的屈服極限在降低，與室溫(25 ℃)相比，每升高1 ℃，屈服極限降低約0.69 MPa。

圖1 溫度對鋼材特性的影響

彈性模量E與溫度θ之間的關(guān)系可用下式表示：

E(θ)=E0-αE×θ

(7)

式中：E0——室溫時(shí)的彈性模量值；

αE——彈性模量E關(guān)于溫度θ的梯度。

故可以建立σs(θ)的模型：

σs(θ)=σs0-ασ×θ

(8)

式中：σs0——室溫時(shí)材料的屈服極限；

ασ——屈服彈性模量關(guān)于溫度θ的梯度。

將式(8)帶入式(4)可得出使用變化的材料特性值修正后的黏著系數(shù)公式：

(9)

另外有限元計(jì)算表明[6]，最大局部溫度出現(xiàn)在必須承受最大法向應(yīng)力的接觸處，溫度分布與法向應(yīng)力大小呈正比例關(guān)系。所以，通過黏著系數(shù)的修正公式(9)可以得出，隨著接觸處溫度的升高，黏著系數(shù)發(fā)生降低。

3 磁軌制動對軌道溫度影響的仿真分析

由于存在劇烈的摩擦、磨耗，無論在高速列車還是在低地板有軌電車等城軌列車上，磁軌制動只用于緊急制動。制動過程中，磁軌制動裝置與軌道之間劇烈摩擦將導(dǎo)致磁軌制動裝置和軌道接觸面的溫度升高。

國內(nèi)有關(guān)學(xué)者為研究緊急制動過程中磁軌制動器極靴的磨損[7]，以4動4拖、8輛編組的CRH2型動車組為例建立了磁軌制動器極靴動態(tài)磨損過程的磨損模型，假定每輛拖車的每臺轉(zhuǎn)向架安裝2套磁軌制動器，則4輛拖車共安裝16套磁軌制動器，在緊急制動過程中，動車組單側(cè)8套磁軌制動器依次與鋼軌同一部位接觸。仿真計(jì)算表明，制動初速度為250 km/h施加一次緊急制動時(shí)，在某一時(shí)刻某一區(qū)段的軌面最高溫度可達(dá)到570.76 ℃，同時(shí)磁軌制動器極靴最高溫度為1 124.4 ℃。

針對在用的某4輛編組城軌列車建立了磁軌制動裝置和軌道溫升的仿真模型。假定每輛車的每臺轉(zhuǎn)向架兩側(cè)各裝一臺磁軌制動器，全列車共裝16臺，磁軌制動器的額定工作電壓為DC 110 V，最大功率1 080 kW，電磁吸力78 kN，最大摩擦因數(shù)0.26，平均摩擦因數(shù)0.12，環(huán)境溫度為40 ℃；計(jì)算時(shí)取長度為1 m的軌道進(jìn)行仿真，當(dāng)一列車通過時(shí)，該段軌道先后與8臺磁軌制動器摩擦，保守起見，假定摩擦產(chǎn)生的熱量絕大部分傳遞給軌道，且不考慮計(jì)算段的軌道在長度方向上向其他段軌道傳熱，不考慮計(jì)算段的軌道向地面?zhèn)鳠?。仿真?jì)算結(jié)果表明，初速110 km/h時(shí)施加緊急制動，制動初始軌面溫度快速上升，某一時(shí)刻某一區(qū)段軌面溫度達(dá)到最大值，最高溫度為277 ℃，如圖2、圖3所示，隨著速度的降低又開始下降。同理對初速度80 km/h、60 km/h時(shí)的緊急制動進(jìn)行仿真，一次緊急制動時(shí)，軌面最高溫度分別為214 ℃、180 ℃。

圖2 軌道溫度場云圖

圖3 軌道摩擦面最高溫度變化曲線

從仿真計(jì)算結(jié)果不難看出，緊急制動時(shí)磁軌制動對局部區(qū)段軌面溫升有明顯影響，列車速度越高，軌面最高溫度上升越明顯，結(jié)合前面的分析可以得出，干燥清潔軌道條件下使用磁軌制動將對輪軌黏著造成影響，有可能造成局部區(qū)段輪軌黏著降低，速度越高，對輪軌黏著的影響越大。

實(shí)際上，施加磁軌制動時(shí)，磁軌制動器和軌道的熱傳導(dǎo)、散熱方式以及軌面的平整度、粗糙度等對摩擦的影響，都會影響到軌面溫升，仿真所采用的邊界條件與實(shí)際情況會存在差異，結(jié)果也會存在一定誤差。但磁軌制動對局部軌面溫升有較大影響、進(jìn)而影響到輪軌黏著是可以確定的。

4 磁軌制動應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)的問題

由于國內(nèi)尚沒有磁軌制動在高速列車上的應(yīng)用案例，所以無法掌握其在高速條件下實(shí)際應(yīng)用所帶來的影響。目前國內(nèi)有軌電車和少量輕軌列車采用了磁軌制動，主要目的是提高列車制動減速度，但還沒有結(jié)合應(yīng)用情況，開展磁軌制動對輪軌黏著影響等方面的研究工作，所以本文通過對試驗(yàn)和運(yùn)用過程中出現(xiàn)的一些問題的分析，進(jìn)行了間接研究。

某裝有磁軌制動裝置的城軌列車在實(shí)際應(yīng)用和線路試驗(yàn)過程中多次出現(xiàn)滑行擦傷，據(jù)統(tǒng)計(jì)擦傷均出現(xiàn)在緊急制動情況下，且軌面基本處于清潔干燥狀態(tài)。該列車為4輛車編組，全部為動車，裝有液壓制動系統(tǒng)和磁軌制動裝置。每輛車采用相同的基礎(chǔ)制動裝置，其中前三根軸裝有主動式夾鉗單元，第四根軸裝有被動式夾鉗單元，所有夾鉗單元均有彈簧停放制動功能。常用制動采用黏著制動方式，制動時(shí)優(yōu)先采用電制動，不足部分由主動夾鉗單元施加液壓制動進(jìn)行補(bǔ)充，第四根軸的被動式夾鉗單元不施加制動，以該軸速度作為參考速度進(jìn)行防滑控制；緊急制動采用黏著制動和非黏著制動兩種方式，制動時(shí)制動夾鉗單元內(nèi)油壓釋放，依靠停放制動的彈簧力施加制動(黏著制動)，同時(shí)施加磁軌制動(非黏著制動)，緊急制動不具有防滑控制功能。設(shè)計(jì)的列車最大常用制動平均減速度(電制動+液壓制動)≥1.0 m/s2，緊急制動平均減速度(彈簧力制動+磁軌制動)≥1.3 m/s2。

表1為線路制動試驗(yàn)時(shí)測得的該列車制動減速度，試驗(yàn)是在清潔干燥軌道條件下進(jìn)行的。最大常用制動時(shí)的減速度全部由黏著制動力產(chǎn)生，緊急制動時(shí)的減速度由黏著制動力(彈簧力制動)和非黏著制動力(磁軌制動)共同產(chǎn)生，其中磁軌制動的減速度為0.3～0.4 m/s2，從而可以得出緊急制動時(shí)的黏著制動力(彈簧制動力)遠(yuǎn)小于最大常用制動時(shí)的黏著制動力(電制動力+液壓制動力)，隨著車重的增加表現(xiàn)得尤為明顯。

表1 試驗(yàn)時(shí)測得的列車制動平均減速度

最大常用制動試驗(yàn)時(shí)無車輪滑行擦傷，且制動系統(tǒng)沒有進(jìn)行防滑控制，因此最大常用制動時(shí)實(shí)際制動力并沒有超過輪軌黏著力，那么相同試驗(yàn)條件下緊急制動時(shí)的黏著制動力也不應(yīng)該超過黏著力。但緊急制動時(shí)出現(xiàn)了滑行擦傷，這一定是因?yàn)閷?shí)際制動力超過了黏著力，也就是說干燥條件下的輪軌黏著發(fā)生了改變，黏著力出現(xiàn)下降，結(jié)合前面的分析，很有可能是由于緊急制動時(shí)磁軌制動的參與，引起局部區(qū)段軌面溫度上升，導(dǎo)致輪軌黏著下降，使得黏著制動力在某些時(shí)候超過黏著力造成車輪滑行，再加上沒有防滑控制功能，車輪出現(xiàn)擦傷。

由于試驗(yàn)時(shí)沒有測試磁軌制動裝置與軌道接觸處的軌面溫升，所以無法確定該列車磁軌制動對輪軌黏著的影響程度，也無法對仿真結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性還有待驗(yàn)證。

5 結(jié)論

通過上述分析研究可以得出：

(1) 磁軌制動能對軌道起到清掃作用，在雨雪冰霜等惡劣氣候條件下，施加磁軌制動可有效改善輪軌黏著。但在清潔干燥的軌道條件下，由于施加磁軌制動會造成局部區(qū)段軌面溫度明顯上升，從而導(dǎo)致輪軌黏著降低，且列車速度越高，影響越大。

(2) 在黏著制動和非黏著制動如磁軌制動共同作用的軌道車輛上，也應(yīng)具有良好的防滑控制功能，以防止施加磁軌制動造成輪軌黏著降低而出現(xiàn)車輪滑行擦傷。同時(shí)由于磁軌制動對列車減速度和速度有影響，有可能影響到防滑控制的判據(jù)參數(shù)，所以需對黏著制動和非黏著制動(磁軌制動)共同作用時(shí)的防滑控制技術(shù)進(jìn)行研究。

另外，建議通過線路試驗(yàn)對磁軌制動裝置引起的軌面溫升進(jìn)行測試，一方面為研究磁軌制動對輪軌黏著的影響提供依據(jù)，另一方面也可對仿真方法進(jìn)行校正完善。

作為非黏著制動的另一種主要作用方式的線性渦流制動，在國外高速列車上也有較多應(yīng)用，國外的研究及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，線性渦流制動裝置對軌道溫度影響較大，若未來我國高速動車組選擇線性渦流制動，也有必要研究其對輪軌黏著的影響。