（机械设计及理论专业论文）水介质条件下轮轨粘着特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 世界各国积极发展高速重载铁路和城市轨道交通。列车的牵引、加速和制 动是靠轮轨接触斑的相互作用传递切向力来实现的，这种轮轨间的相互作用特 性称为粘着特性，可以将轮轨粘着力理解为轮轨滚动过程中所产生的滚动摩擦 力。对轮轨粘着问题的研究目的是掌握轮轨滚动过程中的受力状态随车轮运动 状态的变化规律，得出轮轨粘着力随蠕滑率和运行速度的变化规律，即轮轨粘 着蠕滑特性曲线( 简称粘滑特性曲线) ，并寻找出最佳粘着点，以便进行粘着 控制，充分发挥机车的牵引功率和制动功率。本文主要以c a r t e r 二维滚滚接触 理论和粗糙面间的稳态部分弹流理论为基础，应用数值方法对水介质条件下轮 轨粘着特性进行了研究，研究了滚动速度、轴重对粘着的影响；并在j d 1 轮轨 模拟试验机上研究了水介质条件下轮轨粘着特性的研究，得到了一定的规律。 通过以上数值分析和试验研究，得到了以下结论： 1 以c a r t e r 二维滚滚接触理论和粗糙面间的部分稳念弹流理论为基础采 用p a t i r 和c h e n g 的平均流量模型建立起水介质条件下二维粘着数值模型，在 对数值模型求解过程中，采用多重网格法进行求解。通过输入不同的参数，研 究了滚动速度、轴重对粘着的影响。研究发现：相同轴重下，滚动速度越大， 粗糙峰接触压力与总压力的比值越小，导致轮轨之间的粘着系数下降；相同速 度下，轴重较大，粗糙峰接触压力占总压力的比值也越大，此时粘着系数也较 大。 2 在j d 1 轮轨模拟试验机上进行轮轨在干态工况突然加水和水介质条件 下的黏着特性试验，着重研究水介质条件下不同速度、轴重以及蠕滑率对轮轨 黏着的影响。结果表明：在相同的蠕滑率下，干态工况加水之后轮轨问的粘着 系数较干态时的粘着系数将低了5 0 6 0 ；在水介质条件下，不论是最大粘 着值还是稳定黏着值( 机车实际运行黏着区) ，受车轮速度影响较大，粘着系数 随着车轮速度的上升而降低，轴重对粘着系数的影响较小；粘着系数在达到最 大值( 饱和值) 之前随蠕滑率的增加而线性增加，而后随蠕滑率的增加而下降， 最后逐渐趋于稳定。最大粘着系数所对应的蠕滑率为0 5 左右。 关键词：轮轨粘着；部分弹流润滑；多重网格法；轴重；滚动速度；水介质 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 - - _i_ii ：曼曼曼舅曼 a b s t r a c t t h eh i g hs p e e da n dh e a v yl o a dr a i l w a ya n du r b a nr a i lt r a n s i ta r eq u i c k l y d e v e l o p i n ga l lo v e rt h ew o r l d t h ew h e e l r a i li n t e r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c si sc a l l e d a d h e s i o np r o p e r t ya st h et r a c t i o n ，a c c e l e r a t i n ga n db r a k i n gf o r c ea r et r a n s l a t e db y w h e e l r a i lc o n t a c ts p o ti n t e r a c t i o n t h ea d h e s i o np r o p e r t yc a nb ed e e m e da sr o l l i n g f r i c t i o nf o r c eb e t w e e nw h e e la n dr a i lw h e nt h ew h e e lr o l l e so nt h er a i l t o i n v e s t i g a t eo nw h e e l r a i la d h e s i o np r o b l e mi st om a s t e rt h ec h a n g i n gl a wo fs t r e s s c o n d i t i o nw h i c hw h e e l r a i lb e a r sw h e nt h em o v es t a t e m e n to fw h e e lc h a n g sa n dt o o b t a i nt h ea d h e s i o n c r e e p a g ec u r v es oa st os e e kt h eo p t i m a la d h e s i o n - c r e e p a g ed o t w h i c hc a nb eu s e dt oc o n t r o lt h el o c o m o t i v et op l a yi t sp o w e rf u l l yo nt r a c t i o na n d b r a k i n g t h i st e x ti sm a i n l yb a s e do nt h et h e o r yo fc a r t e r st w od i m e n s i o n a lr o l l i n g c o n t a c ta n dt h e r o u g h s u r f a c e s t e a d yp a r t i a le l a s t o h y d r o d y n a m i c l u b r i c a t i o n ，c o m b i n e dw i t hn u m e r i c a la n a l y s i st oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fr o l l i n g s p e e da n da x l el o a do nt h ea d h e s i o np r o p e r t yu n d e rw a t e rc o n d i t i o nb e t w e e nw h e e l a n dr a i l t h ea d h e s i o np r o p e r t yo fu n d e rd r yc o n d i t i o nb e t w e e nw h e e la n dr a i lw a s i n v e s t i g a e do nj d 一1w h e e l r a i ls i m u l a t i o nm a c h i n ea l s o t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s a r eo b t a i n e db yt h en u m e r i c a la n a l y s i sa n dt h et e s ti n v e s t i g a t i o na b o v e ba s e do n t h et h e o r yo fc a r t e r st w od i m e n s i o n a lr o l l i n gc o n t a c ta n dt h er o u g hs u r f a c es t e a d y p a r t i a le l a s t o - h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n ，t h i s t e x t a p p l ya v e r a g ef l o wm o d e l b e t w e e nr o u g hs u r f a c e sw h i c hw a sc o n t r i b u t e db yp a t i ra n dc h e n gt of o u n dt h e t w o d i m e n s i o n a la d h e s i o nn u m e r i c a la n a l y s i sm o d eu n d e rw a t e rc o n d i t i o nw h i c h w a ss o l v e db ym u l t i g r i da l g o r i t h m ( b w m g ) t h ee f f e c to fr o l l i n gs p e e da n do n a d h e s i o nb e t w e e nw h e e la n dr a i li si n v e s t i g a t e db yt h i sn u m e r i c a la n a l y s i sm o d e w h i c hc a n a c q u i r e d i f f e r e n tr e s u l t sw h e ni t i n p u t d i f f e r e n t p a r a m e t e r s t h e f o l l o w i n gr e s u l t sa r ea c q u i r e db yt h em o d e w h e nu n d e rt h es a m ea x l el o a d ，i ft h e w h e e lr o l l i n gs p e e dg e t sh i g h e r ，t h ea d h e s i o nc o e f f i c i e n td e c l i n e sa st h er a t i oo ft h e m e a na s p e r i t i e sc o n t a c tp r e s s u r et ot h et o t a lp r e s s u r eb e c o m e ss m a l l e r w h e nu n d e r t h es a m es p e e d ，i ft h ea x l el o a dg e t sw e i g h t e r ，t h ea d h e s i o nc o e f f i c i e n ti n c r e a s e sa s t h er a t i oo ft h em e a na s p e r i t i e sc o n t a c tp r e s s u r et ot h et o t a lp r e s s u r eb e c o m e s b i g g e r t h ea d h e s i o np r o p e r t yo fu n d e rd r yc o n d i t i o nw h e ns u d d e n l ya d d i n gw a t e ra n d u n d e rw a t e rc o n d i t i o nb e t w e e nw h e e la n dr a i lw e r et e s t e ds e p a r a t e l yo nj d 一1 w h e e l r a i ls i m u l a t i o nm a c h i n e t h ee f f e c to fs p e e d ，a x l el o a da n dc r e e p a g eo n w h e e l r a i la d h e s i o nc o e f f i c i e n tu n d e rw a t e rc o n d i t i o nw a sm a i n l yi n v e s t i g a t e d t h e r e s u l t si n d i c a t et h a t ，c o m p a r e dw i t ht h ed r yc o n d i t o n ，t h ea d h e s i o nc o e m c i e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 d e c r e a s e sf i f t yt os i x t yp e r c e n tw h e na d d i n gw a t e rb e t w e e nw h e e la n dr a i lu n d e r d r yc o n d i t i o n w h e nu n d e rw a t e rc o n d i t i o n 。t h ew h e e ls p e e dm a i l ye f f e c t so nn o t o n l yt h em a x i m u ma d h e s i o nv a l u eb u ta l s ot h es t e a d ya d h e s i o nv a l u e ( t h ea d h e s i o n s e c t i o na tw h i c ht h el o c o m o t i v er u n s ) t h ea d h e s i o nc o e f f i c i e n td e c l i n e sw h i l et h e w h e e ls p e e db e c o m e sh i g h e r ，h o w e v e r ，t h ea x l el o a dh a sl e s se f f e c t e do ni t a st h e c r e e p a g ei n c r e a s e s t h ea d h e s i o nc o e f f i c i e n ti n c r e a s e sl i n e a r l yb e f o r ei tr e a c h e st h e m a x i m u mv a l u e ( s a t u r a t i o nv a l u e ) ，a f t e rw h i c ht h ec o e f f i c i e n td e c l i n e ss l i g h t l ya n d g r a d u a l l yb e c o m e ss t a b l ea t l a s t w h e nt h ec r e e p a g er e a c h st oa b o u t0 5 t h e m a x i m u ma d h e s i o nc o e f f i c i e n ta p p e a r s k e y w o r d s ：w h e e l r a i la d h e s i o n ：p a r t i a le l a s t o h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n ；m u l t i g r i d a l g o r i t h m ；r o l l i n gs p e e d ；a x l el o a d ；w a t e rc o n d i t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函，使用本授权书。 学位论文作者签名：i 燧翻似 同期：加f 口、只期：7 d i o 、谚 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 以c a r t e r 二维滚动接触理论为基础，创造性的将部分弹流润滑理论用于分析水 介质条件下的轮轨接触工况，并以p a t i r 和c h e n g 的平均流量模型建立起水介 质条件下轮轨二维粘着数值模型。在求解模型过程中，采用多重网格法对粘着 数值模型进行求解，并得到了相应的规律。体现在第2 、3 章 2 在j d 1 轮轨模拟试验机上进行了水介质条件下的轮轨粘着特性试验研究。试 验得到水介质条件下的轮轨粘着特性曲线，研究了水介质条件下轮轨粘着随着 速度的升高而下降的机理。体现在第4 章 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 、 氍下 日期：b 肜、哆，眵 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 自l8 2 5 年英国采用蒸汽机车进行客货运输以来，全世界已建成3 0 0 多万公 里的铁路，它现在依然是许多国家的主要交通工具。由于铁路运输速度快、运 量大、安全性高、准确性高、耗能少、占地少、工程投资低、舒适度高、效益 好，相对于航空和公路运输而言污染小，不受自然气候条件的严重制约，所以 铁路工业在世界运输业中具有重要的不可代替的地位。然而，随着科学技术 的进步，世界经济的迅速发展，各国铁路所面临的挑战也越来越严峻，铁路的 市场份额不断被其它交通工具占据，经济效益不断滑坡，到了2 0 世纪5 0 年代， 铁路运输业在发达国家成了夕阳产业。因此世界各国都积极更新旧铁路系统和 发展高速重载铁路以及城市快速轨道交通，特别是以日本新干线、法国t g v 和德国i c e 为代表的高速铁路投入运营以来，它以安全可靠、技术创新、优质 服务等特色为铁路运输的发展带来了新的契机，为国民经济的发展带来了巨大 动力。因此，欧洲、日本、加拿大、南非、澳大利亚、美国、韩国等发达国家 和地区，特别重视铁路相关技术问题的研究和开发，积极发展高速重载铁路和 城市轨道交通【2 】。随着中国经济的高速发展，各地的经济联系和交往越来越紧 密，铁路行业出现了新的机遇，随着高速重载铁路和城市轻轨交通的迅速发展， 其地位更显突出。我国幅员辽阔，但可用面积少，人口众多，能源和资源贫乏， 城市拥挤不堪，公路交通恶劣，更适合发展铁路轨道交通。目前由于我国经济 持续高速发展，导致铁路运力严重不足。所以，截至2 0 0 7 年我国主要干线进行 了七次大提速，1 2 0k m h 以上的线路延展里程达到2 2 万公里，其中，1 6 0k m h 以上的线路延展里程达到1 4 万公里，2 0 0k m h 以上的线路延展罩程达到6 0 0 3 公里，重载运输得到了全面发展，大秦线路大量开行l 万吨和2 万吨重载组合 列车，但这仍然不能满足我国经济快速发展的要求。2 0 0 4 年1 月，国务院讨论 并通过了中长期铁路网规划，并提出了“扩大规模，完善结构，提高质量， 快速扩充能力，迅速提高装备水平”的发展目标。明确了我国铁路网中长期建 设目标，到2 0 2 0 年，全国铁路营业里程将达到10 万公罩以上，客运专线、高 速铁路达到1 万公里，城市轨道交通达到4 0 0 0 公里左右。因此在我国乃至全世 界铁路轨道交通史中即将出现一个新的建设和运输高潮【3 1 。 众所周知，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 的粘着与蠕滑来传递的。因此，轮轨白j 的粘着蠕滑特性直接影响机车牵引和制 动控制。对高速和重载的列车，如果没有足够的粘着牵引力，其结果势必没有 足够的速度，如果轮轨间的粘着失效，会形成机车动轮空转，导致轨道擦伤， 而严重的擦伤往往是钢轨疲劳失效的重要根源之一。当列车制动时，如果轮轨 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 一i iii 一 i i 一 作用界面之日l 的粘着失效，将造成车轮滑行，形成车轮擦伤车轮擦伤不仅使 列车运行时车辆，轨道之间产生强烈的振动，轮轨日j 产生强烈的冲击噪声。而且 会导致车轮轴承、车轴和轨道的损伤，增加轮轨维护。车轮踏面擦伤也会造成 轮轨粘着效果进一步降低。我国铁路工务部门每年仅仅为了擦伤的钢轨，就要 花赞大量资金【4 l 。随着铁路运输高速、重载的深入发展轮轨相互作用愈加剧 烈，车轮以及轨道出现的破坏越来越严重。1 9 7 2 年，在美国铁路上查出近2 0 万根伤损钢轨。事实上，我国每年用于更换和维修伤损轮轨的经费达8 0 多亿人 民币。轮轨突发性破坏导致列车脱轨而造成的损失就更难统计”】。近年来随着 我国铁路运输向着高速、重载方向发展，车轮、钢轨出现的接触疲劳损伤( 图 1 一la ) 、龟裂( 图1 1 b ) 、表面剥离( 圈l 一1 c ) 、擦伤( 图l - 1 d ) 、表面塑性压溃 ( a 1 钢轨疲劳裂纹 c 1 午轮路面剥离 e 1 钢轨轨角脏溃 ( b ) 钢轨轨头龟裂 ( d ) 1 ：轮蹄面捧伤 嘲1 1 轮轨土要协损彤式 n 铡轨波浪形磨耗 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 图1 1 e ) 、钢轨波磨( 图l lf ) 等病害愈加严重，阻碍了铁路运输能力和经济 效益的提高。 随着铁路运输的迅速发展，尤其是高速、重载运输的发展以及机车技术的 进步，机车功率不断提高，轮轨间需要传递的载荷日益增加。可是高粘着水平 又伴随高蠕滑水平。而机车有效功率的充分利用，实际上受到轮轨间可能产生 的粘着水平的限制。列车实际运行经验表明：随着列车运行速度的上升，轮轨 粘着系数将有所下降，特别是轮轨间水介质的存在使得粘着系数急剧降低。由 于水介质条件下轮轨接触区的压力分布及接触斑的形状都与干态接触时的情况 不同，轮轨间的表面粗糙度、赫兹压力和滚动速度对粘着系数有重大影响。因 此，研究轮轨在水介质作用下的粘着特性很有必要。 1 2 国内外研究现状 世界各国积极发展高速重载铁路和城市轨道交通。列车的牵引、加速和制 动是靠轮轨接触斑的相互作用传递切向力来实现的，这种轮轨间的相互作用特 性称为粘着特性。“轮轨粘着是一铁路俗语，通俗一点可以将轮轨粘着力理 解为轮轨滚动过程中所产生的滚动摩擦力。对轮轨粘着问题的研究目的是掌握 轮轨滚动过程中的受力状态随车轮运动状态的变化规律，得出轮轨粘着力随蠕 滑率和运行速度的变化规律，即轮轨粘着蠕滑特性曲线( 简称粘滑特性曲线) ， 并寻找出最佳粘着点，以便进行粘着控制，充分发挥机车的牵引功率和制动功 率。高速列车和重载需要大的牵引功率和加速能力，较轻的轴重，而国外高速 铁路的应用经验是，随着速度的提高，轮轨可利用粘着系数也随之下降( 如图 2 所示) ，这是一个难以克服的矛盾。而且，从图中还可以看出，日本、法国、 美 i 嚆 奈 馨 l o o 速度k 腿“一 图2 各型高速列下利用的粘着系数 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 德国高速列车牵引计算所选用的粘着系数相差较大，但都大大低于常规铁路的 数值。 国际铁路联盟( u i c ) 研究试验局( o r e ) 为了在铁路实际应用中，研究 粘着利用和限制条件，曾于l9 6 0 l9 7 8 年问组织b 4 4 专门委员会专门探讨了影 响粘着利用的各种因素，并提出综合报告【6 】。他们除得到了上述粘着系数随速 度的增大而下降的结果外，还得到了如图3 所示的粘着蠕滑曲线带。该图形表 明，蠕滑率有一个使粘着系数达到极值的取值范围。超过该范围，粘着系数将 随蠕滑率的增大而减小。 0 5 0 4 文 齄o 3 蓐 0 2 o 1 o 0 ，! 、 么i 多厂、寸- 。厂 0 。_ 。一 i 、，。- 。 ，。 、， 么多一 i j 厂 蠕滑率( ) 1 在干燥的钢轨上；2 在潮湿的钢轨上 图3b 4 4 委员会测得的粘着蠕滑曲线带 1 2 1 国外研究现状 近二三十年来高速重载铁路在迅速发展，对轮轨间的粘着问题研究提出了 更高的要求。尤其是速度的提高，使轮轨粘着问题的研究变得更加复杂。2 0 世 纪8 0 年代后，有关轮轨粘着问题的研究工作大部分开展于日本，小部分于欧洲 和美国。同本的研究工作尤以o h y a m at a d a o 及其合作者最为出色，他们的研究 工作主要以试验为主。19 8 5 年o h y a m a 使用了比例大约1 ：2 的试验装置进行了水 污染条件下高速轮轨粘着现象研究【7 】，研究了接触表面孝且糙度、滚动速度和赫 兹压力对粘着系数的影响，结论是：( 1 ) 在有水润滑的接触表面情况下，接触 表面越光滑，粘着系数越小，且粘着系数趋近饱和( 或最大值) 时其对应蠕滑 率变化的斜率越小。其原因是接触表面越细，接触表面上水膜形成的面积越大， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 曼邑曼曼量曼舅量曼曼曼舅舅鲁曼璺曼曼i i i ；i o ii_ ；i 一i ；m l i 皇曼鲁 接触表面有水膜承受的压力比重增大，而水膜承受的切向剪切力较小，故粘着 系数较低。( 2 ) 在较细的接触表面且有水润滑情况下，h e r t z 接触压力越大，粘 着系数越大，但对较粗糙的接触表面情况则相反。这是因为较光滑的接触表面 水膜厚度受高h e r t z 压力作用而减小甚至遭到破坏，固体接触表面面积增大，固 体接触部分所承受的压力增大，这部分切向摩擦力增大，粘着系数增大，但在 有水润滑的情况下，在较粗糙的接触表面上，由于h e r t z 峰值的峰值变形大，可 能发生塑性变形，峰值接触面剪切能力降低，在这一过程中又伴随水膜所承受 法向载荷的面积增大，水膜切向摩擦力较小。( 3 ) 在接触表面粗糙度不变且有 水润滑的情况下，滚动速度越高，粘着系数越低，其原因是随着滚动速度增加， 水膜厚度增加1 8 ，】，他的试验研究所得到的结论充分解释了2 0 世纪7 0 年代日本 s h i n k a n s e n 高速铁路车辆踏面采用特殊复合材料摩擦块，由此产生金属磨粒 来改善潮湿条件下接触表面的粗糙度，从而提高轮轨之间粘着和减小踏面磨损 的说法。后来o h y a m a 和他的合作者分别用大型尺寸试验装置研究了接触表面在 干洁状态和用小型尺寸试验装置研究了在石蜡污染状念下的高速粘着现象，以 及现场粘着系数试验实测【lo ，1 1 】。结论是：( 1 ) 在干洁接触表面状态下，随着速 度提高，测得的粘着系数较分散，没有下降的趋势，在有少量石蜡污染的情况 下，粘着系数下降到0 1 以下，但速度对粘着系数没有影响：( 2 ) 在s h i n k a n s e n 高速线路上，通过洒水和对不同的车型进行粘着系数测量试验，得到粘 着系数随着车运行速度的提高而下降的趋势是一样的。他又进行了室内动静摩 擦系数的粘滑试验，发现在液态石蜡污染的钢轨材料的接触表面上，静摩擦系 数大约为0 3 0 4 5 ，接触表面相对滑动速度为3 0m m s 时其动摩擦系数大约为 o 1 。h e r t z 接触压力由4 0 0m p a 增大到6 0 0m p a 时，摩擦系数有较小的下降趋势。 当滑动速度由0 增加到3 0m m s 时，动摩擦系数有明显下降趋势，但当滑动速度 超过3 0m m s 时，摩擦系数趋于稳定，该值作为动摩擦系数。对于干洁表面和水 润滑表面情况，随着滑动速度的增加，摩擦系数一直在下降，而不趋于确定值， 这和b o c h e t 试验研究的结果是相同的。19 8 9 年日本n a g a s ek 设计特殊转向架装 于列车上进行了轮轨接触表面多种工况下的现场试验，试验分别在东京j r y a m a n o t e 环行线和同本北部地区t o h o k t r u n k 等线上进行【l 引，得到的结论是：( 1 ) 在干燥的气候下，主干线的粘着系数最大值随路面状况变化，变化范围大约在 3 lo 之间；( 2 ) 干洁的轨面，粘着系数不受列车运行速度的影响；( 3 ) 雨 天情况，粘着系数大幅度下降，且滚动速度越高，粘着系数越小；( 4 ) 霜冻使 粘着系数大大降低；( 5 ) 钢轨表面上影响粘着系数的有害物质主要是油、泥土、 树叶等。大山忠夫【l3 j 认为在水介质条件下，轮轨表面存在粗糙度，即有微小凸 起，那么，实际的接触发生在微小凸起部分，这是形成真实接触面的f j 提。而 摩擦力即粘着力是由微小凸起部分的弹性或塑性变形而产生的。所以，实际接 触面的减小使粘着力下降。当车轮在轨道上高速旋转时，由于水的渗透而进入 接触面。在滚动接触部分形成水膜，高压流体分担了接触载荷在，由于水膜分 担了部分载荷，减少了接触面微小凸起部分的载荷，从而减小了切线方向所传 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 皇曼曼曼鲁曼曼曼曼 i_i_i i 曼蔓! 皇曼曼曼 递的力，即粘着力。k o a n s o kb a e k 等 j 4 , 1 s 】通过两圆盘模拟轮轨接触方式研究了 轮轨在干燥和湿润条件下处于低蠕滑和低滚动速度状态时的瞬时牵引特性，他 们采用了瞬时牵引系数和滑动距离来研究瞬时牵引特性，他们研究了干态和湿 润条件下滚动速度、接触压力、蠕滑率对瞬时牵引特性的影响。h c h e n 等【1 6 , 1 7 】 认为在水介质条件下，轮轨之间的接触处于部分膜润滑摩擦状态，他们建立水 介质条件下轮轨接触二维部分弹性流体动力润滑模型对影响粘着特性的参数 如：滚动速度、轮轨接触压力、轮轨表面粗糙度、水温作了系统研究，他们研 究的结果是：( 1 ) 在速度低于2 0 0k m h 时，轴重对粘着系数的影响不大，但是 在高于2 0 0k m h 时，随着轴重的增加，粘着系数有所上升；( 2 ) 速度是影响粘 着下降的主要因素，随着速度的上升，粘着系数急剧下降；( 3 ) 粘着系数随着 轮轨表面粗糙度的降低而降低，说明一定的轮轨表面粗糙度对提高粘着水平是 有利的；( 4 ) 在相同工况下，粘着系数随着水介质温度的升高而升高。随后h c h e n 等i i8 】又利用p a t i r 和c h e n g 的平均流量模型建立水介质条件下部分弹流三维 数值分析模型进一步研究滚动速度、轴重、轮轨表面粗糙度、表面粗糙度纹理 方向、水温对粘着的影响，所得到的结果比二维模型所得到的值更接近于现场 测试，他们还发现粗糙度纹理方向对轮轨的粘着系数影响也较大，其纵向条纹 有助于提高粘着系数，而横向条纹使得粘着系数降低。h c h e n 等【l9 】又通过圆 盘对滚试验研究了水介质条件下轮轨表面粗糙度和水温对粘着的影响。他们得 出的试验结论是：( 1 ) 在相同速度下，粘着系数随着水介质温度的升高而升高； ( 2 ) 在相同速度下，粘着系数随着表面粗糙度的增加而增加；( 3 ) 相同表面粗 糙度下，粘着系数随着速度的上升而下降；( 4 ) 在运行工况相同情况下，横向 纹理的粗糙表面比纵向纹理的粗糙表面的粘着系数大。 法国是世界上发展高速铁路最早的国家之一，在轮轨粘着方面作了了不少 研究。法国国铁( s n c f ) 在实际线路上进行了粘着系数随列车速度变化的关系 曲线的测定 2 们，他们试验分析结果看，即使在干态表面下，列车速度由3 0k m h 增大到2 0 0k m h 时，粘着系数由0 3 降到0 18 ，车轮的滚动速度对粘着系数影响 十分大。这和日本人室内和室外试验所得的结论相反，这样就很难判断谁的结 论正确。因在干态状况下，轮轨粘着试验中测得数据相对分散，这是大家共同 遇到的问题，包括k u m a rs 等人的研究工作【2 1 1 。干态钢轨表面情况下，车速是 否对粘着有影响，仍需要进一步研究，不可以用实验室的试验完全代替现场试 验，因为实验室试验除了不能完全模拟现场环境外，有转动的轨轮代替几乎静 止的钢轨这和实际轮轮滚动接触是有区别的。从蠕滑理论观点看，粘着系数和 轮轨接触表面的滑差是紧密相关的，在粘着系数达到最大值之前，若滑差为一 定值，车速越高，则接触斑上的蠕滑率越小，轮轨接触斑上纵向切向蠕滑力也 越小，则粘着系数越小。当接触斑进入饱和状念后，随接触斑滑差增大，由前 面所述的结论可知，在干态或水润滑状态下，接触斑的摩擦系数都要下降，切 向摩擦力下降，则粘着系数下降，此时当滑差一定时，随着速度提高，则接触 斑刚件蠕滑率下降，蠕滑力会回升，粘着系数也会回升。所以粘着系数对应轮 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 轨速差曲线在饱和之后那段曲线下降的坡度随速度的提高而变得平缓；当蠕滑 率一定时，车轮滚动速度越高，则接触斑质点对相对滑动速度越大，摩擦系数 必然降低，则粘着系数将会降低。 荷兰的o s c a ra r i a s c u e v a s 等【2 2 】通过了圆盘对滚模拟实验开展了轮轨接触 表面在树叶污染的情况下通过撒砂及砂粒颗粒大小对增加粘着的研究，他们得 到的结论是：( 1 ) 撒砂能很快将轮轨接触表面上的树叶层去掉，并能增加粘着； ( 2 ) 较大砂粒颗粒和高的轮轨蠕滑率会获得较高的粘着系数；( 3 ) 较大的砂粒 和高的蠕滑率会导致轮轨接触表面的加工硬化。 美国的k u m a rs 和他的合作者在近二十年来发表的多篇文章中 2 3 , 2 4 ，报道 了他们对轮轨粘着和相关问题的研究工作。 1 2 2 国内研究现状 随着我国经济持续高速发展，主要铁路干线已经进行了七次大提速。随着 列车速度的提高、轴重的增大、运输任务越来越重，轮轨之间需要传递的牵引 力也越来越大，迫切需要展开轮轨粘着的研究，其中水介质条件下粘着特性研 究也是黏着研究中的重要组成部分，我国铁道科学院开展了对影响轮轨粘着因 素的理论和试验研究，但是大部分都是关于干洁状态下的轮轨粘着研究。孙琼 等 2 5 , 2 6 】将微观摩擦学和轮轨滚动接触理论创造性地结合在一起，建立了轮轨粘 着的微观研究模型，其研究表明：( 1 ) 轮轨接触表面之间的摩擦系数随列车速 度和蠕滑率的增大而下降是产生“驼峰”轮轨粘滑特性曲线的直接原因，也是 粘着系数随列车运行速度的提高而下降的主要原因；( 2 ) 摩擦发生在接触表面 薄层，而接触温升正是使表面层的物理性能发生改变，从而改变摩擦系数轮轨 接触温度对轮轨，接触表面之间的摩擦系数影响很大，当轮轨之间的粘着系数 增大时，轮轨之间的接触温度会升高，这样又会导致轮轨之间的粘着系数减小， 而粘着系数减小时会导致轮轨接触温度降低，接触温度降低又会导致粘着系数 增加，因此认为粘着系数和轮轨接触温度之间有耦合关系；( 3 ) 轮轨接触振动 使轮轨法向接触力变小，会导致轮轨粘着力下降。他们还研究了表面粗糙度、 接触温度和接触振动对粘着的影响，他们研究的结论是：( 1 ) 在干态情况下增 大轴重，粘着系数有所下降。起原因和o h y a m a 于l9 8 5 年研究的结论相同，即 粗糙表面的峰值变形较大而导致抗剪切强度降低，但轮轨的牵引力任然增大； ( 2 ) 增大机车车轮的直径，轮轨粘着系数会上升，这是因为接触表面面积增大， 赫兹接触应力减小，粗糙表面上峰顶承受的压力较小、变形小或承受压力的固 体粗糙峰不易进入塑性变形，峰部所承受的切向力较大；( 3 ) 增粘块的使用可 提高粘着系数。其原因是增粘剂改变了接触表面粗糙度，增大了摩擦系数；( 4 ) 轨道曲线半径越小，轮轨间的冲角越大，粘着系数越小，这是因为较大的冲角 ( 或轮对摇头角) 势必导致轮轨之间的横向蠕滑力增大，横向速度滑差增大， 不仅降低了摩擦系数，而且分解了接触斑上的总的摩擦力。陈厚嫦等【2 7 , 2 8 建立 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 了函数型摩擦系数滚动接触理论，认为在蠕滑区内不同的接触质点对之间的相 对滑动不同，根据b o c h e t 2 9 1 的研究，动摩擦系数是关于滑动速度的函数，因此 在蠕滑区内各点的动摩擦系数都不相同，他们把蠕滑区划分成若干小的区域， 在不同的小区域内有不同的动摩擦系数，而在每个小区域内用统一的动摩擦系 数进行计算，这样他们得到一个关于滑动速度的函数型摩擦系数滚动接触模型， 并用此摩擦模型对c o n t a c t 程序进行改进计算，得到了各种工况下的蠕滑力 蠕滑率曲线，他们研究结果表明，相对滑动速度对动摩擦系数的影响导致蠕滑 力蠕滑率曲线出现峰值，随后随着蠕滑率的进一步增大而下降以及粘着系数随 速度的增大而下降。西南交通大学对轮轨粘着进行了大量研究，由于轮轨粘着 受到轮重、轮径、轮轨表面状态、线路不平顺、轮轨冲角以及轮轨的扭转振动 的影响，孙翔【3 0 】认为要提高机车粘着水平，必须对机车进行系统设计，首先是 提高轮轨固有频率特征，这包括改善轮轨接触、均化轮轨负载、减小曲线上的 轮对冲角，其次是改善系统动态特征，这包括机车具有良好的控制特征、良好 的驱动系统稳定性以及良好的牵引系统稳定性。西南交通大学牵引动力国家重 点实验室开展了高速轮轨粘着机理方面的研究，杨翊仁【3 l 】等进行了轮轨界面水 介质存在情况下的数值仿真研究，轮轨之间在有水膜存在的情况下，接触区的 压力分布及表面形状都与干态接触时的情况不同。由于轮轨表面较粗糙，且接 触载荷较大，所以轮轨水介质接触一般处于部分膜润滑状念。张卫华等1 3 2 , 3 3 】 进行了原型尺寸高速轮轨粘着试验研究以及水介质条件下的轮轨粘着特性试验 研究，他们在西南交通大学的牵引滚动振动试验台上所进行了1 ：1 实物模型高 速轮轨粘着机理试验研究，试验包括干净表面、水润滑和油润滑三种轮轨表面 状态在不同轴重、不同速度工况下的粘着试验。试验不仅得到了完整的粘着力 ( 粘着系数) 与蠕滑率的关系，同时得到了粘着系数与运行速度的关系。最后， 通过拟合轮轨接触函数型摩擦系数并进行计算，首次使轮轨接触粘着计算与试 验结果一致。 1 3 论文主要工作 随着铁路运输的迅速发展，尤其是高速、重载运输的发展以及机车技术的 进步，机车功率不断提高，轮轨间需要传递的载荷同益增加，而高粘着水平又 伴随高蠕滑水平。而机车有效功率的充分利用，实际上受到轮轨问可能产生的 粘着水平的限制。列车实际运行经验表明：随着列车运行速度的上升，轮轨粘 着系数将有所下降，特别是轮轨间水介质的存在使得粘着系数急剧降低。本文 主要以c a r t e r 的二维滚滚接触理论和粗糙面间的稳态弹流理论为基础，应用数 值方法对水介质条件下轮轨粘着下降机理进行研究，通过分析滚动速度、轴重、 蠕滑率对粘着的影响，找出水介质条件下轮轨粘着的规律，并在j d 1 轮轨模拟 试验机上研究了水介质条件下轮轨粘着特性的研究，得到了一定的规律。本文 论文的主要内容如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 皇曼曼量皇曼鲁皇曼皇ii li 一一li oo i i i 曼舅蔓皇曼 第1 章简要阐述论文的研究主题、背景和意义，明确论文所做的主要工作， 简要介绍论文的章节安排。 第2 章根据c a r t e r 二维滚动接触理论、直线轨道上轮轨滚动接触蠕滑理论以 及粗糙面间的稳态部分弹流理论建立水介质条件下轮轨粘着数值模型。 第3 章根据弹流理论对数值模型进行分析处理，并选取多重网格法对水介 质条件下的粘着数值模型进行求解，对影响粘着下降的主要因素速度和轴重进 行了分析。 第4 章对水介质条件轮轨粘着进行了试验研究，在j d 1 轮轨模拟试验机上 研究了水介质条件下轮轨粘着特性，得到了一定的规律。 最后，总结本论文的研究工作，给出研究成果和结论，并指出在今后的研 究中仍需进行的工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 第2 章水介质条件下轮轨粘着数值分析模型 在轮轨关系问题的研究中，轮轨粘着问题是以轮轨滚动接触蠕滑率力关系 理论为基础的。轮轨蠕滑理论作为车辆动力学的基础理论，首先由f w c a r t e r 3 4 】 在l9 2 6 年提出蠕滑的概念，给出了两平行同质圆柱体之间的纵向蠕滑力和纵向 蠕滑率之问的非线性关系。l9 6 4 年k l j o h n s o n 和p j v e r m e u l e n 】对c a r t e r 的 工作进行了拓展，提出了接触面是椭圆、蠕滑率任意的纵、横向蠕滑系数计算 公式，但仍没有考虑轮踏面的锥度。1 9 6 7 年j j k a l k e r 3 6 】运用三维弹性体理论， 使轮轨蠕滑理论提升到了实用阶段，提出了三维( 纵向、横向和回旋) 蠕滑理 论，蠕滑力与蠕滑率的关系是非线性的。其后编制了非线性的d u v o r o l 计算 机程序和简化的f a s t s i m 计算机程序【37 1 ，以及线性理论的计算公式【3 引，在8 0 年代至9 0 年代又推出了采用精确弹性理论的计算机程序c o n t a c t 和u s e t a b 数表【39 1 。z y s h e n 和j k h e d r i c k 等人又根据以上理论在1 9 8 3 年提出了实用的 计算机公式化近似算法【4 0 1 。近年来又提出了复椭圆的非赫兹接触理论【4 1 1 。由于 水介质条件下轮轨接触区的压力分布及接触斑的形状都与干态接触时的情况不 同，轮轨问的表面粗糙度、h e r t z 压力和滚动速度对粘着系数有重大影响，在水 介质条件下，轮轨之间的粘着会受到轮轨之问水膜厚度的影响，要分析水膜的 影响还得将流体动力润滑理论加入到数值模型分析中。 2 1 基于c a r t e r 的二维滚动接触理论 英国学者c a r t e rf w 于19 2 6 年发表的论机车动轮的行为 3 4 1 的论文。 在他的研究中，将车轮和钢轨间发生是滚动接触模拟成两圆柱的滚动接触。当 模拟钢轨圆柱的半径趋于无穷大时，则轮和钢轨之间的关系看成圆柱在无限半 空间弹性体表面上滚动，如图2 1 所示，图中易是轮轨的载荷，是车轮的滚 动半径，v 0 是车轮滚动速度。接触斑中所受的压力分布有h e r t z 理论4 2 1 给出： j c 3 g 八 l d i 1 钢轨v五 钐黝； , 4 6 z ， 一厂 0l a 互 丫 6 x 2 一_ 、x， - c l缓覆口 j 1 缓缓