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滚动速度对轮/轨接触面横向附着力的影响

摘 要

滚动接触两盘试验台用于测量干湿条件下的横向附着率，结果表明，在添加水后，横向附着率降低。对于大迎角下的低速，此效果尤为明显，减速率几乎高达50％。相反，在高速下水的添加对横向附着率的影响几乎可以忽略。在这项研究中，还研究了在干燥和潮湿条件下，滚动速度对横向附着率的影响。发现在干燥条件下，横向附着率随滚动速度而降低；加水后，测量结果显示相反的趋势。此外，基于先前的模型和实验测量结果，建立了轮/轨接触力学模型。使用该模型，模拟的摩擦蠕滑曲线随着滚动速度的增加而下滑。与以前的数学模型相比，该理论模型与各种滚动速度下测得的横向附着率的相关性得到了很大改善。

关键词：横向附着率，滚动速度，干燥条件，湿润条件，摩擦蠕滑曲线

目 录

第1章 绪论 5

第2章 研究方法 7

2.1 实验方法 7

2.2 理论方法 9

第3章 结果 12

第4章 讨论 15

第5章 结论 17

参考文献 18

致 谢 19

第1章 绪论

当前，在轨道中弯道发生的出轨事故较多，原因是车轮与轨道之间的横向附着力不足以保持从轨道弯道进入轨道直线部分时列车的惯性。因此，有必要研究轨道弯曲时车轮与轨道之间的接触机理。轮轨之间的附着力不仅影响铁路车辆的行驶稳定性和安全性，而且还会影响轮轨的波纹和磨损。对于铁路行业，接触点可能存在第三种物体，例如碎屑、铁锈、树叶和水。为了与在理想条件下测得的摩擦力区分开，通常将车轮和钢轨之间的测量值称为附着率。正常情况下，车轮与导轨之间的附着率非常稳定，但在潮湿条件下有时会不足。这是影响火车运行的一个重要因素，因为当水与固体磨损碎屑或铁锈混合时，附着率会减少很多^[1]。在实验测量中，发现干燥接触的附着系数约为0.45，潮湿接触的附着系数约为0.2 ^[2]。其他一些测量也发现，在潮湿条件下车轮和钢轨之间的边界摩擦系数估计在0.2-0.45的范围内^[3]。根据参考文献^[2]中提供的说明，这些测量值均高于0.2，因此它们不属于低摩擦条件。在现场试验中注意到，纵向附着率随滚动速度的降低而降低^[4]。在两盘试验台上进行了更详细的实验室实验^[5]，也显示出纵向附着率随滚动速度而降低。在潮湿条件下，发现车轮和钢轨之间的附着系数随着潮湿条件下行驶速度的增加而降低^[5]。后来，从另外两台圆盘试验台上获得了相似的测量结果^[6]，支持了纵向附着率随滚动速度降低的结论。然后，使用旋转钢球与旋转钢盘接触研究了干、湿条件下滚动速度对附着率的影响^[7]，发现在干、湿两种情况下，附着率均随滚动速度下降而降低，并在纵向上处于潮湿状态。然而，尚未详细研究在湿润条件下滚动速度对横向附着率的影响。

弯道接触力学的研究已经深入进行，因为它与弯道啸叫、波磨和轨道磨损有关。数十年来已经发展了相关理论来描述滚动接触中的力和蠕滑条件。在早期，Kalker ^[8]提出了一种关于滚动接触中接触力的描述。Johnson ^[9]和Kalker ^[10,11]在三个维度上进一步发展了接触理论。除了上面介绍的模型外，Polach的非线性蠕滑力模型也是基于Kalker理论，该模型可以在纵向条件下模拟各种车轮/轨道接触条件^[12]。基于Polach模型，最近开发了一种水诱导的低附着力蠕滑力模型，以描述在干燥和潮湿条件下的轮/轨附着力^[13]。实际上，如Kraft^[14]所说，摩擦系数与速度相关。为了包括滚动速度对附着率的影响，De Beer等人^[15]将该模型与Shen等人的模型集成^[16]，并开发了更复杂的模型。通常认为，轮轨之间的摩擦力是与蠕滑有关的，摩擦和蠕滑之间的关系可以用图1所示的曲线来描述。在滚动接触中，牵引力与正向爬坡的蠕滑是成比例地增长的曲线，并且当蠕滑距离达到临界值zeta;c时达到最大值。除了临界蠕滑距离zeta;c以外，全滑动是车轮和轨道之间的主要运动，并且摩擦蠕滑曲线显示出随着蠕滑距离的增加而具有负斜率特性。

通过测量纵向方向的附着率，可以发现随着接触压力的增加，最大牵引系数保持不变^[17]。近来，相关研究发现，当轮和轨的表面粗糙度较大时，随着高速车轴载荷的减小，附着系数呈现出增加的趋势。同时，如果表面粗糙度小，则附着系数呈现下降趋势^[18]。但是，对于横向附着比，在建模或测量中通常不考虑粗糙度和法向载荷的影响^[15]。为了确保轮子之间的接触条件尽可能符合在平滑运行条件下的滚动接触理论中所作的假设，在横向附着率的测量和建模中也忽略了粗糙度的影响^[19]。该模型还被应用于最近进行的车轮啸叫研究^[20]。该模型是否可以充分描述滚动速度对附着率的影响，尚未进行详细研究。

为了完成以上总结的两个研究，本项研究测量了在干燥和潮湿条件下不同的滚动速度的横向附着比。此外，将使用轮/轨接触力学的当前模型在横向方向上模拟的摩擦蠕滑曲线与实验测量值进行了比较。对于本研究，下一章将提供有关研究方法的介绍。

图1 轮轨接触的摩擦蠕滑曲线，P：正斜率区域，N：负斜率区域

第2章 研究方法

本章将分别介绍在这项研究中的实验分析和数值分析。

2.1 实验方法

在这项研究中，使用滚动接触两盘试验台来研究潮湿条件下滚动接触的摩擦特性。图2（a）展示了该试验台的主要组成部分。可以调节图2（b）中标记的上下轮之间的迎角theta;，以模拟轮的滚动方向和钢轨的切线方向之间未对准的情况。

（a）

（b）

图2 两盘式试验台滚动接触（a）试验台的正视图（b）攻角和注水示意图。

如图2（b）所示，水滴落在下轮的左侧。在实验中，每秒使用2滴，约0.1 ml / s。从图2（b）中可以看出，喷嘴位于接触点的后面，足以保持车轮胎面湿润。如果将喷嘴放在接触点之前，则可能会涉及到流体力学的影响，这不是本研究打算研究的范围。鉴于仅需在潮湿条件下进行检查，适当的位置应在接触点之后。基于惠斯通电桥的全桥配置，将应变仪应用于测试设备。此配置由四个应变仪元件组成，其中两个以弯曲应变的方向安装在板簧的顶部，另外两个安装在相对的一侧。这种配置提供了最大的弯曲应变输出，而忽略了轴向应变和板簧的扭曲，从而可以将测量中的噪声降至最低，并补偿对传感元件电阻的热效应。这种接触力测量方法的可行性已经用有限元方法研究^[21]。有限元分析结果表明，竖向力W使外板簧和内板簧均匀变形，施加在上轮边缘的侧向力Q增大了外板簧的变形而减小了内板簧的变形，可以通过图2（b）所示的应变仪电桥S₁，S₂，S₃和S₄进行测量。表1列出了车轮的直径以及其他一些相关参数，参考文献中介绍了有关测量方法的更多介绍^[22]。在实验过程中，如表1所示，将试验台调整到特定的迎角。通过在这些迎角下进行测量，足以获取摩擦蠕滑曲线。对于每个迎角，都以200、400和600 RPM的滚动速度测量接触力，分别代表低速，中速和高速。由于在不同的滚动速度下同时测量了横向力和法向载荷，因此可以可靠地获得附着率。在干燥条件下，测量各滚动速度下的横向附着率三次。之后，将水滴在下轮的表面上，并且在湿润条件下测量每个滚动速度下的横向附着率三次。

对于环境条件，温度和湿度不是刻意控制的，因此在本研究中忽略了温度和湿度的影响。温度仅是室温，湿度仅是室内的湿度，考虑到测试时间不长，它们的变化不大。至于粗糙度的影响，本研究也不包括在内。实际上，由于两个轮子之间的恒定滑动，接触点相当平滑，其速度等于滚动速度和攻角的乘积。对于600 RPM的情况，横向滑动速度最高为0.3 m/s，因为是横向滑动，故接触点相当平滑。因此，粗糙度的影响作为以前的相关研究^[15,19]不包括在本研究中。

表1 试验台参数

2.2 理论方法

在这项研究中，基于Johnson和Kalker的模型，通过对迎角，滚动速度和接触条件的影响进行了分析，从而对横向接触力学进行了建模。滚动接触中与蠕滑有关的横向附着比mu;（zeta;）定义为横向力与法向力之比，可以表示为：

其中，横向蠕滑率zeta;定义为车轮/钢轨横向相对速度V_rel除以正向滚动速度V₀ ^[23]。

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