时速400 km轮轨制动大蠕滑黏着试验研究（三）——水介质条件下制动黏着系数

Experimental Study on Large Creepage Adhesion of Wheel/Rail Braking at 400 km · h ^－1 (Ⅲ)—Braking Adhesion Coefficient in Water Medium

摘要

虽然对200~400 km · h^－1速度范围内轮轨黏着再上升特性已有一定认识，但对不同速度和黏着阶段轮轨黏着力系数极大值（黏着系数）的分布规律仍不明确，认识的不足制约了400 km · h^－1速度等级列车制动黏着效率的提升。通过进行1∶1高速轮轨关系试验台系统试验，研究50~440 km · h^－1速度范围内轮轨间水介质条件下轮轨制动大蠕滑黏着系数的分布。结果表明：在制动大蠕滑率加载过程中，出现的第1个峰值点（A点）的制动黏着系数与牵引黏着系数之间存在一致性，出现的第2个峰值点（B点）的制动黏着系数约为A点的2~3倍，并随速度的增加呈近似线性减小的趋势；在制动大蠕滑率卸载过程中，出现的第3个峰值点（C点）的制动黏着系数显著高于B点，高出约1倍，并在300~440 km · h^－1速度范围内随速度的增加而减小，C点处优异的制动黏着性能对提高列车的制动性能和稳定性起到了关键作用；轮轨低粗糙度接触表面在水介质条件下，制动黏着系数较中等粗糙度时低，且在大蠕滑率卸载过程中较难出现“卸载峰”（C点），将会显著影响列车的制动效率和安全性能。

Abstract

Although preliminary understanding of the wheel/rail adhesion re-rising characteristics in the speed range of 200-400 km/h has been achieved, the distribution law of the maximum wheel-rail adhesion force coefficient (adhesion coefficient) at different speeds and adhesion stages remains unclear, limiting the improvement of the train braking adhesion efficiency at the 400 km/h speed level. Using a 1∶1 scale high-speed wheel-rail test rig, the distribution of the wheel-rail adhesion coefficient during large-slip braking under water-mediated conditions was obtained for speeds ranging from 50 to 440 km/h. The results show that: a consistency exists between the braking adhesion coefficient at the first peak (point A) and the traction adhesion coefficient during large-slip loading; the braking adhesion coefficient at the second peak (point B) is approximately 2-3 times that of point A, and exhibits a near-linear decreasing trend with increasing speed; the braking adhesion coefficient at the third peak (point C) appearing during large-slip unloading is significantly higher than that of point B, exceeding it by approximately 1 time, and decreases with increasing speed in the range of 300-440 km/h. The superior adhesion performance at point C plays a key role in improving train braking performance and stability. Under low roughness wheel-rail contact surfaces and water-mediated conditions, the braking adhesion coefficient is lower than that under medium roughness conditions, and the "unloading peak" (point C) is less likely to appear during large-slip unloading, which will significantly affect train braking efficiency and safety.

Graphical abstract

关键词

黏着再上升 / 加卸载控制 / 蠕滑率保持 / 表面粗糙度 / 黏着力系数

Key words

Adhesion re-rising / Loading and unloading control / Maintaining creepage / Surface roughness / Adhesion force coefficient

黏着系数是评估轮轨接触界面最大切向载荷传递能力的关键参数，根据轮轨间的相互作用机制和黏着利用方式的差异分为牵引黏着系数和制动黏着系数。我国通过线路试验，获取了中国普速列车在干轨和湿轨上的黏着系数^［1］。此外，基于各国高速铁路系统的特性和黏着利用策略，日本、法国和德国等国家通过试验研究形成了各自的黏着系数分布图^［2-3］。采用中国铁道科学研究院集团有限公司（CARS）全尺寸高速轮轨关系试验台，获得了水介质条件下时速400 km速度级内车轮表面在低、中、高粗糙度水平时牵引黏着系数（小蠕滑范围内）随速度变化的规律^［4-5］，结果表明轮轨牵引黏着系数随速度的增加而减小。然而，这些研究主要集中在小蠕滑状态下的黏着系数。

为了提升时速400 km动车组的制动性能，研究时速400 km及以上条件下轮轨制动黏着系数至关重要。在潮湿轨面上制动黏着系数的下降与黏着利用率需求间存在冲突。先前研究中，包括法国的国家铁路公司（SNCF）的线路试验^［6］和CARS的1∶1高速轮轨试验^［7］，均观察到湿轨大蠕滑黏着力系数再上升现象。CARS的研究已扩展至速度400 km · h^－1，探讨不同蠕滑率控制对黏着特性的影响^［8］，结果表明200和300 km · h^－1速度时在黏着再上升阶段直接加卸载或保持蠕滑率控制均可引发黏着力系数上升和“卸载峰”出现，而在400 km · h^－1速度且纵向蠕滑率约为12.5%时更易诱发黏着力系数再上升。这些发现对时速400 km动车组在高速运行下制动黏着利用的提高具有重要意义。然而，不同速度下黏着力系数极大值点的分布规律尚不明确，尤其是对时速400 km及以上极端条件下的研究尚不充分。

本文旨在通过试验方法，探究在水介质条件下时速400 km轮轨制动黏着系数的变化规律，以填补现有研究的空白，并为高速列车制动黏着利用策略的制定提供理论依据和技术支持。

1 高速轮轨水介质条件下纵向蠕滑控制黏着试验方法及设计

采用CARS的全尺寸高速轮轨关系试验台，在轮轨界面喷水条件下开展制动大蠕滑黏着试验，试验装置的安装方式、基本条件、试验步骤以及纵向蠕滑率的直接加卸载控制模式和4 s保持控制模式与文献［7-8］所描述一致。轮轨纵向蠕滑率及黏着力系数的详细定义及描述可参见文献［7］。

2 轮轨接触表面中等粗糙度水平下制动大蠕滑黏着系数试验结果

2.1　纵向蠕滑率直接加卸载控制模式下黏着特性曲线

在轮轨间水介质条件和轮轨接触表面中等粗糙度水平（R_a为0.40~0.60 µm）下，进行50~440 km · h^－1速度范围内多个速度级、纵向蠕滑率为20%加卸载控制模式下的制动黏着试验，得到制动大蠕滑黏着特性曲线如图1所示。由图1得到如下结果。

（1）50 km · h^－1速度时，纵向蠕滑率加载过程中，制动黏着力系数在低蠕滑率（<0.5%）时随纵向蠕滑率呈线性增大，至0.6%时达初峰值A点（0.122），纵向蠕滑率增至2.8%时降至低点，再随纵向蠕滑率增至20%时缓升；卸载过程中，制动黏着力系数随纵向蠕滑率由20%降至7%缓增至“卸载峰”C点峰值（0.25），后随纵向蠕滑率减至<0.25%时快速减小。

（2）100 km · h^－1速度时的制动大蠕滑黏着特性曲线与50 km · h^－1速度时类似；纵向蠕滑率加载过程中，黏着力系数在A点为0.121，并在达到20%的最大纵向蠕滑率（加卸载转折点）过程中未出现第2个峰值点B；卸载过程中，C点的黏着力系数为0.242。150 km · h^－1速度时的制动大蠕滑黏着特性曲线也有类似的结果。

（3）200 km · h^－1速度时，在纵向蠕滑率加载过程中，A点的黏着力系数为0.077，达到20%最大纵向蠕滑率时未出现第2个峰值点B；在卸载过程中，C点的黏着力系数为0.213。

（4）250 km · h^－1速度时，在纵向蠕滑率加载过程中，A点的黏着力系数为0.063，并在达到20%最大纵向蠕滑率过程中出现明显的第2个峰值点B，其黏着力系数为0.156；在卸载过程中，C点的黏着力系数为0.221。

（5）300 km · h^－1速度时，加载过程的A点黏着力系数为0.048，在达到20%最大纵向蠕滑率过程中出现明显的第2个峰值点B，其黏着力系数为0.113；卸载过程中，C点的黏着力系数为0.142。

（6）350 km · h^－1速度时，纵向蠕滑率加载过程中A点的黏着力系数为0.045，在达到20%最大纵向蠕滑率时出现了明显的第2个峰值点B，其黏着力系数为0.115；卸载过程中，未出现黏着力系数上升的“卸载峰”。

（7）400 km · h^－1速度时的制动大蠕滑黏着特性曲线与350 km · h^－1速度时的类似；在纵向蠕滑率加载过程，A点的黏着力系数为0.051，加载到最大纵向蠕滑率20%时出现了明显的第2个峰值点B，此处的黏着力系数为0.072；在纵向蠕滑率卸载过程中，没有出现黏着力系数上升的“卸载峰”。

从图1中可以看出：在轮轨间水介质条件下，在纵向蠕滑率0%~20%的加卸载过程中，50~200 km · h^－1速度范围内有黏着的再上升过程，但都没有出现第2个峰值点B，在纵向蠕滑率卸载过程中都出现了“卸载峰”点C；在250和300 km · h^－1速度时既出现了第2个峰值点，也出现了“卸载峰”；在350 km · h^－1和400 km · h^－1速度时都出现了第2个峰值点，但很难出现“卸载峰”。

2.2　12%纵向蠕滑率保持4 s控制模式下黏着特性曲线

在轮轨间水介质条件和轮轨接触表面中等粗糙度水平（R_a为0.40~0.60 µm）下，得到350~440 km · h^－1速度范围内不同速度级、12%纵向蠕滑率保持4 s控制模式下的黏着特性曲线如图2所示。由图2得到如下结果。

（1）时速350 km工况下，黏着特性曲线具有以下显著特征：在12%纵向蠕滑率下，黏着力系数处于再上升阶段；在4 s的维持时间内，黏着力系数从0.111增大至0.126，呈现约13.5%的增幅；随后，在纵向蠕滑率卸载阶段，随着纵向蠕滑率的逐渐减小，黏着力系数出现再次上升的趋势，直至纵向蠕滑率下降至约4.0%时黏着力系数达到卸载阶段的极大值（“卸载峰”），此时的黏着力系数达到0.181，较图1（g）中B点的黏着力系数高出约60%。

（2）时速380 km工况下，黏着特性曲线呈现的显著特征与时速350 km时的结果相似，即在12%的纵向蠕滑率下，黏着力系数处于增大阶段；在保持4 s的时间内，黏着力系数从0.064增大至0.100，表现出约56%的显著增长。随后，在纵向蠕滑率卸载阶段，随着纵向蠕滑率的降低至约4.0%，黏着力系数达到了“卸载峰”，此处黏着力系数为0.152。

（3）时速400 km工况下，黏着特性曲线与时速350 km时的结果相似，即在12%纵向蠕滑率保持4 s的时间内黏着力系数从0.050增大至0.093；在纵向蠕滑率卸载阶段，当纵向蠕滑率减至约4.2%时黏着力系数达到了“卸载峰”，此时的黏着力系数为0.142，相较于图1（h）中B点的黏着力系数高出约94%。

（4）时速420 km工况下，黏着特性曲线与时速400 km时的结果相似，即在保持4 s的时间内黏着力系数从0.032增大至0.071；在随后的纵向蠕滑率卸载阶段，当纵向蠕滑率下降至约4.2%时黏着力系数达到了“卸载峰”，此时的黏着力系数为0.113。

2.3　制动大蠕滑黏着系数分布规律

轮轨间水介质条件下，轮轨制动小蠕滑阶段（纵向蠕滑率不超过5%），纵向蠕滑率增大过程中轮轨黏着力系数的极大值称之为黏着系数，也就是2.1和2.2节中黏着特性曲线上A点的黏着力系数；蠕滑率超过10%（处于大蠕滑状态）时纵向蠕滑率的增大导致轮轨黏着经历1个再上升过程，形成第2个极大值（B点）；大蠕滑卸载过程中黏着特性曲线可能出现“卸载峰”（C点）。

轮轨接触表面粗糙度中等水平（R_a为0.40~0.60 µm）时水介质条件下A点、B点和C点的制动黏着系数随速度变化的规律如图3所示。

从图3可以看出：小蠕滑阶段（A点）的黏着系数随速度的增加而减小，50 km · h^－1速度时黏着系数为0.121~0.156，随速度增加到440 km · h^－1黏着系数缓慢减小到0.017~0.030；高速区段B点的黏着系数同样随速度的增加而减小，从200 km · h^－1速度时的0.125~0.150，随速度的增加逐渐减小至440 km · h^－1速度时的0.049；C点的黏着系数在50~300 km · h^－1速度范围内，随速度的增加变化较小，为0.201~0.252，但在300~440 km · h^－1速度范围内，C点黏着系数随速度的增加逐渐减小。

根据试验结果，通过数值拟合出A点的黏着系数下限与速度的关系为

{\mu }_A=\mathrm{0.147}\mathrm{36}{\mathrm{e}}^{-\frac{v}{\mathrm{131.011}\mathrm{68}}}+\mathrm{0.018}\mathrm{52}（1）

式中：{\mu }_A为A点的黏着系数下限；v为速度，km · h^－1。

根据试验结果，拟合出200~440 km · h^－1速度范围内B点的黏着系数下限与速度的关系为

{\mu }_B=-\mathrm{0.000}\mathrm{32}v+\mathrm{0.189}\mathrm{17}（2）

式中：{\mu }_B为B点的黏着系数下限。

根据试验结果，拟合出300~440 km · h^－1速度范围内C点的黏着系数下限与速度的关系为

{\mu }_C=-\mathrm{0.000}\mathrm{428}\mathrm{6}v+\mathrm{0.268}\mathrm{57}（3）

式中：{\mu }_C为C点的黏着系数下限。

3 讨论

3.1　制动大蠕滑A点黏着系数与牵引黏着系数关系

文献［5］的研究中，使用全尺寸高速轮轨关系试验台对时速400 km内的车轮接触表面在中等粗糙度水平下的牵引黏着系数进行了测试，研究牵引黏着系数旨在探究水介质条件下牵引黏着系数随速度变化的规律。牵引黏着系数属于小蠕滑范畴（纵向蠕滑率一般小于5%），因此将牵引黏着数据与制动大蠕滑黏着特性曲线的A点制动黏着系数进行对比，结果如图4所示。从图4可以看出：在制动大蠕滑状态下A点的制动黏着系数与牵引黏着系数在数值大小和变化趋势上显示出高度一致性；这一发现不仅验证了制动与牵引状态下轮轨小蠕滑黏着特性的相似性，而且在高速运行条件下无论是牵引工况还是制动工况，轮轨系统的黏着性能都受相同因素的影响，如轮轨接触表面的粗糙度和水介质存在的影响。

3.2　轮轨间低粗糙度对制动黏着系数影响

采用全尺寸高速轮轨关系试验台开展轮轨接触表面低粗糙度水平下（R_a为0.3~0.4 μm）的制动大蠕滑黏着试验，得到水介质条件下的制动黏着系数分布，并与本文2.3中的中等粗糙度（R_a为0.4~0.6 μm）时的比较如图5所示。从图5可以看出：低粗糙度条件下，B点的黏着系数在300 km · h^－1速度时介于0.080~0.103间，在440 km · h^－1速度时降至约0.030，表明在高速运行状态下低粗糙度条件下的黏着系数显著低于中等粗糙度条件下的最小值；在350~440 km · h^－1速度范围内低粗糙度条件下的大蠕滑率卸载过程中较难出现“卸载峰”（C点），特别是在400 km · h^－1速度附近，轮轨系统面临着严峻的低黏着挑战。这一发现对于理解和改善轮轨接触表面低粗糙度时高速列车的制动性能具有重要意义。

低粗糙度时的低黏着系数不仅限制了制动力的发挥，增加了制动距离，而且可能导致制动过程中的不稳定性，从而影响列车的安全运行。因此，强烈建议在设计和维护高速列车轮轨系统时，需要特别关注轮轨接触表面的粗糙度，并考虑其对黏着系数的影响。此外，以上研究结果为高速列车轮轨黏着系数的预测模型提供了试验数据支持，有助于开发更精确的动态黏着控制策略，以适应不同速度和不同轨道条件下的运行需求。

4 结论

（1）水介质条件下，制动大蠕滑率加载过程中小蠕滑阶段峰值点（A点）的制动黏着系数与牵引黏着系数在数值大小和变化趋势上显示出高度一致性，验证了制动状态与牵引状态下轮轨小蠕滑黏着特性的相似性。

（2）当轮轨接触表面处于中等粗糙度条件下大蠕滑率加载过程中，在300~440 km · h^－1速度范围内随着纵向蠕滑率的增加，B点的制动黏着系数显著高于A点，约为其2~3倍，且随车速的增加呈近似线性减小趋势。

（3）中等粗糙度水平下，大蠕滑率卸载过程中制动黏着系数峰值点（C点）显著高于B点，高出约1倍，表明C点在提升制动性能和稳定性方面的重要性。C点的制动黏着系数在50~300 km · h^－1速度范围内相对稳定，在300~440 km · h^－1速度范围内随车速的增加而下降。

（4）制动黏着系数的再上升现象（B点）在高速条件下受到轮轨接触表面粗糙度的显著影响，低粗糙度条件下B点的制动黏着系数在300 km · h^－1速度时为0.080~0.103，在440 km · h^－1速度时降至约0.030，且在大蠕滑率卸载过程中难以观察到“卸载峰”（C点）的出现。

（5）通过本研究提供的试验数据和分析，为时速400 km高速列车轮轨制动黏着系数的预测模型和动态黏着利用策略的开发奠定了基础，有助于提高高速列车在不同速度和轨面条件下的制动效率和稳定性。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(U2268212)

中国铁道科学研究院集团有限公司院基金课题(2020YJ122)