时速400 km轮轨制动大蠕滑黏着试验研究（四）

Experimental Study on Large Creepage Adhesion of Wheel/Rail Braking at 400 km · h^－1 (Ⅳ)——Extremely Low Adhesion Characteristics and Adhesion Coefficient under Various Media Conditions

摘要

针对时速400 km高速列车轮轨在多种介质条件下的制动大蠕滑极低黏着特性及黏着系数，通过高速轮轨关系试验台，模拟不同速度下轮轨间分别采用喷水、防冻液、普通润滑油15W-40及齿轮箱润滑油75W-90等介质的工况，研究轮轨间多种介质对制动大蠕滑极低黏着特性和黏着系数的影响，并探讨水介质条件下轮轨接触表面粗糙度和齿轮箱润滑油条件下超大蠕滑率对黏着系数的作用。结果表明：水介质条件下轮轨接触表面粗糙度是影响黏着系数的关键因素之一，极低粗糙度水平下速度超过100 km · h^-1后便进入极低黏着状态；轮轨间不同介质条件下，黏着系数随速度的提高呈现不同的下降趋势，其中齿轮箱润滑油75W-90和防冻液在高速下更易导致极低黏着系数的出现；特别是在齿轮箱润滑油75W-90条件下黏着力系数在黏着饱和点之后随纵向蠕滑率的增加呈现持续下降趋势，即使纵向蠕滑率增加到90%也未观察到黏着力系数再次上升的现象，标志着对这类齿轮箱润滑油仅利用防滑控制技术提高黏着利用的可能性极低。

Abstract

This study conducts an in-depth experimental investigation into the braking creepage with extremely low adhesion characteristics and the adhesion coefficient of the wheel-rail system for high-speed trains traveling at 400 km · h^－1 under various media conditions. Utilizing a high-speed wheel-rail relationship test rig, the study simulates conditions where water, antifreeze, conventional lubricating oil 15W-40, and gearbox oil 75W-90 are sprayed between the wheel and rail at different speeds. The impact of these media on the braking creepage, particularly under extremely low adhesion characteristics and the adhesion coefficient, was analyzed, along with the effects of surface roughness in water media and ultra-high creep rates under gearbox lubricating oil conditions on the adhesion coefficient. The results indicate that the surface roughness of the wheel-rail contact in water media serves as a critical factor influencing the adhesion coefficient. With a very low surface roughness level, speeds exceeding 100 km/h lead to an extremely low adhesion state. Under varying media conditions, the adhesion coefficient displays different decreasing trends with increasing speed, notably where gearbox lubricating oil (75W-90) and antifreeze are more likely to cause extremely low adhesion coefficients at high speeds. In particular, under gearbox lubricating oil (75W-90) conditions, the adhesion force coefficient consistently decreases beyond the adhesion saturation point with increasing longitudinal creepage, with no observed resurgence even when the creepage was increased to 90%, indicating that solely relying on anti-skid control technologies to enhance adhesion utilization in such lubricating oils is highly unlikely.

Graphical abstract

关键词

轮轨接触界面 / 第三介质 / 大蠕滑 / 极低黏着 / 黏着系数

Key words

Wheel-rail interface / The third medium / Large creepage / Extremely low adhesion / Adhesion coefficient

随着高速铁路技术的迅猛发展，列车运行速度的提升已经成为现代轨道交通系统的一个显著特征。时速400 km高速列车在提供快速便捷运输服务的同时，也对轮轨系统的动态性能提出了更高的要求。轮轨系统中，轮轨接触界面的黏着特性尤为关键，它是影响列车牵引和制动性能的决定性因素。尤其在制动过程中，大蠕滑状态下的极低黏着问题可能导致制动距离的显著增加，甚至引发列车滑行，对高速列车运行安全构成严重威胁。

轮轨黏着系数在0.03~0.08间为低黏着，小于0.03为极低黏着^［1-2］。以往的研究从理论和试验2个方面都证明了水介质条件下轮轨接触表面的粗糙度对黏着性能具有显著影响，且只有在较低粗糙度时才能获得极低黏着状态^［3-4］。此外，由小比例试验台低速黏着试验发现，轮轨间油润滑条件下的黏着系数比水介质条件下更低^［4-5］。在潮湿条件下轨面上有树叶时，黏着系数大约在0.05左右^［6-7］。同时，轮轨间水介质条件下的黏着系数随运行速度的提高会大幅下降^{［4，8-9］}，但随着纵向蠕滑率的提高会出现黏着再上升现象^［10-13］。在时速400 km的极端条件下，特别是在多种介质条件下的轮轨大蠕滑低黏着特性方面，仍然存在研究空白。并且，对不同介质条件下的轮轨低黏着特性缺乏系统性的试验数据和理论分析。此外，对如何有效提高极低黏着条件下的黏着系数，以及如何在设计中考虑极低黏着因素，也是目前研究中亟待解决的问题。

本文利用全尺寸高速轮轨关系试验台进行轮轨极低粗糙度界面多种介质条件下黏着试验，研究试验速度从300 km · h^-1提高到400 km · h^-1后对多种介质条件下轮轨制动大蠕滑黏着特性的影响，分析50~400 km · h^-1速度范围内的黏着系数，为高速列车如何应对轮轨极低黏着状态提供参考。

1 高速轮轨间多种介质条件下极低粗糙度试验条件及黏着试验方法

1.1　轮轨接触表面极低粗糙度演变规律及试验条件

在我国现役的高速动车组中，车轮与钢轨接触时表面粗糙度R_a的主要分布范围为0.40~0.60 µm^［9］，称之为中粗糙度水平。然而，车轮在雨、雪等湿滑轨面条件下长时间运行会导致车轮表面粗糙度降低。已有研究^［3-4］表明，存在第三介质（如水、油等）时轮轨接触表面的粗糙度会显著影响黏着系数。因此，轮轨接触表面低粗糙度是造成轮轨低黏着的重要条件之一。为深入研究轮轨间水介质条件下列车长时间运行导致的车轮表面粗糙度随运行里程的变化，利用全尺寸高速轮轨关系试验台进行系统试验。

试验中，轮轨接触的初始表面粗糙度设定为中粗糙度水平（R_a为0.50~0.60 µm），列车以匀速250 km · h^-1的速度运行，轴重设定为15 t。为精确测量车轮踏面光带处的表面粗糙度，采用Mitutoyo粗糙度测量仪，按照每20 km运行里程为1个测量间隔，测量时沿车轮圆周每隔90°进行1次测量、每个圆周共测量4次，以确保数据的准确性和代表性。

为模拟雨天湿滑轨面的环境，试验过程中持续向轮轨接触区域喷水，喷水量保持在300 mL · min^-1。试验得到轮轨界面水介质条件下车轮表面粗糙度随运行里程的变化曲线如图1所示。从图1可以看出：在运行的前80 km里程内，车轮表面粗糙度随运行里程的增加下降较为显著，从初始的中粗糙度R_a为0.50~0.60 µm降至低粗糙度R_a为0.24~0.31 µm；随后，在80~140 km的运行里程中，粗糙度的下降速率减缓，最终稳定在R_a为0.20~0.30 µm（极低粗糙度水平）；在运行140 km之后，车轮表面粗糙度的变化趋于平稳，维持在0.20~0.30 µm范围内。

基于上述车轮表面粗糙度随运行里程变化的试验结果，在后续的轮轨极低黏着试验中设置轮轨接触表面粗糙度R_a为0.20~0.30 µm，以模拟车轮在雨天湿滑轨面长时间运行时的极低粗糙度条件。

利用高速轮轨关系试验台，在轮轨接触表面极低粗糙度条件下、在50~400 km · h^-1速度范围内通过对轮轨间喷不同介质（包括水、防冻液、普通润滑油15 W-40和齿轮箱润滑油75 W-90）进行轮轨制动黏着特性系列试验。为确保数据的可靠性和重复性，每个工况下的试验均重复进行3次。

1.2　黏着试验方法及工况

利用中国铁道科学研究院集团有限公司（CARS）所建1∶1高速轮轨关系试验台开展轮轨界面多种介质条件下的制动大蠕滑黏着特性研究。试验的整体设计与实施遵循文献［12-13］中的标准流程，特别是在轮轨纵向蠕滑率及黏着力系数的测定方面，确保试验数据的准确性和可重复性。

试验考察4种不同介质对轮轨黏着特性的影响，具体工况如下。

（1）水介质条件：在自然条件下，雨水是最常见的水介质。选择在轮轨接触表面极低粗糙度条件下，通过喷流量为300 mL · min^-1的水介质，研究其对轮轨黏着特性的影响。

（2）防冻液条件：防冻液作为一种低摩擦系数的润滑液体，其成分为乙二醇与水，质量比为7∶3，常用在高速列车的制动防滑系统性能评估中。试验同样在轮轨接触表面极低粗糙度条件下进行，流量设置为300 mL · min^-1，试验轮轨低黏着特性。

（3）普通润滑油条件：Shell Rimula R4 X 15 W-40机油是常用于内燃机润滑系统中的高性能普通润滑油，其主要性能指标在高温工况下表现突出，具体包括在40 ℃时的黏度约为109 mm² · s^-1，黏度指数为139，闪点达230 ℃，总碱值为10.5 mgKOH · g^-1，以及硫酸盐灰分含量（质量分数）为1.45%。在轮轨接触表面极低粗糙度条件下，喷75 mL · min^-1的润滑油，以分析大蠕滑条件下的轮轨黏着特性。

（4）齿轮箱润滑油条件：巴斯夫75W-90齿轮润滑油因其卓越的抗磨损性能被广泛应用，其在40 ℃时的黏度约为115 mm² · s^-1，黏度指数达144，且具有不低于180 ℃的闪点。在试验中，同样是在轮轨接触表面极低粗糙度条件下，以75 mL · min^-1的流量喷该油品，研究其对轮轨黏着特性的影响。

2 轮轨间多种介质条件下制动大蠕滑极低黏着特性

2.1　水介质条件

在轮轨接触表面极低粗糙度条件下，利用高速轮轨关系试验台对轮轨黏着特性进行深入研究。试验中设定喷水量为300 mL · min^-1，并在300，350和400 km · h^-1速度下对制动工况10%纵向蠕滑率进行加载和卸载过程的黏着特性试验，得到水介质条件下的极低黏着特性曲线如图2所示。

从图2中可以看出如下结果。

（1）300 km · h^-1制动速度下，当纵向蠕滑率增至0.24%时，黏着力系数达到加载过程的极大值A点，此时黏着力系数约为0.011；随着纵向蠕滑率的进一步增加，黏着力系数反而开始下降，在纵向蠕滑率为2%~6%的区间内降至约0.001；当纵向蠕滑率超过6%后，随纵向蠕滑率的增加黏着力系数开始增大，在纵向蠕滑率为8%~9%的变化区间内快速增大。纵向蠕滑率的卸载过程中，随纵向蠕滑率的减小黏着力系数持续增大，纵向蠕滑率降至8%时增大至0.059，达到卸载过程中的最大值C点，即“卸载峰”。

（2）350和400 km · h^-1制动速度下，黏着特性曲线与300 km · h^-1速度时的在形态上具有相似性。然而，在黏着试验过程中，随着速度的提升，A点的黏着力系数略有下降。在纵向蠕滑率超过8%的区间内，这2个速度条件下的黏着力系数均出现再次快速增大的现象。此外，在纵向蠕滑率的卸载过程中，不同速度条件下均观察到了“卸载峰”的出现。

2.2　防冻液条件

300，350和400 km · h^-1制动速度下轮轨间喷防冻液得到的极低黏着特性曲线如图3所示。从图3可以看出：300 km · h^-1速度下，黏着力系数随纵向蠕滑率的增加快速增大，在纵向蠕滑率达到1%时增大趋势变得平缓，此时达到A点，其黏着力系数约为0.006；随后，黏着力系数随纵向蠕滑率的进一步增加而持续增大，在纵向蠕滑率为7%时达到卸载过程中的最大值0.050；对于350 km · h^-1速度下的黏着特性曲线，其形态与300 km · h^-1速度时的具有相似性，表明在这2个速度下，黏着力系数随蠕滑率的变化趋势具有一致性；400 km · h^-1速度下，纵向蠕滑率增至13%时黏着力系数出现了第2个显著的峰值，此时黏着力系数达到0.050。纵向蠕滑率卸载过程中，在纵向蠕滑率降至6%时黏着力系数达到卸载峰，此时黏着力系数为0.105，表明在大蠕滑状态下黏着力系数出现了更为复杂的变化规律。

2.3　普通润滑油条件

300，350和400 km · h^-1制动速度下轮轨间喷普通润滑油得到的极低黏着特性曲线如图4所示。从图4可以看出：300 km · h^-1速度下，黏着力系数在开始阶段随纵向蠕滑率的增加快速增大，在纵向蠕滑率为0.9%时达到黏着饱和点（A点），此时黏着力系数约为0.030；在过饱和点之后，随着纵向蠕滑率的进一步增加，黏着力系数呈现持续下降的趋势，且未出现再次增大的现象；350和400 km · h^-1速度下的黏着特性曲线形态与300 km · h^-1时的具有相似性，表明在这3个速度下黏着力系数随纵向蠕滑率的变化规律具有一致性，只是随着速度的提高，黏着力系数的最大值有轻微的下降。

2.4　齿轮箱润滑油条件

轮轨间喷巴斯夫75W-90齿轮润滑油，300，350和400 km · h^-1这3个不同制动速度时的极低黏着特性曲线如图5所示。从图5可以看出：300 km · h^-1速度时，黏着力系数在纵向蠕滑率为0.5%时达到黏着饱和点（A点），仅为0.006；在该饱和点之后，随着纵向蠕滑率的增加，黏着力系数呈现持续下降的趋势，且未观察到黏着力系数再次增大的现象；350和400 km · h^-1速度条件下的黏着特性曲线形态与300 km · h^-1时的具有相似性，表明在这3个速度条件下黏着力系数随纵向蠕滑率的变化规律具有一致性，只是随着速度的提升黏着力系数的最大值略有下降；特别是在纵向蠕滑率超过10%之后，黏着力系数降至约0.001，几乎失去了黏着力，表明在高速条件下轮轨间齿轮箱润滑油的存在显著降低了轮轨黏着性能。

3 多种介质条件下黏着系数

在制动大蠕滑加载过程中首先出现的第1个峰值点的黏着力系数为A点黏着系数（下文黏着系数指A点黏着系数）。高速轮轨多种介质条件下极低黏着系数随速度变化曲线如图6所示。

分析图6的数据，发现如下结果。

（1）轮轨间喷水条件下，随着速度的增加，黏着系数呈现出不同的变化趋势。具体来说，在速度从50 km · h^-1增加到100 km · h^-1的过程中，黏着系数经历了1个快速下降阶段，从0.075降至0.025，此时已经进入到了极低黏着状态；在速度从100 km · h^-1继续增加至400 km · h^-1的过程中，黏着系数的下降速度变得较为缓慢，最终降至0.007 5，整个速度区间内的黏着系数均处于极低黏着状态。拟合水介质条件下黏着系数与速度之间的关系表达式为

\mu =\mathrm{0.277}\mathrm{98}{\mathrm{e}}^{-\frac{v}{\mathrm{29.061}}}+\mathrm{0.032}\mathrm{59}{\mathrm{e}}^{-\frac{v^{\mathrm{2}}}{\mathrm{434.91}}}-\mathrm{0.005}\mathrm{47}（1）

式中：\mu为黏着系数；v为速度，km · h^-1。

（2）轮轨间喷防冻液条件下，在运行的前150 km里程内黏着系数随运行里程的增加下降较为显著，从50 km · h^-1速度时的0.020降至150 km · h^-1速度时的0.005；随后，在运行150 km之后，黏着系数的变化趋于平稳，维持在0.005附近。根据试验结果拟合防冻液条件下黏着系数与速度的关系表达式为

\mu =\mathrm{0.091}\mathrm{61}{\mathrm{e}}^{-\frac{v}{\mathrm{29.943}}}+\mathrm{0.005}\mathrm{59}（2）

（3）轮轨间喷普通润滑油条件下，黏着系数随速度的提高呈现线性缓慢下降的趋势，从50 km · h^-1速度时的0.035降至400 km · h^-1速度时的0.025。根据试验结果拟合普通润滑油条件下黏着系数与速度的关系表达式为

\mu =\mathrm{0.034}\mathrm{37}-\mathrm{1.825}\mathrm{38}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{5}}v（3）

（4）轮轨间喷齿轮箱润滑油条件下，黏着系数比喷普通润滑油时低约0.020，从50 km · h^-1速度时的0.015降至400 km · h^-1速度时的0.003。根据试验拟合齿轮箱润滑油条件下黏着系数与速度的关系表达式为

\mu =\mathrm{0.016}-\mathrm{3.395}\mathrm{87}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{5}}v（4）

50 km · h^-1制动速度条件下，喷不同介质时黏着系数从高到低的排序依次为：喷水时为0.075，喷普通润滑油时为0.035，喷防冻液时为0.022，喷齿轮箱润滑油为0.015；这表明在较低制动速度下，水作为第三介质时黏着系数最高，而齿轮箱润滑油的黏着系数最低。随着速度增至100~300 km · h^-1范围内，黏着系数从高到低的排序变化为：喷普通润滑油、喷水、喷齿轮箱润滑油、喷防冻液，表明轮轨间喷普通润滑油较难出现极低黏着问题，而喷防冻液和齿轮箱润滑油则更易出现极低黏着问题。这一结果揭示了制动速度对不同介质下黏着系数影响的差异性。

4 水介质条件下车轮不同粗糙度对黏着系数的影响

上文探讨了车轮接触表面在极低粗糙度水平下且存在水介质条件时的轮轨黏着系数变化规律，并将研究结果与文献［9］中低、中和高粗糙度水平（相对应R_a为0.3~0.4，0.4~0.6和0.7~0.8 µm）下的相关结果进行对比，得到水介质条件下车轮不同粗糙度水平时小蠕滑黏着系数分布如图7所示。

从图7可以看出：水介质条件下，在不同车轮粗糙度水平下，随着速度的增加，黏着系数均呈现下降趋势，但不同粗糙度水平下进入极低黏着状态的速度阈值存在差异；具体来说，当车轮接触表面处于极低粗糙度水平下，速度超过100 km · h^-1后黏着系数降至0.030以下，进入极低黏着系数状态；处于低粗糙度水平下，速度超过250 km · h^-1后黏着系数才会降至0.030以下；而在中粗糙度水平下，速度超过370 km · h^-1后黏着系数才达到极低黏着系数的标准。

这一发现表明，在水介质条件下，车轮接触表面的粗糙度水平是影响轮轨黏着系数变化的重要因素之一。较低的车轮踏面粗糙度更容易导致黏着系数的降低，从而更早地进入极低黏着状态。这一规律对于理解和改善高速列车在湿滑条件下的制动性能具有重要的科学价值和实际应用意义。

5 齿轮箱滑油条件下制动超大蠕滑对黏着系数的影响

进一步分析50 km · h^-1制动速度时轮轨间喷齿轮箱润滑油条件下，纵向蠕滑率从20%增加至90%时的轮轨黏着特性。通过高速轮轨关系试验台获得的黏着特性曲线结果如图8所示。从图8可以看出：在黏着饱和点之后黏着力系数随纵向蠕滑率增加而呈现出持续缓慢下降的趋势，在从20%增加至90%蠕滑率变化范围内，并未观察到黏着力系数再次上升的现象。这一黏着特性的发现表明，在轮轨间存在齿轮箱润滑油的条件下，即便是增加纵向蠕滑率也难以实现黏着力系数的提升。这表明在此类润滑条件下，利用传统的防滑控制策略增强轮轨间的黏着利用几乎是不可能的。它提示我们，在设计高速列车的防滑控制系统时，需要考虑轮轨间可能存在的润滑介质对黏着特性的影响。

6 结论

（1）轮轨极低粗糙度界面水和防冻液条件下的黏着特性均表现出纵向蠕滑率超过6%~8%后，黏着力系数随纵向蠕滑率的增加出现再上升的现象；而轮轨间普通润滑油15W-40、齿轮箱润滑油75W-90条件下纵向蠕滑率增加到20%的大蠕滑过程中则未出现黏着力系数再上升的现象。

（2）轮轨极低粗糙度界面存在的不同第三介质（如水、防冻液、普通润滑油15W-40和齿轮箱润滑油75W-90）对黏着系数有显著影响。特别是齿轮箱润滑油75W-90和防冻液条件下在速度提高后更易导致极低黏着系数的出现，而普通润滑油15W-40条件下较难出现极低黏着问题。

（3）车轮接触表面在极低、低、中粗糙度水平下且存在水介质条件时，不同粗糙度水平下进入极低黏着系数状态的速度阈值存在差异。极低粗糙度水平时，速度大于100 km · h^-1之后黏着系数就小于0.030，表明极低粗糙度水平更易导致黏着系数的降低。

（4）轮轨间齿轮箱润滑油75W-90条件下，即使纵向蠕滑率从20%增加到90%，黏着力系数一直缓慢下降，没有出现黏着再上升的迹象。这表明在此类润滑条件下，利用传统的防滑控制策略增强轮轨间的黏着利用几乎是不可能的。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(U2268212)

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(K2023J046)

高速铁路与城轨交通系统技术国家工程研究中心轮轨关系实验室开放合作创新基金资助项目(2021YJ264)