高速轮轨低温+雪条件下黏着特性试验研究

Experimental Study on Adhesion Characteristics of High-Speed Wheel-Rail in Low-Temperature and Snow Environments

摘要

轮轨界面在低温+雪等复杂环境中，高速轮轨黏着特性将受到显著影响，进而影响列车运行的安全性和稳定性。针对这一问题，提出高速轮轨关系试验台轮轨界面低温+雪条件下的黏着试验方法，研究轮轨接触界面分别喷0和－2 ℃雪条件下的黏着特性，并通过分析雪与水的物态变化探讨黏着系数下降的原因。结果表明：低温环境下在轮轨界面喷0 ℃雪时，黏着系数随速度的增加呈先快速下降后缓慢下降的趋势，特别是在50~120 km · h^－1速度范围内黏着系数的下降幅度高达68%；与喷0 ℃雪相比，喷－2 ℃雪条件下的黏着系数高1倍左右；在50~120 km · h^－1速度范围内，喷2 ℃水与0 ℃雪条件的黏着系数有较好的一致性，意为在此速度和温度范围内水与雪对黏着系数的影响较为相似；喷雪条件下，300 km · h^－1速度时纵向蠕滑率超过0.6%后黏着力系数随纵向蠕滑率的增加出现剧烈波动，具有很大的不稳定性；低温+雪条件下雪-水-冰的物态变化及其在轮轨接触压应力作用下的转化机制对黏着系数具有显著影响。

Abstract

The adhesion characteristics of high-speed wheel-rail systems are significantly affected by complex environments such as low temperatures and snow, which in turn impact the safety and stability of train operations. Regarding this issue, a novel cryogenic snow adhesion testing methodology is proposed using a high-speed wheel-rail interface test rig to investigate adhesion behaviors of the wheel-rail contact interface under 0 ℃ and －2 ℃ snow spraying conditions, respectively. The underlying mechanisms of adhesion coefficient degradation are systematically analyzed through phase transitions between snow, water, and ice. The results indicate that under low-temperature conditions, when 0 ℃ snow is sprayed on the wheel-rail interface, the adhesion coefficient decreases rapidly at first and then gradually with increasing speed. Notably, within the speed range of 50 - 120 km · h^－1, the adhesion coefficient decreases by up to 68%. Compared to 0 ℃ snow, the adhesion coefficient of the wheel-rail interface sprayed with －2 ℃ snow is approximately twice as high. Additionally, the study finds that within the speed range of 50 - ‍120 km · h^－1, the adhesion coefficients for wheel-rail interfaces sprayed with 2 ℃ water and 0 ℃ snow are relatively similar, indicating that water and snow have comparable effects on the adhesion coefficient within this speed and temperature range. When snow is sprayed on the wheel-rail interface, the longitudinal creepage exceeds 0.6% at a speed of 300 km · h^－1, and the adhesion force exhibits significant fluctuations with increasing creepage, indicating considerable instability. The phase changes of snow, water and ice in low-temperature and snow environments and their conversion mechanisms with the wheel-rail contact compressive stress significantly influence the adhesion coefficient.

Graphical abstract

关键词

轮轨关系 / 轮轨接触 / 低温 / 雪 / 黏着系数 / 粗糙度

Key words

Wheel-rail interface / Wheel-rail contact / Low temperature / Snow / Adhesion coefficient / Roughness

随着我国高速铁路网的建设，轮轨系统运行的稳定性和安全性成为铁路技术研究的重点之一。轮轨黏着特性作为确保列车安全运行的基础性因素，其研究具有重要的理论意义和应用价值。轮轨摩擦副由于长期裸露在复杂多变的环境中，不可避免地会遭受雨、雪、冰、污油等“第三介质”的污染，这些污染源对轮轨黏着特性的影响不容忽视。我国高速铁路无砟轨道上运行的动车组在降中雪时限速为250 km · h^－1及以下，降大雪或暴雪时限速为200 km · h^－1及以下^［1］。雪作为轮轨界面冬季常见的第三介质，在轮轨表面形成的液态或半液态层将显著降低轮轨间的直接接触面积，进而导致黏着系数的下降。这不仅增加列车运行中车轮的空转或打滑概率，延长制动距离，甚至可能导致列车冒进信号，还可能引起车轮滚动接触疲劳裂纹的快速发展，影响列车运行的安全性和经济性。

尽管已有研究通过试验台试验和理论分析揭示了水介质条件下轮轨黏着系数随温度降低而减小的原因^［2-5］，以及发现摩擦界面在特定低温条件下雪粒子的加入将导致摩擦系数和磨损率的总体下降^［6］，但是关于轮轨低温+雪条件下黏着特性的系统研究仍然较为缺乏。此外，雪粒子在轮轨接触高压应力作用下熔化成非常薄的液态层并附着在接触表面上，许多科研人员在计算和试验研究中已经证明冰或雪在高压应力下表现出表面熔化的特性^［7-13］。冰或雪在高压作用下的表面熔化特性对轮轨黏着性能的具体影响机理，以及如何通过改善轮轨界面的条件提高低温+雪环境下的轮轨黏着性能，也需要进一步的探索和研究。

本文利用全尺寸轮轨关系试验台模拟的方法，研究高速轮轨在低温+雪条件下的黏着特性，探讨轮轨界面低温+雪条件下黏着性能下降的原因，为提高复杂气候条件下高速铁路的安全运行提供理论依据和技术支持。

1 高速轮轨低温+雪条件下黏着试验方法

为研究高速轮轨在低温+雪条件下的黏着特性，利用中国铁道科学研究院集团有限公司（CARS）的1∶1高速轮轨关系试验台进行模拟试验^［1］。试验台能够在纵向蠕滑率主动控制模式下进行精确的黏着特性测试，确保试验数据的准确性和可靠性。

1.1　试验装置及条件设定

试验装置包括高速轮轨关系试验台和喷雪黏着试验装置，如图1所示。图中：ω_车为车轮转速；ω_轨为轨道轮转速。喷雪装置由喷桶、雪箱、筛网、气管和可控气源组成。

试验时，利用试验台模拟车轮与钢轨的接触，喷雪装置模拟低温+雪环境对轮轨界面的影响。车轮踏面型号为LM_B10型，轨道轮廓形为60 N。车轮垂向载荷设定为75 kN，对应15 t轴重。试验速度分别设定为50，80，100，120，200和300 km · h^－1。轮轨接触表面粗糙度R_a控制在0.2~0.3 µm内（降雪天气下铁路运用现场轮轨经长时间滚动接触，表面粗糙度R_a一般为0.2~0.3 µm），以模拟实际运行中轮轨表面的粗糙度状态。喷雪量设定为5 kg · min^－1（模拟大雪），使用收集的自然降雪。轮轨周围环境温度分别设定为0和－2 ℃，模拟不同的低温条件。

1.2　试验基本步骤

（1）通过轮轨实验室内空气与室外空气的对流，调节轮轨周围环境温度至0或－2 ℃。

（2）利用试验台的2个垂向激振器给车轮施加75 kN的垂向载荷，1个横向激振器控制车轮的横向位移为0 mm，左右纵向激振器控制车轮的冲角为0 rad。

（3）启动轨道轮驱动电机驱动轨道轮旋转，通过轮轨摩擦带动车轮旋转，达到预定的试验速度。

（4）达到指定试验速度后，在轮轨界面开始施加喷雪条件。

（5）保持轨道轮转速ω_轨不变，逐渐增加车轮转速ω_车，使轮轨纵向蠕滑率从0逐渐增加到2%，再逐渐减小到0。

（6）停止喷雪后逐步减速，直至轨道轮和车轮完全停止。

1.3　黏着力系数的测量

轮轨纵向蠕滑率和黏着力系数的定义和测量方法参照文献［2］中的描述。通过试验台上的传感器和数据采集系统，实时监测车轮和轨道轮的转速以及轮轨之间的黏着力。根据黏着力和垂向载荷，计算出不同条件下的黏着力系数。

2 轮轨黏着试验结果

2.1　喷0 ℃雪条件下

利用1∶1高速轮轨关系试验台对高速轮轨在低温+雪环境中的黏着特性进行了研究，环境温度为0 ℃，并模拟喷洒0 ℃左右的雪，得到不同速度时的黏着特性曲线如图2所示。从图2可以看出：50 km · h^－1速度时，在小蠕滑率（小于0.14%）的情况下黏着力系数随纵向蠕滑率的增加呈近似线性增加，当纵向蠕滑率为0.31%时黏着力系数达到最大值即黏着系数为0.068，超过该黏着饱和点后（纵向蠕滑率约为0.31%）黏着力系数随纵向蠕滑率的增加而逐渐降低，这一结果表明低速条件下随纵向蠕滑率的增加黏着力系数先增大后减小，存在1个最佳蠕滑率使得黏着力系数最大；80，100，120和200 km · h^－1速度时，黏着特性曲线与50 km · h^－1速度时相似，80 km · h^－1速度时黏着系数为0.041，100 km · h^－1速度时为0.037，120 km · h^－1速度时为0.032，200 km · h^－1速度时为0.022，表明随着速度的增加黏着系数逐渐下降；300 km · h^－1速度时，在小蠕滑率（小于0.26%）的情况下黏着力系数随纵向蠕滑率的增加也呈近似线性增加，当纵向蠕滑率为0.26%时黏着力系数达到最大值即黏着系数为0.018，而当纵向蠕滑率超过0.6%时黏着力系数随纵向蠕滑率的增加出现剧烈波动，最大值可达到0.06~0.07，具有很大的不稳定性，这一结果表明在高速条件下随纵向蠕滑率的进一步增加黏着力系数测试结果呈现出较大的不稳定性。

2.2　喷－2 ℃雪条件下

100 km · h^－1速度时轮轨界面喷－2 ℃雪条件下的黏着特性曲线如图3所示。从图3可以看出：在小蠕滑率（小于0.11%）的情况下，黏着力系数随纵向蠕滑率的增加呈近似线性增加；当纵向蠕滑率为0.4~0.8%时，黏着力系数达到最大值为0.065，这表明在此速度和粗糙度条件下的黏着系数为0.065；超过黏着饱和点后（纵向蠕滑率大于0.8%），黏着力系数随纵向蠕滑率的增加逐渐降低。

200 km · h^－1速度时轮轨界面喷－2 ℃雪条件下的黏着特性曲线如图4所示。从图4可以看出：在纵向蠕滑率小于0.14%的情况下，黏着力系数随纵向蠕滑率的增加呈近似线性增加；当纵向蠕滑率为0.3%时，黏着力系数达到最大值0.047，表明在此蠕滑率下轮轨黏着力达到饱和状态；超过黏着饱和点后（纵向蠕滑率大于0.3%），黏着力系数随纵向蠕滑率的增加逐渐降低，并伴有轻微的震荡，这种黏着力系数的震荡将对列车的安全性和稳定性产生负面影响，因此在实际应用中应予以关注。

300 km · h^－1速度时轮轨界面喷－2 ℃雪条件下的黏着特性曲线如图5所示。从图5可以看出：当纵向蠕滑率小于0.11%时，黏着力系数随纵向蠕滑率的增加呈近似线性增加；当纵向蠕滑率为0.22%时，黏着力系数达到最大值0.034；超过这一蠕滑率后黏着力系数开始下降；当纵向蠕滑率大于0.22%时，黏着力系数随纵向蠕滑率增加震荡加剧，震荡范围在0.02~0.05之间，有时甚至会更大，这种震荡现象是由于有雪环境下轮轨表面雪粒子、水滴或冰晶的随机分布以及温度变化等因素导致的，将对高速列车的安全性和稳定性产生影响，因此在实际应用中也需要重点加以考虑和应对。

2.3　喷0与－2 ℃雪条件下黏着系数对比

轮轨界面喷0与－2 ℃雪条件下的黏着系数对比结果如图6所示。从图6可以看出：喷0 ℃雪条件下，黏着系数在50 km · h^－1速度时为0.062左右，其后随速度的增加黏着系数快速下降，在50~120 km · h^－1速度范围内黏着系数下降显著，且在120 km · h^－1速度时只有0.02左右、下降约68%，但在120~300 km · h^－1速度范围内黏着系数随速度的增加下降不明显；喷－2 ℃雪条件下，黏着系数随速度的提高也有下降的趋势，但与0 ℃雪条件相比，－2 ℃雪条件下的黏着系数高1倍左右，这是由于低温条件下雪的硬度增大，从而提高了黏着系数，同时低温条件下雪的融化速度减慢，也有助于提高黏着系数。

综合比较喷0与－2 ℃雪的试验结果，可以发现温度和速度对黏着系数的影响具有显著差异。相同速度下，－2 ℃雪条件下的黏着系数明显高于0 ℃雪条件，表明低温条件下雪的特性（硬度、融化速度）对黏着系数有重要影响。

基于上述试验数据，拟合出轴重15 t、轮轨接触表面粗糙度R_a 为0.2~0.3 µm、轮轨间喷0 ℃雪（环境温度为0 ℃，喷雪量为5 kg · min^－1）条件下的黏着系数与速度之间的关系表达式见式（1），该表达式能够描述黏着系数随速度变化的趋势。

\mu =\mathrm{0.851}\mathrm{24}{\mathrm{e}}^{-\frac{v}{\mathrm{38.533}\mathrm{5}}}+\mathrm{0.016}\mathrm{61}（1）

式中：\mu为黏着系数；v为速度，km · h^－1。

3 结果讨论

3.1　轮轨界面喷雪条件下物态变化探讨

在特定温度和压力条件下，水有3种不同聚集状态，将出现多种物态共存的现象，从水在不同压强和温度下的相变图^［12-13］可以看出温度和压强（压应力）是影响水的三相变化最基本的因素，这2个因素共同决定了不同条件下水的物态。

利用CONTACT程序^［14］，计算得到1∶1高速轮轨关系试验台施加垂向载荷为75 kN、轮轨最大接触应力为1 100 MPa时的轮轨接触压应力分布如图7所示。

根据轮轨接触斑内的压应力分布和环境温度数据，计算得到不同低温条件和准静态压应力作用下水的物态分布如图8所示。图中：接触区物态参数为0时表示未接触区，为1时表示气态接触区，为2时表示液态接触区，为3时表示固态接触区。从图8可以看出：在0 ℃的温度下，接触斑外圈的水属于液态，接触斑中心的水属于固态，这主要是因为接触斑外圈附近的接触压应力在100~400 MPa之间，这个压力范围内水能够保持液态；接触斑中心的接触压应力高达1 000~1 100 MPa，即使在0 ℃温度下，水也将相变成固态；随着温度的降低，接触斑内水的液态部分逐渐减少，固态部分逐渐增加，产生这一现象的原因在于随温度的降低使水相变成固态的接触压力也随之减小；在 －20 ℃的温度下，轮轨之间几乎不存在液态水。

车轮滚动过程中与钢轨的接触实际上是个动态过程，低温状态下轮轨接触区内雪-水-冰的物态随接触压力变化分布如图9所示。从图9可以看出：0 ℃喷雪条件下喷到轮轨接触界面的雪粒子，进入前端轮轨接触压应力为100~400 MPa区域内容易融化成水，在接触压应力为1 000~1 100 MPa区域内的水会逐渐相变成冰，在后端轮轨接触压应力100~400 MPa区域内冰再融化成水，在轮轨之间形成复杂的冰水混合状态；随着温度的进一步降低，雪融化成水的速度减慢，且所须轮轨接触压力变小，物态成冰的区域将不断扩大，从而影响黏着系数的变化。

试验结果表明，轮轨接触压应力和温度是影响轮轨间水的物态分布和黏着特性的关键因素。随温度的降低，轮轨间的液态水逐渐减少，固态冰逐渐增多，这导致了黏着系数的变化。这一研究结果，对优化轮轨设计、提高列车在低温雨雪环境中的运行安全性具有重要的指导意义。

3.2　轮轨界面低温水与雪条件下的黏着系数比较

在1∶1高速轮轨关系试验台模拟下，针对高速轮轨界面喷2 ℃水、0 ℃雪条件下的黏着系数进行研究，对比结果如图10所示。从图10可以看出：在50~120 km · h^－1速度范围内，这2种条件下的黏着系数表现出较高的一致性，这一结果表明在较低速度下水与雪对轮轨黏着的影响较为接近，试验结果进一步证实了轮轨接触压应力和温度对轮轨黏着特性的影响；在0 ℃雪条件下，雪在轮轨接触表面的相互作用下先转化成水的机制对黏着系数具有显著影响。

为更全面地理解轮轨黏着特性，未来的研究可以进一步探究雪在轮轨接触界面相互作用下瞬态相变机制，以及不同表面粗糙度、不同环境温度和蠕滑条件对黏着系数的影响机制。此外，结合实际线路运营数据，对试验结果进行验证和对比，将有助于完善和深化对高速轮轨界面低温+雪条件下黏着特性的认知。

4 结论及展望

（1）低温环境下在轮轨界面喷0 ℃雪时，黏着系数随速度的增加呈先快速下降后缓慢下降的趋势。在50~120 km · h^－1速度范围内，黏着系数的下降幅度高达68%；在120~300 km · h^－1速度范围内，黏着系数随速度的增加下降不明显。

（2）与喷0 ℃雪相比，轮轨界面喷－2 ℃雪条件下的黏着系数高1倍左右；轮轨界面喷雪条件下，速度300 km · h^－1时纵向蠕滑率超过0.6%后黏着力系数随纵向蠕滑率的增加出现剧烈波动，具有很大的不稳定性。

（3）在50~120 km · h^－1速度范围内，喷2 ℃水与喷0 ℃雪条件下的轮轨黏着系数较为接近，表明在此速度范围内水与雪对黏着系数的影响较为一致。

（4）低温+雪环境中轮轨接触压应力和温度是影响轮轨黏着特性的关键因素，雪-水-冰的物态变化以及其与轮轨表面的相互作用机制对黏着系数具有显著影响。

（5）未来的研究可以进一步探究表面粗糙度、温度以及冰雪条件对黏着系数的影响机制，并结合实际运营数据进行验证和对比，以完善和深化对高速轮轨黏着特性的认识。

参考文献

[1] 中国铁路总公司. 铁路技术管理规程（高速铁路部分） ［S］.北京：中国铁道出版社，2014.

[2] China Railway Corporation. Technical Management Regulations for Railways （High-Speed Railway Section） ［S］. Beijing： China Railway Publishing House， 2014. in Chinese ）

[3] 常崇义，陈波，蔡园武，等.基于全尺寸试验台的水介质条件下高速轮轨黏着特性试验研究［J］.中国铁道科学，2019，40（2）：25-32.

[4] CHANG Chongyi， CHEN Bo， CAI Yuanwu， et al. Experimental Study on Adhesion Property of High Speed Wheel and Rail in Wet Condition by Full Scale Roller Rig ［J］. China Railway Science， 2019， 40 （2）： 25-32. in Chinese

[5] 常崇义，陈波，梁海啸，等.时速400 km速度级内轮轨间水介质条件下牵引黏着系数试验研究［J］.中国铁道科学，2021，42（5）：132-137.

[6] CHANG Chongyi， CHEN Bo， LIANG Haixiao， et al. Experimental Study on Traction Adhesion Coefficient between Wheel and Rail in Water Condition within 400 km · h^－1 Speed Grade ［J］. China Railway Science， 2021， 42 （5）： 132-137. in Chinese

[7] 常崇义，陈波，蔡园武，等.时速400 km轮轨制动大蠕滑黏着试验研究（四）——多种介质条件下极低黏着特性及黏着系数［J］.中国铁道科学，2025，46（1）：149-156.

[8] CHANG Chongyi， CHEN Bo， CAI Yuanwu， et al. 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 ［J］. China Railway Science， 2025， 46 （1）： 149-156. in Chinese

[9] CHEN H， BAN T， ISHIDA M， et al. Experimental Investigation of Influential Factors on Adhesion between Wheel and Rail under Wet Conditions ［J］. Wear， 2008， 265 （9/10）： 1504-1511.

[10] Yezhe LYU， BERGSETH Ellen， OLOFSSON Ulf. Open System Tribology and Influence of Weather Condition ［J］. Scientific Reports， 2016， 6： 32455.

[11] ELBAUM M， SCHICK M. Application of the Theory of Dispersion Forces to the Surface Melting of Ice ［J］. Physical Review Letters， 1991， 66 （13）： 1713-1716.

[12] MAKKONEN L. Surface Melting of Ice ［J］. The Journal of Physical Chemistry B， 1997， 101 （32）： 6196-6200.

[13] MISHIMA O， STANLEY H E. Decompression-Induced Melting of Ice IV and the Liquid-Liquid Transition in Water ［J］. Nature， 1998， 392： 164-168.

[14] IGLEV H， SCHMEISSER M， SIMEONIDIS K， et al. Ultrafast Superheating and Melting of Bulk Ice ［J］. Nature， 2006， 439 （7073）： 183-186.

[15] KIETZIG A M， HATZIKIRIAKOS S G， ENGLEZOS P. Physics of Ice Friction ［J］. Journal of Applied Physics， 2010， 107 （8）： 1-15.

[16] PETRENKO V F， WHITWORTH R W. Physics of Ice ［M］. Oxford： Oxford University Press， 1999.

[17] HOBBS P V. Ice Physics ［M］. Oxford： Clarendon Press， 1974.

[18] KALKER J J. Three-Dimensional Elastic Bodies in Rolling Contact ［M］. Dor-drecht： Kluwer Academic Publishers， 1990.

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(J2023J011)

中国铁道科学研究院集团有限公司院基金课题(2020YJ122)