轮轨关系是铁路系统中最基本的科学问题之一，尤其在高速铁路领域，其直接影响列车的牵引、制动、运行安全及效率。轮轨黏着特性决定了列车能否正常启动、加速、减速和停车，是高速列车动态行为的核心制约因素。黏着系数作为评价轮轨间切向力传递能力的关键指标，受到运行速度、轴重、冲角、轮轨表面状态等多因素影响。在干燥清洁的轨面条件下，黏着系数较高，通常介于0.25~0.60之间，可满足列车正常运行需求；而在雨雪等湿滑条件下，黏着水平显著下降，极易引发空转或滑行，不仅造成轮轨表面损伤，还会增加运维成本，甚至危及行车安全。因此，深入研究高速条件下的轮轨黏着机制，并建立可靠的黏着利用和控制策略，对保障高速铁路的安全、高效运营具有重要意义。
在轮轨黏着研究方面，传统方法主要包括数值模拟、小比例试验台试验和线路实车试验等。尽管数值模型如Carter二维理论
［1］、Kalker三维蠕滑理论
［2-4］、有限元方法
［5-7］及混合润滑理论
［8-11］等取得一定进展，但仍难以准确模拟高速工况下振动、第三介质（如水、油等）及热力耦合等复杂因素对黏着的影响；小比例试验台
［12-16］因尺度效应和相似性限制，无法真实还原全尺寸轮轨非线性接触行为；而线路实车试验虽结果直观，却存在成本高、周期长、风险大及不可重复等问题。因此，发展一种能够兼顾真实性、可控性及经济性的研究手段成为迫切需求，全尺寸高速轮轨关系试验台应运而生。
为突破我国在高速轮轨关系研究中的技术瓶颈，填补高速条件下黏着试验能力的国际空白，中国铁道科学研究院集团有限公司（简称“铁科院”）借鉴国际先进经验，集成高性能电液伺服、测控与数字化技术，成功研制综合性能国际领先的全尺寸高速轮轨关系试验台
［17］。该试验台具备最高500 km · h
-1的试验速度和50 t最大轴重承载水平，可系统开展黏着、蠕滑、磨耗、疲劳、脱轨及噪声等一系列关键试验，支持单因素及多因素耦合条件下的高速轮轨行为研究。其建成不仅大幅提升了我国轮轨技术研究的自主创新能力，也为高速动车组牵引制动系统的设计、优化和验证提供了关键平台支撑。
依托该试验台，系统开展水介质条件下高速轮轨黏着特性的试验探索，揭示了喷水量、轮轨粗糙度、温度、轴重及速度等因素对黏着系数的影响规律
［18］，绘制出440 km · h
-1速度内的黏着系数分布图谱，并创新性提出适用于我国高速铁路的黏着系数计算式
［19］。同时，通过线路实车试验对台架结果进行了验证，并开展撒砂、陶瓷粒子喷射、钢轨打磨、研磨子研磨等增黏技术效果的试验评价。相关成果已应用于动车组防滑控制策略优化、黏着利用提升和研磨子材料选型等，为我国复兴号动车组的牵引和制动系统设计、安全运行和维护提供重要依据，增强高速铁路的技术经济性和运营可靠性。
1 全尺寸高速轮轨关系试验台
为应对我国高速铁路发展中对轮轨关系研究的迫切需求，在广泛借鉴国际先进经验的基础上，融合先进结构设计、高精度电液伺服驱动、多参量测量与闭环控制技术，研制出了功能多样、扩展性强、技术性能卓越的全尺寸高速轮轨关系试验台。该试验台由轨道轮系统、测试轮对系统、液压激振系统、轮轨界面环境模拟系统以及高精度测量与数据采集系统等核心模块构成，黏着试验装配图如
图1所示，高速轮轨关系试验台上部和下部结构如
图2所示。该试验台能够模拟干燥、潮湿、油污等多种轮轨接触状态，全面监测运动学和动力学响应参数，支持黏着、蠕滑、磨耗、接触疲劳、振动和噪声等综合试验。其突出创新在于采用5个激振器联合控制轮对3个自由度的运动，可实现单轮对高速直线运行和曲线通过试验以及单个主动轮条件下的黏着精确控制，提升试验覆盖范围和工况真实性。
在技术性能方面，该试验台多项核心指标超越国际同类装置，达到世界领先水平，其主要性能指标见
表1，与国外同类试验台的技术性能指标比较结果见
表2。由
表1和
表2可知：该试验台最高试验速度达500 km · h
-1，远超国际现有平台的350 km · h
-1；轨道轮直径扩大至3 000 mm，优于常见的1 600和2 000 mm规格；最大试验轴重达50 t，驱动电机最大功率为2 400 kW，模拟惯量能力覆盖20 t（500 km · h
-1速度下）至50 t（160 km · h
-1速度下），不仅满足高速铁路轮轨关系的试验需求，还可扩展至重载铁路及城市轨道交通领域，体现出广泛适用性和技术前瞻性。
该试验台的建设为破解轮轨接触中高度非线性的工程问题提供了关键试验平台，能够有效解耦多因素耦合效应，为理论模型验证和创新提供单变量可控的试验依据。基于该试验台，已形成包括黏着、蠕滑、磨耗、制动防滑及研磨子性能评估在内的系列试验标准，用于新产品、新工艺的验证和优化，成为支撑我国高速铁路轮轨关系基础研究和技术攻关的核心科学装备。
2 基于高速轮轨关系试验台的牵引黏着及制动防滑试验方法
2.1 黏着试验方法
基于全尺寸高速轮轨关系试验台的轮轨黏着试验方法，实现了高速条件下纵向蠕滑率的高精度控制（纵向蠕滑率精度优于1‰），并具备连续可调能力，有效抑制高频振动，防止轮轨表面损伤。试验台可模拟轨道不平顺引发的15 Hz范围内轮轨接触振动，准确复现实际直线和曲线组合线路动态行为，为单因素影响规律研究提供可靠平台。该方法尤其适用于动车组在更高速度等级下面临的大蠕滑黏着再上升机制研究，解决大蠕滑率工况下因振动控制不力导致试验失效的难题，显著提升黏着利用研究的准确性和可重复性。
试验过程中，关键影响因素均实现精确控制：依据我国高速铁路轮轨表面粗糙度典型范围，使用不同规格砂纸打磨或研磨子研磨，控制轮轨接触面粗糙度；通过气压和阀门控制喷水量，轮轨黏着试验喷水装置工作状态如
图3所示；通过垂向、横向及摇头激振器分别实现对轮轨垂向载荷、横移和冲角进行定量约束。试验时，轨道轮恒速运行，黏着轮转速逐步提高使纵向蠕滑率从零渐增至指定值后再回零，全程实时监测运动学和动力学响应。该方法的建立，凸显了全尺寸试验台在高速黏着研究中参数精确控制和复杂工况复现方面的能力。
2.2 制动防滑试验方法
试验台可安装轮对盘式基础制动系统装置（如
图4所示），针对轮轨间存在水、防冻液、润滑油等多种介质的复杂滚动接触关系，实现了制动-防滑-轮轨作用的闭环协同控制
［20］。通过高精度电惯量模拟系统，使轨道轮惯量与实车轴重惯性一致，并精准复现实际制动减速运行，从而实现对高速车辆制动防滑过程的科学模拟和系统评估。这一突破为破解高速制动防滑控制和黏着利用的核心技术瓶颈提供了关键试验手段。
试验系统可高度还原真实轮轨接触状态：轮轨均为实物构件，轴重和动态激振通过液压作动器施加，轮轨型面和介质喷洒均可按实际工况精确控制。制动防滑器接入试验气路后，实时获取轨道轮和试验轮对的转速信息，依据控制策略发出防滑指令，调节制动缸压力；试验台同步响应并调整电机扭矩以模拟制动减速度。该闭环测控系统
［20］（结构如
图5所示）实现了信号与指令的高频交互和动态耦合，显著提升了防滑策略验证的可靠性和全面性，为制动系统的优化和创新奠定了坚实基础。
3 创新研究结果及讨论
3.1 基于全尺寸高速轮轨关系试验台的高速轮轨牵引黏着特性规律
首次依托全尺寸高速轮轨关系试验台，系统开展了40~400 km · h
-1速度范围内多种因素对轮轨牵引黏着特性的影响试验，涵盖了运行速度、轴重、冲角、轮轨振动、接触表面粗糙度以及干湿介质条件等多个关键变量。通过将纵向蠕滑率控制在1‰的高精度范围内，成功获取了不同工况下的轮轨牵引黏着特性曲线（如
图6和
图7所示）
［18］，填补了300~400 km · h
-1高速区段轮轨黏着试验数据的国际空白。这些精细、可靠的试验结果不仅为揭示高速轮轨黏着-蠕滑内在机制提供了坚实的试验依据，而且为我国高速列车牵引防空转策略优化和参数设计提供了关键数据支撑，显著提升了黏着力的控制和利用水平。
3.2 基于高速轮轨关系试验台与线路试验的牵引黏着系数对比
为验证全尺寸高速轮轨关系试验台及其黏着试验方法的有效性，基于大西客运专线新线雨雪天气条件下CR400BF型动车组线路牵引黏着试验，在试验台中严格复现了相同环境参数——包括轮轨接触表面粗糙度（
Ra=0.6~0.8 μm）、低温喷水（0~5 ℃）及速度等级，系统开展了水介质条件下时速400 km速度级的牵引黏着对比试验
［19］。
试验台与线路试验的牵引黏着系数试验结果对比如
图8所示。从
图8可以看出：在160~300 km · h
-1速度范围内，试验台所获黏着系数与线路实测结果高度吻合，分布趋势一致；在120~160 km · h
-1和300~350 km · h
-1速度区间出现细微偏差，主要源于线路实车试验受动车组牵引特性曲线的限制，而试验台具备更自由的参数控制能力。
该对比结果充分表明，全尺寸试验台在模拟真实轮轨界面行为方面具有高度可靠性，其输出数据可有效支持高速黏着模型的建立和安全策略的优化。
3.3 轮轨界面水介质条件下不同粗糙度对牵引黏着系数分布规律的影响
基于全尺寸高速轮轨关系试验台，首次系统获得了我国400 km · h
-1及以下速度级水介质条件下的轮轨牵引黏着系数分布图谱（如
图9所示）及计算式
［19，21］，填补了300 km · h
-1以上速度级黏着系数试验数据的国际空白。从
图9可以看出：黏着系数随速度升高呈整体下降趋势，但下降速率受轮轨表面粗糙度水平调控；在40~200 km · h
-1范围内，低粗糙度（
Ra=0.3~0.4 µm）工况下黏着系数降幅达80%，而高粗糙度（
Ra=0.7~0.8 µm）条件下降幅仅为44%；在200 km · h
-1以上高速区，各类轮轨表面粗糙度下的黏着系数变化趋于平缓。特别地，研究揭示了不同轮轨表面粗糙度对应进入极低黏着状态（黏着系数μ<0.03）的临界速度阈值：极低粗糙度车轮在超过100 km · h
-1速度后即进入该状态，低粗糙度车轮速度阈值约为250 km · h
-1，而中等粗糙度车轮直至370 km · h
-1以上速度仍维持可用黏着水平。这一规律突显了轮轨界面微观形貌对维持高速黏着的关键作用，这一发现为高速轮轨增黏技术——如优化打磨策略和材料选型——提供了明确的理论依据。
基于试验台绘制的黏着系数分布图谱不仅达到国际先进水平，更从机理层面深化了对水介质条件下高速轮轨黏着-蠕滑行为的认知。相关成果已直接应用于我国CR400系列动车组牵引系统的参数优化，为提升湿轨条件下高速列车运行安全性和黏着利用效率提供了坚实的试验基础和设计依据。
3.4 轮轨界面多种介质条件对极低黏着系数的影响规律
基于全尺寸高速轮轨关系试验台，系统开展了轮轨极低粗糙度条件下（
Ra为0.20~0.30 µm）不同介质（水、防冻液、普通润滑油15W-40及齿轮箱润滑油75W-90）对轮轨黏着行为影响的试验
［21］。高速轮轨多种介质条件下极低黏着系数随速度的变化曲线如
图10所示。从
图10可以看出：普通润滑油15W-40条件下黏着系数随速度呈线性缓慢下降，齿轮箱润滑油75W-90的黏着水平始终比普通润滑油15W-40低约0.02；而水与防冻液介质中，黏着系数在50~100 km · h
-1速度区间急剧下降，于高速区（100~400 km · h
-1）降幅趋缓。在50 km · h
-1速度时，黏着系数从高到低依次为水（0.075）、普通润滑油（0.035）、防冻液（0.022）和齿轮箱油（0.015）；但随着速度升高至100~300 km · h
-1，黏着排序变为普通润滑油最高，其后依次为水、齿轮箱润滑油和防冻液。
该研究首次揭示了介质类型与速度耦合作用下极低黏着行为的演变规律：普通润滑油工况不易引发极低黏着，而防冻液和齿轮箱润滑油则显著增加黏着失效风险。这一发现对高速列车在不同运行环境下的黏着管理和安全控制具有重要指导意义，为我国复杂轨面条件下牵引制动系统的适应性设计和黏着利用策略优化提供了关键数据支撑和理论依据。
3.5 高速轮轨水介质条件下制动大蠕滑黏着再上升特性规律
利用全尺寸高速轮轨关系试验台，在50~440 km · h
-1速度范围内系统开展了轮轨界面水介质条件下的制动大蠕滑黏着特性试验，成功获取了纵向蠕滑率高达30%的完整黏着特性曲线
［22］（时速400 km时轮轨制动大蠕滑黏着完整的特性曲线如
图11所示，其中
A点和
B点分别为加载过程中黏着力系数达到的第1个和第2个峰值点；
D点为黏着力系数达到的低谷点；
E点为加卸载转折点），填补了国际范围内高速制动大蠕滑黏着研究的空白。试验发现，在速度为300~400 km · h
-1的制动工况下，当纵向蠕滑率增至15%附近时，黏着力出现显著再上升现象，第二峰值黏着系数可达第一峰值的2倍左右。该特性曲线的成功绘制，不仅揭示了高速大蠕滑条件下轮轨黏着的非线性行为，更为我国复兴号动车组制动防滑系统的控制策略优化和黏着极限利用提供了关键数据和理论支撑。
3.6 高速轮轨水介质条件下制动大蠕滑黏着系数分布规律
基于全尺寸高速轮轨关系试验台，系统获得了50~440 km · h
-1速度范围内水介质条件下轮轨制动大蠕滑黏着系数的完整分布
［23］（如
图12所示）。试验揭示了制动过程中3个特征点的演变规律：小蠕滑阶段（纵向蠕滑率≤5%）首次出现黏着峰（
A点），其数值与牵引黏着系数一致；在大蠕滑（纵向蠕滑率>5%）加载过程中，黏着力经历再上升形成第二峰值（
B点），其黏着系数可达
A点的2~3倍，并随速度升高近似线性下降；在卸载阶段出现的第三峰值（
C点）黏着系数显著高于
B点约1倍，且在300~440 km · h
-1速度范围内随速度增加而减小，这一“卸载峰”对提升高速制动稳定性和黏着利用效率具有关键作用。
研究还发现，轮轨接触表面粗糙度对黏着行为具有决定性影响：在低粗糙度与水介质共同作用下，不仅各特征点黏着系数显著降低，且卸载阶段难以形成C峰，将直接制约制动效能和运行安全。这些成果填补了400 km · h-1速度级高速制动黏着理论空白，为我国复兴号动车组大蠕滑工况下的黏着控制策略制定、制动系统参数优化以及安全性提升提供了至关重要的试验依据和理论支撑。
3.7 基于试验验证的高速制动防滑策略优化
基于全尺寸高速轮轨关系试验台的制动防滑试验方法，形成了制动-防滑-轮轨动态闭环控制，实现了在多种介质（水、防冻液等）复杂接触条件下的防滑系统精准测试（高速典型试验结果如
图13所示）。该方法具备轴重连续可调（3~20 t）、介质喷洒量高精度控制和超低黏着与大蠕滑率工况模拟能力，克服了传统试验台装配复杂、模拟范围有限的局限，显著提升了高速制动防滑系统评估的科学性和全面性。
系统开展的不同轮轨黏着条件下纯空气紧急制动防滑试验，为我国复兴号动车组的防滑控制参数优化和黏着利用策略制定提供了坚实的试验依据。高速轮轨制动防滑策略优化成果成功应用于我国高速列车制动系统的性能提升和策略验证，为突破高速度等级的制动防滑与黏着控制技术瓶颈提供了关键支撑。
4 结论及展望
4.1 结论
（1）成功研制国际领先的全尺寸高速轮轨关系试验台，填补多项轮轨关系试验能力国际空白。该试验台最高试验速度达500 km · h-1，最大轴重50 t，具备多自由度激振、高精度蠕滑控制（纵向蠕滑率精度优于1‰）、轮轨界面多种介质环境模拟及制动-防滑-轮轨闭环控制能力，成为国际上首个可实现400 km · h-1速度以上牵引黏着和制动防滑测试的大型装备，为系统开展高速轮轨关系研究提供了不可替代的平台支撑。
（2）系统获得400 km · h-1速度级高速轮轨黏着特性分布规律及大蠕滑黏着行为机制。研究揭示了水介质条件下轮轨黏着系数随速度、轮轨表面粗糙度的演化规律，发现制动过程中大蠕滑区存在黏着再上升现象（B峰为A峰的2~3倍）及卸载峰（C峰），明确了不同轮轨表面粗糙度下进入极低黏着状态的临界速度阈值。这些规律为我国复兴号动车组制动防滑控制策略和黏着利用上限提供了关键设计依据。
（3）形成基于试验台的牵引黏着利用和制动防滑性能测试方法体系，实现从模拟到验证的全链条技术支撑。提出了高精度蠕滑控制、多种介质复合工况模拟和制动防滑闭环测试方法，建立了相应的试验标准。试验台承担了纯空气紧急制动、低黏着工况防滑控制等试验，显著提升了我国复兴号动车组制动系统在复杂环境下的适应性和控制可靠性。
（4）研究成果直接应用于高速列车系统优化，显著提升运行安全性和技术经济性。绘制的黏着系数分布图及提出的增黏技术对策，已应用于我国复兴号动车组的牵引制动系统参数设计、研磨子材料选型和防滑策略优化，为突破高速轮轨技术瓶颈、减少轮轨损伤、提升运营安全提供了扎实的试验基础和理论支撑。
4.2 展望
（1）推动多尺度仿真与试验验证深度融合，构建轮轨关系研究的完整技术体系。未来将进一步加强全尺寸轮轨关系试验台试验与数值仿真、线路试验的协同联动，尤其注重借助仿真手段揭示轮轨黏着、摩擦和磨损的微观机理，形成“仿真-台架-实车”三位一体的研究闭环，为更高速度等级动车组在复杂环境下的轮轨行为预测和系统设计提供理论支撑和验证平台。
（2）拓展极端环境模拟能力，发展面向全气候条件的轮轨关系试验技术。研制低温环境模拟舱，实现低温、冰雪等极端气候条件的轮轨关系台架复现，系统研究极寒、冰雪覆盖等特殊工况下轮轨牵引黏着和制动行为规律，为我国高速列车在全球多样气候下的安全运行提供技术储备和系统优化依据。
（3）持续突破速度边界，支撑更高速度等级轮轨技术的创新和发展。依托该试验台，积极开展450 km · h-1及以上速度条件下的轮轨黏着、动力学响应、制动控制等前沿研究，推动轮轨滚动接触理论的发展和工程化应用，为未来更高速列车牵引制动系统的设计和黏着利用策略优化提供领先的试验平台和基础数据。
国家自然科学基金资助项目(U2268212)
京公网安备11010202008535号
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