雨雪天气的粘着系数对机车安全性能影响分析

王 竣，王开云，刘建新

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都 610031)

当车轮在钢轨上滚动时，轮轨在相互接触的部位发生弹性变形，形成椭圆形的接触区，并在轮轨接触区内存在粘着区和滑动区。通常把轮轨间最大切向作用力叫做粘着力，把粘着力与钢轨对车轮的法向反力之比值叫做粘着系数［1］。针对粘着系数，国内外的许多学者做了大量的基础性研究工作。例如:文献［1－4］定义了粘着系数的概念，阐述了影响粘着系数的因素;文献［5］提出了改善粘着的具体方法;文献［6－7］建立了轮轨模拟试验机分析不同工况对粘着系数的影响;文献［8］研究了水润情况下的轮轨粘着。然而对于粘着系数的研究，目前仅限于粘着系数的影响因素以及改善的具体方法等方面，关于粘着系数对于机车安全性能影响的研究并不多见。鉴于此，本文以机车为研究对象，深入研究粘着系数对于机车安全性能的影响，以期为铁路机车安全运营提供理论参考。

1 雨水对粘着系数影响的调研分析

粘着系数的概念是一种量度，其具有一定的随机性，且随着位置、时间、车轮和轨道状况而变化。因此，根据轨道表面状态、轨道断面、轴载荷、机车运行速度、车轮直径、机车结构及驱动方式、线路不平顺性和天气情况(如雨、雪、冰、霜、阴、晴)等的不同，在同一个地方可获得粘着系数不同的变化［1］。

文献［1］指出轮轨表面有水时对粘着系数的影响非常大。轮轨表面存在粗糙度，轮轨接触发生在微小凸起部分，而粘着力是由微小凸起部分的弹性或塑性变形产生的。图1是在水润情况下不同粗糙度时速度与粘着系数的关系。从图中可以看出:粗糙度越大，粘着系数就越大;粗糙度越小，粘着系数也就越小，且随着速度的增加粘着系数变小。

图1 水润状态下粘着系数与速度的关系

文献［3］指出发生不利的粘着状态是指发生在当线路仅稍为潮湿时而呈现的粘着状态。例如，刚一下雨，粘着系数就从约0.30突然下降到0.1，如图2所示。另外，大雨所引起的粘着系数的降低幅度并不太大。

图2 天气状态对粘着系数的影响

文献［4］根据日本山手线的观测结果得到:在开始下雨时粘着力下降最为明显，尤其是在小雨时。当列车经过新大久保车站时开始下小雨，此时粘着系数逐渐下降。列车通过池袋车站后，粘着系数下降极为明显。然而，列车在通过轨道没有被淋湿的高架铁路时，粘着系数与下雨前基本相同。这时，从制动缸计算起，上述轴的对应粘着系数为0.06，发生滑动时在滑动点测得试验转向架的粘着系数为0.06，恢复粘着后为0.08 ～0.1，这与测速轴的特性完全相对应。

文献［5］指出，低粘着总是和湿轨道有关。经验表明，最低的粘着系数值出现于小雨或冷凝作用导致轨面轻微潮湿时。粘着系数在干燥轨道和完全潮湿轨道上是相同的，测得的最低粘着系数为0.17。钢轨轻微水湿后，最低的粘着系数为0.08。

文献［6］建立了JD－1轮轨模拟试验机，在实验机上分别进行了干态工况突然加水和水介质条件下的粘着特性试验。笔者研究了水介质条件下速度、轴重以及蠕滑率对于粘着的影响。实验结果表明:干态工况加水后的粘着系数比干态时的粘着系数降低了50%～60%。

综上所述，轮轨表面有水时对粘着系数的影响比较大，小雨时粘着系数可突然下降到0.1以下，而大雨所引起的粘着系数的降低幅度并不太大。

2 动力学模型

本文以某C0－C0机车为基础，利用多体动力学软件SIMPACK建立了动力学计算模型，如图3所示。转向架二系悬挂装置采用6个橡胶堆对称布置，分别布置在构架两侧。车体的垂向载荷主要由橡胶堆支撑，另外配有2个横向减振器。在构架侧梁上设置有垂向限位装置，限制车体的垂向运动;在车体和构架侧梁间装有横向止挡，限制车体的横向运动。

驱动装置采用滚动抱轴式悬挂。驱动单元一端通过电机吊杆和吊杆座装在构架上，在电机吊杆端配有弹性部件，可容许轮对和构架之间相对位移，另一端以抱轴式相连于轮对上。

C0－C0型机车由车体、构架、轮对、电机、电机吊杆组成。模型的自由度和拓扑关系如图4所示。

图3 C0－C0轴式机车动力学仿真模型

图4 C0－C0轴式机车模型自由度和拓扑关系

3 雨水对机车的行车安全性能影响分析

由前面分析可知:小雨时粘着系数不超过0.1，可以0.05和0.1值代表小雨时的粘着系数，而正常的粘着系数为0.25～0.3。因此，大雨时的粘着系数可介于前二者之间，为0.15和0.2。

3.1 直线性能分析

粘着系数取值为0.05～0.30，机车速度分别为60、80、100 km/h 时，轮对冲角、轮轨横向力、脱轨系数、轮重减载率随粘着系数变化的关系如图5～8所示。

图5 轮对冲角随粘着系数及运行速度的变化关系

图6 轮轨横向力随粘着系数及运行速度的变化关系

图7 脱轨系数随粘着系数及运行速度的变化关系

图8 轮重减载率随粘着系数及运行速度的变化关系

图5～8表明:

1)随着粘着系数增加，轮对冲角逐渐增加，但增幅不大。以速度为100 km/h为例，粘着系数为0.05时的轮对冲角为0.017 rad，粘着系数为0.2和0.3时的轮对冲角分别为 0.018 rad和0.019 rad。随着机车速度的增加，轮对冲角也逐渐增大。以粘着系数0.25为例，速度为60 km/h时的轮对冲角为0.001 5 rad，速度为80 km/h和100 km/h时的冲角值分别为0.001 8 rad和0.001 9 rad。

2)对于轮轨横向力，粘着系数在0.05～0.3。随着粘着系数的增加，轮轨横向力值几乎呈线性增长。例如，机车速度为100 km/h，粘着系数为0.05和0.2时的轮轨横向力分别为39.67 kN和56.02 kN，后者较前者增加了42.21%。随着机车速度的增加，轮轨横向力增加。以粘着系数0.25为例，100 km/h时的轮轨横向力值比60 km/h和80 km/h时的值分别增加了17.11%和25.92%。

3)粘着系数在0.05～0.3，脱轨系数随着粘着系数的增加而增大，增长幅度也较明显。例如:机车运行速度为80 km/h，粘着系数为0.1时的脱轨系数为0.27，粘着系数为0.15时的轮脱轨系数为0.35，后者较前者增加了29.63%左右。相同粘着系数的情况下，随着速度的变化，脱轨系数的值也略有增加。例如:粘着系数为0.25，60～100 km/h 时的脱轨系数分别为 0.38、0.42 和 0.49，但所有工况下的脱轨系数均小于安全限值。

4)粘着系数在0.05～0.3，机车运行速度分别是60、80、100 km/h时，轮重减载率随着粘着系数的增加略有增长，但增长幅度不大，且所有工况下的轮重减载率均小于安全限值。例如:当速度为100 km/h时，粘着系数为0.05时的轮重减载率为0.21，粘着系数为0.15时的轮重减载率为0.21，粘着系数为0.25时轮重减载率为0.22。

上述分析表明:粘着系数在机车以60～100 km/h的速度通过直线时对行车安全性能影响较明显，尤其是对轮轨横向力的影响较大，且粘着系数越大，安全性能指标值越大。

3.2 曲线性能分析

为了更清晰地对比分析粘着系数的影响，在曲线段没有考虑轨道随机不平顺的情况。

当机车以100 km/h的速度通过半径为800 m的平面曲线时，不同天气条件下的轮轨安全性能指标计算结果见表1。

表1 轮轨安全性能指标的计算结果

表1结果表明粘着系数对机车(100 km/h)通过曲线时的行车安全性能影响不明显。例如:粘着系数在0.05～0.3时，轮对冲角均为0.048 rad左右，轮轴横向力在25～40 kN变化，脱轨系数为0.18 ～0.31 左右，轮重减载率在 0.37 ～0.39 内波动。

以下小雨为例(粘着系数为0.1)，图9～12分别给出了轮对冲角、轮轨横向力、脱轨系数及轮重减载率等安全性能指标的时间历程。从图9～12可以看出:机车动态通过曲线轨道时，具有明显的轮轨相互作用特征，如图9～12所示。

图9 轮对冲角的时间历程

图10 轮轨横向力的时间历程

图11 脱轨系数的时间历程

图12 轮重减载率的时间历程

4 结论

1)轮轨表面有水时对粘着系数的影响非常大，小雨时粘着系数可突然下降到0.1以下，而大雨所引起的粘着系数的降低并不太大。因此，小雨时应尽量控制机车轮对的输出扭矩，防止轮对的空转打滑。

2)粘着系数对机车通过直线轨道时的轮轨横向力和脱轨系数的影响较明显。当机车通过曲线轨道时，粘着系数对其运用的安全性能也有一定程度的影响。

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