高速轮轨黏着机理的研究进展及其应用

常崇义，蔡园武，李兰，陈波

（1. 中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081；2. 中国铁道科学研究院 高速轮轨关系试验室，北京 100081）

高速轮轨黏着机理的研究进展及其应用

常崇义1，2，蔡园武1，2，李兰1，2，陈波1，2

（1. 中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081；2. 中国铁道科学研究院 高速轮轨关系试验室，北京 100081）

轮轨黏着影响列车牵引和制动，对铁路运营效率和行车安全至关重要。论述国内外高速轮轨黏着的研究成果，包括仿真研究和试验研究进展情况。在仿真研究方面，介绍国内外轮轨黏着的理论模型发展和数值方法；在试验研究方面，介绍国内外的试验方法和试验结果。通过对轮轨黏着机理进行研究，揭示影响轮轨黏着的因素及其影响规律。分析现场存在的轮轨黏着方面的问题以及国内外轮轨黏着的控制与利用情况，包括最新的轮轨增黏措施和防滑防空转技术，并对高速轮轨黏着机理未来的研究方向进行展望。

轮轨黏着特性；黏着系数；滚动接触；水介质；粗糙度；高速；增黏

0 引言

高速轮轨黏着机理及理论是轮轨关系研究的核心基础。高速轮轨黏着特性是高速铁路所面临的迫切需要研究的基础科学前沿和应用科学热点问题，其研究目的是探索高速轮轨黏着曲线，深入认识轮轨黏着机理，为有效控制或利用动车黏着力提供必要的技术支撑。轮轨黏着特性直接影响高速列车的牵引、制动性能及运行品质，列车的起动、加速、减速和停车等都与黏着特性有直接关系。列车牵引时轮轨黏着力不足将会发生车轮空转，造成钢轨擦伤，影响正常启动加速；制动时轮轨黏着力不足将会引起车轮滑行，造成车轮擦伤，导致停车距离超限。轮轨擦伤不仅影响高速列车的运行品质，而且也将加剧车轮和钢轨的损伤，增加维护成本，危及高速铁路安全。

近年来，我国高速动车组运营中轮轨黏着引起的问题时有发生。在复杂运行条件下，曾发生多起动车组轮对和钢轨擦伤、列车冒进信号等故障。为此，开展轮轨黏着机理研究，加强轮轨黏着控制，以改善列车运行性能，提高铁路运营效率。

1 高速轮轨黏着的研究情况

1.1 仿真研究进展

轮轨黏着对列车运行安全十分重要。国内外学者在干燥条件下的轮轨蠕滑理论方面取得了较多成果，主要有英国学者Carter[1]的二维滚动接触理论、Johnson K L[2]的三维无自旋弹性球滚动接触理论、Vermeulen P J和Johnson K L[3]的椭圆接触理论、沈志云[4]等的修正理论、Kalker J J[5-7]的三维蠕滑率/力线性定律及其简化理论和CONTACT程序。Kalker J J的轮轨蠕滑理论在铁路车辆系统动力学仿真计算中应用广泛，但其没有考虑速度的影响。从试验结果来看，速度对黏着系数的影响不可忽视。国内外学者在这方面进行了深入研究，陈厚嫦[8]提出用函数型摩擦系数代替FASTSIM和CONTACT所采用的Block动静摩擦系数。孙琼[9]分析轮轨表面粗糙度、温度和接触振动对轮轨滚动接触的影响。文献[1-9]中使用的轮轨接触理论及方法假定接触物体为半空间，使接触几何存在很大局限性，意味着有效的接触面积必须比每个相关联物体的曲率半径要小很多，尤其是当发生2点接触时在轨角附近接触半径和接触面积较为接近，半空间的假设就会出现问题。CONTACT程序[7]把接触区域划分为单元和带半空间假设的边界元来分析接触问题，材料模型只能是线弹性模型。有限元方法则不受这2个假设的限制。Nachenhorst[10]首次引入严格黏着和滑动接触条件，将用于流体结构作用分析的变形梯度分解法和任意的Arbitrary Lagrangian Eulerian（ALE）有限元方法应用于滚动接触问题分析，利用精细的自适应网格技术有效判别接触区域，滚动接触副由弹性体对刚性体推广到弹性体对弹性体，两维滚动接触推广到三维滚动接触。Damme[11]利用ALE有限元方法分析轮轨滚动弹性接触问题，使其真正变成一个动力问题，但该方法的有限元离散是基于位移变分的虚功原理，由于没有建立摩擦力与相对滑移速度的本构关系，在虚功平衡方程中，通过冲击力和相对滑移速度的形式来描述接触摩擦虚功。该方法未考虑轮轨粗糙接触表面的切向接触条件以及轮轨塑性材料的影响。常崇义[12]利用基于ALE有限元的高速轮轨稳态滚动接触模型，分析高速轮轨稳态滚动接触下接触斑的接触状态、干燥条件下的黏着特性以及运行速度对高速轮轨黏着曲线的影响，在计算结果中明显观察到接触斑的摩擦力分布和相对滑移速度的自旋效应，速度对于干燥条件下黏着系数几乎没有影响。该方法未考虑轮轨接触振动对黏着特性的影响。

轮轨表面除了干燥状态外，还经常存在水、油、砂石等“第三介质”。国内外学者对于轮轨间存在“第三介质”的数值模型研究较少。目前关于轮轨接触界面有水介质条件时的数值模型主要有2种：统计型模型和确定型模型。统计型模型主要考虑接触表面粗糙度的混合流体动力润滑理论结合微观固体接触理论分析轮轨黏着特性。日本Ohyama T[13]首次将弹性流体动力润滑理论应用到轮轨接触界面水介质存在时的黏着特性分析，并开展了二维水膜厚度计算。陈桦[14-17]应用Newton-Raphson方法对轮轨接触界面水介质存在时的水膜厚度进行分析，应用弹流理论和微观固体弹性理论分析了水介质条件下的轮轨黏着特性，将数值计算获得的速度和黏着系数的关系与日本新干线实测结果进行对比（见图1），并联合应用混合润滑理论和微观固体弹塑性理论建立了三维数值模型，分析了速度、表面粗糙度、粗糙度纹理方向等与黏着系数的变化规律。

图1 轮轨黏着系数数值计算与实测结果对比[17]

吴兵等[18-20]基于平均流量模型分别利用Newton-Raphson方法和多重网格法获得了二维水介质存在时的黏着特性，并通过小型摩擦磨损试验机对数值模型进行了验证。吴兵等[21-23]还将二维模型拓展到三维椭圆接触状态，获得了水介质存在时的高速轮轨黏着系数。

瑞典KTH的Zhu[24]采用确定性模型，通过测量实际轮轨表面微观粗糙度研究有水存在时粗糙表面对轮轨黏着特性的影响。Tombeger[25]提出考虑界面流体、表面微观粗糙度及热效应的计算模型，该模型可以从微观角度解释粗糙度和温度对黏着系数的影响，但是该模型并没有考虑温度对于界面流体黏度的影响。这类模型的最大特点是可以较好地反映轮轨表面粗糙度的切向行为，但粗糙峰之间的法向接触计算是基于Hertz弹性接触假设。此类模型相比于平均流量模型存在以下不足：采用真实轮轨表面粗糙度计算量较大；基于弹性假设，无法考虑表面粗糙度的弹塑性变形。

从以上国内外关于轮轨黏着数值模型的研究可以看出，现有的轮轨蠕滑理论还无法准确模拟轮轨黏着特性。ALE有限元轮轨滚动模型只能模拟轮轨干燥界面时的黏着特性，还无法考虑由于速度提高带来的高频振动对黏着的影响；基于Kalker的传统蠕滑理论还无法考虑轮轨界面“第三介质”对轮轨黏着的影响。近年来随着混合润滑理论的发展，以及在轮轨间存在液体介质的黏着问题研究中的成功应用，使问题得到部分解决。然而，目前的数值模型无法考虑微观固体弹塑性接触、界面液体的热效应影响，而且难以模拟轮轨间的黏滑过程。在轮轨滚动接触过程中，接触表面微观粗糙峰之间很容易发生弹塑性变形，并且轮轨摩擦会导致水膜温升。因此，有待建立更精确的模型。

1.2 试验研究进展

美国伊利诺斯理工学院的S Kumar和中国铁道科学研究院的钱立新[26]利用IIT-GMEMD轮轨模拟试验台研究牵引、制动2种工况下的轮轨纵向、横向黏着-蠕滑性能，深入研究轮轨冲角、油水污染、接触面积及蛇行运动对轮轨黏着的影响。Hertz模拟和几何模拟条件下各种载荷的黏着-蠕滑曲线见图2，可以看出2种情况下的黏着-蠕滑曲线十分相似，随着车轮载荷的增加，黏着稍微下降。

日本对轮轨黏着问题开展的研究较多，其中以Ohyama T为代表的研究小组最为出色，其研究主要以试验为主。1985年，Ohyama T[27]使用比例约为1∶2的试验装置对高速轮轨黏着进行研究，分析了水污染条件下接触表面粗糙度、滚动速度和Hertz压力对黏着系数的影响，发现粗糙表面的峰值变形较大而导致抗剪强度降低。1989年，Ohyama T[28-29]采用大型尺寸试验装置研究了干燥条件下的高速轮轨接触表面黏着现象，并对现场试验黏着系数进行测量，得出的结论是在干燥接触表面条件下，黏着系数没有下降趋势，结果比较分散。但当接触面上有水时，黏着系数就随速度的提高而急剧下降（见图3）。在水润滑条件下，由表面粗糙度引起的室内试验黏着系数有很大差异。由图3也可看出，表面粗糙度越大，在整个速度区内，黏着系数越高[30]。

图2 Hertz模拟和几何模拟条件下各种载荷的黏着-蠕滑曲线[26]

图3 水润滑情况下速度与黏着系数的关系（试验值）[30]

目前许多科研机构仍然使用小比例的轮轨试验台进行轮轨黏着特性研究，试验一般采用Hertz接触相似理论。但一方面由于轮轨关系中非线性的存在，无法用一般相似关系直接从小比例试验台试验结果中精确估计1∶1线路运行状态，这是小比例试验台根本上的不足，所以小比例的轮轨关系试验台难以在真正的轮轨研究中发挥作用。另一方面，低速的轮轨试验台很难反映高速轮轨滚动接触时高频接触振动的特点，所以很难获得高速轮轨黏着规律。

西南交通大学牵引动力国家重点实验室的张卫华等[31-32]基于1∶1整车滚振试验台进行了黏着试验研究。对于干燥的轮轨接触表面，试验速度最高为70 km/h，轴重为44 kN和67 kN，试验结果见图4。从图4可看出，在小蠕滑区，黏着力随蠕滑率的提高而线性增大，当黏着达到饱和后，黏着力总体呈下降趋势，但在运行速度低时下降缓慢，运行速度高时下降明显；轴重越大，黏着系数越小。该实验室还研究了当轮轨表面喷水的情况下轮轨间振动对黏着的影响。试验速度为180 km/h，轴重88 kN，激励频率分别为0、5、15 Hz。在轮轨表面喷水的情况下，振动对黏着有明显影响，特别是高频振动将引起轮轨间黏着力降低（见图5）。

中国铁道科学研究院高速轮轨关系试验室已经建成最高试验速度500 km/h的1∶1高速轮轨试验台，轨道轮直径达3 m，轮轨关系更接近真实状态，较以往的小比例、小尺寸试验台试验结果更能反映实际情况，可以完成高速状态下轮轨蠕滑与黏着性能等的试验研究。常崇义等[33]在此试验台上开展了干燥条件下高速轮轨黏着性能试验研究。试验结果表明，干燥条件下350～380 km/h速度时黏着系数不随速度增加而下降，但轮轨间振动会造成黏着系数下降（见图6）。

线路测试是研究轮轨黏着特性的最好方法。C F Logston等曾对北美机车进行线路试验，获得了干燥、水介质及砂石存在时的黏滑曲线，并提出了机车增黏措施。1990年，Ohyama T[34]利用200系和951型电动车组在日本新干线轨面喷水条件下进行测试，获得了30～270 km/h和60～210 km/h速度范围内的黏着系数分布（见图7）。日本新干线的试验表明，在水介质条件下，不同车型动车组轮轨黏着系数有一定的规律，但各有不同。此外，Nagase、Magel、法国国营铁路公司以及其他很多研究者都进行过轮轨黏着的线路测试。

图4 干燥条件下的轮轨黏着特性曲线[31]

图5 喷水情况下轮轨振动对黏着的影响[31]

图6 干燥条件下轮轨黏着特性曲线[33]

图7 日本新干线轮轨黏着系数分布（水介质条件）[34]

1.3 轮轨黏着机理研究

（1）干燥条件下的轮轨黏着机理。较准确的轮轨接触刚度计算应以轮轨接触表面微凸体的接触变形来考虑。由于载荷与变形的关系是非线性的，所以振动是非线性且是非对称的，因为在车轮向下移动的过程中，与越来越多的新微凸体发生接触，并且接触刚度不断变化，即车轮下移时，刚度提高；上升时，刚度降低。这时，振动振幅增大，导致车轮在钢轨上平均水平面提高，从而使实际接触总面积减小。车轮在滚动过程中，其表面微凸体受到钢轨表面微凸体的微脉冲，这些微脉冲的法向分量不断引发车轮的法向振动。实验表明，虽然这种脉冲是无序的，但其组合仍能使车轮不断进行不衰减的法向振动。振动可使车轮升高，实际接触面积减小而降低摩擦力。速度越高，各微凸体之间微脉冲的法向分量就越强，上述振动的振幅就越大，车轮移动的平均水平面就越高，实际接触面积就越小（塑性变形体积也越小），摩擦力也就越小。这些现象说明黏着系数随速度增高而降低[35]。

（2）水介质条件下的轮轨黏着机理。因降雨等造成车轮与钢轨接触部分有水存在，水在轮轨的挤压下流动形成水膜，其厚度随车轮运行速度的提高而增加，水膜厚度增加使固体承载量减小。轮轨间的黏着系数主要受接触表面粗糙峰的影响，减小粗糙峰的接触压力，可导致黏着系数降低。理论上，当运行速度足够高、水膜厚度足够大、隔离轮轨表面粗糙峰时，轮轨间就成为全膜润滑，牵引力大小完全取决于介质黏性。因此，随着运行速度不断提高，轮轨间传递的力减小，黏着系数也将减小[34]。

（3）水介质条件下的轮轨增黏机理。通常，运行中的动车组车轮踏面微凸体高度偏差的均方根Rz约为2.0 μm，平均值Ra约为0.3 μm。基于弹性流体润滑理论的数值计算表明，在动车组300 km/h运行速度下形成的水膜厚度不超过1.0 μm。要恢复或增大黏着系数，可采取以下方法：保持轮轨表面适当的粗糙度；在轮轨间加入有一定抗压强度和剪切强度的材料，为保证即使轮轨间的接触压力使该材料被碾碎，其粒径也能保持一定的尺寸，所以要加入比轮轨更硬的粒子材料[36]。

2 轮轨黏着的控制与利用

随着列车运行速度的提高，控制技术对抑制黏着力的减小及有效利用可用黏着力是必不可少的。黏着力的控制有2种含义：一是在各种环境条件下，从摩擦学（强调尽可能获取所需黏着力）角度进行控制；二是在转移到宏观滑行范围时，进行车轮旋转/滑行控制以检测宏观滑行并协调所施加的扭矩。前者是所谓的提高黏着力技术，而后者是控制技术，包括提高自身再黏着力，在驱动和制动过程中考虑转矩滑移特性。

由于轮轨黏着物理规律，通过单独的车轮旋转/滑行控制不可能在超过蠕滑率饱和点的地方获取黏着力，目前难以从提高黏着力技术中得到预期黏着力。因此，只有协同推进车轮旋转/滑行控制和提高黏着力的相关研究与开发，才能持续提高黏着力。

2.1 黏着力的提高

法国在实践中利用打磨技术提高轮轨黏着力。该方法遵循的原则是轮轨之间的砂粒破坏边界润滑膜，通过后续剪力产生楔塞作用，从而引起高黏着力。法国巴黎—里昂高速列车动力车配备了打磨装置，在列车速度达到约140 km/h时打磨相当有效，而列车速度为200 km/h时所观测的效果则不太明显。

日本新干线专用的轨道中，不仅存在较小体积的落叶，还存在因润滑产生的少量灰尘。在有水的接触面，速度对黏着力的影响最为显著。这种情况下，表面粗糙度显著影响黏着系数。因此，车轮表面的处理可提高在高速运行过程中的黏着力。日本高速列车在制动过程中通过研磨子与车轮踏面的研磨使车轮踏面表面形成诸多微凸体，这导致当车轮与钢轨接触表面有水时，微凸体支撑的负载增加。1972年以前未采用研磨子时车轮擦伤发生率与1974年以后采用研磨子时的发生率存在显著差异，采用研磨子后的黏着力与传统铸铁块相比高20%～30%。20世纪90年代，日本为解决高速低黏着问题，在WIN350系试验列车和500系电动车组车型上开展了喷射陶瓷粒子的增黏技术研究工作，在制动过程中粒径0.3 mm的陶瓷粒子喷射到轮轨之间，这些粒子被车轮碾碎后，变成粒径10 μm的微小粒子嵌入轮轨表面，这些微小粒子穿破已在轮轨接触面内形成的水膜，增大了固体接触部分的比率，在轮轨间传送更大的黏着力，并且还能使钢轨和车轮接触表面进一步粗糙化，从而提高轮轨间有水时的黏着力。1997年运行试验表明，紧急制动时动车组轮对没有发生滑行。

德国西门子ICE3型动车组采用撒砂增加轮轨间的黏着系数。

我国高速列车常年保持300 km/h的运行速度，并且不可避免地会经过界面污染的区域。为防止黏着不足引起安全性问题，现有动车组都采用了不同方式进行增黏。CRH2及CRH380A型动车组的每个车轮都设有踏面清扫装置，该装置不仅对车轮踏面可能出现的污染物进行及时清理，还能通过研磨子和车轮踏面的研磨增强在雨雪天的黏着力，避免车轮在牵引、制动过程中空转和打滑。此外，研磨子还具有消除车轮不圆度、修复车轮表面缺陷以及抑制轮轨间的高频振动等功能。虽然踏面清扫装置在绝大部分情况下能够满足轮轨黏着的需求，但实车试验表明在极端工况下只采用踏面清扫装置仍会引起列车制动距离加长等问题，无法在现有黏着控制策略下达到理想的制动效果。而踏面清扫装置配合撒砂装置能大大提高极端工况下列车的制动能力。CRH3、CHR380B、CHR380D和CRH5型动车组均安装了撒砂装置，并普遍采用了制动防滑器。

2.2 旋转/滑行控制

旋转/滑行控制关键在于尽可能早地检测宏观滑行。为实现该目的，采用速度差和时间差分化的减速度作为评估指导。当采用速度差时，检测宏观滑行的精确度取决于如何选择参考速度。理想情况下，建议配备一个未施加扭矩的参考轴。此外，对早前检测的宏观滑行，在某些情况下，使用时间差分化的减速度作为检测信号。在发生剧烈旋转或滑行前，检测宏观滑行以减小扭矩，产生再黏着力，这是基本的旋转/滑行控制。这种情况下，尤其是在制动过程中，扭矩减小幅度降低造成较多的旋转并引起锁定。因此，发生滑行时，防滑控制迅速响应是非常必要的。当再黏着力发生时，扭矩减小幅度的恢复意味着有效黏着力的减少，因此及时增加扭矩很重要。另一方面，尽管有不利的黏着力，过早地增加扭矩或再应用高扭矩会引起再旋转或再滑行，特别是表面有水时，反复的旋转和滑行可能降低黏着系数。而且低频率的轮载变化可能引起滑行，从而导致必须考虑制动力的高响应。某些情况下，当电力制动和机械制动同时应用时，制动力即刻增加，进而引起滑行，因此2个制动作用的协调控制也很重要[37]。

法国巴黎—里昂高速列车被检测到滑行时，制动控制压力保持10%～20%的高滑动比逐渐释放，从而引起高黏着力，但这种方法在低黏着力情况下产生锁定。此外，由于滑行速度较快，车轮踏面形状趋于恶化。因此，从根本上更适当的黏着力控制方法为：先检测宏观滑行并迅速减小扭矩，以转换到一个稳定的微动滑移范围用于产生再黏着力，使黏着力有效可用。

3 结论

综上所述，近年来在高速轮轨黏着数值仿真、试验、增黏技术方面都取得了较大进展，但仍需进行深入研究。

（1）在干燥条件下，速度对轮轨黏着系数影响的试验研究结果不完全一致，还需进一步深入分析轮轨间振动造成黏着系数下降的原因；在高速条件下，虽然针对轮轨间存在水介质时轮轨振动对黏着的影响开展了一些试验研究，但还处于定性分析阶段。

（2）轮轨接触界面有水介质存在时，在轮轨载荷作用下微观固体粗糙峰很容易发生弹塑性变形，高速情况下轮轨接触界面摩擦引起水介质温升显著。因此，三维高速轮轨黏着仿真模型应考虑微观固体弹塑性接触和界面液体的热效应影响。

（3）轮轨接触界面有水介质存在时轮轨黏着机理方面研究达成共识：当车轮速度增加时，轮轨接触区的水膜增厚，导致固体粗糙峰承载面变小，从而减小了固体粗糙峰的接触压力，造成黏着系数降低。但速度提高以后，轮轨接触机理方面的变化所带来的影响仍然未知。

（4）根据轮轨黏着机理的研究成果，高速动车组在牵引和制动过程中黏着力的控制和利用技术仍需进一步优化。

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Research Progress and Application of the Mechanism of High-speed Wheel-rail Adhesion

CHANG Chongyi1，2，CAI Yuanwu1，2，LI Lan1，2，CHEN Bo1，2
（1. Railway Science & Technology Research & Development Center，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. Laboratory for Wheel-rail Relationship of High-speed Railway，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Wheel-rail adhesion is crucial to the efficiency and security of railway operation since it exerts a great influence on the traction and braking performance of trains. This paper presented the research achievements in terms of high-speed wheel-rail adhesion both in China and abroad, including research progress made in simulations and experiments. As for simulative research, the paper demonstrated the theoretical model development and numerical method for wheel-rail adhesion. The experimental methods and results were shown subsequently. Through research on wheel-rail adhesion mechanism, the influence factor and influence mechanism of wheel-rail adhesion were worked out. The paper then analyzed the on-site problems related to wheel-rail adhesion and presented existing methods of controlling and harnessing wheel-rail adhesion both in China and abroad, such as wheel-rail tackification method and anti-skid & anti-slip technique. The paper finally gave an outlook to future research on the mechanism of high-speed wheel-rail adhesion.

wheel-rail adhesion characteristic；adhesion coefficient；rolling contact；water medium；roughness；high-speed；tackification

U211.5

A

1001-683X（2017）11-0024-09

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.11.024

中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2016G008-C）；中国铁道科学研究院科技研究开发计划项目（2014YJ089）

常崇义（1974—），男，研究员，博士。E-mail：chychang@163.com

责任编辑 李凤玲

2017-08-21