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机车车辆轮轨粘着特性的影响因素

已有 4462 次阅读 2019-7-27 11:46 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦|关键词:学者| 机车, 粘着, 粘着系数, 粘着特性, 轮轨

机车车辆轮轨粘着特性的影响因素

伍赛特

 

0 引言

大量研究表明,轮轨接触表面的各种污染物对于轮轨粘着都会产生不同程度的影响。真正使粘着系数显著下降的是轨面上的水和油介质。少量的水和油会形成很薄的糊状物质,导致粘着系数下降。实践表明,细雨轨面上的落叶(特别是含有油性的落叶,如松树叶等早晨时刻轨面上的露水等),对粘着状态而言是最不利的。

在常速条件下,下大雨实际上不会使粘着系数降低很多。因为大雨清洗了轨面,除去了粘糊类型的润滑剂。但在高速条件下则不然。在列车高速运行条件下,由于大雨覆盖轨面使轮轨问形成了弹性流体润滑状态,导致粘着系数急剧下降。

影响轮轨粘着的主要因素有:①表面状态和环境因素;②道床质量的影响;③车轮蠕滑;④牵引电机功率、直流/交流供电及控制系统;⑤轴重;⑥速度;⑦道床及轮、轨的几何形态;⑧金相、材料和硬度;⑨车辆动力作用。

 

1钢轨表面状态及环境影响因素

钢轨表面状态及周围环境状况对粘着的影响最大。这包括树叶、植物、油、油脂、水、冰雪、泥和钢轨上的铁锈对轨道的污染影响以及轮轨接触表面微观粗糙度等。最大影响因素是秋季掉落在钢轨上的树叶。在英格兰、日本和美国,落叶为正常的列车运行带来严重的问题。在上述情况下已经测得粘着系数可低至0.03(松树和杉树树叶使粘着下降最大)。大雨并不是使粘着下降的主要因素。但是,蒙蒙细雨或夜间在轨面上形成的露水或霜似乎对粘着影响很大。此时似乎可形成由有机物、污物铁锈和湿气构成的粘性膏状物质,这是引起粘着下降的主要原因。轨面上的主要污染源之一是潮气与油、油脂和从列车掉落在轨面上的柴油结合在一起形成的污染物。对于铁路运输系统,当货物列车和旅客车列车驶过同一条线路时情况更是如此。

高速旅客列车或那些在车站附近要求有较高加速度和减速度的列车要求有较高的粘着系数。牵引状态下速度低于160km/h,大部分旅客列车似乎并未遇到粘着不足的问题。但对更易出现滑移和滑行状况的制动工况来说,情况就不如上述那样乐观。人们已经注意到了在受污染轨面上采用电力制动和空气制动,制动加速度大于083 m/s2时所出现的滑行问题。这一过程首先由车轮发生较大蠕滑开始,然后打滑,最终车轮抱死,导致车轮擦伤。即使是在日本最先进的带有空转/滑移控制装置的高速旅客列车上也发现了上述现象。车轮发生擦伤的频率随轨顶污染程度加重和粘着下降而增加。车轮擦伤导致振动加剧,噪声增大,对轴承和车轴的损伤加剧,增大轨顶表面粗糙度。

水(包括液态水和水蒸气,如湿气)对粘着的影响最大。在下小雨或空气湿度较大,以及轨面上有露水时,粘着系数很低。对于清洁轨和污染轨,情况均如此。当轨面上有粉尘、铁锈磨屑、落叶、油和油脂时,粘着显著下降。

水的影响如下所述,当气温低于露点时,水开始在表面覆盖有诸如油、污物、铁锈、粉尘或树叶一类润滑剂的轨面上凝结。这层薄薄的水膜与其他磨屑碎片混合在一起,形成糊状的润滑剂膏,从而显著降低粘着。下小雨或蒙蒙细雨时湿度较高,对粘着有同样的影响。因为薄薄的水膜与其他磨屑碎片混合在一起。有时,铁锈与油和油脂混合形成一层剪切强度低的膏体,使粘着系数减少到清洁轮轨系统粘着系数的1/51/6

当雨下得很大时,粘着状态也会恶化,但该系数不如下小雨时或湿度较大时下降得多。这是由于大雨能将轨面的磨屑、油和树叶类物质清除掉,使剪切强度低的膏体不能形成。可将水的影响归结为表面污染:在没有磨屑的轨面上,水作为一附加的边界润滑剂,使粘着系数降至0.2左右;当轨面有磨屑存在时,水可与之形成一层剪切强度低的混合物(膏体),湿度最小时,膏体驻留在轨面上,使粘着系数显著降低至0.05。下大雨时,磨屑混合物被冲刷掉,因此能获得较高水平的粘着。

水的影响是短暂的,由于后续列车通过及环境干燥,水会蒸发,使轮轨接触保持干燥状态实验室试验进一步表明,干燥的磨屑对粘着几乎没有影响,除非其与油或水混合在一起。固体磨屑主要由吸附某些物质的氧化物(主要是铁)组成,这些物质包括油、油脂、落叶、其他蔬菜类物质、来自附近工厂的黏土和木屑、来自附近矿山或工厂的煤尘和其他一些矿物质或有机物。粘着下降的幅度由轨面上油或水的量决定。因此,仅当流体/磨屑比例较高时,粘着系数才较低,落叶残留物,特别是秋季时的落叶残留物,非常容易引起打滑(粘着系数=0.03)。当磨屑量很大时,油/磨屑对轨面的污染会引起严重的问题。需要注意的一个有趣现象是轨面上有磨屑时,摩擦系数比轨面上没有磨屑时要高。磨屑对油的比例越大,粘着系数越高。但是,还应注意到,在生锈的初始阶段,出现中价铁离子,使粘着降低,而当表面完全生锈时,情况却并非如此。考虑水的影响时,过往列车对轨面起清洁作用,此时污染物或是被清除掉,或是被蒸发或燃烧掉。

对于与公路平交的铁路,由于汽车轮脸将泥土带至钢轨头部,从而使粘着下降。通过平交道口的汽车数量越多,粘着系数下降越大。在下过蒙蒙细雨后,情况更是如此。

在长度较短的隧道内,特别是在轮缘采用喷油方式进行润滑的轨道系统内,粘着系数显著下降(接近0.07)。

对喷油对轨道的影响进行了研究,几乎所有的试验都是用模拟油混合物进行的,即实际上并未使用采自轨道上的样品油。试验发现粘着主要由边界润滑机理控制,油的化学成分表明,在现场发现的油中似乎含有较多的表面活性物质。而且还发现油的化学成分对粘着的改变几乎没有影响。轨头表面上油的数量多少极大地影响粘着系数(减至原值的1/21/3)。湿度与油联合作用可进一步影响粘着,使其降低至原来的1/3

 

2轨道质量的影响

轨道质量对列车所能获得的粘着有直接的影响。由于接头钢轨引起冲击,在钢轨接头处引起车轮减载,导致粘着显著下降。与此相对的是,焊接无缝长钢轨可获得较高的粘着水平及良好的走行品质。钢轨扭曲也使粘着下降。一般来说状态良好的焊接无缝长钢轨,当轨面清洁时,可获得较高的粘着系数。

 

3车轮蠕滑控制

所有的牵引动轮都会发生微观滑移。微观滑移又被称为车轮蠕滑,它是与车轮的粘着水平密切相关的一个重要参数。直到20世纪70年代初期,车轮的蠕滑一直被限定在较小的范围内(约1%),以获得与此蠕滑水平相对应的粘着水平。在新型控制系统中,均采用增大车轮蠕滑的方法来增大粘着。采用这种方法,机车生产厂商成功地将粘着系数从0.18提高到0.24随后又将其提至0.3及更高。轻轨和市郊铁路可以更为有效地使用蠕滑控制系统以避免车轮打滑,引起车轮擦伤。为在受污染的轨面上加速列车运行,目前许多生产厂商采用蠕滑控制系统消除轨面污染物的影响,轨头表面覆盖有一层污染膜,高蠕滑情况下该膜会破裂,金属与金属间的真实接触面积增大,使粘着得以改善。

过去数年间,机车所用的传动形式在产生粘着过程中起重要作用。交流牵引特性与轮轨接触特性有着较好吻合。在相似的轨面污染情况下,与用直流电机驱动车轮情况相比,采用交流电机驱动车轮能提高粘着能力。因此,交流牵引动力能够在低速情况下产生高粘着,在高速情况下产生的粘着系数也高于直流牵引动力。与相应的直流牵引动力系统相比,交流动力在功率接近饱和时能获得较高的速度能力。这一点在很大程度上取决于系统的设计,包括驱动系统中的电气和电气一机械部件的设计。最近设计的交流(电机驱动)机车能够产生0.4左右的粘着系数。与此相比,直流(电机驱动)机车的粘着系数最大仅能达到0.33左右。再加上其他的优点,欧洲的现代高速旅客列车(TGVICE)以及日本的新干线列车均使用交流方式。

 

4轴重

轴重对粘着系数的影响幅度较小,约为5%。根据粘着系数的定义式,提高轴重意味着提高轮轨接触面上的正压力,虽然对粘着系数影响不大,但粘着力(或牵引力)增大了。过于提高轴重,会使轮轨的接触压力增大,加速了轮轨接触表面疲劳破坏。

 

5走行速度

列车的走行速度对粘着水平有一定程度影响。国内外的研究表明,粘着系数是随着运行速度的增加而下降的,各国通常由试验数据求得粘着系数的经验公式,而公式中粘着系数一般随着速度的增加而降低。当轨面上有水分时,速度的影响更为明显。

 

6轮对/轨道几何形状

轨道的几何形状,例如曲线轨道,由于横向蠕滑力和自旋蠕滑力矩的增大,导致纵向粘着发生一定程度的下降。轮轨廓形和车轮滚动半径对粘着也有影响,但并不显著。

 

7金相、材料及硬度

车轮金相组织对粘着水平存在一定影响。采用特殊合金,例如镍合金制造的车轮可以改善粘着特性,但这种材料成本较高,从整个系统的经济学角度考虑,使用这种材料并不经济。不同生产厂商仍在研究其他的一些金相组织,可能能够在将来改善轮轨粘着水平。

 

8机车车辆动力作用

车轮减载、接触振动和轮对摇头运动等将影响轮轨粘着状态,可使机车车辆的粘着下降。另外轮轨接触振动,久而久之会导致轮轨接触表面塑流型波浪形磨损形成,钢轨接触表面波浪形不平顺会导致轮轨之间发生强烈的振动使轮轨粘着系数下降。因此,采用适当的悬挂和阻尼系统对过度的动力作用进行抑制,对于保持良好的着水平是非常重要的。

大多数研究人员将粘着问题看作是列车牵引力下降问题,但许多研究人员并未重视有效粘着这一概念的应用。这一概念指出,列车不仅可以靠增加动力单元的牵引力来牵引,也可以靠减少非动力单元的阻力来增加牵引。当这一目标得以实现后,列车的有效粘着将大幅度地增加,而不用增加动力单元的牵引力。因此,这一问题需从两方面进行研究,一方面要增加粘着,同时另一方面要降低阻力。

 

参考文献

[1] 王海洋. 坡道条件下轮轨粘着特性试验研究[D].西南交通大学,2011.

[2] 刘腾飞. 轮轨低粘着与增粘措施试验研究[D].西南交通大学,2014.

[3] 刘海萍. 轮轨粘着模拟数值计算研究[D].西南交通大学,2012.

[4] 金学松,刘启跃. 轮轨摩擦学[M]. 北京:中国铁道出版社, 2004.03127-130.




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