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科学网机车车辆轮轨粘着特性的影响因素

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。

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