輪軌粘結(jié)蠕滑特性的影響因素分析

輪軌粘結(jié)蠕滑特性的影響因素分析

車輪之間的粘附性和滑動性直接影響車輛的牽引和剎車性能。近年來,隨著鐵路運輸?shù)难杆侔l(fā)展,尤其是高速、重載運輸?shù)陌l(fā)展以及機(jī)車技術(shù)的進(jìn)步,機(jī)車功率不斷提高,輪軌間需要傳遞的載荷日益增大。但機(jī)車有效功率的充分利用,實際上受到輪軌間可能產(chǎn)生的粘著水平的限制。當(dāng)機(jī)車粘著牽引力超過輪軌間所能產(chǎn)生的最大值時,機(jī)車動輪就會發(fā)生空轉(zhuǎn),機(jī)車便不能正常工作,并使輪軌表面擦傷。因此,如何提高機(jī)車牽引力,一直是鐵路部門所關(guān)心的問題。顯然,只有更好地了解輪軌粘著與蠕滑特性,才能更好地改善輪軌系統(tǒng)的工作性能,延長輪軌使用壽命。研究表明[1～3],粘著系數(shù)是一個受多種因素影響的變量,很難準(zhǔn)確計算,一般都是通過大量的試驗加以確定。本文采用模擬試驗方法,較系統(tǒng)地研究了軸重、輪徑增粘塊和輪軌間沖角等參數(shù)對輪軌粘著蠕滑特性的影響。1輪軌粘連-氧滑特性的模擬評價開展輪軌粘著-蠕滑特性試驗研究,首先要有性能良好的試驗機(jī)。不但要能隨意改變粘著牽引力的大小,而且還能精確測定相應(yīng)的蠕滑率。西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所自行研制的輪軌摩擦學(xué)模擬試驗機(jī),完全具備上述功能。本項研究所有試驗均在該試驗機(jī)上進(jìn)行。模擬試驗機(jī)的總體布置如圖1所示。試驗機(jī)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和功能見參考文獻(xiàn)。所有試驗均采用Hertz應(yīng)力模擬準(zhǔn)則,即實驗室工況和現(xiàn)場工況下輪軌平均接觸應(yīng)力或最大接觸應(yīng)力相等;實驗室工況和現(xiàn)場工況下輪軌接觸橢圓的長、短半軸的比值相等。根據(jù)輪軌模型試件尺寸和Hertz接觸理論,可算出車輪試件輪廓圓弧半徑r。輪、軌試件軸線配置關(guān)系如圖所示輪軌粘著-蠕滑特性通常采用粘著系數(shù)與蠕滑率變化曲線表示。模擬試驗中,粘著系數(shù)＿為輪軌間的切向力T除以法向力N,即縱向蠕滑率a即為縱向滑動速度除以實際的滾動速度,即因此,試驗時,縱向蠕滑率a可按下列公式計算式中,RB為大輪半徑;RS為小輪半徑;NB為大輪轉(zhuǎn)速;NS為小輪轉(zhuǎn)速(r/min)。試驗前,須精確測量大、小輪直徑。進(jìn)行各次試驗前,須對輪軌表面進(jìn)行清潔,使輪軌滾動接觸表面保持潔凈、干燥。進(jìn)行增粘塊試驗時,采用專用裝置將增粘塊壓在車輪踏面上。進(jìn)行不同曲線半徑即不同沖角工況試驗時試驗前須轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)平臺,使輪軌間形成相應(yīng)的沖角。根據(jù)實驗方案,選用每一切向力值(即相當(dāng)于每一粘著系數(shù))時,就適時測定切向力、法向力和大小輪轉(zhuǎn)速。通過計算,即可算出相應(yīng)的粘著系數(shù)和蠕滑率。增加切向力,蠕滑率也隨著增加,一直到輪軌接觸區(qū)出現(xiàn)宏觀滑動,即停止試驗。2試驗結(jié)果與討論2.1干態(tài)牽引下的輪軌粘連系數(shù)與縱向壓縮試驗圖3為模擬21t軸重內(nèi)燃機(jī)車錐形踏面車輪運行于60kg/m直線鋼軌,在干態(tài)牽引工況下所測得的輪軌縱向粘著系數(shù)與蠕滑率的實測數(shù)據(jù)點及其平均變化曲線。由圖可見,輪軌間粘著-蠕滑曲線的實測數(shù)據(jù)點的分布是比較離散的,呈帶形分布。圖中實線是根據(jù)實測數(shù)據(jù)點的分布帶取平均值得出的。對于其它工況,粘著-蠕滑曲線亦按相同方法求出。為節(jié)省篇幅,后文不再單獨給出每一種工況的粘著-蠕滑曲線的實測數(shù)據(jù)點及其平均變化曲線,而只在有關(guān)工況進(jìn)行比較時給出相應(yīng)的粘著-蠕滑平均變化曲線。圖4為模擬不同軸重(21t,23t,25t)內(nèi)燃機(jī)車錐形踏面車輪運行于60kg/m直線鋼軌,在干態(tài)牽引工況下所測得的輪軌縱向粘著系數(shù)與縱向蠕滑率的平均變化曲線。由圖可見,粘著系數(shù)在0.3以下時,粘著與蠕滑特性基本上是線性的。隨著微觀滑移的增加,粘著與蠕滑特性就變成非線性的,最后達(dá)到極限狀態(tài)。此時隨蠕滑率上升,粘著系數(shù)基本保持不變,這時的粘著系數(shù)即為最大粘著系數(shù)＿max。隨著法向載荷的增大,粘著蠕滑曲線有所下降。這意味著加大法向載荷(即提高軸重),在粘著系數(shù)相同的情況下,相應(yīng)的蠕滑率要大一些;換句話說,軸重增大,在相同的蠕滑率情況下,粘著系數(shù)有所下降?？梢?法向載荷的大小對于粘著系數(shù)是有影響的。與21t軸重時的極限粘著系數(shù)＿max相比,23t、25t軸重時的極限粘著系數(shù)＿max分別下降約5%、10%。但從機(jī)車粘著定律(T=∑Ni＿)看,機(jī)車軸重從21t增至23t和25t,輪軌間的法向接觸載荷分別增加約9.5%和19%,因此提高機(jī)車軸重對于增大機(jī)車牽引力是有利的。S.Kumar等人通過試驗發(fā)現(xiàn),輪、軌發(fā)生磨損后,輪軌接觸面積增大。軸重相同的情況下,舊輪舊軌(即輪軌發(fā)生了磨損)的粘著-蠕滑曲線高于新輪新軌的粘著蠕滑曲線。這說明機(jī)車車輪采用磨耗型踏面,可在蠕滑率相同的情況下,獲得比不采用磨耗型踏面所能獲得的粘著系數(shù)更高的粘著系數(shù)。因此,在增大機(jī)車軸重以增大機(jī)車牽引力時,采用磨耗型踏面車輪更為有利,同時,采用磨耗型踏面車輪還降低了輪軌接觸應(yīng)力,對于減輕輪軌磨損也是有利的。2.2干態(tài)牽引下輪軌縱向粘連系數(shù)圖5為模擬電力機(jī)車錐形踏面車輪(軸重23t,輪徑1250mm)和內(nèi)燃機(jī)車錐形踏面車輪(軸重23t,輪徑1050mm)運行于60kg/m直線鋼軌,在干態(tài)牽引工況下測得的輪軌縱向粘著系數(shù)-縱向蠕滑率平均變化曲線。從圖可見,電力機(jī)車的粘著蠕滑曲線比內(nèi)燃機(jī)車的有所上升其極限粘著系數(shù)約比內(nèi)燃機(jī)車的增加4%。這說明在軸重相同的情況下,增大機(jī)車輪徑對于提高機(jī)車牽引力是有一定益處的。同時,增大輪徑還可增大輪軌接觸面積,降低接觸應(yīng)力,對于減輕輪軌磨損也是有利的。2.3增粘塊的安裝圖6為模擬電力機(jī)車錐形踏面車輪(輪徑1250mm,軸重23t)安裝與不安裝增粘塊時,運行于60kg/m直線鋼軌,在干態(tài)牽引工況下測得的輪軌縱向粘著系數(shù)-縱向蠕滑率平均變化曲線。所用增粘塊為加拿大生產(chǎn)的HPF型增粘塊,采用一專用工裝,用彈簧將增粘塊壓在車輪踏面上。由圖6可見,裝有增粘塊車輪的粘著-蠕滑曲線位于未安裝增粘塊車輪的粘著-蠕滑曲線之上。說明車輪踏面安裝增粘塊時,當(dāng)蠕滑率相同時,其粘著系數(shù)高于不安裝增粘塊時的粘著系數(shù)。安裝增粘塊時,極限粘著系數(shù)比不安裝增粘塊時的增加約7%。增粘塊對提高機(jī)車動輪粘著具有兩重作用:它可將車輪踏面的污染物清除掉;同時增粘塊可在輪軌表面之間增加摩擦,這對提高粘著系數(shù)是有利的。2.4輪軌間沖角的影響機(jī)車在曲線鋼軌上運行時,輪軌之間出現(xiàn)沖角。曲線半徑越小,輪軌間沖角越大。沖角對輪軌粘著的影響反映了線路曲線半徑對輪軌粘著的影響。圖7為電力機(jī)車錐型踏面車輪(軸重23t,輪徑1250mm)運行于不同曲線鋼軌(輪軌間沖角為0°,0.3°,0.5°,0.6°),在干態(tài)牽引工況下測得的輪軌縱向粘著系數(shù)與縱向蠕滑率變化曲線。由圖7可見,隨著輪軌間沖角的逐漸增大,粘著蠕滑特性曲線逐漸下降,即輪軌間沖角越大,在相同的蠕滑率情況下,輪軌間的粘著系數(shù)越小。沖角為0.3°、0.5°、0.6°時,輪軌間的極限粘著系數(shù)比直線工況(沖角為零)下的分別降低約21%、28%、37%。在曲線區(qū)段,輪軌間除了產(chǎn)生縱向粘著與蠕滑外,還產(chǎn)生了橫向蠕滑和自旋蠕滑。沖角增大,橫向粘著力增大,必然導(dǎo)致縱向粘著力減小,即通常所謂的“曲線粘降”。3司輪軌粘連特性(1)模擬試驗表明,輪軌接觸表面即使是干燥、潔凈的,輪軌粘著系數(shù)與蠕滑率變化數(shù)據(jù)也是比較離散的。可以認(rèn)為在滾動摩擦過程中,輪軌粘著與蠕滑特性具有一定的固有隨機(jī)性。所以在機(jī)車運用過程中,所選用的粘著系數(shù)應(yīng)留有一定的余地。(2)對于不同軸重的機(jī)車,輪軌粘著蠕滑特性是不相同的。隨著軸重的增加,粘著系數(shù)有所降低。即在相同的蠕滑率情況下,軸重增大,粘著系數(shù)卻略有下降但從機(jī)車粘著定律定義來考慮提高軸重對于提高機(jī)車粘著牽引力還是有利的。當(dāng)然,增加機(jī)車軸重時,必須考慮相應(yīng)的軌道結(jié)構(gòu)。(3)增大機(jī)車動輪直徑,輪軌粘著-蠕滑特性曲線有所上升。可見增大輪徑,可以適當(dāng)提高輪軌粘著水