輪軌模擬實驗中影響輪軌黏著系數(shù)因素的研究

輪軌模擬實驗中影響輪軌黏著系數(shù)因素的研究

鐵路的發(fā)展對研究車輪之間的粘附性提出了更高的要求，尤其是速度的提高要求，以便更復(fù)雜地研究車輪之間的粘附性。20世紀80年代以來,日本、美國和歐洲對輪軌黏著問題進行了大量研究。Ohyama使用比例大約為1∶2的試驗裝置進行有水條件下高速鐵路輪軌黏著現(xiàn)象研究,研究接觸表面粗糙度、滾動速度和赫茲壓力對黏著系數(shù)的影響。他還利用大型試驗裝置研究接觸表面在干潔狀態(tài)下的高速黏著現(xiàn)象,并進行黏著E-mail:qiaoubing@系數(shù)的現(xiàn)場試驗和實測。H.Chen等應(yīng)用部分彈流潤滑理論和粗糙表面接觸原理,從理論上分析表面粗糙度和水溫對黏著特性的影響。Koan-SokBaek等使用疲勞試驗機研究干態(tài)、有水以及油污染工況下輪軌的黏著特性。E.A.Gallardo-Hernandez使用疲勞試驗機重點研究干、濕樹葉對輪軌黏著特性的影響。法國國家鐵路(SNCF)在實際線路上測定黏著系數(shù)隨列車速度變化的關(guān)系曲線。美國的S.Kumar及其合作者通過實驗?zāi)M研究路軌沖角、蛇行運動、油水污染對黏著-蠕滑性能的影響。研究表明,由于輪軌共形、共面、塑性變形和第三介質(zhì)的存在,開展輪軌黏著理論的研究有一定難度,人們不得不依賴試驗手段來研究輪軌黏著問題。良好的輪軌模擬試驗機是研究輪軌黏著特性的前提。本文利用西南交通大學(xué)的JD-1輪軌模擬試驗機,通過改變試驗參數(shù),研究新模擬輪、舊模擬輪、生銹的模擬輪以及軌道曲率(沖角)對輪軌黏著特性的影響。1試驗部分1.1模擬輪軌控制和相互作用力圖1為JD-1輪軌模擬試驗機示意圖。該試驗機以模擬輪代替列車車輪,以圓盤形的模擬軌代替平直軌道。這樣既可減小設(shè)備尺寸,又能完全模擬現(xiàn)場工況。2臺ZQDR-204型直流電機分別驅(qū)動模擬輪和模擬軌,通過反饋電路和調(diào)節(jié)電機(A)勵磁電流可精確控制模擬輪轉(zhuǎn)速;通過反饋電路和調(diào)節(jié)電機(B)勵磁電流可精確控制模擬軌轉(zhuǎn)速,模擬輪和模擬軌的轉(zhuǎn)速通過光電增量編碼器測得并送入電腦實時顯示;通過確定模擬軌的轉(zhuǎn)速獲得模擬車速,在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)模擬輪的轉(zhuǎn)速來獲得不同的蠕滑率。模擬輪軌之間的相互作用力通過垂向、縱向、橫向傳感器測量采集,且采集到的數(shù)據(jù)直接存入電腦,通過軟件處理可以實時顯示和存貯模擬輪軌之間的相互作用力。壓力傳感器的測量精度為0.1%FS(該傳感器可測試的最大載荷為7000N)。1.2模擬軌、模擬輪的試驗過程所有試驗均采用Hertz應(yīng)力模擬準則: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斑的長、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。模擬軌、模擬輪試件幾何結(jié)構(gòu)見圖2。試驗中為保證模擬的準確性,模擬輪軌試件的材料由真實的輪軌材料制作而成。表1為模擬輪軌材料的質(zhì)量分數(shù);表2為模擬輪軌材料的機械性能。新模擬輪的試驗過程是將新模擬輪用丙酮清洗后,安裝在JD-1輪軌模擬試驗機上運轉(zhuǎn),并測得相關(guān)數(shù)據(jù);舊模擬輪試驗需在試驗前將新模擬輪在試驗機上做20000轉(zhuǎn)無蠕滑的滾動,而后用丙酮擦拭接觸表面以模擬舊車輪,然后再安裝在試驗機上運轉(zhuǎn),并測得相關(guān)數(shù)據(jù)。生銹模擬輪的試驗過程是將新模擬輪在露天放置一周后,表面不經(jīng)任何清洗即安裝在JD-1輪軌模擬試驗機上運轉(zhuǎn),并測得相關(guān)數(shù)據(jù)。1.3輪軌模擬試驗參數(shù)輪軌黏著-蠕滑特性通常采用黏著系數(shù)與蠕滑率表示為μx=TxP(1)μx=ΤxΡ(1)式中,x為輪對沿軌道流動方向;μx為縱向黏著系數(shù);Tx為輪軌間的縱向黏著力;P為法向力。μy=TyP(2)μy=ΤyΡ(2)式中,y為與軌道相垂直的水平方向;μy為橫向黏著系數(shù);Ty為輪軌間的橫向黏著力。輪軌模擬試驗機的蠕滑率定義為i=v1?vv(3)i=v1-vv(3)式中,v1為模擬滾動車輪在接觸點的縱向速度,在模擬試驗中為模擬輪的轉(zhuǎn)動角速度與滾動半徑的乘積;v為模擬列車實際向前運動的速度,在模擬試驗中為模擬軌的轉(zhuǎn)動角速度與滾動半徑的乘積。因此,試驗中只需控制2個滾動輪的轉(zhuǎn)動角速度即可計算出輪軌間的蠕滑率。當(dāng)模擬輪速度大于模擬軌速度時,即v1-v>0時,模擬牽引狀態(tài);當(dāng)模擬輪速度小于模擬軌速度時,即v1-v<0時,模擬制動狀態(tài)。本次試驗均選取牽引工況下的蠕滑率。試驗參數(shù)為:模擬軌轉(zhuǎn)速為90r/min;模擬軸重為21t;蠕滑率分別取0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%;模擬軌循環(huán)次數(shù)為2000次;沖角為0°、0.2°、0.3°、0.4°。2結(jié)果與分析2.1輪軌接觸斑面積與效率分析圖3為新、舊模擬輪分別與模擬軌同向轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的最大黏著系數(shù)的比較。圖4為新、舊模擬輪與模擬軌同向轉(zhuǎn)動所測得的輪軌縱向黏著系數(shù)與蠕滑率的變化曲線。結(jié)果表明:在其它工況相同的情況下,新模擬輪與模擬軌之間的黏著系數(shù)要小于舊模擬輪與模擬軌之間的黏著系數(shù)。在模擬輪與模擬軌轉(zhuǎn)動之前,利用復(fù)制透明帶放在模擬輪和模擬軌之間取得壓痕,此壓痕即為輪軌接觸斑。接觸斑可通過一臺投影儀放大,并用面積測量儀測得其面積,見圖5。圖5可知,新模擬輪與模擬軌之間的接觸斑小于舊模擬輪與模擬軌之間的接觸斑。對于光滑表面,Kalker的理論黏著蠕滑曲線表明:舊模擬輪由于塑性變形及磨耗隨滾動時間而發(fā)展,接觸面積有所增加,當(dāng)其它變量未發(fā)生變化時,黏著系數(shù)也會有所增加;或者,在獲得相同的黏著系數(shù)時,由于接觸面積的增加,蠕滑率則將降低,降低蠕滑率則意味著降低磨耗。相同工況下輪軌接觸時,磨耗型車輪與鋼軌的接觸斑面積比錐形車輪要大。在相同蠕滑率條件下,磨耗型車輪可比錐形車輪獲得更高的黏著系數(shù);或者,在黏著系數(shù)相同時,磨耗型車輪對應(yīng)的蠕滑率較小,其對鋼軌的磨耗及損壞小于錐形車輪對鋼軌的磨耗及損壞。2.2銹模擬軌的黏著系數(shù)與初始粒徑的關(guān)系實際中一些地段行車數(shù)量頻繁,而另一些地段行車較少。較少使用的鋼軌一般比經(jīng)常使用的鋼軌要臟一些,后者表面覆蓋更多的污染顆粒。這些顆粒大部分是鐵氧化物和氫氧化合物,一般認為由鋼軌銹蝕引起。在試驗室中,由于模擬軌的直徑較大,拆卸、處理不便,故以生銹模擬輪代替生銹模擬軌,采用生銹模擬輪與光潔模擬軌同向轉(zhuǎn)動,以此來模擬行車較少地段的輪軌黏著情況。圖6為新模擬輪、生銹模擬輪分別與模擬軌同向轉(zhuǎn)動所測得的輪軌縱向黏著系數(shù)與蠕滑率的變化曲線。由圖6可知,新模擬輪與模擬軌轉(zhuǎn)動所得黏著系數(shù)與生銹模擬輪與模擬軌之間的黏著系數(shù)相差無幾。生銹模擬輪的鐵氧化物和氫氧化合物進入輪軌接觸面內(nèi),被壓碎成更小的粒子。此時的顆粒直徑稱為極限粒徑。顆粒的犁溝作用對黏著系數(shù)的貢獻隨顆粒密度的增大而增大,但只有當(dāng)顆粒密度達到一定數(shù)值時效果才明顯,被稱為最小顆粒密度。實驗室試驗證明,鐵氧化物的極限粒徑D=10μm~15μm。對于致密的氧化層,若顆粒直徑D=10μm,則最小顆粒密度約為Kd=1×108m-2。顯然,生銹模擬輪與模擬軌接觸區(qū)域內(nèi)鐵氧化物的顆粒密度要小于最小顆粒密度,故生銹模擬輪表面所生成的鐵氧化物和氫氧化物對輪軌黏著幾乎沒有影響。2.3沖角對輪軌黏著系數(shù)的影響機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。沖角對輪軌黏著的影響反映線路曲線半徑對輪軌黏著的影響。圖7為干態(tài)時模擬輪軌在不同沖角下所測得的輪軌縱向黏著系數(shù)與蠕滑率的變化曲線。圖8為干態(tài)時模擬輪軌在不同沖角下所測得的輪軌橫向黏著系數(shù)與蠕滑率的變化曲線。由圖7可知,隨著蠕滑率的增大,縱向黏著系數(shù)隨之增大;隨著沖角的增大,縱向黏著系數(shù)隨之減小。沖角為0.2°、0.3°、0.4°時,輪軌間的縱向黏著系數(shù)比直線工況(沖角為0)時分別下降約11%、20%、28%。由圖8可知,隨著蠕滑率的增大,橫向黏著系數(shù)出現(xiàn)下滑;當(dāng)沖角增大,橫向黏著系數(shù)有所增加。沖角為0.3°、0.4°時,輪軌間的橫向黏著系數(shù)比沖角為0.2°時分別增加約23%、52%。其主要原因是:在曲線地段,輪軌間除縱向黏著和蠕滑外還產(chǎn)生橫向黏著和蠕滑(此模擬不考慮蠕旋自滑)。當(dāng)輪軌間總的黏著力處于飽和狀態(tài)時,沖角增大,導(dǎo)致輪軌間橫向力增大,則縱向牽引力會下降,縱向黏著系數(shù)也會下降。縱向牽引力的下降,導(dǎo)致機車使用功率下降。而橫向力的增加,導(dǎo)致輪軌磨損增加。圖9為有水時模擬輪軌在不同沖角下所測得的輪軌縱向黏著系數(shù)與蠕滑率變化曲線。圖10為有水時模擬輪軌在不同沖角下所測得輪軌橫向黏著系數(shù)與蠕滑率變化曲線。由圖9可知,隨著沖角的增大,縱向黏著系數(shù)隨之減小。沖角為0.2°、0.3°、0.4°時,輪軌間的縱向黏著系數(shù)比直線工況(沖角為0)時分別下降約為12%、16%、20%。由圖10可知,隨著沖角增大,橫向黏著系數(shù)有所增加。沖角為0.3°、0.4°時,輪軌間的橫向黏著系數(shù)比沖角為0.2°時分別增加約為21%、46%。對比干態(tài)時和有水時的縱向黏著系數(shù)-縱向蠕滑曲線圖和橫向黏著系數(shù)-縱向蠕滑曲線圖,發(fā)現(xiàn)黏著系數(shù)變化趨勢大致相同。但是在相同的沖角及蠕滑率下,有水時的縱向黏著系數(shù)顯著小于干態(tài)工況,下降值約為50%~60%;而橫向黏著系數(shù)與干態(tài)相比,下降不明顯。有水時模擬軌和模擬輪的接觸區(qū)域內(nèi)有水膜存在,模擬輪在縱向方向上有較高的滾動速度,高速下縱向水膜膜厚較厚,輪軌接觸區(qū)域微凸體減少,實際接觸面積減小,導(dǎo)致縱向黏著力下降,縱向黏著系數(shù)也下降。但模擬輪在橫向未滾動,且滑動速度很慢,只是處于微滑狀態(tài),輪軌接觸區(qū)域間橫向水膜很薄,幾乎不會使輪軌接觸區(qū)域微凸體減少,實際接觸面積也基本相同。相比干態(tài),其橫向黏著力下降不明顯,黏著系數(shù)下降也不明顯。由此可見,減小沖角對于在曲線地段上提高車輪黏著能力有重大意義。因此,應(yīng)盡可能減少曲線路段。其次,改進車輛徑向轉(zhuǎn)向架,使之在通過曲線地段時,其輪對沖角盡可能小。3模擬輪和模擬軌轉(zhuǎn)動時輪軌黏著系數(shù)通過試驗研究