空转滑行和粘着问题——黄云鹏..docxVIP

空转滑行和粘着问题资料整理：黄云鹏摘要：解释了铁路系统中空转滑行现象的原因及危害，指出其本质——粘着问题，分析了粘着特性的影响因素以及轮轨的粘着和蠕滑现象，并阐述了了目前粘着控制的一些方法。关键词：粘着系数，空转滑行，防滑器1. 绪论1.1 粘着及空转滑行概念的引入机车动轮在牵引状态下滚动时，轮轨间有三种可供分析的状态[1]：第一种是难以实现的理想滚动状态；第二种是应极力避免的“空转”状态；第三种是实际存在的“粘着”状态。1） 按刚体平面运动学的分析：沿钢轨自由滚动的车轮，具有不断变化的瞬时转动中心，车轮和钢轨的各个接触点在它们接触的瞬间没有相对运动，轮轨之间的纵向水平作用力就是物理学上说的静摩擦力，其最大值——“最大静摩擦力”是一个与运动状态无关的常量，它等于钢轨对车轮的垂直反作用力N与静摩擦系数μ的乘机。这是一种难以实现的理想状态。倘若能达到这种状态，则可能实现的牵引力最大值约为轮轨间的最大静摩擦力。2） 第二种情况恰恰与前一种相反。轮轨间的纵向水平作用力超过了维持静摩擦的极限值——最大静摩擦力。轮轨接触点发生了相对滑动。机车动轮在强大力矩的作用下飞快转动，而轮轨间的纵向水平作用力变成了滑动摩擦力，其值比最大静摩擦力小得多，机车运行速度并不高，在铁路术语中把这种状态称为“空转”。这是一种应极力避免的不正常状态。在这种状态下，牵引力反而大大降低，钢轨和车轮都将遭到剧烈磨耗。如果在列车起动时发生机车动轮“空转”，列车没能起动而司机又没有及时采取措施减小动轮受到的力矩，甚至可以发生把钢轨的轨头磨掉，动轮陷入钢轨凹下的深坑内的严重事故。3） 实际上问题比较复杂：车轮和钢轨在很高的压力作用下都有变形，轮轨间实际是椭圆接触而非点接触，不存在理想的瞬时转动中心；机车运行中不可避免地要发生冲击和各种振动，车轮踏面又是圆锥形，所以车轮在钢轨上滚动的同时必然伴随着微量的纵向和横向滑动。即实际不是纯粹的“静摩擦状态”；在运行过程中，由于牵引力和惯性力不是作用在同意水平面内，造成机车前后车轮作用于钢轨的垂直载荷不均匀分配。所以，轮轨间的纵向水平作用力的最大值实际上与运动状态有关，而且比物理上的“最大静摩擦力”要小的多。因此，在铁路牵引和制动理论中，在分析轮轨间纵向力问题时，不用“静摩擦”这个词，而以“粘着”来代替它。相应的，在粘着状态下轮轨间纵向水平力作用力的最大值就称为粘着力，而把粘着力与轮轨间垂直载荷之比称为粘着系数。而且，为了便于应用，还假定轮轨间垂直载荷在运行中固定不变，即粘着力的变化完全是由于粘着系数的变化而引起。这样，粘着力与运行状态的关系被简化成粘着系数与运行状态的关系。这时，粘着系数也就成了假定值（称为计算粘着系数）。但是，由于它和假定不变的垂直载荷的乘机等于实际的粘着力，所以这个假定用于粘着力计算是可行的。实际上也都是这样用的。1.2 空转滑行的危害众所周知，在铁路运输中，机车牵引力是通过轮轨承载的滚动接触界面上的粘着与蠕滑来传递的。因此，轮轨间的粘着——蠕滑特性直接影响机车牵引和制动性能。在列车运行中，如果没有足够的粘着牵引力，其结果势必没有足够的速度。如果轮轨间的粘着失效，便会形成机车动轮空转，导致轮轨擦伤。而严重的擦伤往往是钢轨疲劳失效的重要根源之一。我国铁路工务部门，每年仅仅为了修换擦伤的钢轨，就要花费大量资金。当列车制动时，如果轮轨作用界面之间的粘着失效，将造成车轮滑行，形成车轮擦伤。车轮擦伤不仅使列车运行时车辆/轨道产生强烈的振动，轮轨间产生强烈的冲击噪声，而且会导致车轮轴承、车轴和轨道的损伤，增加轮轨维修费用。车轮踏面擦伤也会造成轮轨粘着效果进一步降低。因此，在列车运行时，牵引力与制动力的施加都必须满足粘着条件，否则就会导致列车空转或滑行。列车一旦发生空转滑行现象，将极大的破坏正常的轮轨接触关系，甚至导致脱轨事故的发生。目前，铁路列车普遍安装了防滑器，然而调查发现：安装有防滑器的列车甚至发生了更严重的车轮踏面擦伤和剥离等现象。铁路客车车轮踏面大量出现“小面积擦伤”和剥离与使用盘形制动和防滑器性能有关，即盘形制动不能有效去除踏面上的“小面积擦伤”，防滑器不能及时地防止短时间的滑行。提速后的铁路客车车轮踏面出现的损伤主要为擦伤和擦伤剥离及接触疲劳两大类[2]。目前客车踏面擦伤与以往的擦伤不一样，以往大多数情况是车轮被“抱死”拖行一段较长距离造成，踏面有较大的擦伤面积，在车轮转动过程中产生严重的冲击，使擦伤区及其前后出现剥离现象。现在发生的是“小面积擦伤”，发生擦伤的时间很短，不足一秒，滑行距离很短，即使速度达到160km/h，滑行距离也不足50m。擦伤面积不大，属“小面积擦伤”，对行车舒适度影响不大，不易发觉，但在车轮踏面接触点上的热量仍然很大，使踏面最表层温升非常快，并趋于恒定。随后高温区向踏面内部扩散，使得距踏面几