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水介质条件下轮轨粘着特性的多维度解析与优化策略研究

一、引言

1.1研究背景与意义

铁路运输作为现代交通运输体系的重要组成部分，以其大运量、高效率、低能耗等优势，在全球范围内承担着大量的客货运输任务。随着铁路行业的飞速发展，列车的运行速度不断提升，运量持续增加，这对铁路系统的安全性和可靠性提出了更高的要求。轮轨粘着特性作为铁路运输中的关键因素，直接关系到列车的牵引、制动性能以及运行的稳定性和安全性。

轮轨粘着是指车轮与钢轨之间在相对滚动时产生的切向作用力，它是列车实现牵引和制动的基础。当列车启动、加速、爬坡或制动时，都需要依靠轮轨之间的粘着来传递动力和制动力。若轮轨粘着特性良好，列车就能按照预期的速度和轨迹运行；反之，若轮轨粘着出现问题，如粘着系数过低，可能导致列车牵引力不足，无法正常启动或加速，影响运输效率，造成列车晚点等情况，增加运营成本；在制动时，粘着系数不足会使制动力无法有效传递，导致制动距离延长，严重时可能引发列车冒进信号、冲出站台甚至列车相撞等恶性安全事故，威胁乘客的生命财产安全。

在实际的铁路运营环境中，轮轨表面常常会受到各种外界因素的影响，其中水介质的存在是较为常见且影响显著的情况之一。在雨天、隧道内或清洗轨道后等场景下，钢轨表面会形成一层水膜，这使得轮轨接触状态发生改变，进而对轮轨粘着特性产生复杂的影响。水的存在会在轮轨之间形成润滑作用，降低轮轨间的摩擦系数，导致粘着系数下降。例如，在高速行驶的情况下，水膜的存在可能使轮轨间的粘着系数降低至干燥状态下的一半甚至更低，这大大增加了列车运行的安全风险。因此，深入研究水介质条件下的轮轨粘着特性具有极其重要的现实意义。

从保障铁路运输安全的角度来看，准确掌握水介质对轮轨粘着特性的影响规律，有助于铁路运营部门制定科学合理的行车安全策略。在雨天或潮湿环境下，根据粘着特性的变化，合理调整列车的运行速度、制动方式和牵引功率等参数，从而有效避免因粘着不足而引发的安全事故。研究水介质下轮轨粘着特性对于铁路基础设施的维护和管理也具有指导意义。通过了解水膜对轮轨的作用机制，可以优化轨道的排水设计，及时清除轨道上的积水，减少水介质对轮轨粘着的不利影响。

从提高铁路运输效率的方面考虑，深入研究水介质条件下的轮轨粘着特性，可以为列车的优化控制提供理论依据。通过开发先进的粘着控制系统，根据轮轨粘着状态实时调整列车的运行参数，使列车在不同的水介质条件下都能充分利用轮轨粘着，提高列车的牵引和制动性能，从而减少列车的运行时间，提高运输效率，降低运营成本。此外，对水介质下轮轨粘着特性的研究成果还可以为新型轮轨材料的研发和设计提供参考，通过改进轮轨材料的表面性能，增强其在水介质环境下的粘着性能，进一步提升铁路运输的整体效率和质量。

1.2国内外研究现状

轮轨粘着特性一直是铁路领域的研究热点，国内外众多学者和研究机构围绕水介质条件下的轮轨粘着特性开展了大量的研究工作，研究方法主要包括试验研究和数值研究两个方面。

在试验研究方面，许多学者通过搭建各种试验平台来模拟水介质条件下的轮轨接触状态，从而获取轮轨粘着特性的数据。Ohyama等和Chen等利用双盘对滚试验装置对水润滑条件下的轮轨黏着开展了一系列的试验研究，他们的研究表明接触表面粗糙度和水温对黏着系数有很大的影响。其中，Ohyama等在文献中对400km/h条件下表面粗糙度对黏着系数的影响进行了研究，这是目前黏着试验所达到的最高速度。Zhang等运用全比例尺寸的高速轮轨滚动试验台系统研究了水介质存在时高速轮轨黏着特性，该试验台能够更真实地模拟实际运行中的轮轨接触情况。此外，Gallardo-Hernandez、Lewis和Wang等分别研究了水润滑条件下轮轨黏着，得到了水润滑条件下的轮轨蠕滑率/力关系，为深入理解轮轨粘着机理提供了重要的试验依据。

在数值研究方面，由于轮轨接触问题的复杂性，尤其是在考虑水介质的情况下，数值研究的发展相对缓慢。最早Ohyama等基于膜厚的经验公式，将弹流理论引入到轮轨黏着的研究中，研究了轮轨粗糙表面的介质黏着特性。随后，ChenH等对水介质的情况进行了完全数值分析，通过建立数值模型求解轮轨间的压力分布、膜厚分布等参数，从而研究轮轨粘着特性。国内杨翊仁等通过探寻最优化方法也获得了二维线接触水介质工况下的完全数值解。然而，目前的数值研究主要集中在二维线接触的研究，三维的模拟比较罕见。尽管三维模型更能描述轮轨介质接触机理，但由于三维点接触问题远比二维线接触问题复杂和困难，目前仅有的三维计算模型也是基于比例模型，运用轮轨真实模型进行数值计算鲜有报道。

尽管国内外在水介质下轮轨粘着特性的研究取得了一定的成果，但仍存在一些不足之处。一方面，试验研究虽然能够直接获取轮轨粘着特性的数据，但试