基于轮轨界面污染及微观形貌的高速轮轨黏着问题研究

Wheel/rail adhesion is one of the key issues on the running ability and normal operation of the high-speed train. It has become an urgent subject to master the wheel/rail adhesion characteristics at high speed. The present project will investigate the wheel/rail adhesion mechanism caused by different interfacial contaminations and microtopography of wheel/rail surfaces using high-speed experiment、theoretical analysis and numerical simulation. Firstly, the microtopography characteristics of the wheel/rail surfaces should be obtained by systematical field tests. The finite element method is used to establish an empirical equation considering the elastic-plastic behavior of asperities which is available to the Chinese high-speed railway. Secondly, the relationship between different interfacial contaminations and running parameters of the vehicle can be found by experimental simulation based on the microtopography characteristics of the wheel/rail surfaces. Then, the elastohydrodynaic lubrication theory is combined with it to develop a numerical wheel/rail adhesion model which takesr different quantity of interfacial liquids、elastic-plastic behavior of asperities and the heat effect into consideration. With the numerical model, wheel/rail adhesion characteristics can be studied from numerical aspect. At last, the numerical model should be verified by experiment and made some improvement. Through the above systematical study on wheel/rail adhesion at high speed, the effect of interfacial contaminations and microtopography of wheel/rail surfaces on the wheel/rail adhesion can be obtained, which has significant meaning on keeping the high-speed train running safely.

高速轮轨黏着是直接关系到高速列车行车安全和正常运营的关键问题之一。掌握高速轮轨低黏着特性已为亟待解决的课题。本项目拟通过试验、理论分析和数值模拟的手段揭示界面污染和轮轨微观形貌特征的改变引起的高速轮轨黏着机理。首先进行系统的跟踪测试获得高速轮轨表面微观形貌的基本特征，并利用有限元建立微观接触模型推导出适合轮轨微观形貌间弹塑性接触的经验公式。其次，基于测试轮轨微观形貌特征，试验模拟高速轮轨黏着与不同界面污染状态以及车辆运行参数之间的关系。然后，基于弹流理论建立能够模拟高速轮轨界面存在不同量流体污染物、轮轨表面微观固体弹塑性变形及热效应的轮轨黏着数值模型，并发展相应的数值算法，从数值角度解释界面污染引起低黏着的机理。最后，进行数值模型验证和改进。通过上述研究系统的认识界面污染物和表面形貌对高速轮轨黏着影响的机理，对保证高速列车运行安全具有深远的意义。

高速轮轨黏着是直接关系到高速列车行车安全和正常运营的关键问题之一。本项目通过高速试验、理论分析主要开展了以下工作：（1）基于国内某型号动车组踏面、高铁线路钢轨顶面的表面粗糙度形貌测试建立在不同运行阶段初始数据库。基于统计微观形貌特征，利用有限元软件推导出了适合于轮轨微观形貌的弹塑性接触压力经验公式。（2）利用高速轮轨黏着试验台完成了轨面条件为干态、水态（大雨、小雨）、油态和树叶时的高速轮轨黏着试验。掌握了不同界面污染、不同轮轨微观形貌及不同的运行参数三个方面因素单独和相互耦合时对高速轮轨黏着特性的影响规律。同时还完成了低黏着轨面条件下中高速范围内砂石增黏效果的试验。（3）基于混合润滑理论、微观弹塑性理论和热弹流理论建立了高速轮轨界面存在水/油污染物的轮轨黏着模型并发展了相应的数值求解方法。该模型可以模拟高速轨面润滑充分时（大雨或富油）、小雨时的黏着特性、基于实车推导的微观粗糙度间的弹塑性变形、水/油的流变特性以及牵引制动时的大滑移引起的热效应的影响。建立了高速轮轨黏着简化模型，克服了小膜厚比带来的数值稳定性问题。应用现有的数值模型对不同工况、不同影响因素对黏着系数的影响规律进行系统调查。通过研究得到以下重要结论：（1）拟合的经验公式与传统模型结果接近，能适用于轮轨固体弹塑性接触压力的计算。（2）轮轨界面存在液体污染物时，黏着系数随着列车速度的增大急剧减小；粗糙度越大，轮轨黏着系数也大；润滑不充分时，轮轨接触压力与入口区膜厚密切相关，与富油时有明显的差距；速度对黏着系数的影响与富油时一致；粗糙度对黏着系数的影响与入口区膜厚值大小密切相关；（3）高速试验发现当界面存在液体污染物时，轮轨间黏着系数随着速度增大急剧减小；砂石在轮轨界面存在污染物时对轮轨黏着有一定的增粘作用。通过上述研究系统的认识界面污染物和微观表面形貌对高速轮轨黏着影响的机理，对保证高速列车运行安全具有深远的意义。