一种求解高速轮轨黏着问题的简化数值模型

焦琬晴¹，吴 涛^2,3，吴志豪¹，王召阳¹，吴 兵¹

(1.苏州大学轨道交通学院，江苏 苏州 215131)

(2.成都地铁运营有限公司，四川 成都 610031)

(3.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031)

基金项目：“苏州大学”大学生创新创业训练计划(201910285119Y)

作者简介：焦琬晴（2000—），女，本科生，专业为车辆工程，13952849903@139.com.

通讯作者：吴兵，男，副教授，bwu@suda.edu.cn.

摘要：基于简化弹性流体动力润滑模型和Greenwood-Tripp微观固体接触理论，建立了一种高速铁路轮轨界面存在水介质时高速轮轨黏着特性三维数值模型，其可以同时考虑热效应和轮轨表面粗糙度对黏着特性的影响。通过数值求解获得了轮轨表面温度分布情况，讨论了速度、表面粗糙度和边界摩擦系数对黏着系数的影响，并与等温三维模型结果进行对比，从对比结果看出，温升情况下黏着系数高于等温情况下黏着系数，并且在滚动速度较大时，随着边界摩擦系数增大，温度对黏着系数的影响变大。研究结果表明，相比于其他因素，速度和表面粗糙度对黏着系数影响较大，且界面温升会使黏着系数增加。

关键词：高速铁路；轮轨黏着；简化模型；水介质；热效应；表面粗糙度

中图分类号：U211.5   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)10-0091-06

我国经济发展迅速，铁路运输的客、货运量大幅度增长，因而铁路运输安全至关重要。高速铁路网涉及到的气候条件复杂多变，比如雨雪、风沙、高寒等恶劣天气，这给高速列车运行安全以及轮轨界面都带来了一定危害。相关研究^［1-5］表明，当高速列车轮轨之间存在水介质污染时，黏着系数会急剧下降。当黏着系数较小时，很多问题发生的可能性会增加，比如轮轨擦伤、剥离等接触疲劳问题。另外，黏着系数对列车的牵引和制动能力有很大的影响，当黏着系数较小时，列车牵引和制动能力也相应减弱，所以有必要对高速列车轮轨黏着特性进行研究。

国内外对高速列车轮轨黏着特性的研究开展时间均较早，且长期以来都是通过试验和数值仿真进行研究。试验主要是以比例试验装置为主，研究轮轨界面在水态、油态等工况下的黏着特性，其中又以文献［1］~［5］研究最为系统。相较于试验研究，轮轨黏着理论模型及数值仿真相对落后。日本的Ohyama^［2］基于传统弹性流体动力润滑理论推导了膜厚经验公式，研究了轮轨表面存在微观粗糙度时水介质对黏着系数的影响。Chen等^［6］分别利用简化模型和平均流量模型研究了轮轨间存在水介质时的黏着规律。吴兵等^［7-8］在水介质情况下利用平均流量模型建立了高速轮轨二维和三维数值模型，详细研究了影响轮轨黏着特性的因素。杨翊仁等^［9］通过数值仿真的方式研究了高速列车轮轨接触表面存在水介质污染时轮轨的黏着特性。吴涛等［10］利用弹流简化理论建立了高速轮轨黏着三维简化数值模型，该模型假设接触区内水的黏度为常数，因此接触区内膜厚为常数，通过简化模型获得表面粗糙度较小时轮轨的黏着特性。然而，目前对水介质状况下轮轨接触黏着特性的分析大多需求解繁琐的雷诺方程。文献［10］中提到的简化算法省去了对雷诺方程的迭代求解，为黏着系数计算提供了一种简易途径。本文在文献［10］的基础上进一步考虑了温度的影响，讨论了列车速度、表面粗糙度及边界摩擦系数对黏着系数的影响。