第三节　轮轨黏着及摩擦制动

一、黏着与制动

因为轨道车辆的加速、减速依赖于轮轨间的黏着力，所以按照黏着特性来控制制动力是极为重要的。特别是高速运行的列车，其黏着力由于受到轮轨表面的清洁度、干燥度等的影响会随速度的上升而降低，需要进行相应于黏着力的制动力控制。如果不根据黏着力进行适当的制动力控制，就会在黏着力低于制动力时发生滑行，使车轮踏面产生擦伤等损坏。另一方面，从安全的角度考虑，在紧急制动时，必须使列车在最短的距离内停车。此时，需要最大限度地利用黏着力控制制动和滑行。

二、轮轨间的黏着力

黏着系数是表示轨道车辆车轮与钢轨间黏着状态的指标。它表示了车辆的车轮牵引力或制动力传递给钢轨的可能程度，具体地说是车轮圆周方向的切线力与车轮垂直载荷之比（称为切线力系数）的最大值。图1-12是轨道车辆与在沥青路面上运行的汽车切线力系数的比较。此图是在速度为100km/h和降雨条件下的试验值。从图中可以看出滑动率（车辆与车轮的速度差）增加以后切线力系数的变化情况。当滑动率增加到切线力系数最大时的值被称为黏着系数。

对于轨道车辆而言，滑动率在0.2％～0.5％时，切线力系数最大值约为0.1。对于汽车，滑动率在30％时，切线力系数最大值为0.3～0.5，比轨道车辆的黏着力大。所以，使用钢轮钢轨的轨道车辆虽然具有运行阻力小的优点，但同时也具有黏着力小的缺点。黏着力小，意味着不能施加较大的制动力，否则将使车轮滑行，延长制动距离。

钢轮与钢轨接触时的压力分布状态如图1-13所示，压力分布为接触区的外周较小、中心较大，此时的最大压力被称为最大接触压力或赫兹压力。日本新干线动车组的最大接触压力为500～600MPa。

轨道车辆的制动力与黏着力的关系如图1-14所示。制动力由闸片的摩擦力及牵引电动机的发电阻力转矩来产生。闸片摩擦力通过制动盘作用于车轮，牵引电动机产生的电磁力通过齿轮作用于车轮，再由车轮传给钢轨并引起钢轨作用于车轮的反力，即列车的制动力。因为制动力（Fb）与黏着力（Fa）有关，所以并非制动力越大减速度就越大。二者的关系是，虽然在钢轨面干燥时Fb>Fa，但在降雨时则有可能Fb<Fa，因此列车的制动力是受到二者中较小的一方制约的。这种情况就像在冰面上行驶的汽车一样，即使施加很大的制动力，但也会因轮胎与冰面之间产生了滑动而不能很快地停下来。

一般情况下，如果钢轨面上有水分，则黏着力随速度上升而降低，所以在雨天高速行驶时，适应于黏着力的制动控制是非常重要的。为此，高速动车组均以黏着特性为基本条件进行ATC（Automatic Train Control）速度控制，可以说是由黏着力的大小决定了运行列车的密度和到达时间。

三、动载荷与黏着力

黏着力因接触载荷的不同而变化，特别是10Hz以下的动载荷在从微观滑动到宏观滑动变化时，黏着力的变化很大。

由试验的结果可知，与静载荷相比较，在动载荷条件下，切线力的斜率变化较平缓，最大切线系数大约降低了10％，但受频率的影响不大。

另外，在宏观滑动时，叠加动载荷后的变化是当动载荷的振幅为静载荷的±22％及频率为1.0Hz时，尽管保持制动力不变，但滑动不断增大。由此可知，加上动载荷后容易产生宏观滑动。此外还可以验证，在宏观滑动和有水润滑的情况下，滑动速度增加则黏着力也增加。

四、增黏方法简介

与摩擦力有关的库伦法则定义了垂直载荷与摩擦力之比为摩擦系数。关于弹性接触有求解圆筒、球面等凸曲面之间接触状态的赫兹理论。

以前的研究认为，对于微小凹凸曲面间的接触，摩擦力主要是由表面微小凸起间的剪切和凸起部分的弹塑性变形阻力产生的。

通过研究和试验得知，列车高速运行时黏着力降低的情况主要发生在雨天，因为轮轨表面之间存在的水分对黏着有很大影响。由于降雨在轮轨间形成水膜，使车轮不能有效地将制动力传递给钢轨而发生滑行，导致黏着系数随速度上升而降低。

车轮踏面切削加工后的新车轮表面带有切削痕迹，这种踏面状态黏着系数很高。这是因为新切削痕迹具有像汽车轮胎花纹一样的作用，使它不易受到钢轨接触面间的水的影响。另一方面，平时轮轨接触面看上去像是平滑的，但实际上表面都有微小的凹凸。由高速时黏着力状况的研究可知，由于轮轨表面有大量的微小凸起（间距0.05～0.1mm，凸高0.001～0.002mm），即使在黏着系数明显降低的雨天，也有可能抑制黏着系数降低，从而获得相对较高的黏着系数。

因此，以车轮踏面产生微小凸起为目的，动车组上安装有撒砂装置，有的动车组上还安装了增黏研磨块。关于撒砂装置和增黏研磨块，详见本书第七章车辆制动技术及应用。