湿滑条件下车轮多边形化与钢轨波磨耦合激励对轮轨动态黏着的影响研究

《Lubricants》：Effects of Coupled Excitation of Wheel Polygonization and Rail Corrugation on Wheel–Rail Dynamic Adhesion Under Wet Conditions

　　

专业术语翻译（论文摘要部分） 车轮多边形化（wheel polygonization）和钢轨波磨（rail corrugation）是地铁车辆上发生的典型周期性轮轨表面损伤形式。二者相互作用产生耦合动态激励，改变湿滑、低黏着条件下轮轨接触行为。本文建立了一个集成车辆–轨道动力学、混合弹流润滑（mixed elastohydrodynamic lubrication, mixed EHL）和扩展蠕滑力（extended creep force, ECF）理论的轮轨动态黏着模型。以实测车轮多边形化和正弦型钢轨波磨作为输入，模型通过坐标变换求解三维接触几何，并分析二者耦合对法向力、切向力和动态黏着系数的影响。结果表明：低幅值多边形化和波磨主要激发动态载荷振荡，对峰值接触应力影响有限；摇头角改变接触点迁移和接触斑形态，导致切向应力与闪光温度呈非单调变化；在零摇头角时，黏着系数接近典型湿滑条件水平。在实测多阶多边形化与短波长波磨的耦合激励下，法向动态力剧烈波动，频繁引发局部瞬时分离和低黏着事件，平均黏着系数约为0.06。动态黏着由水膜承载效应、微凸体接触比例、闪光温度以及第三体材料弹塑性行为共同决定。

论文解读文章

一、研究背景与问题

轮轨界面黏着是铁路运营的基本物理前提，直接制约列车牵引与制动性能的上限。雨水导致的水介质污染是引发轮轨黏着严重劣化最常见的自然因素：当接触界面形成水膜时，列车牵引与制动能力显著下降，在潮湿钢轨上运行的列车易发生车轮空转和滑行事件，对运营安全构成严重威胁。与此同时，车轮多边形化和钢轨波磨作为地铁车辆上典型的周期性轮轨表面损伤形式，能够产生强烈的高频振动和冲击性接触载荷。在低黏着与表面严重劣化叠加的条件下，多边形车轮轮廓与钢轨不平顺的联合作用可能引发瞬时接触丧失或轮轨分离，使接触模式复杂化，进而放大轮轨系统的整体动力学行为，进一步降低界面黏着，并诱发踏面擦伤等严重失效，危及行车安全。

既有轮轨黏着模型经历了从光滑表面干接触的理想化假设（如Carter模型和Kalker模型）到考虑界面水动力效应与微观表面粗糙度的混合弹流润滑（mixed EHL）理论的发展历程。统计型模型虽能反映水介质对黏着系数的显著降低作用及速度、粗糙度的影响，但无法精确表征微观接触行为；确定性混合润滑模型能够以实测粗糙度为输入获得确定性解，却未能考虑接触界面的切向行为。近年来，将扩展蠕滑力（ECF）模型与混合润滑理论相结合的研究取得了进展，但现有模型均未纳入车轮踏面宏观不平顺（如多边形磨损）对动态黏着行为的影响。同时，以往针对车轮多边形化和钢轨波磨的研究主要采用车辆–轨道耦合动力学模型分析其动力学效应，却未考虑二者耦合作用下湿滑条件的接触行为与影响机制。

因此，当前模型尚未阐明湿滑运行条件下车轮多边形磨损与钢轨波磨耦合相互作用产生的接触行为及其内在机理。为填补这一研究空白，本文建立了湿接触条件下的动态轮轨黏着模型，综合考虑轮轨表面粗糙度、车轮多边形磨损、钢轨波磨和瞬态闪光温度，为分析湿环境中多边形磨损与波磨耦合激励下的轮轨接触行为提供理论基础和分析框架。

二、研究内容与结论

研究人员建立了集成车辆–轨道耦合动力学模块与考虑车轮多边形磨损和钢轨波磨的瞬态轮轨滚动接触模块的数值模型。将实测车轮不平顺数据导入动力学模块，并配置正弦型钢轨波磨以模拟实际车辆运行工况并提取动态参数；随后将这些动态参数输入轮轨滚动接触模型，在精确考虑多边形磨损与波磨条件下轮轨几何接触关系的基础上，采用混合弹流润滑（mixed EHL）模型计算接触区法向压力和水膜厚度，继而采用扩展蠕滑力（ECF）模型确定切向力与温度，最终输出动态滚动接触特性。研究得出以下主要结论：

第一，在低幅值单阶车轮多边形化与钢轨波磨耦合作用下，接触斑尺寸远小于波磨波长和低阶多边形车轮的周向波长，局部峰值法向接触应力与接触斑形态变化很小。低幅值多边形化和短波距波磨主要激发系统级动态载荷振荡，对接触斑内峰值应力的调节作用有限。

第二，轮对摇头角显著改变轮轨接触几何与接触斑形态，导致最大法向压应力、切向应力、闪光温度和黏着系数呈非单调变化。切向高应力集中在接触斑后缘区域；大摇头角引发边缘应力集中，局部闪光温度升高，增加踏面擦伤和剥离型损伤风险。

第三，实测多边形磨损与短波距波磨的叠加产生激励放大效应，加剧轮轨法向力和蠕滑率的剧烈振荡。湿滑条件下液体易进入接触界面，频繁引发瞬时低黏着状态。短波距波磨与车轮多边形化耦合条件下平均黏着系数约为0.06，处于低黏着范围，空转和滑行风险增大。

第四，湿滑条件下轮轨动态黏着由动态接触载荷、水膜压力、闪光温度以及界面第三体层（3BL）的弹塑性性质共同决定。动态卸载较强时发生局部瞬时轮轨分离，水介质完全填充接触间隙，轮轨切向承载能力急剧下降。

三、关键技术方法概述

研究人员建立了一个由车辆–轨道耦合动力学模型和轮轨滚动接触黏着模型两部分组成的数值框架。车辆–轨道耦合动力学模型包含一个车体和两个转向架，钢轨采用铁木辛柯梁（Timoshenko beam）建模，轨道板采用三维有限单元离散；法向力采用非线性赫兹（Hertzian）接触理论计算，水润滑条件下切向力采用修正的Fastsim算法。轮轨滚动接触黏着模型由基于非赫兹（non-Hertzian）混合弹流润滑（mixed EHL）理论的法向接触模型和基于非赫兹扩展蠕滑力（ECF）理论的切向接触模型组成。法向模型中，车轮表面粗糙度采用二维数字滤波法生成，钢轨表面粗糙度基于实测数据重构；采用统一雷诺方程求解混合润滑状态。切向模型将水膜与表面微凸体视为集成第三体层（3BL），引入Voce硬化本构关系考虑材料弹塑性行为，并耦合接触闪光温度对剪切强度的弱化效应。车轮多边形化采用正弦函数表征，钢轨波磨同样采用正弦函数生成并叠加实测钢轨粗糙度；通过坐标变换精确求解三维接触几何间隙，采用试算法确定接触点位置。计算域离散为257×257等距网格，采用二阶有限差分法离散无量纲方程；压力与载荷平衡收敛准则设为1×10??，温度场收敛准则设为1×10?3。车轮实测数据采用WRM-1仪器测量，采样间隔1 mm，精度0.1 μm；钢轨表面粗糙度采用粗糙度仪测量。

四、研究结果

4.1 单阶车轮多边形化与钢轨波磨耦合下的轮轨法向接触特性

在80 km/h运行速度下对1至10阶理想单阶多边形车轮进行多参数仿真，多边形幅值设为0.06 mm、0.3 mm和0.6 mm，波磨幅值设为0.05 mm和0.4 mm，波磨波长设为30 mm（短波距）和120 mm（长波距）。结果表明：低幅值多边形化与低幅值短波距波磨耦合下，接触斑在各阶范围内均保持典型非赫兹椭圆接触形态，法向应力分布模式基本一致，高应力区集中于接触斑中央并向边缘衰减；水膜呈中心薄、边缘厚的混合弹流润滑分布。所有模拟工况下接触斑最大法向压应力集中在1320–1380 MPa范围内。随着多边形幅值增大，轮轨系统振动加剧、动态法向力峰值升高，但最大法向应力仅略有增加；波磨幅值和波长的变化对峰值应力影响有限。其机理在于接触斑特征尺寸远小于波磨波长，波磨作为缓变的宏观几何起伏主要激发系统级动态载荷振荡，而对局部等效曲率半径改变甚微；混合润滑状态下水膜与微凸体之间的载荷再分配进一步缓冲了峰值应力波动。

4.2 摇头角对轮轨接触行为的影响

在9阶多边形车轮、0.4 mm波磨幅值条件下，摇头角从?20 mrad到20 mrad范围内，短波距与长波距波磨对接触斑形态、峰值法向应力和水膜空间分布均无显著差异。将摇头角范围扩展至?50 mrad到50 mrad后，随着摇头角绝对值增大，轮对相对钢轨产生明显横向偏转，接触点沿轨顶面持续横向迁移；大摇头角显著扭曲原始椭圆接触斑轮廓，接触区域逐渐偏离踏面中心，接触斑边缘出现局部应力集中。最大法向接触压应力随摇头角呈明显非单调变化趋势：摇头角增大使接触点向踏面肩部迁移，局部等效接触曲率增大、有效接触斑面积改变；摇头角过大时接触点进一步向轮缘根部迁移，轮轨几何匹配关系严重恶化，接触界面发生局部接触丧失，水膜侵入局部分离区承载部分法向载荷，微凸体接触比例下降，缓冲了峰值固相接触压力，导致大摇头角下最大压应力显著下降。正负摇头角下最大应力分布的不对称性源于9阶车轮多边形几何相位与轮对摇头偏转方向的叠加效应。

4.3 轮轨接触切向特性与温度效应

在9阶车轮多边形化（幅值0.06 mm）与短波距波磨（幅值0.4 mm）耦合条件下，摇头角?50 mrad至50 mrad范围内，摩擦系数、接触闪光温度和切向应力随摇头角的演化呈现高度一致的非单调变化特征。在0 mrad摇头角时，最大切向应力为131 MPa，摩擦系数出现显著低谷仅为0.06，接近湿滑条件下轮轨平均黏着系数，接触闪光温度同时降至最低水平；随摇头角绝对值增大，切向应力、摩擦系数和闪光温度同步回升，但正负摇头角下曲线不完全对称。从接触斑内部分布看，切向应力在所有工况下均呈明显非均匀空间分布，高切向应力集中于接触斑后缘区域，符合滚动接触典型特征——接触斑前缘以黏着区为主、剪切变形小，后缘滑移比例增大、第三体层剪切变形充分发展。水介质混合润滑条件下接触斑边缘水膜较厚、微凸体接触概率低，边缘切向应力水平显著低于中央和后缘区域。大摇头角下接触斑发生横向变形，高切向应力区域向接触斑横向边缘迁移，局部出现边缘应力集中，该位置摩擦功率密度高、闪光温度相应升高，加剧局部踏面擦伤和剥离型损伤风险。

4.4 动态轮轨黏着特性

引入实测地铁多边形车轮踏面轮廓，选取30 mm短波距波磨（幅值0.4 mm）、80 km/h运行速度进行研究。车辆–轨道耦合动力学模型输出的动态参数显示：多边形化与波磨两类周期性缺陷的激励持续改变轮轨间几何间隙，引发轮轨法向力、蠕滑率和接触点轨迹的剧烈波动。与单一激励相比，实测车轮多边形化与短波距波磨的叠加产生激励放大效应，进一步增大轮轨动态力波动幅值。接触载荷的剧烈变化直接改变混合润滑条件下接触区内微凸体接触与水膜承载的比例：轮轨力降低时水介质更易卷入界面形成较厚水膜，瞬时黏着系数显著下降；载荷峰值位置界面水被挤出、微凸体直接接触比例增大，瞬时黏着系数短暂恢复。黏着系数的交替循环特征由动态接触状态主导。30 mm短波距波磨相比长波距波磨产生更高频率激励，与实测车轮多边形化耦合后容易引起纵向蠕滑饱和并诱发强轮轨纵向黏滑振动，黏着系数振荡幅值显著增大。湿滑条件下平均黏着系数约为0.06，处于低黏着范围，频繁引发瞬时低黏着事件，轮对空转和滑行风险增大。动态卸载较强时发生局部瞬时轮轨分离，水介质完全填充接触间隙，轮轨切向承载能力急剧下降。基于坐标变换实时更新三维接触间隙的确定性混合弹流润滑模型能够捕捉此类非赫兹瞬态接触特征，而传统基于赫兹接触的黏着计算模型无法再现该现象。ECF模块求解得到的摩擦闪光温度反馈作用于第三体层剪切强度参数，改变切向应力分布，进一步调节黏着行为。

五、讨论与结论

研究人员指出，从工程角度看，即使平均黏着系数未显著恶化，多阶车轮多边形化与短波距波磨共存仍会频繁触发瞬时低黏着事件，这类间歇性低黏着时刻是地铁牵引与制动安全运行的重要隐患。因此，仅依赖静态或时间平均黏着系数不足以全面评估线路风险，在地铁低黏着安全评价中还应考虑黏着系数的振荡幅值与发生频率。该模型将车轮多边形化与波磨激励设为对称形式，而实际地铁运营中常存在不对称损伤——如导向轮对仅单侧车轮发生多边形磨损、曲线轨道波磨主要分布于低轨，这一不对称损伤特征未纳入当前仿真，是本研究的一个局限性，后续研究将揭示不对称轮轨缺陷下的动态行为。

研究结论可归纳为四点：其一，低幅值单阶车轮多边形化与钢轨波磨条件下，接触斑远小于波磨波长和低阶多边形车轮周向波长，局部峰值法向接触应力与接触斑形态变化很小。其二，轮对摇头角显著改变轮轨接触几何与接触斑形状，导致最大法向压应力、切向应力、闪光温度和黏着系数呈非单调变化；高切向应力集中于接触斑后缘，大摇头角引发边缘应力集中、局部闪光温度升高，增加踏面擦伤和剥离风险。其三，实测多边形磨损与短波距波磨的叠加放大轮轨动态激励，导致法向力和蠕滑率严重振荡；湿滑条件下液体易进入接触界面，产生瞬时低黏着状态。其四，湿滑条件下轮轨动态黏着由动态接触载荷、水膜压力、闪光温度和界面第三体层弹塑性性质共同决定。