湿态下高速列车轮轨黏着-滑移行为与临界制动压力：一项全尺寸试验研究

《Results in Engineering》：Wheel/rail adhesion-slip behavior and critical brake pressure of high-speed trains under wet conditions: A full-scale experimental study

　　

在湿态条件下，轮轨界面处的水膜会显著降低黏着性能，导致滑移增大、制动不稳定以及高速列车制动安全性下降。因此，理解该类条件下的黏着-滑移演化过程并识别临界制动参数，对于制动控制策略的设计与优化至关重要。本研究利用全尺寸综合制动系统试验台（full-scale integrated brake system test bench），系统研究了湿态条件下高速列车的轮轨黏着-滑移行为与制动性能。试验覆盖速度60–400 km/h、轴重（axle load）9.0–17.0 t、水流量（water flow rate）0–1500 mL/min。研究发现，黏着系数（adhesion coefficient）随速度增加而降低，并对轴重呈现非单调依赖关系；而最大滑移率在超过与速度相关的供水阈值后急剧上升。研究采用1%滑移率处的制动压力与车轮减速度作为通用早期滑移参考参数，并引入经验性水流量-速度指数k以描述观测到的起始条件，同时建立了临界制动压力与车轮减速度随速度变化的关系。上述发现为优化湿态条件下基于黏着的制动控制提供了试验支撑。

**湿态下高速列车轮轨黏着-滑移行为与临界制动压力研究解读**

**1. 研究背景与问题**

高速铁路系统的快速发展对列车制动安全性与运行可靠性提出了越来越高的要求。制动性能本质上取决于轮轨间可用的黏着性能，黏着系数（adhesion coefficient）决定了接触界面能够传递的最大切向力。黏着不足将导致车轮滑移过大、制动力不稳定、制动距离延长、轮轨磨耗加剧，甚至引发失控、脱轨等安全事故。然而，制动过程中的轮轨黏着并非恒定参数，而是随轮对滑移率动态演化。黏着-滑移特性描述了滚动-滑动接触中黏着系数与滑移率之间的非线性关系，其决定了最大可用制动力以及从稳定黏着到不稳定滑动的转变过程。

在湿态运行条件下，轮轨界面的水膜显著降低黏着系数并改变黏着-滑移特性，这不仅限制了可用制动力，还增加了滑移失稳风险。已有研究表明，速度、轴重、表面粗糙度与水流量等因素会重塑湿态下的黏着-滑移特征曲线：除降低峰值黏着外，这些因素还可能改变曲线斜率、峰值黏着对应的滑移率以及峰后滑动行为。值得注意的是，在大滑移与润滑联合作用下还观察到一种特殊的黏着恢复现象——与经典理论中黏着在饱和后单调下降的预期不同，黏着系数在高滑移率区域重新上升。这被归因于摩擦热积累导致的水膜破裂和固-固接触增加。此外，制动参数如制动力大小与力矩施加速率直接控制从黏着到滑移的转变过程，对制动稳定性有强烈影响。然而，现有研究尚未系统建立湿态条件下多因素与黏着-滑移行为的定量关系，特别是不同湿态工况下定义黏着-滑移转变的临界制动参数——临界制动压力及对应的车轮减速度，以及压力加载速率的影响均未明确。因此，本研究针对这一空白，利用全尺寸综合制动系统试验台，在真实湿态条件下系统研究轮轨黏着-滑移行为与临界制动参数。

**2. 研究内容与意义**

研究人员在《Results in Engineering》发表了这一全尺寸试验研究。试验基于1:1综合制动系统试验台，包含真实转向架、钢轨廓形滚轮与实际制动系统，通过可控制动压力施加诱导不同滑移率，精确复现并调控制动过程。试验在速度60–400 km/h、轴重9.0–17.0 t、水流量0–1500 mL/min范围内开展，系统考察了速度、轴重和水流量对黏着-滑移特性与临界制动参数的影响。研究发现，黏着系数随速度升高显著降低，随轴重增加呈现非单调变化；水流量增加促进滑移发展并导致最大滑移率出现阈值式跃升。研究提出经验性水流量-速度指数k~=~W_exp/V描述观测到的起始条件，建立了临界制动压力与车轮减速度随速度变化的定量关系，并提出了相应制动控制建议，为湿态下优化黏着制动控制提供了试验基础。

**3. 主要技术方法**

该研究采用西南交通大学摩擦学研究所、轨道交通运载系统全国重点实验室的全尺寸综合制动系统试验台。关键方法包括：利用真实转向架与轨廓滚轮构成的1:1制动试验平台模拟实际制动过程；通过水喷雾系统调节轮轨界面供水量并按等效转换关系映射为小时降雨强度；以固定125 kPa/s速率线性增加制动压力至目标滑移率后卸载；基于力矩平衡计算黏着力与黏着系数；采用红外热像仪测量踏面与制动盘温度；运用最小二乘拟合、等高线分析和敏感性分析处理试验数据。试验矩阵覆盖3个速度段（60–125、150–250、300–400 km/h）、9个轴重等级（9.0–17.0 t）和多个水流量等级（0–1500 mL/min）。

**4. 研究结果**

**4.1 湿态下黏着-滑移行为**

通过不同速度（60–400 km/h）的黏着试验发现，黏着系数-滑移率曲线在制动压力加载与卸载阶段呈现明显滞回现象，同一滑移率下卸载阶段黏着系数普遍高于加载阶段，表现出可重复的黏着恢复趋势。黏着系数在1%滑移率处随速度增加显著下降，拟合关系为μ~=~(?2.901×10^?4)V~+~0.1471（R²~=~0.957），从60 km/h约0.13降至400 km/h约0.04。不同轴重试验显示，黏着系数随轴重先降后升，呈非单调变化，拟合关系为μ~=~0.0173L²?0.0506L~+~0.435（R²~=~0.838）。在不同水流量试验中，水流量增加促进滑移发展，最大滑移率呈阈值式增加。100 km/h下500 mL/min为明显滑移起始点，200 km/h下为1000 mL/min。定义经验指数k~=~W_exp/V后，两边界条件均满足k~=~5，表明该指数可用于比较不同速度下轮轨接触区的供水条件。

**4.2 临界制动压力与轮减速度**

研究以加载阶段滑移率首次上穿1%时的制动压力与车轮减速度定义临界参数。试验表明，临界制动压力随速度升高近似线性降低，从60 km/h约420 kPa降至400 km/h约160 kPa；轴重对临界制动压力的影响中等，在200–270 kPa范围内变化。临界车轮减速度在60–175 km/h区间由1.5 m/s²升至约4 m/s²，高速段保持稳定，但350–400 km/h时因离心力与振动放大导致重复试验波动增大。轴重对临界减速度影响有限，整体位于2.7–4.3 m/s²之间。

**5. 讨论与结论**

讨论部分从能量耗散角度解释了黏着恢复现象：制动过程中摩擦能量转化为热，导致踏面温度升高，促进水膜蒸发与破裂，使润滑状态由流体主导转向混合或边界润滑，增加固-固接触比例，从而在卸载阶段维持较高黏着。试验测得单位法向载荷能量耗散率与踏面峰值温度呈正相关（R²~=~0.601），为上述机制提供了间接热证据。此外，200 km/h典型工况显示，制动盘热衰退效应导致减速度下降至接近零，随后轮对通过接触重新加速，滑移率随之降低。目标滑移率对比试验表明制动盘表面温度可达约250°C，印证了热负荷的作用。等高线分析划分了轮减速度的稳定增长区与不稳定衰减区，并拟合了临界制动压力关系P_c~=~450?0.75V与临界轮减速度关系d_c~=~(?3.7×10^?5)V²~+~0.0215V~+~0.75，推荐取90%作为控制上限。敏感性分析表明1%滑移率阈值综合拟合效果最佳（R²分别为0.902与0.972）。基于上述结果提出三条控制建议：在等效降雨强度接近40 mm/h时提前启动湿滑预警；暴雨条件下将运行速度限制在200 km/h以下以获得更大黏着裕量；避免在低黏着界面突然增加制动压力或减速度，并采用上述参考上限值。

研究结论可归纳如下：（1）湿态下黏着系数-滑移率曲线在加载与卸载阶段存在明显滞回，同一滑移率下卸载阶段黏着系数通常更高；制动过程中黏着系数随速度升高显著降低，对轴重呈非单调依赖；水流量增加促进滑移发展，最大滑移率出现阈值式增加。（2）1%滑移率处的制动压力与车轮减速度提供了可重复的临界参数用于比较湿态制动工况，临界制动压力随速度升高而降低、受轴重影响较小；临界轮减速度低中速段增大后趋于稳定，为早期滑移制动控制提供了定量参考。（3）经验性水流量-速度指数及拟合的速度相关制动参数总结了湿态制动响应特性，支撑了所提出的预警、速度管理与制动压力控制策略，共同为改善湿态下制动稳定性与安全性提供了试验依据。