科普 | 火车在铁轨上会打出溜滑吗?

科普 | 火车在铁轨上会打出溜滑吗?

5月 8, 2020 阅读 107 字数 3879 评论 0 喜欢 0

随着我国铁路技术与设备的不断发展,列车的行驶速度、机车与动车组的牵引功率、牵引质量都有着长足的进步。但是,跑得更快、力气更足、拉得更多的火车会不会像冬天冰面上的汽车一样,产生“打出溜滑”的现象、在光滑的轨面上摩擦呢?

答案是肯定的,“打滑”是机车车辆运用中一个普遍、但也需要尽力避免的现象。

要分析打滑现象的发生,我们首先要了解列车牵引的过程是如何实现的。

牵引过程在大体上来讲是这样的:机车/动车组内部的牵引电机产生转矩,通过齿轮箱传递给轮对,轮对与轨道之间产生的相互作用力成为了列车产生沿轨道运行的动力。

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那么,这种“相互作用力”究竟是如何产生的呢?我们若将轮轨两者均视为刚体,在列车正常运行过程中,轮对和轨面在接触瞬间不会发生相对运动,此时两者之间的纵向(平行于列车运行方向)作用力就是两者之间的最大静摩擦力,即 μ·N(静摩擦系数μ,钢轨支撑力N)。

但是,它只存在于理想情况下。

在实际的轮轨的相互作用过程中,表面上看起来坚硬无比的轨面和轮对并不能视为刚体,忽视它们弹性形变。这就要提到黏着和蠕滑的概念,它建立在由德国人Hertz Heinrich提出的弹性接触理论之上:

在列车巨大的重力和轮对的转动情况下,相互接触的位置附近会发生包括拉伸压缩的形变,并形成一个椭圆形的接触面。考虑到列车运行中的各种冲击震动等各种不稳定情况,实际的纵向力会比理想情况下的静摩擦力小很多。

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在轮对滚动过程中,由于切向力的作用,车轮前部受到压缩,后部为拉伸;相反,轨道前部为拉伸,后半部分则是压缩。此时椭圆形接触斑上形成了两个部分,前(右)半部分与轮对无相对滑动,称为“黏着/滚动区域”(稳定);后半部分称为“滑动/滑移区域”(不稳定,存在相对滑动)。随着轮对的转动,车轮原右侧受压区域变为拉伸,轨面原右侧拉伸变为压缩。

正是在接触区这样不断的压缩-放松交替过程中,借助滚动区域产生的摩擦力从而实现了切向力的传递。

但是,由于切向力改变,两个区域的面积大小也会发生改变,当切向力变大时,黏着区域的面积会减小,后半部分滑动区域的面积则会变大。可以预见到,随着切向力的进一步增大,黏着区域会逐渐减小至不存在,滚动区域几乎占据全部接触斑,即从“微滑动”变成整个接触面的“真滑动”,轮轨产生激烈地相对运动,也就是下文我们要提到的空转现象

人们将此时的最大纵向作用力称为“黏着力”,而这种黏着产生的牵引力与轮对轴重的比值称为黏着系数。在分析列车运行过程时,我们将垂直载荷视为恒定,黏着系数就成为了一个衡量轮轨接触情况的参数。

钢轨的表面状况是影响黏着的最重要的原因,比如冰雪、油污、树叶等都会导致黏着系数的明显下降;而像砂砾等物质附着在钢轨表面则会使得黏着系数的下降。除此之外,黏着系数也与机车车辆的轴重,走行部的动力学特性,车轮的材料,列车的运行速度、其他线路条件(有/无缝钢轨,轨道平顺度,曲线半径)等因素有关。

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这里分享一条有趣且有味道的新闻: 内蒙古毛毛虫集体穿越铁轨找食 阻停火车三小时科普 | 火车在铁轨上会打出溜滑吗?

5月30日上午,57018次货运列车在内蒙古东部的赤(峰)大(板)白(彦花)铁路由南向北行进。上午10时30分左右,火车行至这一区间,司机突然感到机车动力不足,马上加大马力。不料,火车非但没有加速前行,反而减速。车轮在铁轨上打滑空转,后来干脆停了下来。接到火车司机报警后,铁路派出所民警立即赶赴现场,眼前的情景让他们大吃一惊。只见约1公里长的铁轨上爬满了毛毛虫,黑压压的一片。

而对于我们日常说到的宽泛“打滑”问题,严格意义上讲,在列车的运行过程中,其实存在“空转”和“打滑(滑行)”两种情况。

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▇ 空转

空转主要发生在列车的启动和牵引工况下,根据一般的机车牵引特性曲线,在列车速度较高时,牵引力的值较低,而在列车以较低速度行驶以及启动时,具有较大的牵引力,超过了此时的黏着限制,因而时常发生空转。俗称:使不上劲儿。
表征为:轮对线速度>列车实际运行速度

在这种情况下,机车的牵引力会急剧下降(可参阅牵引特性曲线),牵引电机会如同“脱缰的野马”,高速旋转甚至发生扫膛。此时车轮会与轨面发生剧烈的摩擦,从而造成轨面和踏面的疲劳损伤,产生累积的后续影响。若是在列车启动期间发生长时间的剧烈空转,会发生更为惊人的效应,形成搓衣板状的损伤。我们可以拿砂轮的磨削过程来想象一下。

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列车打滑造成的轨面……磨损……

长大坡道也是空转的高发地,不仅产生了坡道阻力,同时黏着情况会有所改变。为了克服坡道阻力且保持列车速度避免坡停,列车需要施加更大的牵引力,此时便有可能发生空转的情况。因此有经验的大车会在进入坡道后进行预防性的撒沙;或通过“动能闯坡”,即在进入坡道前尽可能提高列车速度,借助储备的动能“先闯后爬,闯爬结合”;且此时手柄不能提得过急,一旦观察到空转的征兆需要立即把牵引力降下来,避免空转发生。

▇ 打滑

打滑主要发生在列车的制动工况(减速停车)下。

表征为:轮对线速度<列车运行速度。我们可以用汽车常见的“抱死”现象作为一种列车打滑的极端情况来理解。俗称:用力(刹车)过猛。
这里提到的制动限于黏着制动,即利用轮轨的黏着来给列车刹车,包括空气制动(盘型、闸瓦)、电制动(再生、电阻、反接),并不包括非黏着的磁轨等制动方式。

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盘式制动

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踏面制动

对于不同的空气制动,都是通过将动能通过摩擦转化为热量的方式,如盘式制动在施加时使制动闸片在制动夹钳的作用下“抱紧”制动盘,踏面制动施加时将闸瓦紧紧贴近车轮踏面,通俗来讲即是把车“别”停。

在制动工况下,电机已不再提供牵引动力,当制动力超过了轮轨的最大黏着力时,轮轨之间便会产生相对运动,变滚动为滑动,对轮轨寿命同样存在负面影响。同时,制动打滑也延长了列车的制动距离和时间,对于安全和效率造成影响。

比如,今年冬天新疆哈密降下了多年以来难得的大雪,三道岭煤矿的东坑下被积雪所覆盖。轨面上附着的积雪自然会导致摩擦系数的降低,且由坑口站至装煤线的铁路又有着较大的坡度。毫无意外,由坑下驶向坑口的蒸汽列车上坡时发生了空转的现象,任凭轮对转动,但列车实际的位移却少得可怜。于是,在这样的情况下露天煤矿的运输工作暂时停止,直至中午后气温升高、积雪有所融化后才恢复运行。

黏着情况的改变所带来的空转和打滑正解释了在发生大面积降雪和霜冻灾害时,为什么我们会在新闻中看到动车组为保证安全的降速运行以及铁路运输秩序的紊乱:车站大盘一片飘红、站内站外旅客滞留。这种情况下,真的需要我们多一份理解。

而对于此时正在列车上的驾驶操纵人员,则需要适当减小制动/牵引作用力或者尝试改变轮轨接触情况,从而使轮轨之间恢复稳定的滚动状态。

随着轨道车辆装备的不断发展,为了适应高速和重载运输的需求,提高列车的启停加减速效率,机车和动车组能够提供的牵引功率和制动性能也越来越高。但与此同时,黏着也成为了限制其性能发挥的重要因素。

最直接、经济的一个思路就是对轮轨之间的接触面进行优化,如在降雪、降雨、霜冻等情况下,轮轨之间的黏着系数会至少有20%-30%的下降。而撒砂通过人为的增加接触面的粗糙度,提高了黏着。但与此同时,撒砂也有可能对列车的轴承等机械结构产生一定损伤,若使用的砂砾质量不佳,还会大大加速轮对和轨道的磨损。从另一个方向出发,对轨道上积累的油污和泥迹进行清理也可以起到提高黏着的效果。但是铁道线绵延无界,清洁耗时费力工作量难以想象,能做的更多则是定期清理车辆走行部的油污。

此外,轴重转移及动轮的不均匀磨耗也是影响黏着、产生滑动空转的原因,因此需要对列车的车轮进行定期的镟修,对弹簧装置进行检查更换。

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机务人员正在为8K型电力机车的砂箱添加砂砾

人为撒砂虽能够提高黏着系数,但却不能对打滑和空转情况进行定量定时的监测和控制。为此,人们开发出了防滑和防空转的黏着控制装置,从而实现防滑。

在这一过程中,防滑器也经历了机械式、电子式到微机式的发展过程,到了动车组和交流传动时代则成为集成于BCU(制动控制单元)中的一个核心模块,实时根据列车的运行状态进行制动力的控制和分配,从而实现更加高效完全的黏着利用。对于列车的打滑和空转与否可以通过很多指标来进行分析判断,如轮对的线速度(以及实际运行速度)变化情况,电动机的电流和电压是否正常(前文提到空转时电机电流会有大幅增加)等方式。

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图为一种列车防滑控制器的基本结构,通过布置在轴端的转速传感器可以得到轮对角速度和轮轨接触面的线速度,借助计算机的记录分析可以进一步得到减速度、滑差率等判断指标。从而通过图中的电磁阀调控制动夹钳施加的制动力,避免滑行的发生。

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装备于普通铁路客车的一款防滑器,在列车通过台附近可以发现。

 


▇ 参考素材:

部分图片及图表来自于:
王立德、杨中平老师 《电力牵引与电传动》课程课件
彭俊彬老师《动车组牵引与制动》

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