3.2.1　黏着

图3.6为某动车以一定的速度v在平直线路上运行时，轮对与钢轨之间的受力情况（图中忽略其内部摩擦阻力）。为了清楚地表示该图中的各种关系，我们把实际上互相接触的车轮与钢轨稍稍向上、向下平移。

图3.6中，Pi为某个动车轮对作用在钢轨上的正压力，又称为轮对的轴重。牵引电机作用在动轮对上的驱动旋转力矩Mi，可以用一对力形成的力偶Fi和来代替，并分别作用在轮轴中心的O点和轮轨接触处的O′点，其大小为

式中，Ri为动轮对半径。

在正压力Pi的作用下，车轮踏面与钢轨的接触部分紧紧压在一起。切向力Fi使车轮上的O′点具有向左运动的趋势，并通过O′点作用在钢轨上。表示车轮作用在钢轨上的力，其值为。由于轮轨接触处存在着摩擦，车轮上O′点向左运动的趋势将引起向右的静摩擦力fi，即钢轨对车轮的反作用力，且，将fi称为轮周牵引力。因此，车轮上的O′点受到两个相反方向的力Fi和fi作用，而且Fi=fi，所以，O′点保持相对静止，轮轨之间没有任何相对滑动，在力的作用下，动轮对绕O′点做纯滚动运动。

因此所谓黏着，指的是铁路车辆由于正压力，车轮与钢轨之间保持相对静止的现象。轮轨间的黏着系数是表示铁道车辆车轮与钢轨间黏着状态的指标，它表示了车辆的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向力与车轮垂直载荷之比（称为切向力系数）的最大值。

图3.7表示的是钢轮在钢轨上运行的铁道车辆与橡胶轮在沥青路上运行的汽车切向力系数的比较，是在速度为100km/h和降雨条件下的试验值。从图3.7中可以看出滑动率（车辆与车轮的速度差）增加以后切向力系数的变化情况。

当滑动率增加到切向力系数最大时的值被称为黏着系数。对于轨道车辆，滑动率在0.2％～0.5％范围内时，切向力系数最大值约为0.1左右；对于汽车则滑动率在30％时，切向力系数最大值约为0.3～0.5左右，比铁道车辆的黏着力大。所以，使用钢轮钢轨的铁道车辆虽然具有运行阻力小的优点，但同时也带来黏着力小的缺点。黏着力小意味着不能施加较大的制动力，这使制动距离变长。

图3.8是钢轮与钢轨接触时的压力分布状态。如图3.8所示，接触区的压力为圆形分布，中间靠近中心的压力大，接触区两边外周的压力小。此时的最大压力被称为最大接触压力或赫兹压力，一般高速铁路列车的最大接触压力约为500～600MPa左右。

轨道车辆的制动力与黏着力的关系如图3.9所示。制动力由闸片的摩擦力及主电动机的发电阻转矩产生。闸片摩擦力通过制动盘作用于车轮，主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Fa＞Fb，但在降雨时则有可能Fa＜Fb，因此列车的制动力是受到二者中较小的一方制约。这种情况就像在冰上行驶的汽车，即使施加很大的制动力，因轮胎与冰之间产生了滑动而不能很快地停下来一样。

一般来说，在钢轨面上如有水存在，黏着力则随速度的上升而降低。图3.10所示为轮轨接触面有水润滑状态下的试验结果，当力矩逐渐增加，将切向力达到最大值时的值作为黏着系数。在此情况下，表面粗糙度与速度同时对黏着系数有显著影响。另外，黏着系数与接触面的水膜和表面微小凸起所支撑的载荷有关。所以在雨天高速运行时，适应于黏着力的制动控制是非常重要的。因此，城轨列车以黏着特性为基本条件，可以说是由黏着力的大小决定了能运行的列车数量和到达时间。

黏着力因接触载荷的不同而变化，特别是10Hz以下的动载荷从微观滑动到宏观滑动变化时黏着力的变化很大。微观滑动区内动载荷的影响如图3.11所示。

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