3.2.1　黏著

圖3.6為某動車以一定的速度v在平直線路上運行時，輪對與鋼軌之間的受力情況（圖中忽略其內部摩擦阻力）。為了清楚地表示該圖中的各種關系，我們把實際上互相接觸的車輪與鋼軌稍稍向上、向下平移。

圖3.6中，Pi為某個動車輪對作用在鋼軌上的正壓力，又稱為輪對的軸重。牽引電機作用在動輪對上的驅動旋轉力矩Mi，可以用一對力形成的力偶Fi和來代替，并分別作用在輪軸中心的O點和輪軌接觸處的O′點，其大小為

式中，Ri為動輪對半徑。

在正壓力Pi的作用下，車輪踏面與鋼軌的接觸部分緊緊壓在一起。切向力Fi使車輪上的O′點具有向左運動的趨勢，并通過O′點作用在鋼軌上。表示車輪作用在鋼軌上的力，其值為。由于輪軌接觸處存在著摩擦，車輪上O′點向左運動的趨勢將引起向右的靜摩擦力fi，即鋼軌對車輪的反作用力，且，將fi稱為輪周牽引力。因此，車輪上的O′點受到兩個相反方向的力Fi和fi作用，而且Fi=fi，所以，O′點保持相對靜止，輪軌之間沒有任何相對滑動，在力的作用下，動輪對繞O′點做純滾動運動。

因此所謂黏著，指的是鐵路車輛由于正壓力，車輪與鋼軌之間保持相對靜止的現象。輪軌間的黏著系數是表示鐵道車輛車輪與鋼軌間黏著狀態的指標，它表示了車輛的牽引力或制動力傳遞給鋼軌的可能程度，具體地說是車輪圓周方向的切向力與車輪垂直載荷之比（稱為切向力系數）的最大值。

圖3.7表示的是鋼輪在鋼軌上運行的鐵道車輛與橡膠輪在瀝青路上運行的汽車切向力系數的比較，是在速度為100km/h和降雨條件下的試驗值。從圖3.7中可以看出滑動率（車輛與車輪的速度差）增加以后切向力系數的變化情況。

當滑動率增加到切向力系數最大時的值被稱為黏著系數。對于軌道車輛，滑動率在0.2％～0.5％范圍內時，切向力系數最大值約為0.1左右；對于汽車則滑動率在30％時，切向力系數最大值約為0.3～0.5左右，比鐵道車輛的黏著力大。所以，使用鋼輪鋼軌的鐵道車輛雖然具有運行阻力小的優點，但同時也帶來黏著力小的缺點。黏著力小意味著不能施加較大的制動力，這使制動距離變長。

圖3.8是鋼輪與鋼軌接觸時的壓力分布狀態。如圖3.8所示，接觸區的壓力為圓形分布，中間靠近中心的壓力大，接觸區兩邊外周的壓力小。此時的最大壓力被稱為最大接觸壓力或赫茲壓力，一般高速鐵路列車的最大接觸壓力約為500～600MPa左右。

軌道車輛的制動力與黏著力的關系如圖3.9所示。制動力由閘片的摩擦力及主電動機的發電阻轉矩產生。閘片摩擦力通過制動盤作用于車輪，主電動機產生的電磁力通過齒輪作用于車輪，再由車輪傳給鋼軌并引起鋼軌作用于車輪的反力，即列車的制動力。

因為制動力Fb與黏著力Fa有關，所以并非制動力越大減速度就越大。二者的關系是，雖然在鋼軌面干燥時Fa＞Fb，但在降雨時則有可能Fa＜Fb，因此列車的制動力是受到二者中較小的一方制約。這種情況就像在冰上行駛的汽車，即使施加很大的制動力，因輪胎與冰之間產生了滑動而不能很快地停下來一樣。

一般來說，在鋼軌面上如有水存在，黏著力則隨速度的上升而降低。圖3.10所示為輪軌接觸面有水潤滑狀態下的試驗結果，當力矩逐漸增加，將切向力達到最大值時的值作為黏著系數。在此情況下，表面粗糙度與速度同時對黏著系數有顯著影響。另外，黏著系數與接觸面的水膜和表面微小凸起所支撐的載荷有關。所以在雨天高速運行時，適應于黏著力的制動控制是非常重要的。因此，城軌列車以黏著特性為基本條件，可以說是由黏著力的大小決定了能運行的列車數量和到達時間。

黏著力因接觸載荷的不同而變化，特別是10Hz以下的動載荷從微觀滑動到宏觀滑動變化時黏著力的變化很大。微觀滑動區內動載荷的影響如圖3.11所示。

由試驗的結果可知，與靜載荷相比較，在動載荷條件下，切向力的斜率變化較平緩，最大切向力系數大約降低了10％左右，但受動載荷頻率的影響不大。