3.2.2　微觀滑動時的黏著（蠕滑）

從20世紀60年代以來，眾多學者的研究指出：滑動實際上包含了有益效應和有害效應。一般來說，滑動反映的是傳力條件，而蠕滑反映的是滾動條件。在力的方向上，接觸面前沿的黏著區消失，這時的滑動是有害的；反之，則是有利的，這就是著名的蠕滑理論。從物理上說，由于黏著區的消失，意味著力的傳遞過程被中斷，從滑動是傳力的必要條件和黏著是傳力的充分條件來判斷，這種概念的延伸也是正確的。

對沿鋼軌表面滾動的車輪加以牽引力或制動力時，車輪表面將發生拉伸和壓縮變形，并由此變形來傳遞力。制動時車輪表面變形的狀態如圖3.12所示，此時的滑動狀態即為蠕滑。

傳統理論認為鋼輪相對鋼軌滾動時，接觸面是一種干摩擦的黏著狀態，當制動力或牽引力大于輪軌間的黏著力時才會進入滑動摩擦狀態。但是研究表明，由于車輪和鋼軌都是彈性體，滾動時輪軌接觸處會產生彈性變形，這種新的彈性變形會使接觸面間發生微量滑動，稱之為“蠕滑”。對蠕滑的研究和分析，可以進一步深化我們對黏著的認識。

如圖3.13所示，在車輪上正壓力的作用下，輪軌接觸處產生彈性變形，形成橢圓形的接觸面。從微觀上仔細觀察，兩個接觸面是粗糙不平的。由于切向力的作用，車輪在鋼軌上滾動時，車輪和鋼軌的粗糙接觸面間產生新的彈性變形，接觸面間出現微量滑動，即所謂的“蠕滑”。

具體來說，蠕滑的產生是由于在車輪接觸面的前部產生壓縮，后部產生拉伸；而在鋼軌接觸面的前部產生拉伸，后部產生壓縮。隨著車輪的滾動，車輪上原來被壓縮的金屬陸續放松，并被拉伸；而鋼軌上原來被拉伸的金屬陸續被壓縮，因而在接觸面的后部出現滑動。

如圖3.13所示，切向力在接觸面上形成兩個性質不同的狀態和區域：

（1）接觸面的前部，輪軌間沒有相對滑動，稱為滾動區，用陰影線表示。

（2）接觸面的后部，輪軌間有相對滑動，稱為滑動區。

這兩個區域的大小隨切向力的變化而變化。當切向力增大時，滑動區面積增大，滾動區面積減小。當切向力超過某一極限值時，滾動區面積為零，只剩下滑動區，整個接觸面間出現相對宏觀滑動，輪軌間黏著被破壞，車輪在鋼軌上開始明顯打滑，即出現“空轉”，若此時為制動工況即出現所謂的“滑行”。

蠕滑是滾動體的正常滑動，車輪在滾動過程中必然會產生蠕滑現象。伴隨著蠕滑產生靜摩擦力，輪軌之間才能傳遞切向力。

輪軌間由于摩擦產生的切向力反過來作用于驅動機構，隨著切向力的增大，驅動機構內的彈性應力也增大。當切向力達到極限時，由于蠕滑的積累波及整個接觸面，發展成為真滑動，積累的能量使車輪本身加速，這時驅動機構內的彈性應力被解除。由于車輪的慣性和驅動機構的彈性，在輪軌間出現滑動—黏著—再滑動—再黏著的反復振蕩過程，一直持續到重新在驅動機構中建立起穩定的彈性應力為止。

簡單來說，蠕滑是宏觀上車輪非純滾動的狀態，由于輪軌的三維彈性形變，輪軌接觸面上存在著微觀的黏著區和滑動區，因而車輪在鋼軌上滾動時存在著一定的相對滑動，即車輪輪心前進的速度總是低于車輪的圓周速度。這是由于在力矩M的作用下，輪軌接觸面產生向后的彈性變形所至，蠕滑大小的程度可用滑移率或稱為蠕滑率σ表示，即

式中，ω為車輪轉動角速度；Ri為車輪半徑；v為列車車輪輪心實際運行前進的速度。

一般來說，黏著力是在車輪受到轉矩時，其與鋼軌接觸的部分伴隨微小滑動（蠕滑）而產生的切向力。這種黏著力是在車輪轉動條件下與產生蠕滑的同時而傳遞的制動力或牽引力，此點有別于一般的摩擦力。蠕滑率與切向力的關系如圖3.14所示。通常微觀滑動區域的滑動是在彈性區，其變形也可以說是輪軌間的暫時變形。在此區域傳遞的最大切向力與接觸載荷的比值是黏著系數。此外，當滑動率增加到0.2％～0.5％以上的宏觀滑動區域后，其切向力是不穩定的。

但是在實際應用蠕滑理論中，一般把輪對的輪周速度與輪心位移速度之差相對于輪心位移速度的比值定義為滑移率。這是因為在列車上比較容易檢測到輪對轉速和列車實際運行速度。雖然這種表示方法是一種近似表示方法，但便于獲得檢測信號使防滑控制系統開展工作。

此外，在一些滾動接觸理論中，蠕滑率定義為有切向力作用時車輪滾過距離與無切向力作用時車輪滾過距離之差的變化率。也就是說，如果輪軌之間不存在干摩擦，那么車輪將在鋼軌上作純滾動，滾過的距離等于車輪所轉圈數乘以車輪圓周長所得的距離（n×2πR）。然而，由于干摩擦的存在，車輪的滾動已不再是純滾動，而是伴隨有車輪相對鋼軌的滑動發生。這也反映了接觸面上的干摩擦所引起能量的消耗，車輪實際滾過的距離與純滾動距離之差的變化率用蠕滑率來描述，即

把位移變化對時間求導數就變成了速度關系，由于位移約束是對車輪和鋼軌分別求得的，因此由求導得到的速度約束也分別屬于車輪和鋼軌。這是精確的蠕滑率關系。如果車輪和鋼軌的絕對速度都可以測定，那么利用精確的蠕滑率表達式就可以向控制系統輸入精確的信號，將輪軌之間的復雜運動都納入控制范疇。然而，就目前絕對速度的測量尚未被突破的現狀說來，這種精確控制仍是不可能的。蠕滑現象是一種輪軌設備素質可以接受或“容忍”的微量滑行現象，但在理論上它是一個可以劃分為若干個階段的發育過程，利用蠕滑率的量值變化可以將輪軌作用情況做出新的分層分類。軌道車輛輪對運行區與蠕滑率的關系見表3.3。