3.2.2　微观滑动时的黏着（蠕滑）

从20世纪60年代以来，众多学者的研究指出：滑动实际上包含了有益效应和有害效应。一般来说，滑动反映的是传力条件，而蠕滑反映的是滚动条件。在力的方向上，接触面前沿的黏着区消失，这时的滑动是有害的；反之，则是有利的，这就是著名的蠕滑理论。从物理上说，由于黏着区的消失，意味着力的传递过程被中断，从滑动是传力的必要条件和黏着是传力的充分条件来判断，这种概念的延伸也是正确的。

对沿钢轨表面滚动的车轮加以牵引力或制动力时，车轮表面将发生拉伸和压缩变形，并由此变形来传递力。制动时车轮表面变形的状态如图3.12所示，此时的滑动状态即为蠕滑。

传统理论认为钢轮相对钢轨滚动时，接触面是一种干摩擦的黏着状态，当制动力或牵引力大于轮轨间的黏着力时才会进入滑动摩擦状态。但是研究表明，由于车轮和钢轨都是弹性体，滚动时轮轨接触处会产生弹性变形，这种新的弹性变形会使接触面间发生微量滑动，称之为“蠕滑”。对蠕滑的研究和分析，可以进一步深化我们对黏着的认识。

如图3.13所示，在车轮上正压力的作用下，轮轨接触处产生弹性变形，形成椭圆形的接触面。从微观上仔细观察，两个接触面是粗糙不平的。由于切向力的作用，车轮在钢轨上滚动时，车轮和钢轨的粗糙接触面间产生新的弹性变形，接触面间出现微量滑动，即所谓的“蠕滑”。

具体来说，蠕滑的产生是由于在车轮接触面的前部产生压缩，后部产生拉伸；而在钢轨接触面的前部产生拉伸，后部产生压缩。随着车轮的滚动，车轮上原来被压缩的金属陆续放松，并被拉伸；而钢轨上原来被拉伸的金属陆续被压缩，因而在接触面的后部出现滑动。

如图3.13所示，切向力在接触面上形成两个性质不同的状态和区域：

（1）接触面的前部，轮轨间没有相对滑动，称为滚动区，用阴影线表示。

（2）接触面的后部，轮轨间有相对滑动，称为滑动区。

这两个区域的大小随切向力的变化而变化。当切向力增大时，滑动区面积增大，滚动区面积减小。当切向力超过某一极限值时，滚动区面积为零，只剩下滑动区，整个接触面间出现相对宏观滑动，轮轨间黏着被破坏，车轮在钢轨上开始明显打滑，即出现“空转”，若此时为制动工况即出现所谓的“滑行”。

蠕滑是滚动体的正常滑动，车轮在滚动过程中必然会产生蠕滑现象。伴随着蠕滑产生静摩擦力，轮轨之间才能传递切向力。

轮轨间由于摩擦产生的切向力反过来作用于驱动机构，随着切向力的增大，驱动机构内的弹性应力也增大。当切向力达到极限时，由于蠕滑的积累波及整个接触面，发展成为真滑动，积累的能量使车轮本身加速，这时驱动机构内的弹性应力被解除。由于车轮的惯性和驱动机构的弹性，在轮轨间出现滑动—黏着—再滑动—再黏着的反复振荡过程，一直持续到重新在驱动机构中建立起稳定的弹性应力为止。

简单来说，蠕滑是宏观上车轮非纯滚动的状态，由于轮轨的三维弹性形变，轮轨接触面上存在着微观的黏着区和滑动区，因而车轮在钢轨上滚动时存在着一定的相对滑动，即车轮轮心前进的速度总是低于车轮的圆周速度。这是由于在力矩M的作用下，轮轨接触面产生向后的弹性变形所至，蠕滑大小的程度可用滑移率或称为蠕滑率σ表示，即

式中，ω为车轮转动角速度；Ri为车轮半径；v为列车车轮轮心实际运行前进的速度。

一般来说，黏着力是在车轮受到转矩时，其与钢轨接触的部分伴随微小滑动（蠕滑）而产生的切向力。这种黏着力是在车轮转动条件下与产生蠕滑的同时而传递的制动力或牵引力，此点有别于一般的摩擦力。蠕滑率与切向力的关系如图3.14所示。通常微观滑动区域的滑动是在弹性区，其变形也可以说是轮轨间的暂时变形。在此区域传递的最大切向力与接触载荷的比值是黏着系数。此外，当滑动率增加到0.2％～0.5％以上的宏观滑动区域后，其切向力是不稳定的。

但是在实际应用蠕滑理论中，一般把轮对的轮周速度与轮心位移速度之差相对于轮心位移速度的比值定义为滑移率。这是因为在列车上比较容易检测到轮对转速和列车实际运行速度。虽然这种表示方法是一种近似表示方法，但便于获得检测信号使防滑控制系统开展工作。

此外，在一些滚动接触理论中，蠕滑率定义为有切向力作用时车轮滚过距离与无切向力作用时车轮滚过距离之差的变化率。也就是说，如果轮轨之间不存在干摩擦，那么车轮将在钢轨上作纯滚动，滚过的距离等于车轮所转圈数乘以车轮圆周长所得的距离（n×2πR）。然而，由于干摩擦的存在，车轮的滚动已不再是纯滚动，而是伴随有车轮相对钢轨的滑动发生。这也反映了接触面上的干摩擦所引起能量的消耗，车轮实际滚过的距离与纯滚动距离之差的变化率用蠕滑率来描述，即

把位移变化对时间求导数就变成了速度关系，由于位移约束是对车轮和钢轨分别求得的，因此由求导得到的速度约束也分别属于车轮和钢轨。这是精确的蠕滑率关系。如果车轮和钢轨的绝对速度都可以测定，那么利用精确的蠕滑率表达式就可以向控制系统输入精确的信号，将轮轨之间的复杂运动都纳入控制范畴。然而，就目前绝对速度的测量尚未被突破的现状说来，这种精确控制仍是不可能的。蠕滑现象是一种轮轨设备素质可以接受或“容忍”的微量滑行现象，但在理论上它是一个可以划分为若干个阶段的发育过程，利用蠕滑率的量值变化可以将轮轨作用情况做出新的分层分类。轨道车辆轮对运行区与蠕滑率的关系见表3.3。