不同工況下輪軌材料間的摩擦磨損行為

郭 靜，王文健，劉啟躍，周仲榮

（西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所，成都 610031)

不同工況下輪軌材料間的摩擦磨損行為

郭 靜，王文健，劉啟躍，周仲榮

（西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所，成都 610031)

在MMS-2A型滾動(dòng)摩擦試驗(yàn)機(jī)上研究了干態(tài)、水態(tài)和水砂態(tài)三種工況下輪軌材料間的摩擦磨損行為，分析了輪軌試樣表面的損傷情況。結(jié)果表明：相比于干態(tài)，水會(huì)使輪軌材料間的摩擦因數(shù)、磨損量明顯下降;水介質(zhì)中撒砂可增加輪軌材料間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)和磨損量，且加重了輪軌表面的損傷，水砂態(tài)試驗(yàn)中的干摩擦?xí)鼓Σ烈驍?shù)恢復(fù)到干態(tài)下的正常水平;隨水態(tài)、干態(tài)到水砂態(tài)工況的變化，車(chē)輪試樣表面從粗糙凸起并伴有輕微剝落向嚴(yán)重剝落損傷轉(zhuǎn)變，鋼軌材料的表面損傷主要表現(xiàn)為片層狀剝離并伴有剝落現(xiàn)象，但較車(chē)輪材料的剝落損傷程度輕。

輪軌;水;撒砂;摩擦因數(shù);磨損量

0 引 言

輪軌間的滾動(dòng)接觸疲勞一直是鐵路工業(yè)中難以解決的老問(wèn)題［1－2］。隨著鐵路客貨運(yùn)量的增大和列車(chē)速度的提高，由輪軌間滾動(dòng)接觸疲勞造成的破壞越來(lái)越嚴(yán)重，尤其是高速、重載的線路。輪軌間的滾動(dòng)接觸疲勞不僅大大增加了鐵路的運(yùn)營(yíng)成本，而且直接危害行車(chē)安全，其破壞現(xiàn)象主要為輪軌接觸表面的剝離、壓潰、龜裂、波浪形磨損、輪緣磨損、鋼軌側(cè)磨以及斷裂等［1－4］。輪軌破壞現(xiàn)象的產(chǎn)生涉及很多因素，如輪軌間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、輪軌間的作用力、接觸面間的第三介質(zhì)、接觸表面的粗糙度、輪軌材料的性能以及加工留下的先天性缺陷等。

列車(chē)的牽引和制動(dòng)靠輪軌滾動(dòng)接觸過(guò)程中作用于接觸面上的摩擦力得以實(shí)現(xiàn)，摩擦力的大小決定了輪軌的粘著效果，輪軌接觸面之間的摩擦因數(shù)又是決定摩擦力大小的關(guān)鍵因素。而影響輪軌粘著力的主要因素是輪軌載荷、接觸表面的粗糙度和“第三介質(zhì)”、材料性質(zhì)、輪軌間的相對(duì)滾動(dòng)、滑動(dòng)速度等。目前，我國(guó)鐵路機(jī)車(chē)防滑增粘的方法普遍采用撒砂。在降雨、降雪時(shí)，用噴砂機(jī)將砂粒噴到輪、軌之間，以保證列車(chē)在爬坡或制動(dòng)時(shí)車(chē)輪不打滑，可有效預(yù)防車(chē)輪滑行而避免輪軌擦傷剝離［5－7］。然而，研究如何提高輪軌在滾動(dòng)接觸過(guò)程中的防滑增粘時(shí)，不可一味地追求粘著效果，還要考慮輪軌強(qiáng)度所承受的能力。盡管撒砂是改善輪軌粘著力最陳舊且應(yīng)用最廣泛的方法，但對(duì)于輪軌磨損同粘著－蠕滑之間相互關(guān)系的影響，還沒(méi)有在受控的試驗(yàn)條件下進(jìn)行研究，有關(guān)增粘材料對(duì)輪軌系統(tǒng)表面造成損傷程度的研究還很少。申鵬［8－10］進(jìn)行了輪軌接觸表面在干態(tài)、水態(tài)、水砂態(tài)下的粘著特性試驗(yàn)，研究了短時(shí)間內(nèi)“第三介質(zhì)”對(duì)輪軌材料粘著特性的影響;王文?。?1］研究了接觸應(yīng)力對(duì)輪軌材料滾動(dòng)摩擦磨損性能的影響，提供了輪軌材料滾動(dòng)摩擦磨損行為的力學(xué)分析及損傷機(jī)理。作者在此基礎(chǔ)上，利用 MMS－2A型微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)輪軌材料在干態(tài)、水態(tài)、水砂態(tài)下的摩擦磨損行為進(jìn)行了研究，通過(guò)增加輪軌的作用時(shí)間，從研究輪軌材料表面損傷的角度出發(fā)，得到了較理想的數(shù)據(jù)，從而比較系統(tǒng)地總結(jié)出增粘劑對(duì)輪軌材料性能的影響以及利弊分析等。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在MMS-2A型磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，模擬鋼軌材料為 U71Mn熱軋鋼軌，σb≥910MPa，δ≥10%，硬度為250HV0.1，模擬車(chē)輪材料為CL60車(chē)輪鋼，σb≥880MPa，δ≥9%，硬度為280HV0.1。采用雙圓盤(pán)對(duì)滾試樣來(lái)模擬輪軌間的接觸條件，將鋼軌圓盤(pán)試樣安裝于試驗(yàn)機(jī)的上部，車(chē)輪圓盤(pán)試樣安裝于下部;上、下兩圓盤(pán)的轉(zhuǎn)速分別為360，400r·min－1，上下圓盤(pán)的直徑均為40mm，其余尺寸見(jiàn)圖1所示。

圖1 輪軌試樣的尺寸Fig.1 Scheme size of wheel and rail rollers

試驗(yàn)參數(shù)的確定采用赫茲模擬準(zhǔn)則進(jìn)行，即使實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的模擬輪軌間的平均接觸應(yīng)力和接觸區(qū)橢圓的長(zhǎng)短半軸之比與實(shí)際工況相同。試驗(yàn)中施加170N的垂向載荷來(lái)模擬實(shí)際軸重（25t)，并由赫茲接觸理論計(jì)算得出最大接觸應(yīng)力為1 915MPa。

摩擦磨損試驗(yàn)在干態(tài)、水態(tài)、水砂態(tài)三種工況下進(jìn)行。試驗(yàn)中采用的砂子為鐵路撒砂使用的砂子，其直徑為0.3～0.5mm，石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于90%，粘土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于2%。水介質(zhì)通過(guò)醫(yī)用輸液管固定滴加在離輪軌接觸斑150mm處的模擬軌道上，加水流量約為5mL·min－1，水溫約為20℃;利用自制漏斗撒砂，漏斗下口距離模擬軌道的軌面約30mm，并垂直撒向軌面。水砂試驗(yàn)中加水和撒砂都只進(jìn)行了0.5h，并后續(xù)進(jìn)行了7.5h的干摩擦;干態(tài)及水介質(zhì)下的試驗(yàn)均進(jìn)行了8h。

采用TG328A型電子分析天平稱(chēng)量計(jì)算出輪軌試樣的磨損量;采用JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡（SEM)觀察試樣磨損后的表面形貌;采用JB－6C型粗糙度輪廓儀測(cè)輪軌材料表面的粗糙度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)及磨損量

由圖2可見(jiàn)，水態(tài)下的摩擦因數(shù)較干態(tài)的下降了約45%。在水介質(zhì)下撒砂時(shí)，由于砂粒的加入使整個(gè)摩擦系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，故摩擦因數(shù)出現(xiàn)了跳躍性變化，并由不穩(wěn)定的低摩擦因數(shù)很快過(guò)渡到了連續(xù)性的高摩擦因數(shù)，起到了在水態(tài)下迅速提高粘著力的作用，并在隨后的運(yùn)行過(guò)程中與干態(tài)下的摩擦因數(shù)趨于一致。這說(shuō)明在水介質(zhì)中撒砂一段時(shí)間后，輪軌摩擦系統(tǒng)會(huì)在后續(xù)的運(yùn)行過(guò)程中，自動(dòng)恢復(fù)到干摩擦狀態(tài)，即列車(chē)的正常運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 不同工況下輪軌材料間的摩擦因數(shù)Fig.2 Friction coefficient of wheel／rail materials under different working conditions

由圖3可見(jiàn)，與干態(tài)下的磨損量相比，水態(tài)下的磨損量明顯下降，降低了約50%，而水砂態(tài)下的磨損量則提高了50%～60%。由此可知，在相同軸重和速度下，在遇到雨、雪天氣時(shí)，撒砂后輪軌間的磨損最嚴(yán)重，導(dǎo)致輪軌接觸面上由于存在砂粒而產(chǎn)生更多的磨屑。干態(tài)下輪軌間的磨損比水態(tài)下的更嚴(yán)重，因?yàn)槠溟g有較多的輪軌摩擦所產(chǎn)生的磨屑，當(dāng)加入水之后固體磨?；蜾P粒和水混合形成一種潤(rùn)滑劑，尤其是運(yùn)行速度較高時(shí)，水與磨屑形成潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑作用會(huì)使粘著系數(shù)急劇下降［8－10］。

圖3 不同工況下輪軌材料的磨損量Fig.3 Wear quantity of wheel／rail materials under different working conditions

由表1可知，輪軌材料在三種摩擦狀態(tài)下摩擦8h后，水態(tài)下的表面粗糙度最小，這是由于水與磨屑混合后形成一種潤(rùn)滑介質(zhì)，所以相較于干摩擦來(lái)說(shuō)，形同于加入了潤(rùn)滑劑，故而水態(tài)下輪軌材料的表面粗糙度最小;撒砂后粘著力驟增，故其摩擦因數(shù)最大，但其粗糙度的變化與摩擦因數(shù)的變化不一致，這說(shuō)明后續(xù)的干摩擦并不能使材料的表面粗糙度趨于干態(tài)下的;干摩擦屬于沒(méi)有潤(rùn)滑的情況，故其表面粗糙度居中。

表1 不同工況磨損后輪軌材料的表面粗糙度Tab.1 Surface roughness of wheel／rail materials after wear under different working conditions μm

2.2 磨損表面形貌

由圖4可見(jiàn)，干態(tài)下鋼軌材料表面有明顯的塑性變形，并伴隨有一些片層狀的剝落，但其方向基本與滾動(dòng)方向一致;而車(chē)輪材料表面則呈現(xiàn)出凹凸不平的粗糙形態(tài)，有部分大小不一的塊狀凸起及片狀剝落。

由圖5可見(jiàn)，相較于干態(tài)下的摩擦，在水態(tài)下鋼軌材料的表面磨損主要表現(xiàn)為沿著滾動(dòng)方向?yàn)橹鞯钠秸钠瑢訝钭冃危撟冃卧谄浔砻娉示鶆蚍植?，且伴有很少量的剝落掉塊;而車(chē)輪試樣則發(fā)生了粘著現(xiàn)象，表面覆蓋有粘著層。

由圖6可見(jiàn)，與干態(tài)的相比，水砂態(tài)下鋼軌材料表面的磨損較為嚴(yán)重，有較多的剝落塊，并有少量的點(diǎn)蝕出現(xiàn)。這是由于伴有最初0.5h水砂的作用，加之其后7.5h干摩擦的反復(fù)滾滑，接觸表面出現(xiàn)了疲勞;而車(chē)輪材料表面的磨損較干態(tài)的加重，其表面有大量大小不一的剝落塊，這會(huì)對(duì)材料的壽命產(chǎn)生不利影響。

對(duì)比車(chē)輪和鋼軌材料試樣的SEM形貌可知，在相同的摩擦狀態(tài)下，車(chē)輪材料的磨損重于鋼軌材料的，且兩者的磨損形貌存在一定差別。這主要是由于車(chē)輪材料的碳含量低于鋼軌材料的，硬度的不同造成了兩者在相互滾滑過(guò)程中產(chǎn)生的磨損形貌不同。總體來(lái)看，鋼軌材料的表面主要以片層狀剝離為主，并伴有點(diǎn)蝕;而車(chē)輪材料表面以剝落塊為主，水態(tài)下表面會(huì)附著粘著層;鋼軌材料的損傷程度要輕于車(chē)輪材料的［11］。

3 結(jié) 論

（1)水介質(zhì)會(huì)使輪軌材料間的摩擦因數(shù)、磨損量明顯下降;水介質(zhì)下撒砂可增加輪軌材料間的滾動(dòng)摩擦因數(shù)、磨損量和表面粗糙度，且加重了輪軌表面的損傷，撒砂后續(xù)的干摩擦試驗(yàn)會(huì)使摩擦因數(shù)恢復(fù)到干態(tài)下的正常水平。

（2)隨摩擦狀態(tài)由水態(tài)、干態(tài)到水砂態(tài)變化，車(chē)輪材料的表面從粗糙凸起并伴有輕微剝落向嚴(yán)重剝落損傷轉(zhuǎn)變，鋼軌材料的表面損傷主要表現(xiàn)為片層狀剝離并伴有剝落現(xiàn)象，但較車(chē)輪試樣的剝落損傷程度輕。

［1］覃為剛，唐懷平.輪軌水介質(zhì)粘著分析［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，35（5)：509-512.

［2］金學(xué)松，沈志云.輪軌滾動(dòng)接觸疲勞問(wèn)題研究的最新進(jìn)展［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2001，23（2)：92-108.

［3］JIN Y，ISHIDA M，NAMURA A.Experimental simulation and prediction of wear of wheel flange and rail gauge corner［J］.Wear，2011，271：259-267.

［4］SHUR E A，BYCHKOVA N Y，TRUSHEVSKY.Physical metallurgy aspects of rolling contact fatigue of rail steels［J］.Wear，2005，258：1165-1171.

［5］ARIAS-CUEVASA O，LIA Z，LEWISB R.A laboratory investigation on the influence of the particle size and slip during sanding on the adhesion and wear in the wheel-rail contact［J］.Wear，2011，271：14-24.

［6］CHENA H，BANA T，ISHIDA M，et al.Experimental investigation of influential factors on adhesion between wheel and rail under wet conditions［J］.Wear，2008，265：1504-1511.

［7］CHEN H，ISHIDA M，NAKAHARA T.Adhesion between rail／wheel under water lubricated contact ［J］.Wear，2002，253：75-81.

［8］申鵬，王文健，張鴻斐，等.撒砂對(duì)輪軌粘著特性的影響［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（16)：74-78.

［9］申鵬，宋建華，李自彬，等.輪軌黏著特性試驗(yàn)研究［J］.潤(rùn)滑與密封，2009，34（7)：10-13.

［10］宋建華，申鵬，王文健，等.水介質(zhì)條件下輪軌黏著特性試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2010，31（3)：52-56.

［11］王文健，郭俊，劉啟躍.接觸應(yīng)力對(duì)輪軌材料滾動(dòng)摩擦磨損性能影響［J］.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（4)：352-356.

Friction and Wear Behavior of Wheel／Rail Materials under Different Working Conditions

GUO Jing，WANG Wen-jian，LIU Qi-yue，ZHOU Zhong-rong
（Tribology Research Institute，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

The rolling friction and wear behavior of wheel／rail materials was studied using a MMS-2Atesting apparatus under dry，water and sanding conditions.Furthermore，the damage of wheel／rail samples was analyzed.The results show that the water would decrease rolling friction coefficient and wear volume of wheel／rail materials.Sanding could increase rolling friction coefficient and wear quantity of wheel／rail materials under water condition，and worsen the damage of the wheel／rail surface.The dry friction after sanding could make rolling friction coefficient come to the normal level in dry condition.With the conditions changes from water to dry and water sanding，the surface damage of wheel material transformed from concave-convex roughness with slight delamination to serious spalling damage，and the delamination damage was dominant for the rail material.However，the spalling damage of rail material was slighter than that of wheel specimen.

wheel／rail;water;sanding;friction coefficient;wear quantity

TH117.3

A

1000-3738（2013)01-0043-04

2011-12-20;

2012-08-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51025519，51174282);中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（201104650)

郭靜（1987－)，女，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，碩士研究生。

導(dǎo)師：周仲榮教授