輪軌材料硬度匹配對車輪多邊形磨耗影響的試驗(yàn)研究

常崇義，李　果，張銀花，周邵博

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京　100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院 高速輪軌關(guān)系試驗(yàn)室，北京　100081；3.中國鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京　100081)

近年來，我國高速動車組車輪踏面周向不同程度地出現(xiàn)多邊形磨耗現(xiàn)象。高速運(yùn)營條件下，車輪高階多邊形磨耗會引發(fā)輪軌之間產(chǎn)生強(qiáng)烈振動，導(dǎo)致車輛和軌道的關(guān)鍵零部件過早疲勞失效，直接威脅行車安全。車輪高階多邊形磨耗造成較高的輪軌激勵頻率，會對振動噪聲有很大影響，高速動車組以300 km·h-1速度等級運(yùn)行時，車輪20 階多邊形磨耗造成的噪聲相比正常車輪偏大9 dBA 左右，振動偏大12 dB左右[1]。目前對于車輪多邊形磨耗的形成機(jī)理還沒有清楚的認(rèn)識，針對我國目前高速動車組高階多邊形磨耗形成機(jī)理及緩解措施進(jìn)行全面深入地研究，意義重大。

雖然到目前為止對車輪多邊形磨耗機(jī)理的研究較少，但是對鋼軌波磨產(chǎn)生的機(jī)理研究較多，車輪多邊形磨耗機(jī)理的研究可以借鑒大量的鋼軌波磨研究成果。文獻(xiàn)[2]利用小比例輪軌模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室鋼軌波形磨損再現(xiàn)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)垂向載荷的波動是實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)波磨的重要條件之一，而取決于縱向蠕滑率的車輪制動力是導(dǎo)致鋼軌波形磨損的決定性因素。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為輪對黏滑振動是波磨的成因，但波磨的形成和發(fā)展卻表現(xiàn)為鋼軌不均勻磨損或不均勻塑性變形的逐步累積。文獻(xiàn)[4]提出增加鋼軌耐磨性是減緩鋼軌波磨最主要的措施之一，鋼軌耐磨性能的提高能夠減緩軌頭磨損和塑性變形，從而能延緩波磨的形成與發(fā)展過程。文獻(xiàn)[5]在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用Amsler磨損試驗(yàn)機(jī)對D1和ER8車輪材料進(jìn)行耐磨性能試驗(yàn)，從試樣磨損后表面的掃描電鏡形貌發(fā)現(xiàn)車輪試樣的磨損形貌主要以塑性變形和裂紋擴(kuò)展為主，呈現(xiàn)出典型疲勞磨損的形貌特征。文獻(xiàn)[6]在實(shí)驗(yàn)室采用Amsler磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行3種硬度車輪與3種硬度鋼軌的對磨試驗(yàn)，對比分析硬度不同的車輪與鋼軌材料對磨時的磨損、變形和接觸疲勞傷損等。通常認(rèn)為金屬材料的耐磨性與H/E(H為材料硬度，E為彈性模量)成正比[7]，相同組織類型鋼軌材料的耐磨性主要與其硬度有關(guān)，一般情況下材料的硬度越高，其抗磨性能越強(qiáng)。因此，研究增加車輪材料硬度對減緩多邊形磨耗有怎樣的效果也非常有意義。

本文利用Amsler磨損試驗(yàn)機(jī)開展干燥條件下輪軌材料不同硬度匹配時的滾動接觸磨損試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同硬度匹配下車輪材料的小輪試樣出現(xiàn)多邊形磨耗的程度截然不同，通過試驗(yàn)室試驗(yàn)尋找哪種硬度輪軌材料匹配能抵抗多邊形的磨耗，同時探討車輪多邊形磨耗的形成條件。

1　試驗(yàn)方法

1.1　試樣

為探究不同硬度比下輪軌材料的多邊形磨耗的差異，從硬度比梯度設(shè)置和實(shí)際使用的角度出發(fā)，選取低、中、高各3個硬度等級的車輪材料(或其替代材料)和鋼軌材料在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行小試樣滾動接觸摩擦磨損試驗(yàn)。目前，應(yīng)用比較普遍的是低硬度高速車輪材料ER8，中硬度車輪材料ER8C和高硬度車輪材料SSW-Q3R。由于在試樣的選取和制作過程未能及時找到ER8C和SSW-Q3R車輪材料，考慮到它們實(shí)際的車輪材質(zhì)均為珠光體類型組織(或珠光體+鐵素體組織)，為使磨損和塑性變形機(jī)制相近，因此分別采用了含碳量較高、組織相同的某整體淬火輪箍材料(簡稱LG)和U71Mn熱處理鋼軌的高碳鋼材料(簡稱U71MnH)作為中、高硬度車輪的替代材料，其硬度分別與ER8C和SSW-Q3R的相當(dāng)。鋼軌試樣則取自3種不同的鋼軌：U74熱軋鋼軌和我國高速鐵路廣泛鋪用的U71MnG和U75VG熱軋鋼軌。車輪和鋼軌材料的實(shí)測化學(xué)成分和平均硬度見表1。

表1　車輪、鋼軌材料的實(shí)測化學(xué)成分和平均硬度

車輪試樣取自車輪輪輞部位(靠近踏面)，鋼軌試樣取自鋼軌軌頭部位，車輪和鋼軌材料的取樣位置分別如圖1和圖2所示。摩擦磨損試驗(yàn)所用試樣為內(nèi)徑16 mm、外徑40 mm、厚度10 mm的環(huán)形試樣。車輪和鋼軌試樣的加工尺寸和粗糙度要求如圖3所示，加工完成后的試樣實(shí)物如圖4所示。

圖1　車輪試樣取樣位置示意圖(單位:mm)

圖2　鋼軌試樣取樣位置示意圖(單位:mm)

圖3　輪軌摩擦副試樣的尺寸(單位：mm)

圖4　試樣實(shí)物圖

1.2　試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在Amsler磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，該試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。該試驗(yàn)機(jī)的工作原理：驅(qū)動電機(jī)通過斜齒輪1驅(qū)動車輪材料試樣旋轉(zhuǎn)，同時通過斜齒輪2、傳動軸、斜齒輪3、斜齒輪4將驅(qū)動電機(jī)的旋轉(zhuǎn)動力傳遞給鋼軌試樣，通過轉(zhuǎn)速傳遞使車輪試樣轉(zhuǎn)速比鋼軌試樣轉(zhuǎn)速快10%(相當(dāng)于車輪處于牽引狀態(tài))；固定于傳動軸上的錐齒輪1驅(qū)動錐齒輪2等速旋轉(zhuǎn)，從而帶動激振偏心輪旋轉(zhuǎn)，該偏心輪通過適配架和壓桿可實(shí)現(xiàn)加載彈簧的壓縮量周期性調(diào)整；加載彈簧施加的壓力通過壓桿作用于適配架，實(shí)現(xiàn)鋼軌和車輪材料試樣間垂向作用力的加載。

圖5　Amsler磨損試驗(yàn)機(jī)

1.3　試驗(yàn)方法

3種車輪試樣分別與3種鋼軌試樣進(jìn)行9種輪軌材料匹配下的磨耗試驗(yàn)，輪軌硬度比范圍為0.80～1.48，車輪、鋼軌材料試樣的硬度比見表2。

表2　不同輪軌材料匹配時的硬度比

對我國高速鐵路上運(yùn)行的CRH3C，CRH380B和CRH380BL型動車組動車、拖車車輪出現(xiàn)的高階多邊形磨耗(車輪高階多邊形粗糙度≥20 dB)比例進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)多邊形磨耗比較嚴(yán)重的車輪主要集中在動車車輪上，動車車輪和拖車車輪在運(yùn)行中的主要差異是動車車輪通過輪軌縱向蠕滑產(chǎn)生牽引力。為了反映動車車輪的受力特點(diǎn)，試驗(yàn)中在Amsler磨損試驗(yàn)機(jī)的下軸安裝車輪試樣、轉(zhuǎn)速為200 r·min-1，上軸安裝鋼軌試樣、轉(zhuǎn)速180 r·min-1，縱向蠕滑率為10%，激振偏心輪轉(zhuǎn)速為232 r·min-1，試驗(yàn)垂向載荷為490 N。

在試驗(yàn)每進(jìn)行1萬r時卸下試樣，用毛刷清理其表面磨屑后，浸入裝有丙酮溶液的超聲波清洗器中清洗2 min，更換丙酮溶液后再重復(fù)清洗1次；在試驗(yàn)每進(jìn)行2萬r時，利用自行開發(fā)的小輪多邊形磨耗測量設(shè)備測量試樣的多邊形磨耗，該設(shè)備如圖6所示。由圖6看出：測試設(shè)備由低速直流電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)軸勻速旋轉(zhuǎn)，被測試樣固定于轉(zhuǎn)軸上，千分表的測量頭與試樣接觸面厚度方向的中心接觸，千分表連續(xù)記錄旋轉(zhuǎn)試樣的徑向尺寸變化；為了保證測試數(shù)據(jù)的可比性，測試前在試樣端面中間位置做1個起始測量標(biāo)記點(diǎn)，之后每次測試后的數(shù)據(jù)將以此點(diǎn)作為基準(zhǔn)進(jìn)行比對；旋轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)精度為2 μm，千分表測量精度為5 μm。

圖6　小輪多邊形磨耗測量設(shè)備

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

在9種輪軌材料硬度匹配方式下的小試樣磨耗試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)一部分車輪試樣磨耗在4萬r以內(nèi)時多邊形磨耗發(fā)展較為緩慢,達(dá)到6萬r時沿圓周方向容易出現(xiàn)明顯的多邊形磨耗，另一部分車輪試樣在6萬r以后，由于其多邊形磨耗導(dǎo)致試驗(yàn)臺設(shè)備振動較大，無法繼續(xù)試驗(yàn)，因此以車輪試樣6萬r出現(xiàn)的多邊形情況進(jìn)行對比分析。

輪軌試樣在試驗(yàn)轉(zhuǎn)數(shù)為6萬r時多邊形磨耗后的外形如圖7—圖15所示。從圖7—圖15看出：輪軌材料硬度比在0.8～1.05范圍內(nèi)，車輪試樣在6萬r時都出現(xiàn)了明顯的多邊形磨耗；輪軌材料硬度比為1.15時， U71MnH車輪與U75VG鋼軌匹配時車輪試樣在6萬r時出現(xiàn)了明顯的多邊形磨耗，而LG輪車與U74鋼軌匹配時車輪試樣在6萬r時并沒有出現(xiàn)明顯的多邊形磨耗；隨著輪軌材料硬度比的提高，在硬度比為1.36和1.48時車輪材料試樣在6萬r時并沒有出現(xiàn)明顯的多邊形磨耗；

圖7ER8-U75VG匹配時輪軌試樣圓周外形(硬度比0.80)

圖8LG-U75VG匹配時輪軌試樣圓周外形(硬度比0.89)

圖9ER8-U71MnG匹配時輪軌試樣圓周外形(硬度比0.95)

另外，輪軌硬度比在0.80～1.48范圍內(nèi)鋼軌試樣都沒有出現(xiàn)明顯的多邊形磨耗。試驗(yàn)結(jié)果表明：輪軌材料硬度比小于1.05時，車輪材樣容易發(fā)生多邊形磨耗；輪軌材料硬度比大于1.36時，車輪試樣不易發(fā)生多邊形磨耗。

圖10ER8-U74匹配時輪軌試樣圓周外形(硬度比1.03)

圖11LG-U71MnG匹配時輪軌試樣圓周外形(硬度比1.05)

圖12U71MnH-U75VG匹配時輪軌試樣圓周外形(硬度比1.15)

圖13LG-U74匹配時輪軌試樣圓周外形(硬度比1.15)

圖14U71MnH-U71MnG匹配時輪軌試樣圓周外形(硬度比1.36)

圖15U71MnH-U74匹配時輪軌試樣圓周外形(硬度比1.48)

9種輪軌材料硬度匹配下車輪試樣在6萬r時多邊形磨耗后的表面粗糙度和頻譜分析如圖16—圖24所示。從圖16—圖24看出：輪軌材料硬度比在0.80～1.05范圍內(nèi)，車輪試樣的表面粗糙度在16階處達(dá)到20 dB左右，從頻譜特性看車輪試樣的多邊形磨耗在16階時幅值最高，說明車輪試樣發(fā)生了16階多邊形磨耗，試驗(yàn)中車輪試樣的轉(zhuǎn)速為200 r·min-1，可以推算出其耦合振動頻率為53.3 Hz，多邊形磨耗的波長約為7.8 mm；輪軌材料硬度比為1.15時，U71MnH車輪與U75VG鋼軌匹配時車輪試樣在6萬r時表面粗糙度達(dá)到了18 dB左右，頻譜幅值為7.5 μm左右，可以認(rèn)為車輪試樣出現(xiàn)了明顯的多邊形磨耗，而LG車輪與U74鋼軌匹配時車輪試樣在6萬r時的表面粗糙度不超過5 dB，頻譜幅值僅為1.5 μm左右(設(shè)備的測量誤差為3 μm)，因此可以認(rèn)為車輪試樣并沒有出現(xiàn)明顯的多邊形磨耗；隨著輪軌材料硬度比的提高，在硬度比為1.36和1.48時車輪試樣在6萬r時的表面粗糙平不超過3 dB，頻譜幅值不超過1.3 μm，由此可以認(rèn)為硬度比大于1.36時車輪材料試樣并沒有出現(xiàn)明顯的多邊形磨耗。

圖16　ER8-U75VG匹配時(硬度比0.80)

圖17　LG-U75VG匹配時(硬度比0.89)

圖18　ER8-U71MnG匹配時(硬度比0.95)

圖19　ER8-U74匹配時(硬度比1.03)

圖20　LG-U71MnG匹配時(硬度比1.05)

圖21　U71MnH-U75VG匹配時(硬度比1.15)

圖22　LG-U74匹配時(硬度比1.15)

圖23　U71MnH-U71MnG匹配時(硬度比1.36)

圖24　U71MnH-U74匹配時(硬度比1.48)

9種輪軌材料硬度匹配下車輪試樣在6萬r時多邊形磨耗的徑跳平均值隨輪軌材料硬度比的變化規(guī)律如圖25所示。從圖25可以看出：輪軌材料硬度比在0.80～1.05范圍內(nèi)，車輪試樣多邊形磨耗的徑跳平均值隨輪軌材料硬度比的提高逐漸降低；輪軌材料硬度比為1.15時，U71MnH車輪與U75VG鋼軌匹配時車輪試樣在6萬r時多邊形磨耗的徑跳平均值達(dá)到30 μm左右，而LG車輪與U74鋼軌匹配時只有8 μm左右；隨著輪軌材料硬度比的提高，在其為1.36和1.48時車輪試樣在6萬r時多邊形磨耗的徑跳平均值不超過6 μm；車輪試樣徑跳值隨輪軌材料硬度比的變化規(guī)律趨勢看出輪軌材料硬度比1.15處于車輪試樣出現(xiàn)明顯多邊形磨耗的臨界點(diǎn)附近。

圖25車輪材料試樣多邊形磨耗徑跳平均值隨硬度比變化規(guī)律

3　討　論

U71MnH車輪與U75VG鋼軌、LG車輪與U74鋼軌匹配時，雖然輪軌材料硬度比都是1.15，在6萬r時前者車輪試樣的多邊形磨耗明顯，而后者車輪試樣的多邊形磨耗不明顯?？赡艿脑蚴牵河捎谳嗆壊牧嫌捕缺?.15是處于車輪試樣出現(xiàn)明顯多邊形磨耗的臨界點(diǎn)附近，硬度比對多邊形磨耗的影響具有一定的不確定性；U71MnH車輪與U75VG鋼軌的實(shí)測平均布氏硬度分別為328與290 HB，LG車輪與U74鋼軌的實(shí)測平均布氏硬度分別為266與245 HB，前一對摩擦副和后一對摩擦副相比材料硬度較高，導(dǎo)致接觸表面粗糙度較低，因此摩擦副之間的摩擦系數(shù)低，在輪軌試樣的滾動接觸磨損試驗(yàn)中容易產(chǎn)生試樣間的黏滑現(xiàn)象，從而導(dǎo)致多邊形磨耗的產(chǎn)生。因此，輪軌材料硬度比在車輪試樣出現(xiàn)多邊形磨耗的臨界點(diǎn)附近時，材料表面的粗糙度引起的摩擦系數(shù)不同可能影響車輪材料試樣的多邊形磨耗。

4　結(jié)　論

(1)輪軌材料硬度比小于1.05時，車輪試樣容易發(fā)生多邊形磨耗；當(dāng)輪軌材料硬度比大于1.36時，車輪試樣幾乎不發(fā)生多邊形磨耗；輪軌材料硬度比在0.80～1.48范圍內(nèi)，鋼軌試樣均沒有出現(xiàn)明顯的多邊形磨耗。

(2)輪軌材料硬度比在0.80～1.05范圍內(nèi)，車輪試樣產(chǎn)生了明顯的16階多邊形磨耗，其與鋼軌試樣耦合振動頻率均為53.3 Hz。

(3)輪軌材料硬度比在0.80～1.05范圍內(nèi)，車輪試樣多邊形磨耗的徑跳隨輪軌材料硬度比的提高逐漸降低。

(4)輪軌材料硬度比在車輪試樣出現(xiàn)多邊形磨耗的臨界點(diǎn)附近時，材料的表面粗糙度引起的摩擦系數(shù)不同可能影響車輪試樣的多邊形磨耗。

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