輪緣固體潤(rùn)滑劑對(duì)輪軌減摩性能影響試驗(yàn)研究

宋靖東，程焯，王文健，郭俊，劉啟躍

輪緣固體潤(rùn)滑劑對(duì)輪軌減摩性能影響試驗(yàn)研究

宋靖東1,2，程焯1，王文健1，郭俊1，劉啟躍1

（1.西南交通大學(xué) 摩擦學(xué)研究所，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué)唐山研究生院，河北 唐山 063000）

利用MJP-30A滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)完成試驗(yàn)工作，針對(duì)不同固體潤(rùn)滑劑的作用工況，分析摩擦力矩和摩擦系數(shù)隨著試驗(yàn)力的變化，探究試驗(yàn)力對(duì)摩擦系數(shù)的影響；分析干態(tài)和兩種不同固體潤(rùn)滑劑作用后的輪軌摩擦性能和固體潤(rùn)滑劑的有效作用時(shí)間，探究固體潤(rùn)滑劑的使用性能；分析固體潤(rùn)滑劑的磨損率和附著率情況，探究固體潤(rùn)滑劑的最佳應(yīng)用性能。結(jié)果表明：隨著試驗(yàn)力變大，摩擦力矩近乎呈線性增大，摩擦系數(shù)先降低后趨于平穩(wěn)；隨著蠕滑率增大，1#潤(rùn)滑劑的摩擦系數(shù)先達(dá)到0.2左右，后趨于平穩(wěn)；兩種固體潤(rùn)滑劑的有效作用時(shí)間均相近，均為4分鐘左右，1#潤(rùn)滑劑的磨損率較小，1#潤(rùn)滑劑在輪軌試樣界面的附著率也優(yōu)于2#固體潤(rùn)滑劑。

固體潤(rùn)滑劑；摩擦系數(shù)；應(yīng)用性能

鋼軌側(cè)磨是重載鐵路的主要損傷形式，而高速鐵路的主要損傷形式則為疲勞損傷[1]。鋼軌打磨是緩解鋼軌磨耗的有效方式，杜星[2]利用SIMPACK仿真計(jì)算得知打磨后的鋼軌在運(yùn)行中的橫向力大大減小。同打磨相比，輪緣潤(rùn)滑是緩解鋼軌側(cè)磨的有效方法，它不僅可以有效改善機(jī)車(chē)曲線通過(guò)性能[3]，還因?yàn)椴僮骱?jiǎn)單、人工成本低而受到重視。輪緣潤(rùn)滑技術(shù)主要分為固體潤(rùn)滑和油脂潤(rùn)滑。Uddin M G[4]對(duì)重載鐵路小曲線潤(rùn)滑進(jìn)行研究，認(rèn)為進(jìn)行有效監(jiān)控潤(rùn)滑效果才可使?jié)櫥Ч顑?yōu)化。在固體潤(rùn)滑劑應(yīng)用效果方面，加拿大Kelsan公司的Donald和Eadie[5]研發(fā)的固體潤(rùn)滑棒可以穩(wěn)定控制摩擦系數(shù)在0.15～0.2；杜偉[6]也認(rèn)為合理的摩擦系數(shù)會(huì)降低輪軌磨耗；姚光督等[7]研究了聚四氟乙烯微粉（PTFE）對(duì)聚醚醚酮（PEEK）復(fù)合材料的摩擦磨損性能，得出的結(jié)論是PTFE質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)復(fù)合材料的干摩擦系數(shù)可下降至0.17，說(shuō)明由PTFE構(gòu)成的復(fù)合材料具有良好的減摩效果。在固體潤(rùn)滑劑力學(xué)性能方面，江萬(wàn)波等[8]認(rèn)為熱固性樹(shù)脂可以改善固體潤(rùn)滑劑的承載力和耐磨性。同時(shí)，固體潤(rùn)滑劑不僅可以有效降低輪緣和鋼軌磨耗，陳波[9]還發(fā)現(xiàn)可以緩解輪軌摩擦噪聲。

輪緣固體潤(rùn)滑劑可降有效低輪緣和軌側(cè)的磨損，對(duì)延長(zhǎng)輪軌服役壽命有重要作用。本文利用MJP-30A滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)研究干態(tài)和兩種輪緣固體潤(rùn)滑劑對(duì)輪軌界面摩擦性能的影響，研究結(jié)果能為輪緣固體潤(rùn)滑技術(shù)的工程應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)工作在MJP-30A滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)上完成，采用兩個(gè)輪形試樣來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)行工況中的車(chē)輪和鋼軌，輪軌試樣和固體潤(rùn)滑劑試樣的安裝如圖1所示，固體潤(rùn)滑劑的施加是通過(guò)定滑輪連接砝碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。車(chē)輪和鋼軌試樣的取樣如圖2所示。

試驗(yàn)參數(shù)：①接觸應(yīng)力在摩擦系數(shù)隨摩擦力矩和試驗(yàn)力變化的試驗(yàn)中為490 N、980 N、1470 N、1960 N，其余試驗(yàn)中為715 MPa；②固體潤(rùn)滑劑的施加應(yīng)力為0.1 MPa；③蠕滑率在摩擦系數(shù)－蠕滑率試驗(yàn)中為0%～8%，其余試驗(yàn)中為1%；④轉(zhuǎn)速在附著性能試驗(yàn)中為400 r/min，其余試驗(yàn)中為500 r/min。

本文選取工程中在用兩種不同輪緣固體潤(rùn)滑劑，分別命名為固體潤(rùn)滑劑1#、固體潤(rùn)滑劑2#，其主要作用是可以有效降低輪緣和軌側(cè)接觸面的的摩擦系數(shù)，從而達(dá)到改善輪軌之間的摩擦磨損和疲勞損傷的效果；選用精密電子天平（TG328A）稱量輪軌試樣質(zhì)量并計(jì)算磨損量。

圖1 固體潤(rùn)滑劑添加示意圖

圖2 試驗(yàn)車(chē)輪和鋼軌試樣的取樣示意圖

2 結(jié)果與分析

如圖3所示，在轉(zhuǎn)速、蠕滑率一定時(shí)，輪軌界面的摩擦力矩隨試驗(yàn)力近似呈線性變化，即隨著試驗(yàn)力增大，摩擦力矩會(huì)近似線性變大。這是因?yàn)殡S著輪軌界面接觸應(yīng)力的變大，作用在輪軌界面的切向摩擦力隨之變大，即與之對(duì)應(yīng)的摩擦力矩呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；由于試驗(yàn)力呈線性變化，摩擦力矩的變化也幾乎呈現(xiàn)線性。對(duì)比可知，使用2#的摩擦力矩要大于1#，1#潤(rùn)滑劑對(duì)輪軌界面的減摩潤(rùn)滑作用明顯優(yōu)于2#潤(rùn)滑劑。

圖3 摩擦力矩－試驗(yàn)力曲線

如圖4所示，隨著試驗(yàn)力的增加，摩擦系數(shù)先降低再趨于平穩(wěn)；1#的輪軌摩擦系數(shù)整體小于2#，也再次佐證圖3的結(jié)果。圖3顯示輪軌接觸應(yīng)力對(duì)摩擦力矩有影響，圖4表明試驗(yàn)力變化對(duì)輪軌界面摩擦系數(shù)的影響并不特別明顯。對(duì)比可知，使用2#的摩擦系數(shù)要大于1#，即1#潤(rùn)滑劑對(duì)輪軌界面的減摩潤(rùn)滑作用明顯優(yōu)于2#潤(rùn)滑劑，試驗(yàn)結(jié)論同圖3結(jié)論一樣。

圖4 摩擦系數(shù)－試驗(yàn)力曲線

圖5為使用兩種不同固體潤(rùn)滑材料時(shí)和干態(tài)工況下的輪軌摩擦－蠕滑曲線。干態(tài)工況下，蠕滑率達(dá)到3%左右時(shí)，摩擦系數(shù)開(kāi)始趨于平穩(wěn)，此時(shí)摩擦系數(shù)為0.62左右。隨著蠕滑率的增大，1#的摩擦系數(shù)先是達(dá)到0.2左右，后趨于平穩(wěn)。在蠕滑率低于5%時(shí)，隨著蠕滑率的增大，2#的摩擦系數(shù)增長(zhǎng)比較緩慢；當(dāng)蠕滑率超過(guò)6%時(shí)，2#的摩擦系數(shù)增大較快；蠕滑率達(dá)到7%左右時(shí)，2#對(duì)輪軌摩擦系數(shù)幾乎沒(méi)有影響，與干態(tài)時(shí)的輪軌摩擦系數(shù)相近。這是因?yàn)閷?duì)比小蠕滑率情況時(shí)，當(dāng)輪軌試樣接觸界面之間的蠕滑率較大，上下試樣之間的相對(duì)滑動(dòng)就比較明顯，相同的輪軌轉(zhuǎn)速時(shí)黏附在接觸界面的固體潤(rùn)滑劑就不能在接觸界面形成一定厚度的固體潤(rùn)滑劑層，即表現(xiàn)為對(duì)接觸界面不能形成有效的潤(rùn)滑減摩效果。在較大蠕滑率下，1#潤(rùn)滑劑仍能將干態(tài)工況下的摩擦系數(shù)降低到0.2左右，但2#作用效果已經(jīng)同干態(tài)接近，幾乎可以認(rèn)定為已經(jīng)失去減摩潤(rùn)滑效果。

圖5 摩擦系數(shù)－蠕滑率曲線

圖6為兩種固體潤(rùn)滑劑的有效作用時(shí)間曲線。兩種固體潤(rùn)滑劑分別作用輪軌界面3 min，然后去除固體潤(rùn)滑劑，研究不同潤(rùn)滑劑的有效作用時(shí)間的不同。結(jié)果表明：1#和2#的有效作用時(shí)間均為4 min左右，有效作用時(shí)間基本一致；但是，2#的摩擦系數(shù)波動(dòng)較大上下浮動(dòng)值接近0.05，1#的摩擦系數(shù)相對(duì)比較穩(wěn)定。去除固體潤(rùn)滑劑作用，兩種潤(rùn)滑劑作用的輪軌摩擦系數(shù)都沒(méi)有立即恢復(fù)到相應(yīng)的干態(tài)摩擦系數(shù)水平，這是因?yàn)殡m然固體潤(rùn)滑劑不再繼續(xù)作用輪軌界面，但輪軌界面凹凸不平的的微凹體內(nèi)仍然殘留有固體潤(rùn)滑劑固體顆粒；隨著持續(xù)滾動(dòng)接觸作用，切向摩擦力作用使得微凹體持續(xù)磨損，微凹體內(nèi)殘留的固體潤(rùn)滑劑逐漸被碾壓作用到輪軌界面會(huì)被輪軌界面；隨著時(shí)間推移，輪軌試樣表面磨損加劇，表面微凹體都被切向摩擦力作用去除，殘留的固體潤(rùn)滑劑消耗殆盡失去減摩潤(rùn)滑效果，即輪軌界面摩擦系數(shù)恢復(fù)到干態(tài)工況相當(dāng)?shù)哪Σ料禂?shù)水平。

圖7給出兩種固體潤(rùn)滑劑的磨損率情況。結(jié)果表明：1#和2#的磨損率均在0.2～0.4 mg/min內(nèi)；1#的磨損率較小，2#的磨損率較大。這是因?yàn)楣腆w潤(rùn)滑劑作用輪軌界面時(shí)切向摩擦力作用使得潤(rùn)滑劑涂覆在試樣表面產(chǎn)生減摩潤(rùn)滑效果。1#潤(rùn)滑劑顆粒之間的固結(jié)程度稍好，表現(xiàn)為相同切向摩擦力作用下1#潤(rùn)滑劑的磨損率更低、使用時(shí)間更長(zhǎng)久，可以有效減小輪軌試樣界面摩擦系數(shù)的距離更長(zhǎng)。

圖6 固體潤(rùn)滑劑有效作用時(shí)間

圖7 固體潤(rùn)滑劑磨損率

在轉(zhuǎn)速400 r/min試驗(yàn)條件下空轉(zhuǎn)20 s進(jìn)行固體潤(rùn)滑劑附著性試驗(yàn)，結(jié)果表明：1#的附著率為91%～100%，2#的附著率為81%～90%。輪軌界面切向摩擦力作用于固體潤(rùn)滑劑，固體潤(rùn)滑劑顆粒填充輪軌界面凹凸不平的微凹體內(nèi)部，即在輪軌試樣表面產(chǎn)生附著行為。由于1#潤(rùn)滑劑顆粒之間的固結(jié)程度稍好于2#，1#潤(rùn)滑劑粘附在輪軌試樣表面的面積比例稍大于1#潤(rùn)滑劑的。綜上所訴，1#固體潤(rùn)滑劑減摩潤(rùn)滑的效果要優(yōu)于2#。

3 結(jié)論

（1）隨著試驗(yàn)力變大，摩擦力矩近乎呈線性增大；隨著試驗(yàn)力的增大，施加潤(rùn)滑劑的輪軌摩擦系數(shù)，先降低后趨于平穩(wěn)。隨著輪軌界面接觸應(yīng)力變大，作用在輪軌界面的切向摩擦力隨之變大，即與之對(duì)應(yīng)的摩擦力矩呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；由于試驗(yàn)力的變化是呈線性變化，摩擦力矩的變化也幾乎呈線性變化。

（2）隨著蠕滑率的增大，1#潤(rùn)滑劑的摩擦系數(shù)先是達(dá)到0.2左右，而后趨于平穩(wěn)；隨著蠕滑率的增大，1#和2#的摩擦系數(shù)增長(zhǎng)均增大；當(dāng)蠕滑率達(dá)到7%左右時(shí)，2#對(duì)輪軌摩擦系數(shù)幾乎沒(méi)有影響，即2#失去潤(rùn)滑和減摩效果。當(dāng)接觸界面的蠕滑率較大，上下試樣之間的相對(duì)滑動(dòng)就比較明顯，固體潤(rùn)滑劑就不能在接觸界面形成有效的固體潤(rùn)滑劑層，即表現(xiàn)為對(duì)接觸界面不能形成有效的潤(rùn)滑減摩效果。

（3）兩種固體潤(rùn)滑劑的有效作用時(shí)間都是4 min左右，但2#的摩擦系數(shù)波動(dòng)較大，1#的摩擦系數(shù)相對(duì)比較穩(wěn)定；1#潤(rùn)滑劑的磨損率較小，1#潤(rùn)滑劑在輪軌試樣界面的附著率也優(yōu)于2#。連續(xù)滾動(dòng)接觸時(shí)切向摩擦力作用使微凹體持續(xù)磨損，輪軌界面微凹體內(nèi)殘留的固體潤(rùn)滑劑逐漸作用輪軌界面。

根據(jù)不同固體潤(rùn)滑劑的不同應(yīng)用效果擇優(yōu)選用，可提升固體潤(rùn)滑劑實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

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Experimental Study of Effect of Wheel Flange Solid Lubricants on Friction Reduction Performance of Wheel/Rail

SONG Jingdong1,2，CHENG Zhuo1，WANG Wenjian1，GUO Jun1，LIU Qiyue1

(1.Tribology Research Institute, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2.Tangshan Graduate School of Southwest Jiaotong University, Tangshan 063000, China)

The MJP-30A rolling fatigue testing machine was used to complete all the test work. According to the working conditions of different solid lubricants, the friction torque and coefficient of friction are analyzed with the test force, and the coefficient of friction was investigated. Influence; Analyze the effect of dry condition and wheel-rail friction performance of two different solid lubricants and the effective action time of solid lubricants, explore the influence of different solid lubricants on applicant performance; analyze the solid lubricants wear rate and adhesion rate, to study the best application performance of solid lubricants. The results show that as the test force becomes larger, the friction torque increases almost linearly, the coefficient of friction decreases firstly and then stabilizes; with the increase of creep rate, the coefficient of friction of 1# lubricant first reaches about 0.2, and then tends to be stable; the effective action time of the two solid lubricants are similar, both are about 4 minutes, and the wear rate of 1# lubricant is small. The adhesion rate of 1# lubricant at the interface of wheel and rail sample is also better than that of 2# solid lubricant.

solid lubricant；coefficient of friction；performance of application

U213.4+2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.09.009

1006－0316 (2018) 09－0055－04

2018－07－02

四川省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018GZ0368）；四川省高?？蒲袆?chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目（18TD0005）

宋靖東（1988－），男，山東臨沂人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐壍澜煌ㄝ嗆壗缑婺Σ琳{(diào)控。