不同介質(zhì)作用下輪軌摩擦性能研究

左維琦　羅云萌　馬濤

摘要：利用MMS-2A型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展不同介質(zhì)下輪軌摩擦性能研究，主要研究摩擦系數(shù)的變化。研究干摩擦情況下、水態(tài)下、油介質(zhì)潤(rùn)滑條件下、防凍液條件下對(duì)輪軌材料的摩擦磨損性能影響，系統(tǒng)分析研究不同條件下輪軌材料的摩擦系數(shù)變化。結(jié)果表明：不同介質(zhì)工況下的輪軌摩擦系數(shù)明顯不同，干態(tài)下輪軌摩擦系數(shù)最大，水潤(rùn)滑下次之，油潤(rùn)滑下還有所下降，最低的摩擦系數(shù)為添加了防凍劑后;隨著環(huán)境濕度的增加，輪軌摩擦系數(shù)明顯下降;滑差率對(duì)摩擦系數(shù)影響顯著，隨著滑差率增加，輪軌摩擦系數(shù)將顯著增加;不同流量下，整體變化趨勢(shì)無(wú)明顯差異，隨著流量的增大，干態(tài)與水態(tài)工況的狀態(tài)摩擦系數(shù)的轉(zhuǎn)換差異越來(lái)越趨于相似，1ml的小流量對(duì)摩擦系數(shù)影響較大;油介質(zhì)下摩擦系數(shù)較小，隨流量的增大，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：輪軌;摩擦;干態(tài);水;油

隨著高鐵行業(yè)的發(fā)展，對(duì)電力機(jī)車(chē)負(fù)荷的要求愈來(lái)愈高，鐵路工作主要依靠輪軌間的摩擦力，提升機(jī)車(chē)的運(yùn)行能力是一個(gè)亟待需要解決的課題[1]。干態(tài)情況與介質(zhì)存在條件下，輪軌接觸區(qū)的表面形態(tài)與壓力分布都會(huì)發(fā)生較大變化，為了減小輪軌接觸面的壓力，所以輪軌介質(zhì)接觸一般處于部分潤(rùn)滑狀態(tài)。因此，尋求最佳工況下的輪軌摩擦特性，是非常重要的。很多學(xué)者對(duì)該方面內(nèi)容進(jìn)行了研究，CHEN[2]等進(jìn)行了水介質(zhì)條件下輪軌表面粗糙度、速度、水溫對(duì)粘著特性影響的數(shù)值計(jì)算分析，張衛(wèi)華[3]等開(kāi)展了包括干凈表面、水潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑三種輪軌表面狀態(tài)在不同軸重、不同速度工況下的粘著試驗(yàn)。

通過(guò)MMS-2A型微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展不同工況下的試驗(yàn)，了解不同工況下輪軌摩擦系數(shù)的變化，研究成果可為輪軌實(shí)際工作提供重要的理論參考與技術(shù)指導(dǎo)。

1試驗(yàn)簡(jiǎn)介

在MMS-2A型微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上開(kāi)展試驗(yàn)，試驗(yàn)采用雙輪對(duì)滾動(dòng)接觸方式進(jìn)行，上、下試樣在雙速電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下運(yùn)行。試驗(yàn)采用赫茲模擬準(zhǔn)則進(jìn)行，可使得實(shí)驗(yàn)室條件下模擬輪軌試件間的平均接觸應(yīng)力和接觸橢圓的長(zhǎng)短軸之比與現(xiàn)場(chǎng)中的一致。設(shè)置上輪為車(chē)輪，下輪為輪軌，兩試樣直徑都為40mm。試驗(yàn)上下試樣結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示：

試驗(yàn)參數(shù)：下鋼軌轉(zhuǎn)速200r/min，上車(chē)輪轉(zhuǎn)速180r/min，鋼軌材料為U71Mn熱軋軌，車(chē)輪材料為CL60鋼。試驗(yàn)在室溫條件下（23-25℃）干態(tài)、水態(tài)、油、防凍劑等介質(zhì)下進(jìn)行。水的溫度為常溫，油為中國(guó)石油集團(tuán)蘭州潤(rùn)滑油廠生產(chǎn)的L-CKC220齒輪油，防凍液選擇乙二醇。滑差率分別選擇0.17%、0.91%、2.38%、3.83%、4.55%、9.43%，流量選擇為1ml、3ml、5ml、10ml、20ml，防凍液濃度分別為35%、50%、65%、80%。溫度為室溫，水溫為常溫。

試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)給出一個(gè)法向力，該法向力通過(guò)法向傳感器施加，運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)切向力，該切向力通過(guò)扭矩傳感器測(cè)量計(jì)算得到，摩擦系數(shù)為測(cè)得的切向力與施加法向力的比值。

2結(jié)果與分析

2.1室溫條件不同介質(zhì)1ml流量下摩擦系數(shù)

室溫條件下，不用介質(zhì)下摩擦系數(shù)變化較大。隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，摩擦系數(shù)趨于平穩(wěn)，干態(tài)下摩擦系數(shù)最大，其值在080左右，水介質(zhì)潤(rùn)滑下摩擦系數(shù)值在0.60左右，相比干態(tài)下降低了25%，油潤(rùn)滑條件下，由于潤(rùn)滑油潤(rùn)滑效果良好，摩擦系數(shù)大幅下降，其值穩(wěn)定在0.18左右，防凍液的加入，對(duì)于降低摩擦系數(shù)也起到了明顯的作用。但較小的摩擦系數(shù)會(huì)導(dǎo)致輪軌間摩擦力太小，不利于列車(chē)的安全運(yùn)行。

2.2不同濕度下摩擦系數(shù)

濕度對(duì)摩擦系數(shù)影響較大，當(dāng)濕度值處于15%～55%時(shí)，摩擦系數(shù)相差不大，隨著濕度增加，達(dá)到75%-95%時(shí)，摩擦系數(shù)明顯降低。不同濕度工況下的摩擦系數(shù)較為不同，隨著輪軌之間表面濕度的增加，摩擦系數(shù)將降低，當(dāng)濕度為35%時(shí)，摩擦系數(shù)與干態(tài)時(shí)趨于一致，也就是室溫時(shí)的狀態(tài)。濕度增加到95%時(shí)，摩擦系數(shù)明顯減小。上述結(jié)果表明輪軌面的濕度對(duì)摩擦性能影響明顯。

2.3室溫干態(tài)不同滑差下摩擦系數(shù)

隨著滑差率增加，輪軌摩擦系數(shù)將顯著增加。滑差率為943%時(shí)，摩擦系數(shù)非常大，效果較差。隨著滑差率的減小，摩擦系數(shù)大幅降低，當(dāng)滑差率為0.17%時(shí)，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.37左右?；盥逝c摩擦系數(shù)呈正比趨勢(shì)。

2.4室溫水態(tài)不同流量下摩擦系數(shù)

不同流量下，整體變化趨勢(shì)無(wú)明顯差異，隨著流量的增大，干態(tài)與水態(tài)工況的狀態(tài)摩擦系數(shù)的轉(zhuǎn)換差異越來(lái)越趨于相似，1ml的小流量對(duì)摩擦系數(shù)影響較大。

2.5室溫油介質(zhì)不同流量下摩擦系數(shù)

油介質(zhì)下摩擦系數(shù)較小，隨流量的增大，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。很明顯可以看出，在1ml下摩擦系數(shù)整體偏高，而10ml下摩擦系數(shù)最低。

3結(jié)論

（1）不同介質(zhì)對(duì)輪軌摩擦系數(shù)影響明顯，干態(tài)下最大，油水介質(zhì)下的摩擦系數(shù)最小;水介質(zhì)將降低輪軌摩擦系數(shù)，隨濕度增加輪軌摩擦系數(shù)明顯下降。

（2）滑差率顯著影響摩擦系數(shù)，隨著滑差率增加，輪軌摩擦系數(shù)將顯著增加。

（3）不同流量下，整體變化趨勢(shì)無(wú)明顯差異，隨著流量的增大，干態(tài)與水態(tài)工況的狀態(tài)摩擦系數(shù)的轉(zhuǎn)換差異越來(lái)越趨于相似。流量越小，影響越大。

（4）油介質(zhì)下摩擦系數(shù)較小，隨流量的增大，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉啟躍，周仲榮.受制滾動(dòng)鋼摩擦副的摩擦特性研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，39（7）：56-58.

[2]CHENHua，ISHIDAM，NAKAHARAT.Analysisofadhesionunderwetconditionsforthree-dimensionalcontactconsideringsurfaceroughness[J].Wear，2005（258）：1209-1216.

[3]張衛(wèi)華，周文祥，陳良麒，等.高速輪軌粘著機(jī)理試驗(yàn)研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2000，22（2）：20-24.

作者簡(jiǎn)介：左維琦（1989-），女，陜西渭南人，碩士，講師，主要從事機(jī)械工程、電氣控制與PLC應(yīng)用等方面的教學(xué)工作，輪軌摩擦與潤(rùn)滑方面的研究工作。