表面硬化對(duì)地鐵輪軌磨耗性能影響的實(shí)驗(yàn)研究*

孫培文,朱愛華,張 帆,楊建偉,馬潮潮

(北京建筑大學(xué) 城市軌道交通車輛服役性能保障北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044)

0 引 言

在地鐵列車運(yùn)行過程中,輪軌之間的各種相互作用力均通過輪軌摩擦副之間的滾動(dòng)接觸得以實(shí)現(xiàn),因此,輪軌之間的損傷主要以磨損和滾動(dòng)接觸疲勞為主。

常崇義等人[1]采用輪軌滾動(dòng)接觸磨損的小比例實(shí)驗(yàn)臺(tái),研究了不同硬度輪軌匹配下的車輪試樣多邊形磨耗問題。周韶博等人[2]利用雙輪對(duì)滾的方式,研究了ER8和ER8C 2種高速車輪材料與U71MnG鋼軌材料的滾動(dòng)摩擦磨損情況。張關(guān)震等人[3]對(duì)時(shí)速250 km等級(jí)動(dòng)車組自主化D1車輪進(jìn)行了耐磨性能實(shí)驗(yàn),并將其與進(jìn)口ER8車輪的耐磨性能進(jìn)行了對(duì)比。張銀花等人[4]在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了3種硬度車輪與3種硬度鋼軌的對(duì)磨實(shí)驗(yàn),對(duì)比分析了硬度不同的車輪與鋼軌對(duì)磨時(shí)輪軌的損傷情況。ZHANG Ning等人[5]將3種強(qiáng)度等級(jí)和1種奧氏體球墨鑄鐵(ADI)車輪鋼與傳統(tǒng)鋼軌鋼相匹配,進(jìn)行了滾動(dòng)滑動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)。王文健等人[6]利用滾動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)機(jī),研究了車輪鋼與U71Mn熱軋鋼軌的硬度匹配性能,分析了不同硬度車輪與U71Mn鋼軌匹配時(shí)的摩擦磨損與表面損傷行為。李英奇等人[7]通過對(duì)磨實(shí)驗(yàn),研究了接觸應(yīng)力相同時(shí)貝氏體鋼軌的磨損率、表面粗糙度、硬度,并結(jié)合掃描電鏡觀測(cè)了磨損表面和剖面的形貌特征,分析了不同滑差條件下貝氏體鋼軌的磨損行為特征和變化規(guī)律。MOLYNEUX-BERRY P等人[8]利用動(dòng)態(tài)模型,研究了車輪/鋼軌接觸處的應(yīng)力以及其硬度和微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。HUANG Y B等人[9]對(duì)輪軌材料滾動(dòng)接觸疲勞和表面裂紋的形成進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。為了研究輪軌表面硬度變化問題,LEWIS R等人[10]對(duì)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場輪軌表面的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了調(diào)查研究。為了研究磨損行為與硬度的關(guān)系,LEE K M等人[11]利用實(shí)際服役中的輪軌樣品,在不同尺寸上測(cè)量了其微維氏硬度和洛氏硬度。SEO J W等人[12]通過實(shí)驗(yàn),對(duì)普通鋼軌和熱處理鋼軌因車輪硬度增加而產(chǎn)生的RCF和磨損特性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

以上的相關(guān)研究多集中在運(yùn)營前的輪軌硬度比方面,且大多是有關(guān)硬度與表面疲勞裂紋之間的關(guān)系研究,而對(duì)運(yùn)營過程中,表面硬化程度與輪軌磨耗間的關(guān)系研究較少。

研究車輪和鋼軌的磨損特性,不僅要考慮車輪的初始硬度,還應(yīng)該考慮表面硬化效應(yīng)的影響。研究輪軌初始硬度不同與表面硬化程度共同作用下的輪軌磨耗規(guī)律,可以為進(jìn)一步降低輪軌磨耗提供一定的理論指導(dǎo)。

因此,筆者依據(jù)赫茲模擬準(zhǔn)則,通過模擬地鐵輪軌的實(shí)際接觸工況,使用GPM-60摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī),對(duì)兩種現(xiàn)役的不同車輪鋼試樣和U75V鋼軌試樣進(jìn)行雙輪試樣對(duì)滾實(shí)驗(yàn),研究輪軌表面硬化對(duì)輪軌磨耗規(guī)律的影響。

1 輪軌接觸模擬實(shí)驗(yàn)

1.1 模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

此處實(shí)驗(yàn)采用GPM-60摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī),并采用試樣雙輪對(duì)滾的實(shí)驗(yàn)形式,來模擬輪軌的接觸條件。

實(shí)驗(yàn)時(shí),要保證模擬狀態(tài)下的輪軌接觸應(yīng)力和接觸斑橢圓長短軸的比與實(shí)際線路保持一致,同時(shí)實(shí)驗(yàn)車輪試樣應(yīng)具有與實(shí)際車輛運(yùn)行條件下的車輪相同的角速度(均忽略輪軌間蠕滑)。

模擬實(shí)驗(yàn)試樣尺寸、施加的載荷及轉(zhuǎn)速均依照赫茲模擬法則確定[13],即:

σlab=σfield

(1)

(a/b)lab=(a/b)field

(2)

ωlab=ωfield

(3)

式中:σlab—實(shí)驗(yàn)條件下輪軌材料間的最大接觸應(yīng)力;σfield—實(shí)際線路運(yùn)行條件下輪軌材料間最大接觸應(yīng)力;(a/b)lab—實(shí)驗(yàn)條件下輪軌接觸斑長短軸的比值;(a/b)field—實(shí)際線路運(yùn)行條件下輪軌接觸斑長短軸的比值;ωlab—實(shí)驗(yàn)條件下車輪的旋轉(zhuǎn)速度;ωfield—實(shí)際運(yùn)行條件下車輪試樣的旋轉(zhuǎn)速度。

實(shí)驗(yàn)分為A、B兩組,微合金鋼輪與U75V鋼軌為A組,CL60鋼輪與U75V鋼軌為B組;實(shí)驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)周期為2×105轉(zhuǎn)。

實(shí)驗(yàn)過程中,每4×104轉(zhuǎn)拆卸一次輪軌試樣,使用JA30003精密電子天平(精度:0.001 g)稱重計(jì)算磨耗量,采用HBE-3000電子布氏硬度計(jì)測(cè)量輪軌接觸面的表面硬度數(shù)據(jù)。

GPM-60滾動(dòng)接觸磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)主要由主機(jī)、操控與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速和壓力傳感器等組成;通過操作面板設(shè)置既定的載荷及轉(zhuǎn)速工況,將穩(wěn)定的循環(huán)應(yīng)力施加在上下試樣的接觸表面。

GPM-60滾動(dòng)接觸磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)實(shí)物如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)?zāi)M現(xiàn)實(shí)中地鐵車輛在14 t軸重、70 km/h的工況,設(shè)備主、陪試軸的固定轉(zhuǎn)動(dòng)滑差率為5%,計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)機(jī)所需的垂向加載載荷為223 N;運(yùn)轉(zhuǎn)速度為443 r/min,輪軌試樣直徑均為60 mm,輪試樣接觸表面為21 mm半徑的圓弧段。

輪軌試樣的結(jié)構(gòu)尺寸和實(shí)物照片如圖2所示。

圖2 輪軌試樣尺寸及實(shí)物圖

1.2 實(shí)驗(yàn)材料確定

實(shí)驗(yàn)所需的輪軌材料均采集自某實(shí)際運(yùn)營線路中的輪軌,該線路中長期使用CL60鋼制地鐵車輪,并在近期部分換裝了同廠生產(chǎn)的微合金化新型鋼制車輪。

微合金化地鐵車輪鋼相較于CL60鋼優(yōu)化了材料成分比例,具有更高C、Cr含量,同時(shí)添加了V元素(V元素的適量添加可以顯著增強(qiáng)鋼的屈服比,降低其脫碳敏感性,對(duì)于改善其冶金表面質(zhì)量具有明顯效果)。

車輪試樣從車輪名義滾動(dòng)圓處踏面10 mm以下位置水平取樣,鋼軌試樣從U75V鋼軌軌道頂10 mm以下水平位置取樣。

輪軌取樣位置如圖3所示。

圖3 輪軌試樣取樣位置示意圖

微合金鋼材料的成分是在原有CL60鋼的基礎(chǔ)上通過對(duì)材料成分的調(diào)整,提高熱處理參數(shù)控制精度以及采用分步淬火工藝制成的,微合金化鋼的材料硬度和機(jī)械性能得到了提高。

兩種車輪鋼及鋼軌材料的機(jī)械性能和實(shí)驗(yàn)分組如表1所示。

表1 兩種車輪鋼及鋼軌材料機(jī)械性能及實(shí)驗(yàn)分組

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

在確認(rèn)輪軌試樣安裝到位后,筆者首先啟動(dòng)設(shè)備,對(duì)傳感器進(jìn)行校正調(diào)零,并通過控制面板輸入實(shí)驗(yàn)機(jī)所需的參數(shù),主要包括垂向加載載荷223 N,以及運(yùn)轉(zhuǎn)速度443 r/min等。

實(shí)驗(yàn)中的輪軌試樣如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)中的輪軌試樣

實(shí)驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)周期為2×105轉(zhuǎn),實(shí)驗(yàn)過程中每4×104轉(zhuǎn)拆卸一次輪軌試樣。

2 試樣硬度測(cè)量

筆者將拆下的實(shí)驗(yàn)試樣卸下后,完全浸沒在裝有表面活性清洗劑的超聲波清洗儀中進(jìn)行清洗、烘干;使用JA30003精密電子天平(精度:0.001 g)對(duì)輪軌試樣分別進(jìn)行稱重,待其讀數(shù)穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行記錄,每個(gè)試樣需要反復(fù)稱量3次,然后計(jì)算取平均值;沿接觸位置等間距選定5個(gè)點(diǎn),通過HBE-3000電子布氏硬度計(jì)測(cè)量輪軌試樣的表面硬度,取平均值并做好記錄。

實(shí)驗(yàn)試樣硬度的測(cè)量過程如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)試樣硬度測(cè)量過程

在完成上述試樣的磨損量與硬度數(shù)據(jù)測(cè)量后,筆者記錄下相關(guān)數(shù)據(jù),重新安裝試樣繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

3.1 磨耗量分析

實(shí)驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)周期為2×105轉(zhuǎn),實(shí)驗(yàn)過程中每4×104轉(zhuǎn)拆卸一次輪軌試樣,并記錄數(shù)據(jù);使用超聲波清洗儀,配合表面活性劑,去除試樣表面的氧化物、碎屑和油污后烘干;使用精密電子天平(精度:0.001 g)進(jìn)行稱重,計(jì)算得到每次輪軌試樣的質(zhì)量損失,即磨耗量。

在不同運(yùn)轉(zhuǎn)周期下,輪軌試樣的累積磨耗量如圖6所示。

圖6 輪軌試樣不同階段的累積磨耗量

隨著運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)的增加,兩組車輪和鋼軌試樣的總磨耗量均呈現(xiàn)增長的趨勢(shì),同時(shí)A組車輪試樣磨耗量明顯低于B組,而A組鋼軌試樣的磨耗量卻要多于B組。

在實(shí)驗(yàn)初期,輪軌試樣表面處于磨合狀態(tài),此時(shí)質(zhì)量損失速度較快,而隨著輪軌試樣表面接觸狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定,輪軌試樣質(zhì)量損失速度逐漸降低,輪軌試樣由磨合期的快速磨損階段轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定磨損狀態(tài)。

完成2×105次運(yùn)轉(zhuǎn)后，輪軌試樣各自的磨耗值如圖7所示。

圖7 輪軌試樣2×105萬轉(zhuǎn)的累積磨耗量

由圖7可知:微合金化地鐵車輪鋼在模擬實(shí)際運(yùn)行路線的情況下,比傳統(tǒng)的CL60鋼車輪鋼更具有耐磨性;在模擬運(yùn)轉(zhuǎn)2×105轉(zhuǎn)的情況下,相較于CL60鋼,微合金化地鐵車輪鋼的磨耗率降低了35.1%,但與之相對(duì)的是其鋼軌磨耗量增大,磨耗率提高了7.8%。

A、B兩組各自輪軌磨耗值的總和如圖8所示。

圖8 輪軌總磨耗量

綜合考慮輪軌的磨耗,由圖8可知,微合金化地鐵車輪試樣的輪軌總磨耗量比CL60鋼車輪試樣降低了1.47 g,總磨耗率降低了1.6%。由此可見,初始硬度較高的微合金化地鐵車輪新材料體現(xiàn)出了較好的耐磨性、較低的輪軌總磨耗量。

3.2 表面硬化分析

輪軌磨耗性能和材料本身的硬度相關(guān),在一定范圍內(nèi)隨著材料本身硬度的提高,輪軌材料的總磨耗量會(huì)呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)[14]。

筆者使用布式硬度計(jì),對(duì)輪軌試樣表面磨痕中心位置按圓周選取3個(gè)點(diǎn),然后計(jì)算得到硬度的平均值,如圖9所示。

圖9 不同階段輪軌試樣表面硬度

相較于傳統(tǒng)的CL60鋼車輪鋼,微合金化地鐵車輪鋼具有更高的初始硬度,輪軌材料在實(shí)驗(yàn)初期的磨合階段均經(jīng)歷了表面硬度快速增長的過程,然后車輪硬度穩(wěn)定增長,但增長速度大大放緩;同時(shí),初始硬度高的材料硬度一直穩(wěn)定地高于初始硬度低的材料,但兩者的硬度值隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行有趨近的跡象。

鋼軌材料則在經(jīng)歷了初始的表面硬度快速增長后,在后期基本保持了表面硬度的穩(wěn)定;同時(shí),A組與硬度較高的車輪相匹配的鋼軌表面硬度一直高于B組與低硬度車輪匹配的實(shí)驗(yàn)組。

輪軌試樣在對(duì)磨的過程中,由于試樣間的接觸應(yīng)力關(guān)系,會(huì)發(fā)生表面的塑性變形,同時(shí)試樣間的相對(duì)滑動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量的熱。表面塑性變形會(huì)導(dǎo)致冷作硬化,即輪軌試樣表層硬度變高的現(xiàn)象。在接觸應(yīng)力的作用下,金屬材料接觸區(qū)產(chǎn)生塑性變形,會(huì)導(dǎo)致金屬晶格間的滑動(dòng)和晶格的扭曲,相應(yīng)的晶粒組織被拉長,硬度在變形初期快速提高,材料塑性和韌性進(jìn)一步下降。同時(shí),塑性變形導(dǎo)致的晶格錯(cuò)位塞積將會(huì)引起馬氏體相變,且變形量越大,馬氏體產(chǎn)生量越多[15]。

馬氏體相變的產(chǎn)生會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致材料表面的硬度和脆性提高,在進(jìn)一步的塑性變形前,硬脆性會(huì)導(dǎo)致脆性開裂。同時(shí),相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生了大量的熱量,使得試樣內(nèi)外產(chǎn)生溫度梯度現(xiàn)象,由塑性變形做功和相對(duì)滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生的大量熱量會(huì)導(dǎo)致晶粒位錯(cuò)密度的降低,使得表層硬度出現(xiàn)回軟現(xiàn)象;兩者在運(yùn)行過程中相互競爭,隨著運(yùn)轉(zhuǎn)周期的增加,最終輪軌試樣表面會(huì)處于塑性變形與磨損的平衡狀態(tài),表面硬度呈現(xiàn)較穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 表面硬化與磨耗分析

輪軌磨耐性和材料本身的硬度相關(guān)。一般隨著材料硬度的上升,其本身磨耗量會(huì)下降。

材料磨耗率ξ如下:

(4)

式中:H—輪軌試樣的歷次重量,g;i—實(shí)驗(yàn)次數(shù)(i=0,1,2,3,4);ξ—磨耗率,g/104r。

A、B兩組車輪試樣硬度與磨耗率階段變化如圖10所示。

圖10 A、B兩組車輪試樣硬度與磨耗率階段變化

由圖10可知:在實(shí)驗(yàn)的第一階段,車輪鋼試樣在運(yùn)行初期經(jīng)歷了快速的表面硬化過程,此時(shí)輪軌試樣處于初期的磨合階段,車輪磨耗率同步陡增;

第二階段,隨著初期磨合過程的結(jié)束,車輪試樣表面硬度增長速度放緩,A組新型鋼車輪試樣磨耗率隨車輪表面硬度增加而下降,B組CL60鋼車輪試樣磨耗率同樣開始下降,但磨耗率的最大值超過A組,并且磨耗率一直高于A組,兩組試樣表面硬度均呈現(xiàn)穩(wěn)定上升趨勢(shì)。由此可見,車輪試樣磨耗率隨車輪表面硬化程度的提高呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。

A、B兩組車輪試樣磨耗率變化如圖11所示。

圖11 A、B兩組車輪試樣磨耗率變化

由圖(10,11)可知:A、B兩組車輪試樣表現(xiàn)出了相同的趨勢(shì),即在經(jīng)歷了初期磨合時(shí)磨耗率的快速增長后,車輪試樣磨耗率隨車輪表面硬化程度的提高而逐漸降低,A組車輪試樣的表面硬度一直高于B組車輪試樣,一般硬度越高耐磨性越好[16];同時(shí),A組車輪試樣的磨耗率始終低于B組,且磨耗率下降速度較快。[17]

A、B兩組鋼軌試樣硬度與磨耗率階段變化如圖12所示。

圖12 A、B兩組鋼軌試樣硬度與磨耗率階段變化

由圖12可知:在實(shí)驗(yàn)開始階段,鋼軌試樣呈現(xiàn)出和車輪試樣相似的趨勢(shì),伴隨著磨合初期過程的快速表面硬化,鋼軌磨耗率同時(shí)快速增高,磨耗速度較快;磨合后,鋼軌磨耗率基本處于穩(wěn)定狀態(tài);A組鋼軌硬度一直高于B組鋼軌試樣,其磨耗率也一直高于B組鋼軌試樣。

A、B兩組鋼軌試樣磨耗率變化如圖13所示。

圖13 A、B兩組鋼軌試樣磨耗率變化

鋼軌表面的硬度變化情況,將直接影響其本身的磨耗性能。從圖(12,13)可知,A、B兩種鋼軌的磨耗率差異不大,且隨著時(shí)間的增加,其表面硬度逐漸不再增加,而兩者的磨耗率也逐漸趨于一致。

4 結(jié)束語

為了對(duì)輪軌初始硬度不同與表面硬化程度共同作用下的輪軌磨耗規(guī)律進(jìn)行研究,進(jìn)一步降低輪軌的磨耗,通過對(duì)某實(shí)際運(yùn)營線路中的鋼軌和兩種不同車輪鋼的摩擦磨損進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,筆者探討了材料表面硬化對(duì)輪軌耐磨性的影響。

研究結(jié)論如下:

(1)兩種地鐵車輪鋼在運(yùn)行中均出現(xiàn)了表面硬化現(xiàn)象,并且經(jīng)歷了磨合期的快速硬化和穩(wěn)定期的平穩(wěn)硬化階段;鋼軌在磨合期表面硬度快速增加,在穩(wěn)定期的表面硬度基本保持不變;

(2)微合金化地鐵車輪鋼比CL60鋼具有更高的初始硬度和表面硬化程度,并且在實(shí)驗(yàn)后期兩者的表面硬度數(shù)值表現(xiàn)出了逐漸趨近的現(xiàn)象;

(3)相較于CL60車輪鋼,微合金化地鐵車輪鋼在2×105轉(zhuǎn)時(shí)磨耗率降低了35.1%,與之匹配的鋼軌磨耗率增加了7.8%,輪軌總磨耗率降低了1.6%;初始硬度較高的微合金化地鐵車輪新材料具有較好的耐磨性和較低的輪軌總磨耗量;

(4)在磨合后的穩(wěn)定期,輪軌磨耗率均隨材料表面硬化程度增高而降低;

(5)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,輪軌磨耗量、輪軌磨耗率、表面硬化速度在運(yùn)行初期均最大,此時(shí)試樣主要處于磨合階段;

考慮到輪軌磨耗和表面硬化在運(yùn)行初期較大的特點(diǎn),筆者建議在新輪軌使用前、車輪鏇修和鋼軌打磨后通過適當(dāng)?shù)谋砻鎳娡鑿?qiáng)化處理,以提高輪軌表面硬度,縮短其表面硬化過程,降低輪軌磨合期的磨耗速度,減少輪軌的磨損。

在后續(xù)的工作中,筆者將更多地從微觀角度出發(fā),對(duì)輪軌表面硬化行為進(jìn)行研究;同時(shí),深入研究表面硬化對(duì)于表面損傷的影響機(jī)理。