高寒地區(qū)列車遭遇暖濕氣流后輪軌界面黏著與車輪損傷響應(yīng)行為研究

沈明學(xué) 李圣鑫 余 夢 皇甫立志 容 彬 熊光耀

1.華東交通大學(xué)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施性能監(jiān)測與保障國家重點實驗室, 南昌，3300132.大功率交流傳動電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點實驗室，株洲，4120013.南昌鐵路局通達(dá)工貿(mào)有限責(zé)任公司，南昌，330002

0 引言

隨著高速鐵路不斷向縱深發(fā)展，哈大、青藏、川藏等高寒鐵路的服役環(huán)境日趨復(fù)雜，極端的服役工況必然對輪軌間黏著系數(shù)和損傷磨耗產(chǎn)生重要影響[1-2]。以川藏鐵路為例，鐵路沿線需經(jīng)過眾多的山區(qū)隧道，例如雅安至林芝段隧道工程占線路總長度高達(dá)82.6%[3]，其中存在大量的水熱活動區(qū)[4]，導(dǎo)致隧道內(nèi)高溫高濕。相反，隧道外環(huán)境十分寒冷，氣溫常年保持在極低的溫度水平，列車經(jīng)過隧道時，干冷的車輪滾動體將與隧道內(nèi)暖濕氣流相遇，導(dǎo)致車輪表面冷凝析水甚至凝結(jié)成冰，從而誘發(fā)輪軌界面低黏著或異常磨耗等失效行為。調(diào)查發(fā)現(xiàn)[5-6]，澳大利亞某鐵路隧道內(nèi)因環(huán)境潮濕引起了鋼軌異常的表面裂紋和疲勞剝落。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對環(huán)境溫度或單一濕度對輪軌界面的影響進(jìn)行了大量的研究[7-10]，將磨耗速率、黏著系數(shù)等在不同相對溫濕度下的變化關(guān)系進(jìn)行了比較，取得了顯著成果。也有學(xué)者關(guān)注輪軌系統(tǒng)在極端溫度或濕度環(huán)境下的研究，如SHI等[11]通過輪軌滾動摩擦試驗研究了在不同溫度(-40～20 ℃)和濕度(35%～95%)環(huán)境下，在輪軌接觸面添加第三體介質(zhì)時輪軌間的黏著系數(shù)及其恢復(fù)行為，結(jié)果表明，在低溫干燥環(huán)境下，表面氧化效應(yīng)減弱，黏著系數(shù)有所增大，添加第三體水介質(zhì)會導(dǎo)致黏著系數(shù)明顯減小，另外，低溫會延長水介質(zhì)下的低黏著響應(yīng)時間；LIU等[12]研究了室溫環(huán)境下相對濕度對輪軌滾動接觸橫向力和摩擦噪聲的影響，結(jié)果表明，隨著相對濕度的增大，橫向接觸力減小，相對濕度較高時更易產(chǎn)生噪聲；OLOFSSON等[13]通過銷盤滑動摩擦試驗發(fā)現(xiàn),溫度和濕度對輪軌黏著和表面損傷的影響十分顯著，黏著系數(shù)可由RH40%(相對濕度為40%)時的0.65降至RH95%時的0.4左右；LEWIS等[14]研究了濕度和溫度對摩擦改性劑性能的影響，指出在高溫高濕隧道內(nèi)使用摩擦改性劑反而會加劇損傷；GALAS等[15]研究了恒定溫度1 ℃下濕度對摩擦因數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著濕度的增大摩擦因數(shù)減小。綜上所述，環(huán)境溫濕度的變化對輪軌間黏著系數(shù)和磨耗損傷具有較大影響，但目前的研究主要集中于不同溫度或常溫濕度環(huán)境下的損傷機(jī)理，面向極端低溫環(huán)境輪軌界面遭遇暖濕氣流后的黏著和損傷失效行為研究尚未見報道。

本文針對高寒地區(qū)列車駛?cè)肱瘽袼淼罆r輪軌界面遭遇氣流所面臨的潛在危險，通過對比分析低溫環(huán)境不同濕度暖濕氣流作用下輪軌界面黏著系數(shù)、磨損量、表面損傷等變化情況，揭示低溫工況下暖濕氣流對輪軌服役行為的作用機(jī)制，以期為高寒地區(qū)列車安全可靠運(yùn)行提供理論參考。

1 試驗部分

1.1 試驗設(shè)備與方法

圖1為試驗采用的低溫環(huán)境輪軌磨損試驗裝置示意圖。試驗裝置主要由JD-DRCF/M型雙驅(qū)式滾動接觸疲勞/磨損試驗臺和DLSD0L超低溫制冷循環(huán)系統(tǒng)組成。包括輪軌滾動磨損實驗裝置(圖1a)、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)(圖1b)、濕度發(fā)生裝置(圖1c)、低溫腔體裝置 (圖1d)和溫度控制模塊(圖1e)五個模塊。輪軌滾動磨損試驗裝置中通過一個加載電機(jī)對兩滾輪進(jìn)行法向力的加載，通過從動軸上的扭矩傳感器來計算輪軌接觸區(qū)域的切向力。在整個試驗過程中，輪軌滾輪間的法向力和切向力被數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)自動實時地測量和記錄。低溫腔體裝置由紫銅中空上腔體和紫銅中空下腔體組成，中空結(jié)構(gòu)可流通載冷劑，優(yōu)級純(GR)無水乙醇載冷劑的循環(huán)受PLC控制系統(tǒng)閉環(huán)控制，通過環(huán)境加熱/冷卻方式能夠精確實現(xiàn)不同溫度的復(fù)雜環(huán)境模擬，可變溫度范圍為±60 ℃，配有溫度傳感器實時檢測溫度，并連接系統(tǒng)自動反饋控制溫度，控制精度為±1 ℃。

1.2 試驗方法

如圖2所示，車輪試樣取自CL60車輪踏面處，鋼軌試樣取自U71Mn鋼軌軌頭處，輪軌試樣的直徑為40 mm，它的取樣位置及尺寸與文獻(xiàn)[16] 相似，輪軌試樣的表面粗糙度控制在0.16 μm左右，輪軌材料的化學(xué)成分如表1所示。

表1 輪軌材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

根據(jù)赫茲接觸準(zhǔn)則，模擬現(xiàn)場15 t左右軸重對應(yīng)的輪軌間接觸應(yīng)力值約620 MPa，本文中輪軌試樣間施加的法向載荷取560 N；車輪試樣轉(zhuǎn)速為515 r/min，鋼軌試樣轉(zhuǎn)速為500 r/min，對應(yīng)蠕滑率為3%。試驗環(huán)境溫度為-40 ℃，試驗時間為5 h。通入氣流的溫度為室溫(25±2 ℃)，針對不同濕度(10%，40%，60%，99%)下的暖濕氣流，分別進(jìn)行5組試驗，試驗參數(shù)如表2所示。每次通入暖濕氣流的時間為5 s，氣流速度為3 L/min，每兩次相鄰?fù)忾g隔時間為3 min。

表2 試驗參數(shù)表

輪軌間的黏著系數(shù)定義為車輪切向力與法向力的比值，即正常工況下黏著系數(shù)應(yīng)小于等于輪軌之間的摩擦因數(shù)。試驗過程中鋼軌試樣表面的剪切力可從動軸上產(chǎn)生的扭矩?fù)Q算而來。因此，黏著系數(shù)μ可由下式計算得到：

式中：μ為輪軌間黏著系數(shù)；Ft為剪切力；Fn為接觸載荷；Tn為扭矩；r為鋼軌試樣半徑。

試樣試驗前后均超聲清洗處理并冷風(fēng)干燥，用電子天平對試樣的質(zhì)量進(jìn)行稱重，每個參數(shù)反復(fù)測量7次，去掉最值后取平均值，以此得到磨損量數(shù)據(jù)。磨損測試后對車輪試樣進(jìn)行線切割，并利用超聲波儀在乙醇溶液中清洗3～5 min，然后利用冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，SU8010，Hitachi，Japan)觀察車輪試樣磨痕表面形貌。在進(jìn)行剖面分析前用熱鑲的方式對線切割清洗干凈后的試樣采用鑲樣機(jī)進(jìn)行鑲樣，完成后用砂紙逐步研磨至2000目后無明顯劃痕，再使用金剛石研磨膏拋光處理，隨后使用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行金相腐蝕處理。利用光學(xué)顯微鏡(OM，BX51， Olympus，Japan)觀察磨損截面金相顯微組織、疲勞裂紋及塑性變形等情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 輪軌界面黏著響應(yīng)

圖3所示為不同暖濕氣流作用下輪軌滾動接觸界面黏著系數(shù)變化曲線和平均黏著系數(shù)。從圖3a中可以看出，對比無通氣和10%～99%暖濕氣流，輪軌界面每遭遇一次暖濕氣流都會引起黏著系數(shù)的瞬時減?。浑S后，輪軌間黏著系數(shù)又增大至接近通氣前的水平(圖3a中圈示)，即為“黏著恢復(fù)”。從輪軌黏著的角度分析，可以認(rèn)為輪軌界面每遭遇一次暖濕氣流便會出現(xiàn)一次“黏著響應(yīng)”。統(tǒng)計最終黏著恢復(fù)后穩(wěn)定階段的黏著系數(shù)值求得平均值便得到圖3b中相應(yīng)數(shù)據(jù)。由圖3b可知：低溫工況下通入暖濕氣流之后，恢復(fù)到平穩(wěn)階段之后的平均黏著系數(shù)會比正常低溫運(yùn)行時更高，且隨著通入暖濕氣流的氣體濕度的增大，平均黏著系數(shù)呈減小趨勢。綜上可得，暖濕氣流對高寒鐵路輪軌界面黏著具有重要影響。根據(jù)相關(guān)學(xué)者在低溫濕度方面的研究[17-19]，在-40 ℃的低溫環(huán)境下，低溫鋼軌遭遇室溫的高濕氣流，這種溫度濕度變化將引起鋼軌表面凝水甚至結(jié)霜成冰。根據(jù)LIEW等[10]、LYU等[20]的研究，在高濕度環(huán)境下，輪軌表面易形成由水、磨屑和氧化物組成的第三體水合物，導(dǎo)致黏著系數(shù)顯著減小。另外，隨著通入暖濕氣流濕度的增大，輪軌摩擦副的摩擦氧化作用增強(qiáng)，產(chǎn)生的氧化物起到一定的潤滑作用[21]。

(a)黏著系數(shù)變化曲線

為了深入研究不同濕度氣流對輪軌界面黏著系數(shù)的影響，圖4a給出了單次暖濕氣流進(jìn)入輪軌界面引起黏著系數(shù)變化的響應(yīng)曲線，可以看出，輪軌界面遇到暖濕氣流后，黏著系數(shù)隨即急速減小，到達(dá)最小值后又逐漸恢復(fù)至原始水平。將黏著系數(shù)初始值與最低值之間的差值記為下降幅值Δf，將黏著系數(shù)從下降到恢復(fù)至原始水平所經(jīng)歷的時間記為恢復(fù)時間tr，統(tǒng)計了不同濕度暖濕氣流作用下的下降幅值和恢復(fù)時間得到圖4b。由圖4可以看出，總體來看隨著暖濕氣流濕度的增大，黏著系數(shù)會減小更為明顯且恢復(fù)時間也會變長;低濕度(10%～40%)的暖濕氣流對黏著系數(shù)的影響較小，會使得黏著系數(shù)減小0.1左右，恢復(fù)時間也較短，大約為10 s;但隨著暖濕氣流濕度的增大，黏著系數(shù)的下降幅值和恢復(fù)時間也會隨之增加。這是由于隨著通入氣流濕度的增大，輪軌界面凝結(jié)而成的水分增多[22-23]，黏著系數(shù)下降幅度和恢復(fù)時間也隨之增加；低溫環(huán)境下暖濕在車輪表面快速冷凝成水甚至結(jié)霜成冰膜，導(dǎo)致輪軌間的黏著系數(shù)快速下降，而在通氣停止后，剛剛形成的第三體介質(zhì)(冰膜)隨著高速滾滑作用逐漸被去除，黏著系數(shù)繼而恢復(fù)到通氣前初始水平。

(a)單次暖濕氣流的黏著系數(shù)響應(yīng)

2.2 車輪表面損傷響應(yīng)

圖5所示為不同暖濕氣流工況下輪軌滾滑接觸后的磨損量。可見，低溫工況下遭遇暖濕氣流后的車輪磨損量明顯高于未遭遇暖濕氣流時的車輪磨損量；同時，暖濕氣流的濕度也對車輪的磨損具有一定的影響，隨著濕度增大，車輪磨損量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，高濕度(H≥40%)下明顯比低濕度(H≤10%)下的磨損量要高，有學(xué)者研究證實，該摩擦學(xué)行為主要與摩擦副間的磨損機(jī)制以及濕氣引起的氧化和水合物有關(guān)[24-25]。

圖5 不同暖濕氣流工況下輪軌試樣的磨損量

2.3 車輪疲勞損傷響應(yīng)

圖6為試驗后車輪試樣剖面損傷圖，與正常低溫工況下車輪試樣相比，遭遇暖濕氣流的車輪試樣塑性變形明顯更為嚴(yán)重，但是塑性變形層厚度與通入暖濕氣流的濕度相關(guān)性并不明顯。在低溫工況下，車輪材料裂紋主要平行擴(kuò)展與沿表面擴(kuò)展，延伸到一定深度和長度后，會轉(zhuǎn)向表面方向擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致材料剝離車輪表面；而受到暖濕氣流影響的車輪材料，其表面剝離現(xiàn)象明顯更為嚴(yán)重，這與磨損量的試驗結(jié)果(圖5)相吻合。裂紋的擴(kuò)展與暖濕氣流的濕度具有一定的關(guān)系，在中低濕度(H≤40%)下，裂紋主要集中在表層，裂紋擴(kuò)展長度在100 μm以下，但在高濕度(H≥60%)工況下，裂紋長度明顯增大，并且不再僅僅集中于表層，出現(xiàn)了次表層裂紋和多層裂紋現(xiàn)象。以上現(xiàn)象可能是由于在間歇暖濕氣流作用下，輪軌界面的剪切力呈現(xiàn)周期性的先急劇減小再急劇增大恢復(fù)的變化規(guī)律(圖3a)，應(yīng)力不斷積累導(dǎo)致出現(xiàn)了相比于正常低溫工況更為嚴(yán)重的塑性變形和裂紋損傷。

(a)無通氣

值得一提的是，由于10%濕度氣流與低溫-40 ℃下自身濕度相近，這種氣體對輪軌周圍環(huán)境的濕度影響不大，所以低濕度暖濕氣流作用下，輪軌界面黏著系數(shù)減小幅度較小，恢復(fù)更快(圖4b)，但是溫度極低的輪軌表面突遇接近室溫的暖氣流，接觸狀態(tài)、損傷機(jī)制的改變?nèi)耘f會導(dǎo)致車輪材料產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷；在高濕度暖濕氣流作用下，這種氣流的濕度和溫度都與環(huán)境氣體相差較大，因此對黏著系數(shù)的影響更為明顯，但是高濕度促進(jìn)了輪軌表面氧化物和水合物的形成，對車輪材料起到了一定的保護(hù)作用[1]，因此車輪材料的損傷有所減緩。

圖7為試驗后車輪試樣表面磨痕的掃描電鏡照片，在正常低溫工況下運(yùn)行的車輪試樣表面疲勞裂紋損傷明顯，磨損機(jī)制以疲勞磨損為主，而低溫工況下遭遇暖濕氣流的車輪試樣表面，出現(xiàn)了明顯的氧化、黏著和剝離損傷特征，并出現(xiàn)了磨屑堆積而成的第三體層，進(jìn)一步解釋了平均黏著系數(shù)的變化(圖3b)。在H=10%的氣流作用下，車輪表面出現(xiàn)了部分輕微的氧化磨損；在H=40%的氣流作用下，黏著磨損增強(qiáng)，車輪表面形成磨屑堆積而成的第三體層；氣流濕度進(jìn)一步增大時，車輪表面的氧化磨損明顯增加(圖7e)，出現(xiàn)了較深的嚴(yán)重表面裂紋，這與圖5中磨損量的結(jié)果相一致。

(a)無通氣

在低溫環(huán)境下，輪軌材料塑性降低，脆性增強(qiáng)[26-27]。當(dāng)輪軌界面受到間歇暖濕氣流的作用時，切向力會出現(xiàn)周期性的減小和增大，這種交變應(yīng)力作用會加速車輪表面的剝離和裂紋擴(kuò)展。另外高濕度的氣流在冷的鋼軌表面易冷凝析水，水分加劇了車輪表面的氧化磨損和黏著磨損，并增強(qiáng)了細(xì)小磨屑的附著作用，促進(jìn)了表面第三體層的形成。

2.4 車輪表面氧化行為

為了探討不同暖濕氣流作用下輪軌表面的氧化行為，選取了未遭遇暖濕氣流、遭遇低濕度(H=10%)暖濕氣流、遭遇高濕度(H=99%)暖濕氣流工況的三種樣品進(jìn)行了XPS表征。選取了Fe 2p信號進(jìn)行峰擬合，結(jié)果如圖8所示。在圖8a中結(jié)合能為709.9eV處為Fe2+，結(jié)合能為710.9eV處為Fe3+，而在無暖濕氣流作用下，擬合出來Fe2+的擬合峰完全被包裹在Fe3+擬合峰之內(nèi)，表明FeO含量極少或者不存在，因此氧化物以Fe2O3為主，并且Fe3+擬合峰的峰面積、半峰寬以及衛(wèi)星峰都較小，表明受氧化程度并不顯著[28]；而遭遇暖濕氣流的車輪表面，F(xiàn)e2+和Fe3+的兩峰和衛(wèi)星峰都明顯可見，表明FeO和Fe2O3這兩種氧化物都存在，隨著暖濕氣流濕度的增大，F(xiàn)e2+的半峰寬、峰值和峰面積均減小，而Fe3+則恰恰相反，表明濕度越大氧化越受阻。但暖濕氣流濕度的增大促進(jìn)水合反應(yīng)的發(fā)生[29-30]，形成氫氧化鐵和四氧化三鐵水合物層[31-32]，此類未得到充分氧化的磨屑/微量水混合物可以有效減小摩擦因數(shù)[25]，導(dǎo)致輪軌界面低黏著的出現(xiàn)。

圖8 不同濕度暖濕氣流工況下車輪表面XPS擬合圖

3 結(jié)論

(1)低溫環(huán)境下暖濕氣流對輪軌材料的黏著系數(shù)影響迅速且顯著，不同濕度的暖濕氣流都會導(dǎo)致黏著系數(shù)的快速減小，且隨著氣流濕度的增大，黏著系數(shù)的變化響應(yīng)更加明顯，其下降的幅度和恢復(fù)時間均增加。

(2)同一低溫環(huán)境下，遭遇暖濕氣流的車輪表面，塑性變形與表面裂紋明顯更為嚴(yán)重，低濕度氣流作用下，車輪材料的滾動疲勞損傷更為劇烈。

(3)在低溫?zé)o濕氣工況下，車輪磨損機(jī)制主要為疲勞磨損，剖面裂紋以表層裂紋為主；低溫間歇暖濕氣流作用下，暖濕氣流促進(jìn)了車輪材料的氧化行為和水合物第三體介質(zhì)的形成，車輪磨損機(jī)制主要為氧化磨損和黏著磨損為主，出現(xiàn)了多層裂紋和次表層裂紋。