暖濕氣流對(duì)不同服役溫度下輪軌界面黏著與損傷的響應(yīng)行為研究

李圣鑫,李佳強(qiáng),劉 林,劉少鵬,皇甫立志,熊光耀,沈明學(xué)*

(1.華東交通大學(xué)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施性能監(jiān)測(cè)與保障國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西南昌 330013;2.大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)系統(tǒng)集成國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南株洲 412001)

近年來(lái)，我國(guó)鐵路行業(yè)迅速發(fā)展，鐵路網(wǎng)絡(luò)布局日趨完善，與此同時(shí)鐵路安全運(yùn)行所面臨的挑戰(zhàn)也在不斷增大.以正在建設(shè)的超級(jí)工程―川藏鐵路為例，全線海拔差近3 800米，沿線溫度差極大，最低氣溫在?30 ℃以下，最高氣溫超過(guò)40℃，并且隧道眾多，隧道內(nèi)的相對(duì)濕度在80%以上[1].列車(chē)在駛?cè)胨淼罆r(shí)，接近外界環(huán)境溫度的高速車(chē)輪滾動(dòng)體表面將遭遇隧道內(nèi)的高濕氣流，環(huán)境溫濕度的劇烈變化必然對(duì)輪軌摩擦副的接觸行為產(chǎn)生顯著影響.文獻(xiàn)[2-3]報(bào)道，澳大利亞某鐵路隧道內(nèi)存在因環(huán)境潮濕引起鋼軌異常的表面裂紋和疲勞剝落.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)各種試驗(yàn)手段對(duì)不同溫度下輪軌接觸過(guò)程中的黏著、損傷行為及機(jī)理開(kāi)展了大量研究，證明了環(huán)境溫度對(duì)輪軌的疲勞斷裂[4]、應(yīng)力應(yīng)變[5]和組織轉(zhuǎn)變[6-7]等均有顯著影響.Hossrin等[8]研究指出溫度是引起應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)生改變的重要因素之一，也是誘發(fā)材料相變的主因.在環(huán)境溫度與其他因素耦合作用下，輪軌間的黏著與損傷也變得更加復(fù)雜.Lyu等[9-10]利用銷(xiāo)盤(pán)試驗(yàn)機(jī)研究了不同溫度下未氧化和氧化兩種不同輪軌摩擦副的磨損行為，發(fā)現(xiàn)未被氧化的輪軌材料在室溫條件下以黏著磨損為主，在低溫下黏著磨損加劇，磨損增加；而被氧化的輪軌材料則以磨粒磨損為主，隨著溫度的下降，大量的磨損碎片被剪切下來(lái)變成第三體顆粒，加劇了輪軌材料的磨耗.其還研究了不同溫度下積雪對(duì)輪軌黏著與損傷的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)接觸表面有積雪存在時(shí)，在摩擦熱和剪切力的作用下，積雪會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水，這些液態(tài)水促進(jìn)了氧化磨損的發(fā)生，氧化層可以顯著降低摩擦系數(shù)和表面磨損；當(dāng)無(wú)積雪存在時(shí)，隨著溫度的降低，輪軌材料逐漸變脆，大量磨屑剝落形成第三體顆粒，增加了摩擦系數(shù)和磨損[11].Zhu等[12]研究了不同溫度下氧化鐵、樹(shù)葉和乙二醇/水混合物對(duì)輪軌黏著的影響，發(fā)現(xiàn)在低溫環(huán)境下，輪軌表面的鐵氧化物可以有效抑制摩擦磨損，另外溫度對(duì)乙二醇/水混合物的使用性能也具有重要影響.綜上可以得出，環(huán)境溫度的變化會(huì)顯著影響第三體介質(zhì)的效應(yīng)，目前的研究涉及到氧化物、雨雪和樹(shù)葉等第三體介質(zhì)，但關(guān)于暖濕氣流對(duì)輪軌界面影響的相關(guān)研究未見(jiàn)報(bào)道.

本文中針對(duì)列車(chē)駛?cè)敫邼袼淼罆r(shí)輪軌界面遭遇暖濕氣流所面臨的潛在危險(xiǎn)，模擬不同環(huán)境溫度下，輪軌滾動(dòng)界面遭遇高濕度氣流的摩擦磨損行為，以期為實(shí)際列車(chē)輪軌的安全可靠服役提供理論參考.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

圖1所示為試驗(yàn)采用的低溫環(huán)境輪軌磨損試驗(yàn)裝置示意圖.試驗(yàn)裝置主要由JD-DRCF/M型雙驅(qū)式滾動(dòng)接觸疲勞/磨損試驗(yàn)臺(tái)和DLSD0L超低溫制冷循環(huán)系統(tǒng)組成.包括(a)輪軌滾動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)裝置，(b)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，(c)濕度發(fā)生裝置，(d)低溫腔體裝置和(e)溫度控制模塊5個(gè)模塊.輪軌滾動(dòng)磨損試驗(yàn)裝置(a)中通過(guò)1個(gè)加載電機(jī)對(duì)兩滾輪之間進(jìn)行法向力的加載，通過(guò)從動(dòng)軸上的扭矩傳感器來(lái)計(jì)算輪軌接觸區(qū)域的切向力.在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)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(dòng)實(shí)時(shí)地測(cè)量和記錄.低溫腔體裝置(d)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，載冷劑的循環(huán)受可編程邏輯控制器(PLC,Programmable logic controller)系統(tǒng)閉環(huán)控制，通過(guò)環(huán)境加熱/冷卻方式能夠精確實(shí)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(shí)時(shí)檢測(cè)溫度，并連接系統(tǒng)自動(dòng)反饋控制溫度，控制精度在±1℃.

Fig.1 Schematic of environment-controlled wheel/rail rolling contact fatigue/wear testing apparatus圖1環(huán)境可控輪軌滾動(dòng)接觸疲勞/磨損試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)在輪軌滾動(dòng)接觸試驗(yàn)臺(tái)上通過(guò)等比例小尺寸試樣模擬車(chē)輪與鋼軌滾動(dòng)接觸，車(chē)輪試樣材料選用現(xiàn)役中高速列車(chē)常用的ER8車(chē)輪踏面，鋼軌試樣材料選用與車(chē)輪適配的U75VG鋼軌軌頭，輪軌材料化學(xué)成分列于表1中，輪軌試樣的取樣和加工尺寸如圖2所示，試樣被加工成外徑40 mm，內(nèi)徑16 mm的滾輪，與輪軌滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)相適配.試驗(yàn)前，車(chē)輪鋼軌試樣表面均經(jīng)過(guò)預(yù)打磨和拋光，輪軌試樣的表面粗糙度控制在0.16μm左右.

根據(jù)赫茲接觸準(zhǔn)則，為模擬現(xiàn)場(chǎng)15 t左右軸重對(duì)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(chē)輪試樣轉(zhuǎn)速為515 r/min，鋼軌試樣轉(zhuǎn)速為500 r/min，對(duì)應(yīng)蠕滑率為3%.在不同環(huán)境溫度(?55～60℃)下，分別進(jìn)行了6組試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)列于表2中，通入暖濕氣流的溫度為常溫，濕度為99%，每次通入暖濕氣流的時(shí)間為5 s，氣流速度為3 L/min，每?jī)纱蜗噜復(fù)忾g隔時(shí)間為3 min.

表2 試驗(yàn)參數(shù)表Table 2 Experimental parameter table

試樣試驗(yàn)前后均超聲清洗處理并冷風(fēng)干燥，用電子天平對(duì)試樣的質(zhì)量進(jìn)行稱(chēng)重，每個(gè)參數(shù)反復(fù)測(cè)量5次，去掉最值后取平均值，以此得到磨損量數(shù)據(jù).磨損測(cè)試后利用冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，SU8010，Hitachi，Japan)觀察車(chē)輪試樣磨痕表面形貌，利用光學(xué)顯微鏡(OM，Olympus，BX53M，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所示為高濕度暖濕氣流作用下不同環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的黏著系數(shù)時(shí)變曲線.從圖3中可以看出，不同環(huán)境溫度下，輪軌界面黏著系數(shù)遭遇暖濕氣流后的響應(yīng)行為存在著明顯的區(qū)別.在低溫環(huán)境(?55～?20℃)下，輪軌界面每遭遇1次暖濕氣流都會(huì)引起黏著系數(shù)的瞬時(shí)下降，并且，在遭遇暖濕氣流后總體黏著系數(shù)會(huì)有1個(gè)明顯的攀升(圖3中圈示)，升高后的總體黏著系數(shù)在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中均較為穩(wěn)定，沒(méi)有再下降到原先階段.但是，在高溫環(huán)境(40～60℃)下，輪軌界面在遭遇暖濕氣流后并沒(méi)有出現(xiàn)瞬時(shí)的下降，反而會(huì)有1個(gè)小幅度的提升，在遭遇暖濕氣流后，總體黏著系數(shù)也沒(méi)有變化，還是處于平穩(wěn)狀態(tài).根據(jù)有關(guān)學(xué)者在低溫濕度方面的研究[13-15]，在?55～?20℃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[16]和Lyu等[9]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)顯著降低，這可能是低溫環(huán)境下每次遭遇暖濕氣流后黏著系數(shù)顯著下降的主要原因.而高溫環(huán)境不同于低溫環(huán)境，高濕度暖濕氣流的介入并不會(huì)冷凝成水，形成第三體介質(zhì)，所以黏著系數(shù)不會(huì)大幅度驟降，但由于暖濕氣流的溫度(室溫)比輪軌滾動(dòng)的環(huán)境溫度(40、60℃)要低，并且其濕度也較高(99%)，所以當(dāng)這種高濕度暖濕氣流吹向輪軌表面，對(duì)輪軌表面起到了一定的降溫作用.大量研究證實(shí)[6,17]：隨著環(huán)境溫度的降低，黏著系數(shù)上升.因此，當(dāng)高濕度暖濕氣流吹向輪軌表面，輪軌間黏著系數(shù)有小幅度的提升.

表 1車(chē)輪/鋼軌試樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositionsof wheel-rail materials (mass fraction)

Fig.2 Diagrammatic drawing of sample圖2試樣示意圖

Fig.3 Changing curvesof wheel-rail adhesion coefficientsunder different ambient temperatures圖3不同環(huán)境溫度下輪軌間黏著系數(shù)變化曲線

為了深入研究不同環(huán)境溫度下暖濕氣流對(duì)輪軌界面黏著的影響，圖4(a)所示為不同環(huán)境溫度下單次暖濕氣流進(jìn)入輪軌界面引起黏著系數(shù)的響應(yīng)，將黏著系數(shù)的變化量記為△f，將黏著系數(shù)從開(kāi)始下降到恢復(fù)至原始水平的時(shí)長(zhǎng)記為恢復(fù)時(shí)長(zhǎng)t，圖4(b)所示為所有溫度環(huán)境下受高濕度暖濕氣流影響?zhàn)ぶ禂?shù)的變化量△f和恢復(fù)時(shí)長(zhǎng)t.可以看出：與低溫工況下相比，高溫工況下輪軌間黏著系數(shù)對(duì)暖濕氣流的響應(yīng)明顯更弱，表現(xiàn)為黏著系數(shù)受單次暖濕氣流影響下的變化幅度更小，恢復(fù)時(shí)間也更短，黏著系數(shù)上升幅值僅為0.05左右，恢復(fù)時(shí)長(zhǎng)在12 s左右；在低溫工況下，隨著溫度的升高，黏著系數(shù)的變化幅值減小，表明溫度越高，暖濕氣流的影響越小.

Fig.4(a)adhesion response of single warm and humid airflow;(b)response statistics of adhesion coefficients to warm and humid airflows under different ambient temperatures圖4(a)單次暖濕氣流的黏著系數(shù)響應(yīng)；(b)不同溫度環(huán)境下黏著系數(shù)對(duì)暖濕氣流的響應(yīng)統(tǒng)計(jì)

2.2 車(chē)輪磨耗響應(yīng)

Fig.5 Wear lossof wheel samplesunder different ambient temperaturesand high-humidity warm and humid airflows圖5不同溫度環(huán)境與高濕度暖濕氣流作用下車(chē)輪鋼軌的磨損量

圖5 所示為不同環(huán)境溫度高濕度暖濕氣流作用下輪軌試樣的磨損量.可以發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度對(duì)車(chē)輪的磨損具有明顯的影響，但對(duì)鋼軌的影響則較小，不同環(huán)境溫度和暖濕氣流耦合作用下，鋼軌材料的磨損基本保持穩(wěn)定，保持在0.11g左右.而車(chē)輪材料的磨損在?20 ℃處有1個(gè)明顯的界限，當(dāng)溫度低于?20℃時(shí)，車(chē)輪材料的磨損急劇增大.這是由于高速列車(chē)用的車(chē)輪材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度在?20℃左右[18]，大量研究已表明[19-21]：韌脆轉(zhuǎn)變溫度前后因材料自身性能迥異導(dǎo)致摩擦學(xué)行為發(fā)生顯著變化.其原因主要可能有以下兩個(gè)方面：首先，從材料組織性能的方向來(lái)看，低溫環(huán)境下車(chē)輪材料的脆性明顯比高溫環(huán)境下更大，因此車(chē)輪材料更容易發(fā)生疲勞斷裂.并且，由于間歇性高濕度暖濕氣流的作用，低溫環(huán)境下輪軌滾動(dòng)過(guò)程中表面的剪切力呈現(xiàn)先急劇減小后急劇增大的規(guī)律性變化，應(yīng)力更容易積累，進(jìn)一步促進(jìn)輪軌表面材料的剝落；其次，從輪軌表面接觸狀態(tài)的角度來(lái)看，高溫高濕環(huán)境相較于低溫低濕環(huán)境更容易發(fā)生氧化作用，輪軌表面生成的氧化物對(duì)輪軌接觸界面的摩擦起到一定潤(rùn)滑和保護(hù)作用.

2.3 車(chē)輪疲勞損傷響應(yīng)

圖6所示為不同環(huán)境溫度作用下試驗(yàn)后車(chē)輪試樣剖面損傷照片，從圖6中可以看出，不同溫度環(huán)境下遭遇暖濕氣流，車(chē)輪材料剖面損傷形貌存在著明顯的差異，低溫工況下的剖面疲勞損傷明顯更為嚴(yán)重.在低溫(T＜?20℃)工況下，車(chē)輪材料的塑性變形層更厚，剖面裂紋在延伸一段距離后會(huì)轉(zhuǎn)向表面伸展從而造成材料的剝落，并且出現(xiàn)了多層裂紋[圖6(a～b)]；而隨著溫度的升高，塑性變形層厚度減小，在次表層區(qū)域未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋，裂紋多為幾乎與表面平行的表層裂紋，但是分布更為密集.剖面損傷的試驗(yàn)結(jié)果與磨損量的結(jié)果相一致，進(jìn)一步說(shuō)明韌脆轉(zhuǎn)變溫度對(duì)輪軌材料的損傷具有顯著影響.

眾所周知，塑性變形行為與表面應(yīng)力息息相關(guān)，當(dāng)材料的表面應(yīng)力不斷積累超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，就會(huì)發(fā)現(xiàn)塑性變形行為[22].因此低溫下的塑性變形層厚度更厚的主要原因在于受到暖濕氣流作用，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4(a)]，應(yīng)力不斷積累導(dǎo)致出現(xiàn)了相比于高溫工況更為嚴(yán)重的塑性變形和裂紋損傷.

Fig.6 OM and SEM micrographsof section damagesof wheel under the action of different ambient temperature and high humidity warm and humid airflow:(a)?55℃;(b)?40℃;(c)?20℃;(d)0℃;(e)40℃;(f)60℃圖6不同環(huán)境溫度與高濕度暖濕氣流作用下車(chē)輪試驗(yàn)剖面損傷形貌的OM和SEM照片(a)?55℃；(b)?40℃；(c)?20℃；(d)0℃；(e)40℃；(f)60℃

Fig.7 3D surface contouring of wheel surfaces at different ambient temperatures and high humidity warm and humid airflows:(a)?40℃;(b)0℃;(c)40℃圖7不同環(huán)境溫度與高濕度暖濕氣流作用下車(chē)輪試樣三維輪廓圖：(a)?40℃；(b)0℃；(c)40℃

圖7 所示為試驗(yàn)后車(chē)輪表面三維形貌圖，可以發(fā)現(xiàn)低溫工況下車(chē)輪表面出現(xiàn)了明顯的大而深的剝落坑，溫度低于?40 ℃時(shí)，大剝落坑的長(zhǎng)寬均超過(guò)了150 μm，深度超過(guò)了10μm.與之相反的是，高溫工況下的車(chē)輪表面則明顯更為平整，表面剝落坑的深度和面積也更小，但是分布更加密集，這與圖6所示的車(chē)輪剖面損傷圖相一致.圖8所示為不同服役溫度下試驗(yàn)后車(chē)輪表面的算術(shù)平均粗糙度Sa和均方根粗糙度Sq，可以發(fā)現(xiàn)：兩種粗糙度變化與磨損量的變化呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，低溫-40℃時(shí)車(chē)輪表面最為粗糙(Sa=3.078μm)，隨時(shí)環(huán)境溫度的升高，磨損表面粗糙值顯著下降，在服役溫度到60℃時(shí)車(chē)輪表面粗糙度值較小，Sa僅為1.009μm.

Fig.8 Surface roughness of wheel under different ambient temperatures and high humidity warm and humid airflows 圖8不同溫度環(huán)境與高濕度暖濕氣流作用下車(chē)輪表面粗糙度

圖9 所示為試驗(yàn)后車(chē)輪試樣磨損表面掃描電鏡照片，可以發(fā)現(xiàn)：在低溫工況下，車(chē)輪表面的疲勞損傷明顯，存在較深的表面疲勞裂紋和剝落坑，這些剝落坑就是與圖7中所對(duì)應(yīng)的氧化特征明顯，有磨屑堆積在車(chē)輪試樣表面形成的第三體層[圖9(c)].當(dāng)環(huán)境溫度為?55℃時(shí)，磨損表面存在剝落坑，磨損表面存在的磨屑導(dǎo)致磨損表面擦傷，出現(xiàn)不明顯的犁溝.這正是由于在極端低溫環(huán)境下材料的脆性增加，疲勞剝落形成的磨屑顆粒保持在輪軌滾滑界面上，在對(duì)磨副表面犁削形成“砂輪效應(yīng)”造成的[23].在不同環(huán)境溫度下，車(chē)輪磨損表面均發(fā)現(xiàn)了氧化磨損的特征，但不同的是，在低溫環(huán)境下，氧化區(qū)域呈現(xiàn)大片區(qū)域聚集，而高溫環(huán)境下，氧化區(qū)域是以小面積的斑點(diǎn)形式存在的.這可能是由于在低溫環(huán)境工況下，遭遇高濕度暖濕氣流，在輪軌表面冷凝形成了水膜，有水聚集的區(qū)域更容易氧化，水是誘導(dǎo)氧化的主要因素，因此在低溫環(huán)境下才會(huì)存在大面積區(qū)域的氧化.而高溫環(huán)境下，遭遇暖濕氣流不會(huì)凝結(jié)成水，因此水不是誘導(dǎo)氧化的主要因素，高溫高濕環(huán)境才是，所以在高溫環(huán)境下的氧化區(qū)域更為分散，呈現(xiàn)斑點(diǎn)形.

隨著環(huán)境溫度的升高，高溫工況下的車(chē)輪表面疲勞磨損有所減緩，表面的裂紋和剝落坑減少，所以平整.高溫和低溫環(huán)境下遭遇高濕度暖濕氣流時(shí)，車(chē)輪磨損表面出現(xiàn)了迥異的疲勞特征，這與圖5所示的磨損趨勢(shì)相對(duì)應(yīng).

Fig.10 SEM micrographsof thewheel worn surfacesunder different ambient temperaturesand high humidity warm and humid airflows:(a)?55℃;(b)?40℃;(c)?20℃;(d)0℃;(e)40℃;(f)60℃圖10不同環(huán)境溫度與高濕度暖濕氣流作用下輪軌界面磨屑SEM照片：(a)?55℃；(b)?40℃；(c)?20℃；(d)0℃；(e)40℃；(f)60℃

圖10 所示為不同環(huán)境溫度下輪軌滾動(dòng)界面產(chǎn)生的磨屑照片，從圖10中可以看出環(huán)境溫度對(duì)輪軌的磨屑尺寸具有明顯影響，低溫環(huán)境下的磨屑尺寸明顯比高溫下要大，在低溫環(huán)境下，磨屑主要由片狀和顆粒狀組成，而在高溫環(huán)境下，磨屑則呈現(xiàn)小的顆粒狀.該結(jié)果與磨損區(qū)域三維形貌的結(jié)果相吻合(圖7)，進(jìn)一步證明了在高溫環(huán)境和低溫環(huán)境遭遇暖濕氣流時(shí)磨損機(jī)制存在差異.

3 結(jié)論

a.高濕度暖濕氣流作用下，服役溫度對(duì)輪軌界面的黏著存在顯著影響，低溫環(huán)境下，遭遇高濕度暖濕氣流會(huì)導(dǎo)致輪軌間黏著系數(shù)瞬時(shí)下降，但在高溫環(huán)境下，在遭遇高濕度暖濕氣流后，黏著系數(shù)會(huì)出現(xiàn)輕微的上升.溫度越高，暖濕氣流對(duì)黏著系數(shù)的影響越小.

b.低溫環(huán)境下遭遇暖濕氣流的車(chē)輪表面，塑性變形與表面裂紋相比于高溫環(huán)境明顯更為嚴(yán)重.

c.低溫環(huán)境下車(chē)輪的磨損機(jī)制主要為疲勞磨損、氧化磨損和磨粒磨損；高溫下則為疲勞磨損、氧化磨損和黏著磨損.