不同工況下輪軌材料間的摩擦磨損行為

郭 靜，王文健，劉啟躍，周仲榮

（西南交通大學摩擦學研究所，成都 610031)

不同工況下輪軌材料間的摩擦磨損行為

郭 靜，王文健，劉啟躍，周仲榮

（西南交通大學摩擦學研究所，成都 610031)

在MMS-2A型滾動摩擦試驗機上研究了干態、水態和水砂態三種工況下輪軌材料間的摩擦磨損行為，分析了輪軌試樣表面的損傷情況。結果表明：相比于干態，水會使輪軌材料間的摩擦因數、磨損量明顯下降;水介質中撒砂可增加輪軌材料間的滾動摩擦因數和磨損量，且加重了輪軌表面的損傷，水砂態試驗中的干摩擦會使摩擦因數恢復到干態下的正常水平;隨水態、干態到水砂態工況的變化，車輪試樣表面從粗糙凸起并伴有輕微剝落向嚴重剝落損傷轉變，鋼軌材料的表面損傷主要表現為片層狀剝離并伴有剝落現象，但較車輪材料的剝落損傷程度輕。

輪軌;水;撒砂;摩擦因數;磨損量

0 引 言

輪軌間的滾動接觸疲勞一直是鐵路工業中難以解決的老問題［1－2］。隨著鐵路客貨運量的增大和列車速度的提高，由輪軌間滾動接觸疲勞造成的破壞越來越嚴重，尤其是高速、重載的線路。輪軌間的滾動接觸疲勞不僅大大增加了鐵路的運營成本，而且直接危害行車安全，其破壞現象主要為輪軌接觸表面的剝離、壓潰、龜裂、波浪形磨損、輪緣磨損、鋼軌側磨以及斷裂等［1－4］。輪軌破壞現象的產生涉及很多因素，如輪軌間的相對運動、輪軌間的作用力、接觸面間的第三介質、接觸表面的粗糙度、輪軌材料的性能以及加工留下的先天性缺陷等。

列車的牽引和制動靠輪軌滾動接觸過程中作用于接觸面上的摩擦力得以實現，摩擦力的大小決定了輪軌的粘著效果，輪軌接觸面之間的摩擦因數又是決定摩擦力大小的關鍵因素。而影響輪軌粘著力的主要因素是輪軌載荷、接觸表面的粗糙度和“第三介質”、材料性質、輪軌間的相對滾動、滑動速度等。目前，我國鐵路機車防滑增粘的方法普遍采用撒砂。在降雨、降雪時，用噴砂機將砂粒噴到輪、軌之間，以保證列車在爬坡或制動時車輪不打滑，可有效預防車輪滑行而避免輪軌擦傷剝離［5－7］。然而，研究如何提高輪軌在滾動接觸過程中的防滑增粘時，不可一味地追求粘著效果，還要考慮輪軌強度所承受的能力。盡管撒砂是改善輪軌粘著力最陳舊且應用最廣泛的方法，但對于輪軌磨損同粘著－蠕滑之間相互關系的影響，還沒有在受控的試驗條件下進行研究，有關增粘材料對輪軌系統表面造成損傷程度的研究還很少。申鵬［8－10］進行了輪軌接觸表面在干態、水態、水砂態下的粘著特性試驗，研究了短時間內“第三介質”對輪軌材料粘著特性的影響;王文健［11］研究了接觸應力對輪軌材料滾動摩擦磨損性能的影響，提供了輪軌材料滾動摩擦磨損行為的力學分析及損傷機理。作者在此基礎上，利用 MMS－2A型微機控制摩擦磨損試驗機對輪軌材料在干態、水態、水砂態下的摩擦磨損行為進行了研究，通過增加輪軌的作用時間，從研究輪軌材料表面損傷的角度出發，得到了較理想的數據，從而比較系統地總結出增粘劑對輪軌材料性能的影響以及利弊分析等。

1 試樣制備與試驗方法

試驗在MMS-2A型磨損試驗機上進行，模擬鋼軌材料為 U71Mn熱軋鋼軌，σb≥910MPa，δ≥10%，硬度為250HV0.1，模擬車輪材料為CL60車輪鋼，σb≥880MPa，δ≥9%，硬度為280HV0.1。采用雙圓盤對滾試樣來模擬輪軌間的接觸條件，將鋼軌圓盤試樣安裝于試驗機的上部，車輪圓盤試樣安裝于下部;上、下兩圓盤的轉速分別為360，400r·min－1，上下圓盤的直徑均為40mm，其余尺寸見圖1所示。

圖1 輪軌試樣的尺寸Fig.1 Scheme size of wheel and rail rollers

試驗參數的確定采用赫茲模擬準則進行，即使實驗室條件下進行的模擬輪軌間的平均接觸應力和接觸區橢圓的長短半軸之比與實際工況相同。試驗中施加170N的垂向載荷來模擬實際軸重（25t)，并由赫茲接觸理論計算得出最大接觸應力為1 915MPa。

摩擦磨損試驗在干態、水態、水砂態三種工況下進行。試驗中采用的砂子為鐵路撒砂使用的砂子，其直徑為0.3～0.5mm，石英的質量分數大于90%，粘土的質量分數低于2%。水介質通過醫用輸液管固定滴加在離輪軌接觸斑150mm處的模擬軌道上，加水流量約為5mL·min－1，水溫約為20℃;利用自制漏斗撒砂，漏斗下口距離模擬軌道的軌面約30mm，并垂直撒向軌面。水砂試驗中加水和撒砂都只進行了0.5h，并后續進行了7.5h的干摩擦;干態及水介質下的試驗均進行了8h。

采用TG328A型電子分析天平稱量計算出輪軌試樣的磨損量;采用JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡（SEM)觀察試樣磨損后的表面形貌;采用JB－6C型粗糙度輪廓儀測輪軌材料表面的粗糙度。

2 試驗結果與討論

2.1 摩擦因數及磨損量

由圖2可見，水態下的摩擦因數較干態的下降了約45%。在水介質下撒砂時，由于砂粒的加入使整個摩擦系統處于不穩定的狀態，故摩擦因數出現了跳躍性變化，并由不穩定的低摩擦因數很快過渡到了連續性的高摩擦因數，起到了在水態下迅速提高粘著力的作用，并在隨后的運行過程中與干態下的摩擦因數趨于一致。這說明在水介質中撒砂一段時間后，輪軌摩擦系統會在后續的運行過程中，自動恢復到干摩擦狀態，即列車的正常運行狀態。

圖2 不同工況下輪軌材料間的摩擦因數Fig.2 Friction coefficient of wheel／rail materials under different working conditions

由圖3可見，與干態下的磨損量相比，水態下的磨損量明顯下降，降低了約50%，而水砂態下的磨損量則提高了50%～60%。由此可知，在相同軸重和速度下，在遇到雨、雪天氣時，撒砂后輪軌間的磨損最嚴重，導致輪軌接觸面上由于存在砂粒而產生更多的磨屑。干態下輪軌間的磨損比水態下的更嚴重，因為其間有較多的輪軌摩擦所產生的磨屑，當加入水之后固體磨粒或銹粒和水混合形成一種潤滑劑，尤其是運行速度較高時，水與磨屑形成潤滑劑的潤滑作用會使粘著系數急劇下降［8－10］。

圖3 不同工況下輪軌材料的磨損量Fig.3 Wear quantity of wheel／rail materials under different working conditions

由表1可知，輪軌材料在三種摩擦狀態下摩擦8h后，水態下的表面粗糙度最小，這是由于水與磨屑混合后形成一種潤滑介質，所以相較于干摩擦來說，形同于加入了潤滑劑，故而水態下輪軌材料的表面粗糙度最小;撒砂后粘著力驟增，故其摩擦因數最大，但其粗糙度的變化與摩擦因數的變化不一致，這說明后續的干摩擦并不能使材料的表面粗糙度趨于干態下的;干摩擦屬于沒有潤滑的情況，故其表面粗糙度居中。

表1 不同工況磨損后輪軌材料的表面粗糙度Tab.1 Surface roughness of wheel／rail materials after wear under different working conditions μm

2.2 磨損表面形貌

由圖4可見，干態下鋼軌材料表面有明顯的塑性變形，并伴隨有一些片層狀的剝落，但其方向基本與滾動方向一致;而車輪材料表面則呈現出凹凸不平的粗糙形態，有部分大小不一的塊狀凸起及片狀剝落。

由圖5可見，相較于干態下的摩擦，在水態下鋼軌材料的表面磨損主要表現為沿著滾動方向為主的平整的片層狀變形，該變形在其表面呈均勻分布，且伴有很少量的剝落掉塊;而車輪試樣則發生了粘著現象，表面覆蓋有粘著層。

由圖6可見，與干態的相比，水砂態下鋼軌材料表面的磨損較為嚴重，有較多的剝落塊，并有少量的點蝕出現。這是由于伴有最初0.5h水砂的作用，加之其后7.5h干摩擦的反復滾滑，接觸表面出現了疲勞;而車輪材料表面的磨損較干態的加重，其表面有大量大小不一的剝落塊，這會對材料的壽命產生不利影響。

對比車輪和鋼軌材料試樣的SEM形貌可知，在相同的摩擦狀態下，車輪材料的磨損重于鋼軌材料的，且兩者的磨損形貌存在一定差別。這主要是由于車輪材料的碳含量低于鋼軌材料的，硬度的不同造成了兩者在相互滾滑過程中產生的磨損形貌不同。總體來看，鋼軌材料的表面主要以片層狀剝離為主，并伴有點蝕;而車輪材料表面以剝落塊為主，水態下表面會附著粘著層;鋼軌材料的損傷程度要輕于車輪材料的［11］。

3 結 論

（1)水介質會使輪軌材料間的摩擦因數、磨損量明顯下降;水介質下撒砂可增加輪軌材料間的滾動摩擦因數、磨損量和表面粗糙度，且加重了輪軌表面的損傷，撒砂后續的干摩擦試驗會使摩擦因數恢復到干態下的正常水平。

（2)隨摩擦狀態由水態、干態到水砂態變化，車輪材料的表面從粗糙凸起并伴有輕微剝落向嚴重剝落損傷轉變，鋼軌材料的表面損傷主要表現為片層狀剝離并伴有剝落現象，但較車輪試樣的剝落損傷程度輕。

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Friction and Wear Behavior of Wheel／Rail Materials under Different Working Conditions

GUO Jing，WANG Wen-jian，LIU Qi-yue，ZHOU Zhong-rong
（Tribology Research Institute，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

The rolling friction and wear behavior of wheel／rail materials was studied using a MMS-2Atesting apparatus under dry，water and sanding conditions.Furthermore，the damage of wheel／rail samples was analyzed.The results show that the water would decrease rolling friction coefficient and wear volume of wheel／rail materials.Sanding could increase rolling friction coefficient and wear quantity of wheel／rail materials under water condition，and worsen the damage of the wheel／rail surface.The dry friction after sanding could make rolling friction coefficient come to the normal level in dry condition.With the conditions changes from water to dry and water sanding，the surface damage of wheel material transformed from concave-convex roughness with slight delamination to serious spalling damage，and the delamination damage was dominant for the rail material.However，the spalling damage of rail material was slighter than that of wheel specimen.

wheel／rail;water;sanding;friction coefficient;wear quantity

TH117.3

A

1000-3738（2013)01-0043-04

2011-12-20;

2012-08-20

國家自然科學基金資助項目（51025519，51174282);中國博士后科學基金資助項目（201104650)

郭靜（1987－)，女，內蒙古烏蘭察布人，碩士研究生。

導師：周仲榮教授