輪緣固體潤滑劑對輪軌減摩及損傷性能影響

宋靖東，程 焯，王文健，郭 俊，劉啟躍

(1.牽引動力國家重點實驗室 摩擦學研究所(西南交通大學)，成都 610031；2.西南交通大學 唐山研究生院，河北 唐山 063000)

隨著鐵路運輸?shù)牟粩喟l(fā)展，重載鐵路和高速鐵路逐漸成為鐵路發(fā)展的兩個主流趨勢[1].由此引起的小曲線輪軌磨耗日益嚴重，輪緣磨耗問題尤其突出；同時還會增加列車運行阻力，帶來噪聲污染等問題.鋼軌側(cè)磨是重載鐵路的主要損傷形式，而高速鐵路的主要損傷形式為疲勞損傷.輪緣潤滑是緩解鋼軌曲線側(cè)磨的有效方式，可有效改善機車曲線通過性能[2].針對輪緣潤滑，國內(nèi)外諸多科研人員進行了相關(guān)的研究工作.Uddin等[3]對重載鐵路小曲線潤滑進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，進行有效監(jiān)控潤滑效果可使?jié)櫥Ч顑?yōu)化.因具備操作方便、不宜污染鋼軌踏面等優(yōu)勢，輪緣固體潤滑技術(shù)的發(fā)展得到了得天獨厚的有利條件.

在固體潤滑劑的應用效果方面，加拿大凱爾森( Kelsan) 公司的Eadie等研發(fā)的固體潤滑棒可以穩(wěn)定控制摩擦系數(shù)在0.15～0.2[4]；姚光督等[5]研究了聚四氟乙烯微粉(PTFE)對聚醚醚酮(PEEK)復合材料的摩擦磨損性能，認為增加PTFE質(zhì)量分數(shù)使復合材料的干摩擦系數(shù)下降至0.17，說明由PTFE構(gòu)成的復合材料具有良好的減摩效果.在固體潤滑劑力學性能方面，江萬波等[6]發(fā)現(xiàn)，熱固性樹脂可改善固體潤滑劑的承載力和耐磨性.固體潤滑劑不僅可以有效降低輪緣和鋼軌磨耗，Chen[7]還發(fā)現(xiàn)固體潤滑劑可緩解輪軌摩擦噪聲.王金等[8]通過仿真模擬研究發(fā)現(xiàn)，摩擦系數(shù)小于0.2時不會出現(xiàn)曲線鋼軌嘯叫，而當摩擦系數(shù)大于0.24時會出現(xiàn)嘯叫.在工程應用方面，溫邦通過跟蹤測試，發(fā)現(xiàn)輪緣潤滑可以極大緩解LM32踏面型動車和拖車車輪輪緣磨耗[9].在輪軌疲勞損傷方面，李俊琛等[10]利用Fe-safe軟件實現(xiàn)了對不同軸重車輪滾動接觸疲勞的預測分析.

本文利用MMS-2A滾動摩擦磨損試驗機研究了干態(tài)和3種輪緣固體潤滑劑對輪軌界面摩擦和損傷性能的影響，為輪緣固體潤滑技術(shù)工程應用提供理論指導.

1 試 驗

試驗在MMS-2A滾動摩擦磨損試驗機上完成，采用2個輪形試樣模擬現(xiàn)實運行工況中的車輪和鋼軌，輪軌試樣和固體潤滑劑試樣的安裝如圖1所示，固體潤滑劑的施加通過定滑輪連接砝碼來實現(xiàn).輪軌試樣材料分別是C級和U75V，化學成分如表1所示.

圖1 輪軌試樣尺寸示意圖(單位:mm)

表1 輪軌試樣材料化學成分

Table 1 Chemical composition of wheel/rail sample materials (wt./%) 質(zhì)量分數(shù)/%

試樣CSiMnPS車輪0.67～0.770.15～1.000.60～0.900.030.005～0.040鋼軌0.71～0.800.50～0.800.70～1.50≤0.03≤0.03

試驗參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速200 r/min，輪軌接觸應力900 MPa，固體潤滑劑的施加應力0.1 MPa.選擇6組蠕滑率：0.17%、0.91%、2.38%、3.83%、4.55%和9.43%，囊括了微觀蠕滑0.17%和宏觀滑行9.43%，符合減摩試驗需要.在損傷試驗中同時監(jiān)測輪軌試樣磨損量，即磨損試驗與損傷試驗為同一個試驗.經(jīng)預試驗得知，較大的蠕滑率會使輪軌試樣之間的相對滑動增大，極易去除表面已生成的疲勞損傷裂紋，在試驗允許的條件下更難觀察到明顯的疲勞損傷裂紋；蠕滑率過小，輪軌試樣次表層不足以產(chǎn)生塑性流動，在較小的試驗循環(huán)次數(shù)下很難產(chǎn)生本文需要的疲勞裂紋.磨損和損傷試驗的蠕滑率都是0.91%.損傷試驗中，首先進行2萬次干態(tài)循環(huán)預制裂紋，再分別進行4萬次干態(tài)循環(huán)和4萬次固體潤滑劑循環(huán)，兩種工況的總循環(huán)次數(shù)都是6萬次.需要指出的是，根據(jù)本文試驗需要，不能提供干態(tài)產(chǎn)生的預制裂紋的尺寸、方向等數(shù)據(jù).這是因為，如果在2萬次循環(huán)后對試樣進行切樣、拋光、OM拍攝等分析得到預制裂紋尺寸、方向等數(shù)據(jù)，則切樣后的輪軌試樣存在缺口，無法實現(xiàn)無振動的輪軌試樣滾動接觸，即無法繼續(xù)進行后續(xù)干態(tài)和3種潤滑劑工況下4萬次循環(huán)的損傷試驗，就不能得到干態(tài)和3種潤滑劑作用后的疲勞損傷裂紋對比分析結(jié)果.

干態(tài)工況試驗中，第4萬次循環(huán)時進行稱量，得到連續(xù)每2萬次循環(huán)的輪軌磨損量.損傷試驗中沒有更換輪軌試樣，3次稱量都是針對同一對輪軌試樣.每次稱量前都將試樣置于無水乙醇中，用超聲波清洗10 min，以便排除其他雜物對稱量的影響.同時，為排除個別數(shù)據(jù)不具備代表性，每個數(shù)據(jù)都稱量5次取平均值.

本文選取工程中在用的3種固體潤滑劑，將其命名為固體潤滑劑1、固體潤滑劑2、固體潤滑劑3，分別用于50、80和100 km/h車速的工況，其主要成分是高分子基體，減摩材料是二硫化鉬.此3種固體潤滑劑的主要作用是有效降低輪緣和軌側(cè)接觸面的摩擦系數(shù)，從而達到改善輪軌之間摩擦磨損和疲勞損傷的效果.另外，本文主要目的是研究固體潤滑劑對輪軌摩擦和損傷的影響，選擇3種潤滑劑是為發(fā)現(xiàn)共性的研究結(jié)論，旨在為潤滑劑在實際工程應用提供指導性建議，并不是評判3種潤滑劑使用性能的優(yōu)劣后選擇最佳潤滑劑.

選用精密電子天平(TG328A)稱量輪軌試樣質(zhì)量并計算磨損量；利用掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-7001 F，Japan)和光學顯微鏡(OM，OLYMPUS BX60M，Japan)觀察分析輪軌試樣表層裂紋和裂紋擴展情況.

2 結(jié)果與分析

2.1 減摩性能

圖2是輪軌摩擦-蠕滑曲線，可以看出：干態(tài)工況下，隨著輪軌蠕滑率的變大，摩擦系數(shù)先變大然后逐漸趨于平穩(wěn)；蠕滑率達5%左右時，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.5附近.

圖2 輪軌摩擦-蠕滑曲線

由圖2可知：分別施加3種不同固體潤滑劑作用于輪軌試樣接觸界面時，隨著蠕滑率變大，摩擦系數(shù)都先變大后趨于平穩(wěn)；當蠕滑率增大到5%時，潤滑劑1和2作用后的摩擦系數(shù)約為0.2，潤滑劑3作用后的摩擦系數(shù)約為0.4；蠕滑率達到9%時，潤滑劑2和3的摩擦系數(shù)約為0.4，而潤滑劑1的摩擦系數(shù)約為0.2.同干態(tài)工況相比，3種固體潤滑劑都能在一定程度上降低輪軌試樣的摩擦系數(shù)，其中固體潤滑劑1的減摩效果潤滑最好.固體潤滑劑的主要成分是二硫化鉬和滑石粉，這兩種組成成分具備優(yōu)良的減摩潤滑效果.同時，固體潤滑劑中的各種組成成分分布比較均勻，使摩擦系數(shù)的調(diào)控效果比較穩(wěn)定.

干態(tài)工況下，分別在6種蠕滑率下運行達到摩擦系數(shù)穩(wěn)定階段，再添加固體潤滑劑作用3 min然后去除，得到的摩擦系數(shù)變化曲線如圖3所示.

圖3 摩擦系數(shù)曲線

Fig.3 Friction coefficient curve: (a)solid lubricant 1；(b) solid lubricant 2; (c) solid lubricant 3

固體潤滑劑的去除方法是手動拉起固體潤滑劑連桿另一端定滑輪，使固體潤滑劑脫離車輪試樣，停止繼續(xù)作用輪軌試樣；同時去掉砝碼，防止試驗操作者手誤放開動滑輪，在重力作用下潤滑劑再次與車輪踏面接觸，導致試驗失敗.經(jīng)過一定時間作用，不同蠕滑率下的摩擦系數(shù)均恢復到接近先前干態(tài)下的狀態(tài)，并保持平穩(wěn).由于表面凹坑深度和面積率不同，減摩效果不同，本文中去除固體潤滑劑后，輪軌界面微凹體內(nèi)仍然留有固體潤滑劑，殘留的固體潤滑劑仍能進行有效潤滑，不會使輪軌界面的摩擦系數(shù)立即恢復到先前干態(tài)工況下的狀態(tài)，即固體潤滑劑具備良好的減摩作用.

圖3中不同蠕滑率對應的摩擦系數(shù)恢復到干態(tài)的時間(有效作用時間)不盡相同，為進一步探究同種潤滑劑作用下蠕滑率對摩擦系數(shù)的有效作用時間和不同種潤滑劑作用下蠕滑率對有效作用時間的影響，對圖3(a)、(b)、(c)不同蠕滑率的有效作用時間進行統(tǒng)計，得到圖4所示固體潤滑劑有效作用時間隨蠕滑率的變化曲線，可以看出，隨著蠕滑率的增大，固體潤滑劑的有效作用時間逐漸變短.郭立昌[11]研究發(fā)現(xiàn)，鋼軌的磨損率隨著蠕滑率的增大呈“臺階式”上升規(guī)律.即蠕滑率越大，輪軌試樣表面的磨損變大，輪軌試樣表面形成的固體潤滑劑層在輪軌界面停留的時間就越短，即減摩潤滑的時間就越短.如圖4所示，固體潤滑劑1的減摩潤滑效果最理想.根據(jù)機車運行的實際工況選擇合適的固體潤滑劑作用時間，可以達到固體潤滑劑的最佳潤滑效果.

圖4 固體潤滑劑有效作用時間曲線

2.2 磨損率

圖5是干態(tài)工況下輪軌試樣磨損量圖.每兩萬次循環(huán)稱量一次，計算連續(xù)每兩萬次循環(huán)的輪軌磨損量.第二個2萬次循環(huán)車輪磨損量約為第一次的179%，鋼軌磨損量約為第一次的284%.第三個2萬次循環(huán)車輪磨損量約為第一次的183%，鋼軌磨損量約為第一次的341%.隨循環(huán)次數(shù)加大，輪軌磨損量逐漸增大.

圖5 干態(tài)輪軌試樣磨損量

Fig.5 Wear volume of wheel/rail specimens under dry condition

圖6是干態(tài)工況和3種不同固體潤滑劑作用下的輪軌磨損量圖，這4種工況的總循環(huán)次數(shù)均是6萬.

圖6 輪軌試樣磨損量

圖6的干態(tài)磨損量與圖5不同，因為圖6中的干態(tài)磨損量是圖5的3組干態(tài)磨損量的累積總和，而圖5的3組磨損量的循環(huán)次數(shù)都是2萬，依次對應前2萬次，中間2萬次，最后2萬次.在干態(tài)工況下，車輪磨損量約為鋼軌的84%.固體潤滑劑1作用后車輪的磨損量約為干態(tài)工況下的4.7%，固體潤滑劑1作用后鋼軌的磨損量約為干態(tài)工況下的2.9%；固體潤滑劑2作用后車輪的磨損量約為干態(tài)工況下的76.9%，固體潤滑劑2作用后鋼軌的磨損量約為干態(tài)工況下的34.7%；固體潤滑劑3作用后車輪試樣的磨損量約為干態(tài)工況下的42.1%，固體潤滑劑3作用后鋼軌的磨損量約為干態(tài)工況下的18.3%；固體潤滑劑1作用后，車輪和鋼軌的磨損量分別降低了約95.3%和97.1%，固體潤滑劑2作用后車輪和鋼軌的磨損率分別降低了約23.1%和65.3%，固體潤滑劑3作用后車輪和鋼軌的磨損率分別降低了約57.9%和81.7%.固體潤滑劑1降低輪軌試樣的磨損量效果最為顯著，固體潤滑劑1具備良好的減磨作用.固體潤滑劑可降低輪軌表面的摩擦系數(shù)，即降低了接觸面的切應力，從而有效降低輪軌表面磨損量.

2.3 損傷性能

圖7是干態(tài)和固體潤滑劑下輪軌試樣表面的損傷形貌.從圖7(a)～(h)可以看出，干態(tài)工況下，車輪試樣的表面損傷主要表現(xiàn)為點狀凹坑不平，沒有出現(xiàn)起皮、大片剝落等損傷情況，表面磨損和損傷比較輕微；鋼軌試樣表面損傷機制則主要表現(xiàn)為明顯片層狀剝離，且起皮方向同滾動方向一致.在連續(xù)滾動接觸中，輪軌界面受到切向摩擦力作用引起表面磨損形成疲勞損傷，磨屑剝落，鋼軌材料起皮.對磨副鋼軌損傷主要是明顯的起皮，損傷比車輪試樣嚴重.

圖7 輪軌試樣表面損傷形貌

Fig.7 Micrographs of worn surface of wheel/rail specimens：(a)wheel under dry condition；(b)rail under dry condition；(c) wheel under lubricant 1；(d) rail under lubricant 1；(e) wheel under lubricant 2；(f) rail under lubricant 2；(g) wheel under lubricant 3；(h)rail under lubricant 3

從圖7(c)～(h)中可以看出：3種固體潤滑劑作用后，車輪表面同干態(tài)工況下的沒有明顯區(qū)別，沒有出現(xiàn)起皮、剝離等嚴重損傷；但3種鋼軌表面損傷明顯比干態(tài)工況下的鋼軌表面損傷減輕.鋼軌損傷機制主要表現(xiàn)為點狀起皮，但比干態(tài)鋼軌損傷輕微，損傷最嚴重的是固體潤滑劑1作用的鋼軌試樣，另外兩種損傷相對較輕.

在輪軌滾動接觸中，輪軌界面摩擦力作用于輪軌接觸界面，如果表面切應力超過輪軌材料的屈服極限，輪軌材料表面就會萌生表面裂紋，引起材料表面損傷.對損傷試驗后的輪軌試樣進行切樣，拋光分析，得到圖8所示輪軌試樣的剖面OM照片.如圖8(a)和(b)所示，輪軌表面產(chǎn)生了明顯的疲勞損傷裂紋，且疲勞裂紋集中在表面，但表面未形成剝離脫落.圖8(c)～(h)是固體潤滑劑1、2、3分別作用下輪軌試樣剖面OM照片.圖8(c)～(h)所示，固體潤滑劑作用下的輪軌界面也產(chǎn)生了明顯疲勞裂紋，其原因同干態(tài)一樣.同時發(fā)現(xiàn)圖8(c)～(h)所示的裂紋數(shù)量、角度、深度和干態(tài)作用下的有所不同，下文對裂紋的相關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析.

根據(jù)圖9疲勞裂紋的長度、深度、角度進行統(tǒng)計，3種潤滑劑作用后的裂紋長度、深度和角度占干態(tài)的比值如圖10所示.

3種固體潤滑劑作用后，只從裂紋長度分析，固體潤滑劑都能降低車輪和鋼軌疲勞裂紋的長度，只是降低的程度不同.車輪試樣的裂紋長度分別是干態(tài)下的71%、75%和63%；鋼軌試樣的裂紋長度分別是干態(tài)下的17%、48%和83%，固體潤滑劑1對鋼軌裂紋的長度降低最大.只從裂紋深度分析，固體潤滑劑1對車輪試樣的裂紋深度都有加深趨勢，固體潤滑劑2和3對車輪試樣裂紋深度均有降低趨勢， 分別是干態(tài)的86%和98%；固體潤滑劑1和3對鋼軌的深度有加深作用， 固體潤滑劑2對鋼軌裂紋的深度有降低趨勢.僅從裂紋的角度分析，固體潤滑劑1和2對車輪裂紋角度有增大趨勢，固體潤滑劑3對車輪裂紋角度有降低趨勢；3種潤滑劑對鋼軌裂紋的角度均有增大趨勢.綜上，固體潤滑劑對車輪和鋼軌裂紋的長度有降低的影響，固體潤滑劑對車輪和鋼軌裂紋的深度和角度的影響不盡相同.

圖8 輪軌試樣剖面OM照片

Fig.8 OM micrographs of wheel/rail specimens：(a)wheel under dry condition；(b)rail under dry condition；(c) wheel under lubricant 1；(d) rail under lubricant 1；(e) wheel under lubricant 2；(f) rail under lubricant 2；(g) wheel under lubricant 3；(h)rail under lubricant 3

圖9 損傷裂紋測量示意圖

綜合圖6、圖7和圖10分析可以認為，表面疲勞裂紋的長度、深度、角度3個因素綜合作用，最終表現(xiàn)為輪軌試樣表面的宏觀磨損和表面損傷行為，且裂紋的長度對疲勞裂紋擴展行為起主導作用.固體潤滑劑通過抑制疲勞裂紋的長度來實現(xiàn)緩解輪軌試樣表面疲勞裂紋的擴展行為， 抑制疲勞損傷.固體潤滑劑1抑制裂紋長度的作用最明顯，需進一步微觀分析，故下文對干態(tài)和固體潤滑劑1作用的裂紋進行SEM高倍觀察.

圖10 裂紋尺寸統(tǒng)計圖

圖11是干態(tài)和固體潤滑劑1作用的輪軌試樣損傷裂紋的SEM照片.干態(tài)工況下，輪軌表層裂紋沿塑性變形線向材料內(nèi)部擴展；輪軌試樣中都出現(xiàn)分支裂紋，表層裂紋根部同另一裂紋一端相連，形成更大的裂紋，加速疲勞裂紋擴展.由圖11(b)可以看出：鋼軌試樣表層疲勞裂紋根部斷裂，引起輪軌材料剝落；同時在裂紋口內(nèi)部也出現(xiàn)材料剝落、堆積，表面疲勞損傷明顯.固體潤滑劑1作用后，只有在鋼軌裂紋的中部發(fā)現(xiàn)一處分支裂紋，在裂紋口附近出現(xiàn)材料剝落，在裂紋根部沒有分支裂紋.經(jīng)過固體潤滑劑作用，輪軌試樣表面切應力變小，輪軌試樣表層裂紋根部的分支現(xiàn)象得到緩解，裂紋根部的擴展行為得到有效抑制，從而可以緩解輪軌滾動接觸疲勞裂紋向材料深處生長，宏觀上則表現(xiàn)為降低輪軌試樣的磨損量，佐證了圖6的試驗結(jié)果.

圖11 輪軌試樣疲勞裂紋SEM照片

Fig.11 SEM micrographs of fatigue crack of wheel/rail：(a)wheel under dry condition；(b)rail under dry condition；(c) wheel under lubricant 1；(d) rail under lubricant 1

在滾動接觸應力作用下，輪軌試樣材料變形、累積，形成塑性流動變形層.當切向應力達到材料的屈服極限時，塑性變形層產(chǎn)生疲勞損傷裂紋.繼續(xù)作用，裂紋根部向材料內(nèi)部生長和擴展.施加固體潤滑劑后，輪軌界面的摩擦系數(shù)降低，輪軌界面的切向力減小，輪軌試樣宏觀磨損量降低.車輪試樣驅(qū)動使切向應力持續(xù)作用，輪軌試樣產(chǎn)生的疲勞裂紋經(jīng)過輪軌接觸區(qū)時，疲勞裂紋開口在輪軌接觸區(qū)受到正應力擠壓，使疲勞裂紋開口更加緊閉.輪軌試樣繼續(xù)轉(zhuǎn)動，當車輪試樣的疲勞裂紋轉(zhuǎn)動到固體潤滑劑與車輪試樣接觸區(qū)時，固體潤滑劑再次對疲勞裂紋進行擠壓，裂紋口外側(cè)的輪軌材料更貼近車輪試樣表面.同干態(tài)工況相比，固體潤滑劑作用使輪軌表面切向力變小和固體潤滑劑擠壓車輪試樣疲勞裂紋開口，這兩種作用共同作用，相輔相成，使輪軌試樣宏觀磨損量減小和疲勞裂紋的生長和擴展得到有效抑制.于此同時，也從機理上印證了圖6宏觀磨損量的試驗結(jié)果.

3 結(jié) 論

1) 固體潤滑劑對輪軌接觸表面具有減摩潤滑的效果，并能降低輪軌接觸表面磨損量，提高輪軌試樣的抗磨性能.

2)固體潤滑劑主要通過降低輪軌表面疲勞裂紋的長度，實現(xiàn)降低輪軌表面磨損量和緩解輪軌表面疲勞損傷；同時能夠緩解裂紋根部分支現(xiàn)象，抑制輪軌裂紋生長與擴展行為，提升輪軌材料的抗疲勞損傷性能，延長輪軌服役壽命.