王明星，焦記楠，楊 磊，夏志遠(yuǎn)，李 坤，彭金方

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司，青島 266111；2.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摩擦學(xué)研究所，成都 610031)

0 引 言

隨著運(yùn)行速度的不斷提高，傳統(tǒng)的盤(pán)式制動(dòng)、液力制動(dòng)、再生制動(dòng)等黏著制動(dòng)方式提供的制動(dòng)力已經(jīng)很難滿足軌道列車制動(dòng)要求[1-3]。輪軌間的黏著系數(shù)不僅會(huì)隨著制動(dòng)初速度的提升而下降[4]，并且受線路條件及列車自身技術(shù)參數(shù)等因素的影響，其離散度也在加大，這使得列車在制動(dòng)后產(chǎn)生滑行的概率增大[5]。非黏著制動(dòng)方式可以提供額外的制動(dòng)力，并且通過(guò)制動(dòng)裝置吸附在軌道上改善黏著條件[6-7]。目前，在研制高速列車及新型軌道車輛時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)主要采用直線型非黏著制動(dòng)協(xié)同黏著制動(dòng)方式[8-9]。

磁軌制動(dòng)是一種典型的非黏著制動(dòng)方式，具有制動(dòng)力不受輪軌間黏著因素的限制、電磁鐵與鋼軌間的摩擦表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輪軌滾動(dòng)時(shí)的摩擦表面積、制動(dòng)效率優(yōu)于閘瓦制動(dòng)和閘盤(pán)制動(dòng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，其運(yùn)行的可靠性對(duì)保障列車運(yùn)行安全具有重要意義[10-12]。然而，在實(shí)際運(yùn)行工況中，磁軌制動(dòng)器極靴與鋼軌構(gòu)成的摩擦副由于相對(duì)滑動(dòng)速度、法向載荷、摩擦介質(zhì)等摩擦條件的改變，其摩擦因數(shù)會(huì)發(fā)生變化，使得極靴與鋼軌之間的摩擦力發(fā)生變化，從而影響磁軌制動(dòng)器的制動(dòng)能力。目前，相關(guān)研究大多集中在采用有限元仿真方法研發(fā)、設(shè)計(jì)車輛磁軌制動(dòng)裝置上[13-14]，鮮有關(guān)于不同服役工況下極靴與鋼軌間摩擦因數(shù)的研究報(bào)道；摩擦因數(shù)對(duì)于準(zhǔn)確計(jì)算磁軌制動(dòng)器的制動(dòng)距離，更好地發(fā)揮其制動(dòng)效能有著重要意義。為此，作者以取自極靴樣件的Q235B鋼以及硬度與鋼軌材料相當(dāng)?shù)挠痛阌不?5鋼為研究對(duì)象，采用自制的多功能銷-盤(pán)磨損試驗(yàn)裝置對(duì)這2種材料進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)，研究了不同滑動(dòng)速度、法向載荷和潤(rùn)滑條件下的摩擦因數(shù)變化以及磨損機(jī)制。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

在極靴樣件(材料為鑄造Q235B鋼)上采用線切割法加工出尺寸為φ16 mm×30 mm的銷試樣，將試樣端面精磨至表面粗糙度Ra不高于0.32 μm。選用45鋼作為試驗(yàn)用鋼軌替代材料，將其加工成由輪盤(pán)和對(duì)磨環(huán)兩部分構(gòu)成的盤(pán)試樣。材料的摩擦磨損主要與其表面硬度和表面狀態(tài)相關(guān)，因此將對(duì)磨環(huán)整體進(jìn)行油淬處理，使其表面硬度達(dá)到在役鋼軌的表面硬度，即330～380 HB，并通過(guò)精磨加工使45鋼盤(pán)試樣與Q235B鋼銷試樣的軸向跳動(dòng)低于0.03 mm。作者認(rèn)為，在該條件下測(cè)得的摩擦因數(shù)與實(shí)際工況下極靴-鋼軌摩擦副的摩擦因數(shù)等效。

采用自制的多功能銷-盤(pán)磨損試驗(yàn)裝置進(jìn)行高速摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置和銷-盤(pán)試樣對(duì)磨形式如圖1所示。圖1(b)中：ω為角速度；Ft為切向力；Fn為法向力。銷-盤(pán)試樣接觸中心到盤(pán)試樣轉(zhuǎn)軸中心的距離為190 mm。在盤(pán)試樣安裝孔內(nèi)設(shè)置一定錐度，并在軸盤(pán)整體裝配后進(jìn)行精加工，保證對(duì)磨環(huán)的端面跳動(dòng)小于50 μm。

圖1 多功能銷-盤(pán)磨損試驗(yàn)裝置及銷-盤(pán)試樣對(duì)磨形式示意

用無(wú)水乙醇清洗對(duì)磨環(huán)和銷試樣表面的油污，并進(jìn)行裝夾，銷試樣與圓盤(pán)的軸線應(yīng)保持平行以保證對(duì)磨環(huán)與銷試樣為面接觸。啟動(dòng)試驗(yàn)裝置，使對(duì)磨環(huán)和銷試樣在線速度10 km·h-1、法向載荷60 N下進(jìn)行接觸跑合，直至接觸面完全貼合，再在線速度10 km·h-1下用砂紙打磨對(duì)磨環(huán)表面，消除跑合過(guò)程造成的表面磨痕，最后進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)滑動(dòng)速度分別為10，20，30，40，50，60，70，80，90，100 km·h-1，主軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)控制在±5 r·min-1以內(nèi)，法向載荷分別為40，60，80 N，溫度為(23±5)℃，相對(duì)濕度為(60±5)%，試驗(yàn)環(huán)境為干態(tài)環(huán)境。為了分析潤(rùn)滑條件對(duì)摩擦因數(shù)的影響，還進(jìn)行了濕態(tài)環(huán)境下的摩擦磨損試驗(yàn)，在摩擦過(guò)程中通過(guò)微型水泵在銷試樣與對(duì)磨環(huán)接觸區(qū)域連續(xù)噴淋水，水量為3 mL·min-1，法向載荷為60 N，滑動(dòng)速度分別為50，80 km·h-1，溫度為(23±5) ℃。試驗(yàn)過(guò)程中采用壓縮空氣對(duì)摩擦磨損接觸區(qū)進(jìn)行冷卻降溫，以避免高溫導(dǎo)致表面燒損和黏著；在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，待摩擦因數(shù)達(dá)到穩(wěn)定后停止試驗(yàn)。在完成單次動(dòng)摩擦因數(shù)測(cè)試后，通過(guò)試驗(yàn)裝置配備的車刀對(duì)對(duì)磨環(huán)進(jìn)行鏇修，并用砂紙打磨，以保證每次試驗(yàn)接觸界面的一致性。采用ContourGT-I型白光干涉三維形貌儀觀察銷試樣和對(duì)磨環(huán)磨損表面形貌，并測(cè)定銷試樣磨損表面粗糙度。采用JSW-6610LV 型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察銷試樣磨損表面微觀形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)

由圖2可知，在法向載荷60 N、不同滑動(dòng)速度下干摩擦?xí)r，銷-盤(pán)摩擦副的摩擦因數(shù)均在3 s后基本保持穩(wěn)定，穩(wěn)定后不同滑動(dòng)速度下的摩擦因數(shù)差異較小，集中在0.40～0.55之間。對(duì)穩(wěn)定階段摩擦因數(shù)取平均值，以此作為摩擦副的平均摩擦因數(shù)。由圖3可知，銷-盤(pán)摩擦副的平均摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)速度的增大先增大后減小，當(dāng)滑動(dòng)速度為40 km·h-1時(shí)達(dá)到最大，為0.54。不同滑動(dòng)速度下摩擦副摩擦因數(shù)的變化是摩擦界面溫度、接觸狀態(tài)等多種因素耦合作用的結(jié)果，其變化機(jī)制需要進(jìn)一步的試驗(yàn)研究[15-16]。

圖2 法向載荷60 N、不同滑動(dòng)速度下干摩擦?xí)r銷-盤(pán)摩擦副的摩擦因數(shù)變化曲線

圖3 法向載荷60 N下干摩擦?xí)r銷-盤(pán)摩擦副的平均摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)速度的變化曲線

由圖4可以看出：當(dāng)滑動(dòng)速度為50 km·h-1時(shí)，隨著法向載荷的增大，銷-盤(pán)摩擦副摩擦因數(shù)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的時(shí)間縮短，這是因?yàn)檩^大載荷下摩擦副接觸表面的微凸峰被更快削除；穩(wěn)定后不同法向載荷下的摩擦因數(shù)變化不大，平均摩擦因數(shù)均約為0.5。當(dāng)滑動(dòng)速度增至80 km·h-1時(shí)，不同法向載荷下銷-盤(pán)摩擦副摩擦因數(shù)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的時(shí)間均在4 s左右，較大法向載荷下的摩擦因數(shù)較低。這是由于摩擦界面的閃溫能使材料軟化甚至局部熔化，而較大的法向載荷會(huì)增大磨損表面局部熔化的區(qū)域，并產(chǎn)生邊界潤(rùn)滑效應(yīng)，使得摩擦因數(shù)降低[17]。

圖4 不同滑動(dòng)速度、不同法向載荷下干摩擦?xí)r銷-盤(pán)摩擦副的摩擦因數(shù)變化曲線

由圖5可知，在法向載荷60 N，滑動(dòng)速度分別為50，80 km·h-1條件下，濕摩擦?xí)r銷-盤(pán)摩擦副的摩擦因數(shù)相比于干摩擦均有一定程度的下降，穩(wěn)定時(shí)的平均摩擦因數(shù)下降了約0.1。這是由于水的存在降低了接觸面間的摩擦熱，使得產(chǎn)生的磨屑數(shù)量較干摩擦?xí)r少，接觸表面粗糙度降低，摩擦因數(shù)減小；另一方面，低黏度的水進(jìn)入接觸界面形成非均勻水膜，與摩擦副接觸面上的微凸體共同承受法向載荷，改善了摩擦界面的接觸狀態(tài)[18-19]。此外，在滑動(dòng)切應(yīng)力的作用下，水介質(zhì)產(chǎn)生的邊界潤(rùn)滑效應(yīng)[20]也在一定程度上減小了摩擦因數(shù)。

圖5 在法向載荷60 N、不同滑動(dòng)速度下干摩擦和濕摩擦?xí)r銷-盤(pán)摩擦副的摩擦因數(shù)變化曲線

2.2 磨損表面形貌

不同條件摩擦磨損后，銷試樣和對(duì)磨環(huán)磨損表面的典型形貌如圖6所示。由圖6可知：銷試樣磨損表面未出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷，僅觀察到少量的犁溝和剝落坑，未見(jiàn)明顯的燒蝕痕跡(在線監(jiān)測(cè)顯示磨損區(qū)域邊緣溫度低于80 ℃)；對(duì)磨環(huán)磨損表面表現(xiàn)為輕微的磨粒磨損，未出現(xiàn)材料轉(zhuǎn)移及黏著現(xiàn)象，并且磨損區(qū)域呈寬度均勻的帶狀，表明銷試樣和對(duì)磨環(huán)面接觸良好。銷試樣磨損表面的表面粗糙度約為1.4 μm，滿足實(shí)際工程中的表面粗糙度要求(不大于1.6 μm)[21]。

圖6 銷試樣與對(duì)磨環(huán)磨損表面形貌

由圖7可以看出：在滑動(dòng)速度80 km·h-1、3種法向載荷下干摩擦后，銷試樣磨損表面均分布著大量的剝落坑和較淺的犁溝，磨損機(jī)制主要為黏著磨損；隨著法向載荷的增大，銷試樣磨損表面的損傷程度加劇，在法向載荷為80 N時(shí)出現(xiàn)大量貫通的剝落坑，發(fā)生嚴(yán)重的黏著磨損。犁溝是由于摩擦副間相互接觸的微凸體或產(chǎn)生的磨屑在法向載荷作用下切入表面，并在切向力作用下對(duì)表面進(jìn)行犁削而產(chǎn)生的。載荷的增大使得銷試樣和對(duì)磨環(huán)的實(shí)際接觸面積增大，即摩擦副間相互接觸的微凸體數(shù)量增多[22]，同時(shí)產(chǎn)生的大量摩擦熱使得接觸區(qū)材料更易發(fā)生剪切和撕裂，進(jìn)而形成剝落坑，產(chǎn)生嚴(yán)重的黏著磨損。在法向載荷為60 N條件下，當(dāng)滑動(dòng)速度為20 km·h-1時(shí)，銷試樣磨損表面存在深淺不一的凹槽和犁溝，磨損機(jī)制主要為磨粒磨損；當(dāng)滑動(dòng)速度增大至40 km·h-1時(shí)，銷試樣磨損表面的犁溝數(shù)量增多，并伴有少量較淺的剝落坑，其損傷機(jī)理為磨粒磨損和黏著磨損；當(dāng)滑動(dòng)速度增加至50 km·h-1時(shí)，磨損表面的剝落坑進(jìn)一步增多，磨損機(jī)制為黏著磨損和磨粒磨損。剝落坑的增多是由于滑動(dòng)速度的增加使得接觸界面產(chǎn)生了更多的摩擦熱，導(dǎo)致材料軟化并加劇了材料的剪切和轉(zhuǎn)移[23]。綜上，較低滑動(dòng)速度下銷試樣的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損，隨著滑動(dòng)速度的增大，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了更多的摩擦熱，導(dǎo)致磨損機(jī)制向黏著磨損轉(zhuǎn)變。

對(duì)比圖8和圖7(f)可以看出，在法向載荷60 N、滑動(dòng)速度為50 km·h-1下干摩擦后，銷試樣磨損表面存在大量剝落坑和犁溝，而水潤(rùn)滑條件下，銷試樣磨損表面主要存在大量犁溝。干摩擦?xí)r產(chǎn)生的摩擦熱較多，使得接觸區(qū)材料更易剪切和剝落而形成剝落坑；水介質(zhì)的加入降低了摩擦熱，從而減輕了銷試樣的黏著磨損程度。

圖7 不同法向載荷、不同滑動(dòng)速度下干摩擦后銷試樣磨損表面微觀形貌

圖8 在法向載荷60 N、滑動(dòng)速度50 km·h-1下濕摩擦后銷試樣磨損表面微觀形貌

3 結(jié) 論

(1) 將鑄造Q235B鋼銷試樣和油淬硬化45鋼盤(pán)試樣組成摩擦副進(jìn)行干摩擦后，銷試樣的表面粗糙度約為1.4 μm，滿足實(shí)際工程中的表面粗糙度要求。

(2) 在法向載荷60 N下干摩擦?xí)r，隨著滑動(dòng)速度的增大(由10 km·h-1增至100 km·h-1)，銷-盤(pán)摩擦副的摩擦因數(shù)均在3 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定后的平均摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)速度的增大先增大后減小，在滑動(dòng)速度為40 km·h-1時(shí)達(dá)到最大，但總體上摩擦因數(shù)變化范圍較小，集中在0.40～0.55區(qū)間；法向載荷對(duì)摩擦因數(shù)的影響相對(duì)較小，較低的滑動(dòng)速度(50 km·h-1)下較大的法向載荷會(huì)使摩擦因數(shù)更快進(jìn)入穩(wěn)定階段，較高滑動(dòng)速度(80 km·h-1)和較大法向載荷下的摩擦因數(shù)略??；隨著滑動(dòng)速度的增大，銷試樣的磨損機(jī)制由磨粒磨損向黏著磨損轉(zhuǎn)變，法向載荷的增大會(huì)導(dǎo)致更為嚴(yán)重的黏著磨損。

(3) 在水潤(rùn)滑條件下銷試樣的平均摩擦因數(shù)相比于干摩擦下降約0.1，且表面磨損程度減輕。