2019, Vol. 27
2. 西南交通大学 唐山研究生院，河北 唐山 063000
2. Tangshan Graduate School, Southwest Jiaotong University, Tangshan 063000, China
随着铁路运输的不断发展，重载铁路和高速铁路逐渐成为铁路发展的两个主流趋势[1].由此引起的小曲线轮轨磨耗日益严重，轮缘磨耗问题尤其突出；同时还会增加列车运行阻力，带来噪声污染等问题.钢轨侧磨是重载铁路的主要损伤形式，而高速铁路的主要损伤形式为疲劳损伤.轮缘润滑是缓解钢轨曲线侧磨的有效方式，可有效改善机车曲线通过性能[2].针对轮缘润滑，国内外诸多科研人员进行了相关的研究工作.Uddin等[3]对重载铁路小曲线润滑进行了研究，结果发现，进行有效监控润滑效果可使润滑效果最优化.因具备操作方便、不宜污染钢轨踏面等优势，轮缘固体润滑技术的发展得到了得天独厚的有利条件.
在固体润滑剂的应用效果方面，加拿大凯尔森(Kelsan)公司的Eadie等研发的固体润滑棒可以稳定控制摩擦系数在0.15~0.2[4]；姚光督等[5]研究了聚四氟乙烯微粉(PTFE)对聚醚醚酮(PEEK)复合材料的摩擦磨损性能，认为增加PTFE质量分数使复合材料的干摩擦系数下降至0.17，说明由PTFE构成的复合材料具有良好的减摩效果.在固体润滑剂力学性能方面，江万波等[6]发现，热固性树脂可改善固体润滑剂的承载力和耐磨性.固体润滑剂不仅可以有效降低轮缘和钢轨磨耗，Chen[7]还发现固体润滑剂可缓解轮轨摩擦噪声.王金等[8]通过仿真模拟研究发现，摩擦系数小于0.2时不会出现曲线钢轨啸叫，而当摩擦系数大于0.24时会出现啸叫.在工程应用方面，温邦通过跟踪测试，发现轮缘润滑可以极大缓解LM32踏面型动车和拖车车轮轮缘磨耗[9].在轮轨疲劳损伤方面，李俊琛等[10]利用Fe-safe软件实现了对不同轴重车轮滚动接触疲劳的预测分析.
本文利用MMS-2A滚动摩擦磨损试验机研究了干态和3种轮缘固体润滑剂对轮轨界面摩擦和损伤性能的影响，为轮缘固体润滑技术工程应用提供理论指导.
1 试验试验在MMS-2A滚动摩擦磨损试验机上完成，采用2个轮形试样模拟现实运行工况中的车轮和钢轨，轮轨试样和固体润滑剂试样的安装如图 1所示，固体润滑剂的施加通过定滑轮连接砝码来实现.轮轨试样材料分别是C级和U75V，化学成分如表 1所示.
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图 1 轮轨试样尺寸示意图(单位:mm) Fig.1 Scheme size of wheel/rail samples (units:mm) |
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表 1 轮轨试样材料化学成分 Table 1 Chemical composition of wheel/rail sample materials (wt./%) |
试验参数如下：转速200 r/min，轮轨接触应力900 MPa，固体润滑剂的施加应力0.1 MPa.选择6组蠕滑率：0.17%、0.91%、2.38%、3.83%、4.55%和9.43%，囊括了微观蠕滑0.17%和宏观滑行9.43%，符合减摩试验需要.在损伤试验中同时监测轮轨试样磨损量，即磨损试验与损伤试验为同一个试验.经预试验得知，较大的蠕滑率会使轮轨试样之间的相对滑动增大，极易去除表面已生成的疲劳损伤裂纹，在试验允许的条件下更难观察到明显的疲劳损伤裂纹；蠕滑率过小，轮轨试样次表层不足以产生塑性流动，在较小的试验循环次数下很难产生本文需要的疲劳裂纹.磨损和损伤试验的蠕滑率都是0.91%.损伤试验中，首先进行2万次干态循环预制裂纹，再分别进行4万次干态循环和4万次固体润滑剂循环，两种工况的总循环次数都是6万次.需要指出的是，根据本文试验需要，不能提供干态产生的预制裂纹的尺寸、方向等数据.这是因为，如果在2万次循环后对试样进行切样、抛光、OM拍摄等分析得到预制裂纹尺寸、方向等数据，则切样后的轮轨试样存在缺口，无法实现无振动的轮轨试样滚动接触，即无法继续进行后续干态和3种润滑剂工况下4万次循环的损伤试验，就不能得到干态和3种润滑剂作用后的疲劳损伤裂纹对比分析结果.
干态工况试验中，第4万次循环时进行称量，得到连续每2万次循环的轮轨磨损量.损伤试验中没有更换轮轨试样，3次称量都是针对同一对轮轨试样.每次称量前都将试样置于无水乙醇中，用超声波清洗10 min，以便排除其他杂物对称量的影响.同时，为排除个别数据不具备代表性，每个数据都称量5次取平均值.
本文选取工程中在用的3种固体润滑剂，将其命名为固体润滑剂1、固体润滑剂2、固体润滑剂3，分别用于50、80和100 km/h车速的工况，其主要成分是高分子基体，减摩材料是二硫化钼.此3种固体润滑剂的主要作用是有效降低轮缘和轨侧接触面的摩擦系数，从而达到改善轮轨之间摩擦磨损和疲劳损伤的效果.另外，本文主要目的是研究固体润滑剂对轮轨摩擦和损伤的影响，选择3种润滑剂是为发现共性的研究结论，旨在为润滑剂在实际工程应用提供指导性建议，并不是评判3种润滑剂使用性能的优劣后选择最佳润滑剂.
选用精密电子天平(TG328A)称量轮轨试样质量并计算磨损量；利用扫描电子显微镜(SEM，JSM-7001 F，Japan)和光学显微镜(OM，OLYMPUS BX60M，Japan)观察分析轮轨试样表层裂纹和裂纹扩展情况.
2 结果与分析 2.1 减摩性能图 2是轮轨摩擦-蠕滑曲线，可以看出：干态工况下，随着轮轨蠕滑率的变大，摩擦系数先变大然后逐渐趋于平稳；蠕滑率达5%左右时，摩擦系数稳定在0.5附近.
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图 2 轮轨摩擦-蠕滑曲线 Fig.2 Wheel/rail friction-creep curve |
由图 2可知：分别施加3种不同固体润滑剂作用于轮轨试样接触界面时，随着蠕滑率变大，摩擦系数都先变大后趋于平稳；当蠕滑率增大到5%时，润滑剂1和2作用后的摩擦系数约为0.2，润滑剂3作用后的摩擦系数约为0.4；蠕滑率达到9%时，润滑剂2和3的摩擦系数约为0.4，而润滑剂1的摩擦系数约为0.2.同干态工况相比，3种固体润滑剂都能在一定程度上降低轮轨试样的摩擦系数，其中固体润滑剂1的减摩效果润滑最好.固体润滑剂的主要成分是二硫化钼和滑石粉，这两种组成成分具备优良的减摩润滑效果.同时，固体润滑剂中的各种组成成分分布比较均匀，使摩擦系数的调控效果比较稳定.
干态工况下，分别在6种蠕滑率下运行达到摩擦系数稳定阶段，再添加固体润滑剂作用3 min然后去除，得到的摩擦系数变化曲线如图 3所示.
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图 3 摩擦系数曲线 Fig.3 Friction coefficient curve: (a)solid lubricant 1;(b) solid lubricant 2; (c) solid lubricant 3 |
固体润滑剂的去除方法是手动拉起固体润滑剂连杆另一端定滑轮，使固体润滑剂脱离车轮试样，停止继续作用轮轨试样；同时去掉砝码，防止试验操作者手误放开动滑轮，在重力作用下润滑剂再次与车轮踏面接触，导致试验失败.经过一定时间作用，不同蠕滑率下的摩擦系数均恢复到接近先前干态下的状态，并保持平稳.由于表面凹坑深度和面积率不同，减摩效果不同，本文中去除固体润滑剂后，轮轨界面微凹体内仍然留有固体润滑剂，残留的固体润滑剂仍能进行有效润滑，不会使轮轨界面的摩擦系数立即恢复到先前干态工况下的状态，即固体润滑剂具备良好的减摩作用.
图 3中不同蠕滑率对应的摩擦系数恢复到干态的时间(有效作用时间)不尽相同，为进一步探究同种润滑剂作用下蠕滑率对摩擦系数的有效作用时间和不同种润滑剂作用下蠕滑率对有效作用时间的影响，对图 3(a)、(b)、(c)不同蠕滑率的有效作用时间进行统计，得到图 4所示固体润滑剂有效作用时间随蠕滑率的变化曲线，可以看出，随着蠕滑率的增大，固体润滑剂的有效作用时间逐渐变短.郭立昌[11]研究发现，钢轨的磨损率随着蠕滑率的增大呈“台阶式”上升规律.即蠕滑率越大，轮轨试样表面的磨损变大，轮轨试样表面形成的固体润滑剂层在轮轨界面停留的时间就越短，即减摩润滑的时间就越短.如图 4所示，固体润滑剂1的减摩润滑效果最理想.根据机车运行的实际工况选择合适的固体润滑剂作用时间，可以达到固体润滑剂的最佳润滑效果.
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图 4 固体润滑剂有效作用时间曲线 Fig.4 Effective time curve of solid lubricant |
图 5是干态工况下轮轨试样磨损量图.每两万次循环称量一次，计算连续每两万次循环的轮轨磨损量.第二个2万次循环车轮磨损量约为第一次的179%，钢轨磨损量约为第一次的284%.第三个2万次循环车轮磨损量约为第一次的183%，钢轨磨损量约为第一次的341%.随循环次数加大，轮轨磨损量逐渐增大.
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图 5 干态轮轨试样磨损量 Fig.5 Wear volume of wheel/rail specimens under dry condition |
图 6是干态工况和3种不同固体润滑剂作用下的轮轨磨损量图，这4种工况的总循环次数均是6万.
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图 6 轮轨试样磨损量 Fig.6 Wear volume of wheel/rail specimens |
图 6的干态磨损量与图 5不同，因为图 6中的干态磨损量是图 5的3组干态磨损量的累积总和，而图 5的3组磨损量的循环次数都是2万，依次对应前2万次，中间2万次，最后2万次.在干态工况下，车轮磨损量约为钢轨的84%.固体润滑剂1作用后车轮的磨损量约为干态工况下的4.7%，固体润滑剂1作用后钢轨的磨损量约为干态工况下的2.9%；固体润滑剂2作用后车轮的磨损量约为干态工况下的76.9%，固体润滑剂2作用后钢轨的磨损量约为干态工况下的34.7%；固体润滑剂3作用后车轮试样的磨损量约为干态工况下的42.1%，固体润滑剂3作用后钢轨的磨损量约为干态工况下的18.3%；固体润滑剂1作用后，车轮和钢轨的磨损量分别降低了约95.3%和97.1%，固体润滑剂2作用后车轮和钢轨的磨损率分别降低了约23.1%和65.3%，固体润滑剂3作用后车轮和钢轨的磨损率分别降低了约57.9%和81.7%.固体润滑剂1降低轮轨试样的磨损量效果最为显著，固体润滑剂1具备良好的减磨作用.固体润滑剂可降低轮轨表面的摩擦系数，即降低了接触面的切应力，从而有效降低轮轨表面磨损量.
2.3 损伤性能图 7是干态和固体润滑剂下轮轨试样表面的损伤形貌.从图 7(a)~(h)可以看出，干态工况下，车轮试样的表面损伤主要表现为点状凹坑不平，没有出现起皮、大片剥落等损伤情况，表面磨损和损伤比较轻微；钢轨试样表面损伤机制则主要表现为明显片层状剥离，且起皮方向同滚动方向一致.在连续滚动接触中，轮轨界面受到切向摩擦力作用引起表面磨损形成疲劳损伤，磨屑剥落，钢轨材料起皮.对磨副钢轨损伤主要是明显的起皮，损伤比车轮试样严重.
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图 7 轮轨试样表面损伤形貌 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 |
从图 7(c)~(h)中可以看出：3种固体润滑剂作用后，车轮表面同干态工况下的没有明显区别，没有出现起皮、剥离等严重损伤；但3种钢轨表面损伤明显比干态工况下的钢轨表面损伤减轻.钢轨损伤机制主要表现为点状起皮，但比干态钢轨损伤轻微，损伤最严重的是固体润滑剂1作用的钢轨试样，另外两种损伤相对较轻.
在轮轨滚动接触中，轮轨界面摩擦力作用于轮轨接触界面，如果表面切应力超过轮轨材料的屈服极限，轮轨材料表面就会萌生表面裂纹，引起材料表面损伤.对损伤试验后的轮轨试样进行切样，抛光分析，得到图 8所示轮轨试样的剖面OM照片.如图 8(a)和(b)所示，轮轨表面产生了明显的疲劳损伤裂纹，且疲劳裂纹集中在表面，但表面未形成剥离脱落.图 8(c)~(h)是固体润滑剂1、2、3分别作用下轮轨试样剖面OM照片.图 8(c)~(h)所示，固体润滑剂作用下的轮轨界面也产生了明显疲劳裂纹，其原因同干态一样.同时发现图 8(c)~(h)所示的裂纹数量、角度、深度和干态作用下的有所不同，下文对裂纹的相关数据进行统计分析.
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图 8 轮轨试样剖面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 |
根据图 9疲劳裂纹的长度、深度、角度进行统计，3种润滑剂作用后的裂纹长度、深度和角度占干态的比值如图 10所示.
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图 9 损伤裂纹测量示意图 Fig.9 Measurement of the damaged cracks |
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图 10 裂纹尺寸统计图 Fig.10 Statistics data of cracks:(a)wheel; (b)rail |
3种固体润滑剂作用后，只从裂纹长度分析，固体润滑剂都能降低车轮和钢轨疲劳裂纹的长度，只是降低的程度不同.车轮试样的裂纹长度分别是干态下的71%、75%和63%；钢轨试样的裂纹长度分别是干态下的17%、48%和83%，固体润滑剂1对钢轨裂纹的长度降低最大.只从裂纹深度分析，固体润滑剂1对车轮试样的裂纹深度都有加深趋势，固体润滑剂2和3对车轮试样裂纹深度均有降低趋势，分别是干态的86%和98%；固体润滑剂1和3对钢轨的深度有加深作用，固体润滑剂2对钢轨裂纹的深度有降低趋势.仅从裂纹的角度分析，固体润滑剂1和2对车轮裂纹角度有增大趋势，固体润滑剂3对车轮裂纹角度有降低趋势；3种润滑剂对钢轨裂纹的角度均有增大趋势.综上，固体润滑剂对车轮和钢轨裂纹的长度有降低的影响，固体润滑剂对车轮和钢轨裂纹的深度和角度的影响不尽相同.
综合图 6、图 7和图 10分析可以认为，表面疲劳裂纹的长度、深度、角度3个因素综合作用，最终表现为轮轨试样表面的宏观磨损和表面损伤行为，且裂纹的长度对疲劳裂纹扩展行为起主导作用.固体润滑剂通过抑制疲劳裂纹的长度来实现缓解轮轨试样表面疲劳裂纹的扩展行为，抑制疲劳损伤.固体润滑剂1抑制裂纹长度的作用最明显，需进一步微观分析，故下文对干态和固体润滑剂1作用的裂纹进行SEM高倍观察.
图 11是干态和固体润滑剂1作用的轮轨试样损伤裂纹的SEM照片.干态工况下，轮轨表层裂纹沿塑性变形线向材料内部扩展；轮轨试样中都出现分支裂纹，表层裂纹根部同另一裂纹一端相连，形成更大的裂纹，加速疲劳裂纹扩展.由图 11(b)可以看出：钢轨试样表层疲劳裂纹根部断裂，引起轮轨材料剥落；同时在裂纹口内部也出现材料剥落、堆积，表面疲劳损伤明显.固体润滑剂1作用后，只有在钢轨裂纹的中部发现一处分支裂纹，在裂纹口附近出现材料剥落，在裂纹根部没有分支裂纹.经过固体润滑剂作用，轮轨试样表面切应力变小，轮轨试样表层裂纹根部的分支现象得到缓解，裂纹根部的扩展行为得到有效抑制，从而可以缓解轮轨滚动接触疲劳裂纹向材料深处生长，宏观上则表现为降低轮轨试样的磨损量，佐证了图 6的试验结果.
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图 11 轮轨试样疲劳裂纹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 |
在滚动接触应力作用下，轮轨试样材料变形、累积，形成塑性流动变形层.当切向应力达到材料的屈服极限时，塑性变形层产生疲劳损伤裂纹.继续作用，裂纹根部向材料内部生长和扩展.施加固体润滑剂后，轮轨界面的摩擦系数降低，轮轨界面的切向力减小，轮轨试样宏观磨损量降低.车轮试样驱动使切向应力持续作用，轮轨试样产生的疲劳裂纹经过轮轨接触区时，疲劳裂纹开口在轮轨接触区受到正应力挤压，使疲劳裂纹开口更加紧闭.轮轨试样继续转动，当车轮试样的疲劳裂纹转动到固体润滑剂与车轮试样接触区时，固体润滑剂再次对疲劳裂纹进行挤压，裂纹口外侧的轮轨材料更贴近车轮试样表面.同干态工况相比，固体润滑剂作用使轮轨表面切向力变小和固体润滑剂挤压车轮试样疲劳裂纹开口，这两种作用共同作用，相辅相成，使轮轨试样宏观磨损量减小和疲劳裂纹的生长和扩展得到有效抑制.于此同时，也从机理上印证了图 6宏观磨损量的试验结果.
3 结论1) 固体润滑剂对轮轨接触表面具有减摩润滑的效果，并能降低轮轨接触表面磨损量，提高轮轨试样的抗磨性能.
2) 固体润滑剂主要通过降低轮轨表面疲劳裂纹的长度，实现降低轮轨表面磨损量和缓解轮轨表面疲劳损伤；同时能够缓解裂纹根部分支现象，抑制轮轨裂纹生长与扩展行为，提升轮轨材料的抗疲劳损伤性能，延长轮轨服役寿命.
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