鐵道車輛承載摩擦副摩擦系數測試方法研究

皮國瑞，張曉軍，崔 蕾，于 磊，蘇 鵬，劉 冬

25K型普通鐵路客車裝用的CW-2、SW-160和209HS三種轉向架均采用全旁承支重結構，部分城市軌道列車有的也采用旁承支重結構。承載摩擦副的性能直接影響列車蛇形失穩臨界速度及車輛曲線通過性能。承載摩擦副性能的最重要指標是摩擦系數，同時還應兼顧耐磨性、自潤滑性、高可靠性。通過車輛動力學仿真計算分析，承載摩擦副摩擦系數與車輛蛇形失穩臨界速度相對關系如圖1所示。

圖1 摩擦系數對臨界速度的影響

產品摩擦系數不是材料的固有屬性，它與產品本身特性、產品表面形狀等都有很大關系。因此，在實際條件下直接進行摩擦系數測試非常重要。

出口土耳其伊茲密爾的輕軌列車采用旁承支重結構，承載摩擦副下旁承選用含油鑄型尼龍材料，其具有優良的綜合力學性能、自潤滑性能、耐磨、使用壽命長等優點。上旁承選用不銹鋼材質，具有良好的抗氧化性、耐腐蝕性能和防銹性能。

本文介紹對承載摩擦副進行摩擦系數測試，最終確定車輛蛇形失穩臨界速度的方法。

1 試驗裝置

摩擦系數試驗裝置選用軌道車輛空氣彈簧綜合性能試驗臺，機械部分結構設計如圖2所示。試驗臺采用多軸協同加載系統控制作動器可對試件進行協同加載，準確模擬和實現試件在各個方向的運動，準確模擬車輛工況。

圖2 摩擦系數測試試驗臺

2 測試方法

TB/T3270-2011《鐵道貨車心盤磨耗盤》及TB/T2841-2010《鐵道車輛空氣彈簧》對摩擦系數測試的條件分別規定了不同的試驗方法，循環次數、載荷條件、試驗振幅及試驗速度均不相同。兩個鐵路標準規定的試驗振幅、試驗速度及載荷與車輛實際工況也不相同。為準確測試承載摩擦副摩擦系數，將試驗載荷、循環次數、試驗振幅、試驗速度、水平定位剛度等因素分別作為單一變量測試，以確定最終測試方法。

2.1 垂向試驗載荷摩擦系數試驗臺僅可模擬每臺轉向架一組摩擦副進行摩擦系數測試試驗，經計算，承載摩擦副的靜態垂向載荷見表1。

表1 車輛靜態載荷表

分別選用37.3kN作為AW0試驗載荷，71.5kN作為AW3試驗載荷。在速度2.3mm/s、振幅±15mm、水平剛度4kN/mm的試驗條件下進行不同垂向試驗載荷的摩擦系數對比，試驗結果見圖3。

圖3 垂向載荷對摩擦系數影響

隨著垂向載荷增加，承載摩擦副的摩擦系數呈降低趨勢。垂向載荷不同，承載摩擦副產生的塑性變形量也不同，隨垂向載荷增加，承載摩擦副接觸面積會相對增大，其產生的壓應力變化與垂向載荷非正比關系，垂向載荷與水平力對比折線圖如圖4所示。由于垂向載荷會影響承載摩擦副的摩擦系數，空、重車載荷均需進行測試。

圖4 垂向載荷與水平力對比折線圖

2.2 循環次數TB/T2841-2010《鐵道車輛空氣彈簧》對循環次數規定“先進行10個周期的預循環，記錄第11個循環的載荷位移數據。”；TB/T3270-2011《鐵道貨車心盤磨耗盤》對循環次數規定“試件預磨300次（每個循環為一次），再循環運行20此后，方可正式測試摩擦系數。”試驗振幅為±15mm，試驗速度按2.3mm/s，試驗載荷為車輛重車載荷，水平剛度4kN/mm，不同循環次數條件下，試驗結果見表2。

表2 不同試驗循環次數對比表

摩擦系數變化幅值為0.0084，隨著試驗次數每增加100次，摩擦系數僅變化0.0081，試驗次數對摩擦系數影響不大。為節省試驗時間，確定每次摩擦系數測試試驗的預摩擦試驗次數為100次。

2.3 試驗振幅TB/T3270-2011規定試驗振幅為±15mm，TB/T2841-2010規定試驗振幅為±10mm，車輛在最小水平曲線狀態下振幅為±5.6mm。試驗速度按2.3mm/s，試驗載荷為車輛重車載荷，水平剛度4kN/mm，經過100次預循環后，通過測試，在不同試驗振幅條件下，試驗結果見表3。

表3 不同試驗振幅對比表

不同試驗振幅條件下，摩擦系數變化幅值為0.0039，為達到更好的預磨效果，確定試驗振幅為±15mm。

2.4 試驗速度TB/T3270-2011規定試驗速度為12mm/s，TB/T2841-2010規定試驗速度為5mm/s，車輛在通過曲線狀態下的摩擦副相對旋轉速度為2.3mm/s。試驗振幅按±15mm，水平剛度4kN/mm，試驗載荷為車輛重車載荷，經過100次預循環后，通過測試，在不同試驗速度條件下得到的試驗結果見表4。

表4 不同試驗速度對比表

摩擦系數變化幅值為0.0159，由于列車通過曲線時，承載摩擦副相對移動速度為2.3mm/s,為更貼合車輛實際情況，確定試驗速度為2.3mm/s。

2.5 水平定位剛度承載摩擦副下部使用剛性支承和圓錐橡膠彈簧支承進行對比測試，試驗結果見表5。

表5 不同水平定位方式對比表

圓錐橡膠彈簧支承與車輛結構類似，均采用彈性定位，但圓錐橡膠彈簧的水平剛度（4kN/mm）要遠小于車輛水平定位剛度（50kN/mm）。通過測試，在不同水平剛度定位條件下，摩擦系數最大變化值為0.0169，根據車輛結構情況，確定試驗方案選用剛性支承。

3 摩擦系數測試

根據上述影響試驗條件進行驗證，確定最終摩擦系數測試試驗方法為：在剛性支承試驗摩擦副的條件下，分別施加空、重車載荷，以2.3mm/s的速度和±15mm的振幅，經過100次預循環后，正式測試摩擦系數，對兩個方向的水平力值取絕對值后平均，得到的平均值與垂向載荷的比值即為摩擦系數。空、重車載荷狀態下摩擦系數測試結果分別見圖5和圖6。

圖5 空車載荷測試結果示意

圖6 重車載荷測試結果示意

4 結束語

軌道車輛承載摩擦副在上、下旁承表面狀態已確定的情況下，準確測定摩擦系數對上、下旁承材質選取至關重要。通過對試驗臺影響因素的分別比較，試驗振幅、循環次數、試驗速度對承載摩擦副摩擦系數測試基本無影響，試驗摩擦副的水平定位剛度，需根據車輛具體情況進行真實模擬。通過對含油鑄型尼龍與不銹鋼材質鋼板組成的摩擦副進行試驗，測得空車載荷摩擦系數為0.1813，重車載荷下摩擦系數為0.1678，進一步推算出車輛的蛇形失穩臨界速度為180kM/h，承載摩擦副的摩擦系數符合材料的性能要求及車輛的運用要求。