輪緣固體潤滑劑對輪軌減摩性能影響試驗研究

宋靖東，程焯，王文健，郭俊，劉啟躍

輪緣固體潤滑劑對輪軌減摩性能影響試驗研究

宋靖東1,2，程焯1，王文健1，郭俊1，劉啟躍1

（1.西南交通大學 摩擦學研究所，四川 成都 610031；2.西南交通大學唐山研究生院，河北 唐山 063000）

利用MJP-30A滾動接觸疲勞試驗機完成試驗工作，針對不同固體潤滑劑的作用工況，分析摩擦力矩和摩擦系數隨著試驗力的變化，探究試驗力對摩擦系數的影響；分析干態和兩種不同固體潤滑劑作用后的輪軌摩擦性能和固體潤滑劑的有效作用時間，探究固體潤滑劑的使用性能；分析固體潤滑劑的磨損率和附著率情況，探究固體潤滑劑的最佳應用性能。結果表明：隨著試驗力變大，摩擦力矩近乎呈線性增大，摩擦系數先降低后趨于平穩；隨著蠕滑率增大，1#潤滑劑的摩擦系數先達到0.2左右，后趨于平穩；兩種固體潤滑劑的有效作用時間均相近，均為4分鐘左右，1#潤滑劑的磨損率較小，1#潤滑劑在輪軌試樣界面的附著率也優于2#固體潤滑劑。

固體潤滑劑；摩擦系數；應用性能

鋼軌側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則為疲勞損傷[1]。鋼軌打磨是緩解鋼軌磨耗的有效方式，杜星[2]利用SIMPACK仿真計算得知打磨后的鋼軌在運行中的橫向力大大減小。同打磨相比，輪緣潤滑是緩解鋼軌側磨的有效方法，它不僅可以有效改善機車曲線通過性能[3]，還因為操作簡單、人工成本低而受到重視。輪緣潤滑技術主要分為固體潤滑和油脂潤滑。Uddin M G[4]對重載鐵路小曲線潤滑進行研究，認為進行有效監控潤滑效果才可使潤滑效果最優化。在固體潤滑劑應用效果方面，加拿大Kelsan公司的Donald和Eadie[5]研發的固體潤滑棒可以穩定控制摩擦系數在0.15～0.2；杜偉[6]也認為合理的摩擦系數會降低輪軌磨耗；姚光督等[7]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，得出的結論是PTFE質量分數增加時復合材料的干摩擦系數可下降至0.17，說明由PTFE構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[8]認為熱固性樹脂可以改善固體潤滑劑的承載力和耐磨性。同時，固體潤滑劑不僅可以有效降低輪緣和鋼軌磨耗，陳波[9]還發現可以緩解輪軌摩擦噪聲。

輪緣固體潤滑劑可降有效低輪緣和軌側的磨損，對延長輪軌服役壽命有重要作用。本文利用MJP-30A滾動接觸疲勞試驗機研究干態和兩種輪緣固體潤滑劑對輪軌界面摩擦性能的影響，研究結果能為輪緣固體潤滑技術的工程應用提供一定的理論指導。

1 試驗部分

試驗工作在MJP-30A滾動接觸疲勞試驗機上完成，采用兩個輪形試樣來模擬現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，固體潤滑劑的施加是通過定滑輪連接砝碼來實現。車輪和鋼軌試樣的取樣如圖2所示。

試驗參數：①接觸應力在摩擦系數隨摩擦力矩和試驗力變化的試驗中為490 N、980 N、1470 N、1960 N，其余試驗中為715 MPa；②固體潤滑劑的施加應力為0.1 MPa；③蠕滑率在摩擦系數－蠕滑率試驗中為0%～8%，其余試驗中為1%；④轉速在附著性能試驗中為400 r/min，其余試驗中為500 r/min。

本文選取工程中在用兩種不同輪緣固體潤滑劑，分別命名為固體潤滑劑1#、固體潤滑劑2#，其主要作用是可以有效降低輪緣和軌側接觸面的的摩擦系數，從而達到改善輪軌之間的摩擦磨損和疲勞損傷的效果；選用精密電子天平（TG328A）稱量輪軌試樣質量并計算磨損量。

圖1 固體潤滑劑添加示意圖

圖2 試驗車輪和鋼軌試樣的取樣示意圖

2 結果與分析

如圖3所示，在轉速、蠕滑率一定時，輪軌界面的摩擦力矩隨試驗力近似呈線性變化，即隨著試驗力增大，摩擦力矩會近似線性變大。這是因為隨著輪軌界面接觸應力的變大，作用在輪軌界面的切向摩擦力隨之變大，即與之對應的摩擦力矩呈現增大的趨勢；由于試驗力呈線性變化，摩擦力矩的變化也幾乎呈現線性。對比可知，使用2#的摩擦力矩要大于1#，1#潤滑劑對輪軌界面的減摩潤滑作用明顯優于2#潤滑劑。

圖3 摩擦力矩－試驗力曲線

如圖4所示，隨著試驗力的增加，摩擦系數先降低再趨于平穩；1#的輪軌摩擦系數整體小于2#，也再次佐證圖3的結果。圖3顯示輪軌接觸應力對摩擦力矩有影響，圖4表明試驗力變化對輪軌界面摩擦系數的影響并不特別明顯。對比可知，使用2#的摩擦系數要大于1#，即1#潤滑劑對輪軌界面的減摩潤滑作用明顯優于2#潤滑劑，試驗結論同圖3結論一樣。

圖4 摩擦系數－試驗力曲線

圖5為使用兩種不同固體潤滑材料時和干態工況下的輪軌摩擦－蠕滑曲線。干態工況下，蠕滑率達到3%左右時，摩擦系數開始趨于平穩，此時摩擦系數為0.62左右。隨著蠕滑率的增大，1#的摩擦系數先是達到0.2左右，后趨于平穩。在蠕滑率低于5%時，隨著蠕滑率的增大，2#的摩擦系數增長比較緩慢；當蠕滑率超過6%時，2#的摩擦系數增大較快；蠕滑率達到7%左右時，2#對輪軌摩擦系數幾乎沒有影響，與干態時的輪軌摩擦系數相近。這是因為對比小蠕滑率情況時，當輪軌試樣接觸界面之間的蠕滑率較大，上下試樣之間的相對滑動就比較明顯，相同的輪軌轉速時黏附在接觸界面的固體潤滑劑就不能在接觸界面形成一定厚度的固體潤滑劑層，即表現為對接觸界面不能形成有效的潤滑減摩效果。在較大蠕滑率下，1#潤滑劑仍能將干態工況下的摩擦系數降低到0.2左右，但2#作用效果已經同干態接近，幾乎可以認定為已經失去減摩潤滑效果。

圖5 摩擦系數－蠕滑率曲線

圖6為兩種固體潤滑劑的有效作用時間曲線。兩種固體潤滑劑分別作用輪軌界面3 min，然后去除固體潤滑劑，研究不同潤滑劑的有效作用時間的不同。結果表明：1#和2#的有效作用時間均為4 min左右，有效作用時間基本一致；但是，2#的摩擦系數波動較大上下浮動值接近0.05，1#的摩擦系數相對比較穩定。去除固體潤滑劑作用，兩種潤滑劑作用的輪軌摩擦系數都沒有立即恢復到相應的干態摩擦系數水平，這是因為雖然固體潤滑劑不再繼續作用輪軌界面，但輪軌界面凹凸不平的的微凹體內仍然殘留有固體潤滑劑固體顆粒；隨著持續滾動接觸作用，切向摩擦力作用使得微凹體持續磨損，微凹體內殘留的固體潤滑劑逐漸被碾壓作用到輪軌界面會被輪軌界面；隨著時間推移，輪軌試樣表面磨損加劇，表面微凹體都被切向摩擦力作用去除，殘留的固體潤滑劑消耗殆盡失去減摩潤滑效果，即輪軌界面摩擦系數恢復到干態工況相當的摩擦系數水平。

圖7給出兩種固體潤滑劑的磨損率情況。結果表明：1#和2#的磨損率均在0.2～0.4 mg/min內；1#的磨損率較小，2#的磨損率較大。這是因為固體潤滑劑作用輪軌界面時切向摩擦力作用使得潤滑劑涂覆在試樣表面產生減摩潤滑效果。1#潤滑劑顆粒之間的固結程度稍好，表現為相同切向摩擦力作用下1#潤滑劑的磨損率更低、使用時間更長久，可以有效減小輪軌試樣界面摩擦系數的距離更長。

圖6 固體潤滑劑有效作用時間

圖7 固體潤滑劑磨損率

在轉速400 r/min試驗條件下空轉20 s進行固體潤滑劑附著性試驗，結果表明：1#的附著率為91%～100%，2#的附著率為81%～90%。輪軌界面切向摩擦力作用于固體潤滑劑，固體潤滑劑顆粒填充輪軌界面凹凸不平的微凹體內部，即在輪軌試樣表面產生附著行為。由于1#潤滑劑顆粒之間的固結程度稍好于2#，1#潤滑劑粘附在輪軌試樣表面的面積比例稍大于1#潤滑劑的。綜上所訴，1#固體潤滑劑減摩潤滑的效果要優于2#。

3 結論

（1）隨著試驗力變大，摩擦力矩近乎呈線性增大；隨著試驗力的增大，施加潤滑劑的輪軌摩擦系數，先降低后趨于平穩。隨著輪軌界面接觸應力變大，作用在輪軌界面的切向摩擦力隨之變大，即與之對應的摩擦力矩呈現增大的趨勢；由于試驗力的變化是呈線性變化，摩擦力矩的變化也幾乎呈線性變化。

（2）隨著蠕滑率的增大，1#潤滑劑的摩擦系數先是達到0.2左右，而后趨于平穩；隨著蠕滑率的增大，1#和2#的摩擦系數增長均增大；當蠕滑率達到7%左右時，2#對輪軌摩擦系數幾乎沒有影響，即2#失去潤滑和減摩效果。當接觸界面的蠕滑率較大，上下試樣之間的相對滑動就比較明顯，固體潤滑劑就不能在接觸界面形成有效的固體潤滑劑層，即表現為對接觸界面不能形成有效的潤滑減摩效果。

（3）兩種固體潤滑劑的有效作用時間都是4 min左右，但2#的摩擦系數波動較大，1#的摩擦系數相對比較穩定；1#潤滑劑的磨損率較小，1#潤滑劑在輪軌試樣界面的附著率也優于2#。連續滾動接觸時切向摩擦力作用使微凹體持續磨損，輪軌界面微凹體內殘留的固體潤滑劑逐漸作用輪軌界面。

根據不同固體潤滑劑的不同應用效果擇優選用，可提升固體潤滑劑實際工程應用價值。

[1]劉啟躍，王文健，周仲榮. 高速與重載鐵路鋼軌損傷及預防技術差異研究[J]. 潤滑與密封，2007，32（11）：11-14.

[2]杜星，郭俊，陳婧，等. 地鐵線路控制鋼軌波磨的鋼軌打磨技術應用研究[J]. 機械，2011，38（10）：9-13.

[3]于春廣，陶功權. 地鐵車輪磨耗測試及數值仿真[J]. 工程力學，2016，33（1）：201-208.

[4]UDDIN M G，CHATTOPADHYAY G，RASUL M. Development of effective performance measures for wayside rail curve lubrication in heavy haul lines[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part F Journal of Rail & Rapid Transit，2014，228（5）：481-495.

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[9]CHEN B. Experimental Study on train wheel/rail noise reducing using a new type of lubricants[J]. Lubrication Engineering，2010-05.

Experimental Study of Effect of Wheel Flange Solid Lubricants on Friction Reduction Performance of Wheel/Rail

SONG Jingdong1,2，CHENG Zhuo1，WANG Wenjian1，GUO Jun1，LIU Qiyue1

(1.Tribology Research Institute, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2.Tangshan Graduate School of Southwest Jiaotong University, Tangshan 063000, China)

The MJP-30A rolling fatigue testing machine was used to complete all the test work. According to the working conditions of different solid lubricants, the friction torque and coefficient of friction are analyzed with the test force, and the coefficient of friction was investigated. Influence; Analyze the effect of dry condition and wheel-rail friction performance of two different solid lubricants and the effective action time of solid lubricants, explore the influence of different solid lubricants on applicant performance; analyze the solid lubricants wear rate and adhesion rate, to study the best application performance of solid lubricants. The results show that as the test force becomes larger, the friction torque increases almost linearly, the coefficient of friction decreases firstly and then stabilizes; with the increase of creep rate, the coefficient of friction of 1# lubricant first reaches about 0.2, and then tends to be stable; the effective action time of the two solid lubricants are similar, both are about 4 minutes, and the wear rate of 1# lubricant is small. The adhesion rate of 1# lubricant at the interface of wheel and rail sample is also better than that of 2# solid lubricant.

solid lubricant；coefficient of friction；performance of application

U213.4+2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.09.009

1006－0316 (2018) 09－0055－04

2018－07－02

四川省重點研發計劃項目（2018GZ0368）；四川省高校科研創新團隊資助項目（18TD0005）

宋靖東（1988－），男，山東臨沂人，碩士研究生，主要研究方向為軌道交通輪軌界面摩擦調控。