不同介質作用下輪軌摩擦性能研究

左維琦　羅云萌　馬濤

摘要：利用MMS-2A型摩擦磨損試驗機開展不同介質下輪軌摩擦性能研究，主要研究摩擦系數的變化。研究干摩擦情況下、水態下、油介質潤滑條件下、防凍液條件下對輪軌材料的摩擦磨損性能影響，系統分析研究不同條件下輪軌材料的摩擦系數變化。結果表明：不同介質工況下的輪軌摩擦系數明顯不同，干態下輪軌摩擦系數最大，水潤滑下次之，油潤滑下還有所下降，最低的摩擦系數為添加了防凍劑后;隨著環境濕度的增加，輪軌摩擦系數明顯下降;滑差率對摩擦系數影響顯著，隨著滑差率增加，輪軌摩擦系數將顯著增加;不同流量下，整體變化趨勢無明顯差異，隨著流量的增大，干態與水態工況的狀態摩擦系數的轉換差異越來越趨于相似，1ml的小流量對摩擦系數影響較大;油介質下摩擦系數較小，隨流量的增大，摩擦系數呈現降低趨勢。

關鍵詞：輪軌;摩擦;干態;水;油

隨著高鐵行業的發展，對電力機車負荷的要求愈來愈高，鐵路工作主要依靠輪軌間的摩擦力，提升機車的運行能力是一個亟待需要解決的課題[1]。干態情況與介質存在條件下，輪軌接觸區的表面形態與壓力分布都會發生較大變化，為了減小輪軌接觸面的壓力，所以輪軌介質接觸一般處于部分潤滑狀態。因此，尋求最佳工況下的輪軌摩擦特性，是非常重要的。很多學者對該方面內容進行了研究，CHEN[2]等進行了水介質條件下輪軌表面粗糙度、速度、水溫對粘著特性影響的數值計算分析，張衛華[3]等開展了包括干凈表面、水潤滑和油潤滑三種輪軌表面狀態在不同軸重、不同速度工況下的粘著試驗。

通過MMS-2A型微機控制摩擦磨損試驗機開展不同工況下的試驗，了解不同工況下輪軌摩擦系數的變化，研究成果可為輪軌實際工作提供重要的理論參考與技術指導。

1試驗簡介

在MMS-2A型微機控制摩擦磨損試驗機上開展試驗，試驗采用雙輪對滾動接觸方式進行，上、下試樣在雙速電動機的帶動下運行。試驗采用赫茲模擬準則進行，可使得實驗室條件下模擬輪軌試件間的平均接觸應力和接觸橢圓的長短軸之比與現場中的一致。設置上輪為車輪，下輪為輪軌，兩試樣直徑都為40mm。試驗上下試樣結構尺寸如圖1所示：

試驗參數：下鋼軌轉速200r/min，上車輪轉速180r/min，鋼軌材料為U71Mn熱軋軌，車輪材料為CL60鋼。試驗在室溫條件下（23-25℃）干態、水態、油、防凍劑等介質下進行。水的溫度為常溫，油為中國石油集團蘭州潤滑油廠生產的L-CKC220齒輪油，防凍液選擇乙二醇。滑差率分別選擇0.17%、0.91%、2.38%、3.83%、4.55%、9.43%，流量選擇為1ml、3ml、5ml、10ml、20ml，防凍液濃度分別為35%、50%、65%、80%。溫度為室溫，水溫為常溫。

試驗過程中會給出一個法向力，該法向力通過法向傳感器施加，運行過程中會產生一個切向力，該切向力通過扭矩傳感器測量計算得到，摩擦系數為測得的切向力與施加法向力的比值。

2結果與分析

2.1室溫條件不同介質1ml流量下摩擦系數

室溫條件下，不用介質下摩擦系數變化較大。隨著試驗時間的增加，摩擦系數趨于平穩，干態下摩擦系數最大，其值在080左右，水介質潤滑下摩擦系數值在0.60左右，相比干態下降低了25%，油潤滑條件下，由于潤滑油潤滑效果良好，摩擦系數大幅下降，其值穩定在0.18左右，防凍液的加入，對于降低摩擦系數也起到了明顯的作用。但較小的摩擦系數會導致輪軌間摩擦力太小，不利于列車的安全運行。

2.2不同濕度下摩擦系數

濕度對摩擦系數影響較大，當濕度值處于15%～55%時，摩擦系數相差不大，隨著濕度增加，達到75%-95%時，摩擦系數明顯降低。不同濕度工況下的摩擦系數較為不同，隨著輪軌之間表面濕度的增加，摩擦系數將降低，當濕度為35%時，摩擦系數與干態時趨于一致，也就是室溫時的狀態。濕度增加到95%時，摩擦系數明顯減小。上述結果表明輪軌面的濕度對摩擦性能影響明顯。

2.3室溫干態不同滑差下摩擦系數

隨著滑差率增加，輪軌摩擦系數將顯著增加。滑差率為943%時，摩擦系數非常大，效果較差。隨著滑差率的減小，摩擦系數大幅降低，當滑差率為0.17%時，摩擦系數穩定在0.37左右。滑差率與摩擦系數呈正比趨勢。

2.4室溫水態不同流量下摩擦系數

不同流量下，整體變化趨勢無明顯差異，隨著流量的增大，干態與水態工況的狀態摩擦系數的轉換差異越來越趨于相似，1ml的小流量對摩擦系數影響較大。

2.5室溫油介質不同流量下摩擦系數

油介質下摩擦系數較小，隨流量的增大，摩擦系數呈現降低趨勢。很明顯可以看出，在1ml下摩擦系數整體偏高，而10ml下摩擦系數最低。

3結論

（1）不同介質對輪軌摩擦系數影響明顯，干態下最大，油水介質下的摩擦系數最小;水介質將降低輪軌摩擦系數，隨濕度增加輪軌摩擦系數明顯下降。

（2）滑差率顯著影響摩擦系數，隨著滑差率增加，輪軌摩擦系數將顯著增加。

（3）不同流量下，整體變化趨勢無明顯差異，隨著流量的增大，干態與水態工況的狀態摩擦系數的轉換差異越來越趨于相似。流量越小，影響越大。

（4）油介質下摩擦系數較小，隨流量的增大，摩擦系數呈現降低趨勢。

參考文獻：

[1]劉啟躍，周仲榮.受制滾動鋼摩擦副的摩擦特性研究[J].機械工程學報，2003，39（7）：56-58.

[2]CHENHua，ISHIDAM，NAKAHARAT.Analysisofadhesionunderwetconditionsforthree-dimensionalcontactconsideringsurfaceroughness[J].Wear，2005（258）：1209-1216.

[3]張衛華，周文祥，陳良麒，等.高速輪軌粘著機理試驗研究[J].鐵道學報，2000，22（2）：20-24.

作者簡介：左維琦（1989-），女，陜西渭南人，碩士，講師，主要從事機械工程、電氣控制與PLC應用等方面的教學工作，輪軌摩擦與潤滑方面的研究工作。