水潤滑條件下轉速對車輪鋼滾動接觸疲勞和磨損性能的影響*

林 杰 曾東方 魯連濤 李 偉 鄒 朗 劉衛東

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室 四川成都 610031)

車輪是鐵路車輛關鍵的零部件之一，承載著列車運行的全部重量[1]。當車輪在鋼軌上滾動時，輪軌間會發生嚴重的磨損，并可能出現滾動接觸疲勞，這將會對鋼軌、車上設備產生危害，甚至導致列車出軌[2-3]。隨著鐵路運營速度的提高，車輪材料服役將面臨更多疲勞和磨損問題的挑戰[4-6]。

車輪磨損和滾動接觸疲勞隨運行工況的變化而變化，學者們對此開展了大量研究。MAKINO等[7]研究了滑差率對車輪鋼滾動接觸疲勞性能的影響，發現隨著滑差率增加，摩擦因數逐漸增大，滾動接觸疲勞性能逐漸降低。MA等[8]研究了5種滑差率條件下車輪材料的磨損和滾動接觸疲勞行為，結果表明，隨著滑差率的增大，車輪材料磨損方式由輕微氧化磨損向重度疲勞磨損轉變；輕微氧化磨損情況下，裂紋平行于表面擴展，重度疲勞磨損情況下，材料出現大塊剝落坑。劉吉華[9]研究了接觸應力對輪軌材料磨損量、塑性變形以及疲勞性能的影響，發現隨著接觸應力的增大，車輪材料磨損量呈線性增加；低接觸應力下，鋼軌材料疲勞裂紋比車輪材料疲勞裂紋深，高接觸應力情況下，車輪材料疲勞損傷較鋼軌材料更嚴重。轉速也是影響車輪鋼滾動接觸疲勞損傷的重要因素。HE等[10]利用小尺寸試樣研究了轉速對塑性變形層厚度、材料硬度、裂紋角度和深度的影響，發現隨著轉速增加，材料表層硬度和磨損速率逐漸減小，滾動接觸損傷更加嚴重。丁昊昊等[11]采用ER9和U71Mn輪軌材料進行了不同轉速下的摩擦磨損試驗，發現車輪磨損率隨速度增加而增加，但時間歷程上是先增加后略微減小，車輪材料裂紋變小，磨損表面更加粗糙[11]。上述轉速相關研究僅在干態條件下進行，但車輪運行時也會遭遇雨雪等潮濕天氣。既有研究表明，滾動接觸疲勞裂紋只有在液體存在的條件下才會發生Ⅰ型裂紋的擴展，并引起剝離失效[12-13]。當前，水潤滑條件下轉速對滾動接觸疲勞和磨損的影響機制尚不清楚，有必要對其進行研究。

本文作者采用滾動接觸摩擦磨損試驗機，在水潤滑條件下測試車輪材料在不同轉速下的剝離壽命、摩擦因數和磨損率，并結合磨損形貌和裂紋擴展形貌觀察，分析轉速對車輪材料摩擦磨損和滾動接觸疲勞損傷的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗材料及制備

試驗用車輪和鋼軌試樣材料分別取自ER8車輪輪輞和U71Mn熱軋鋼軌軌頭，具體取樣示意圖參見圖1(a)。車輪、鋼軌試樣形狀尺寸參見圖2，試樣接觸面粗糙度Ra≈0.2 μm。試驗材料化學成分見表1。

圖1 車輪/鋼軌取樣示意和車輪剖面觀察示意Fig 1 Sampling sketch of wheel/rail (a) and observation sketch of wheel profile (b)

圖2 滾動接觸摩擦磨損試驗示意(mm)Fig 2 Schematic of rolling-sliding test(mm)

表1 試驗材料的化學成分及質量分數單位：%

1.2 試驗條件和過程

(1)

式中:ΔD為車輪試樣直徑減少量;Nf為剝離壽命;D0為初始直徑。

當試樣產生表面剝離(車輪試樣所在從動軸垂向振動加速度達到0.5g)或循環次數達到1×106時，停止試驗。試驗后，采用線切割機對車輪試樣按圖1(b)進行切割，使用JSM-6610LV掃描電鏡(SEM)觀察試樣表面磨損形貌，并利用能譜儀(EDS)分析試樣氧化程度；用3%～5%硝酸乙醇溶液對剖面進行腐蝕，然后采用OLYMPUS型激光共聚焦顯微鏡(CLSM)對試樣剖面的斜裂紋和塑性變形層進行觀察。

2 試驗結果及分析

2.1 滾動接觸疲勞壽命

為分析轉速對滾動接觸疲勞壽命的影響，將試驗獲得的壽命數據點進行線性擬合，擬合結果如圖3所示。可以看出：W1000試樣滾動接觸疲勞壽命最短，2次試驗的循環次數分別為2.62×105和4.11×105；W250試樣滾動接觸疲勞壽命最長，2次試驗的分別為5.83×105和7.32×105；W750試樣和W500試樣的滾動接觸疲勞壽命則處在中間水平，W750試樣的滾動疲勞壽命較W500試樣略小。雖然相同轉速下滾動接觸疲勞壽命數據有一定的分散性，但總體來看，車輪材料滾動接觸壽命隨著轉速的增大而減小。

圖3 滾動接觸疲勞壽命隨轉速的變化Fig 3 Variation of rolling contact fatigue life with rotational speeds

2.2 摩擦磨損行為

圖4給出了不同轉速下試樣平均摩擦因數變化情況，W250、W500、W750和W1000試樣平均摩擦因數分別0.21、0.22、0.26、0.35。總體而言，隨著轉動速度的增大，平均摩擦因數呈現上升趨勢。當轉速由250 r/min增加至500 r/min，平均摩擦因數增幅偏小，當轉速由500 r/min增加至1 000 r/min，平均摩擦因數顯著增加。另外，從圖5給出的磨損速率WD隨轉速的變化規律，可以看出磨損率隨轉速變化呈現先減小后增大趨勢，且在研究的轉速范圍內，分別在500、1 000 r/min達到最小和最大。

圖4 不同轉速下的摩擦因數Fig 4 Friction coefficient at different rotational speeds

圖5 磨損速率WD隨轉速的變化Fig 5 Variation of wear rate WD with rotational speeds

2.3 表面剝離形貌

剝層理論認為，若車輪和鋼軌摩擦副在法向壓力作用下發生相對滑動，材料會在剪切力作用下發生塑性積累，最后發生位錯和晶體滑移，形成微裂紋[14]。隨著連續的轉動，裂紋會平行于表面擴展，達到臨界尺寸后，裂紋上方細小磨屑會以層片狀的形式剝落。

圖6分別示出了W250、W500、W750和W1000試樣在200倍掃描電鏡下的磨損形貌。可知，所有試樣表面均發生了不同程度的磨損。其中W250和W750試樣損傷形貌相似，微裂紋呈魚鱗狀分布，并伴隨著卷起的片狀磨屑，裂紋方向垂直于切向力方向；W500試樣則無明顯剝落凹坑，僅含有若干魚鱗狀微裂紋；W1000試樣表面磨損最嚴重，分布著寬大的淺層剝落凹坑。

圖6 不同轉速下車輪試樣磨損形貌SEM圖Fig 6 Scanning electron microscope of wear morphology of wheel specimens at different rotational speeds (a)W250;(b)W500;(c)W750;(d)W1000

為觀測不同轉速下試樣氧化程度，在掃描電鏡下對上述試樣磨損面進行能譜分析，結果如圖7所示。可以看出，隨著轉速的增加，車輪試樣表面被氧化程度逐漸增加，4種轉速下氧元素質量占比依次為4.81%、6.46%、13.31%、15.14%，表明氧化程度在500～750 r/min速度區間快速增加。

圖7 不同轉動速度下車輪試樣磨損面EDS分析譜圖Fig 7 EDS analysis spectrum of worn surface of wheel specimens at different rotational speeds (a)W250;(b)W500;(c)W750;(d)W1000

2.4 剖面形貌

圖8分別示出了W250、W500、W750和W1000試樣剖切面斜裂紋擴展的觀測結果。可以看出，W250、W500、W750和W1000試樣典型的裂紋擴展角度分別為30°、26°、23°、16°，裂紋分叉深度分別為1 166、611、529、221 μm，最大裂紋擴展深度分別為1 842、1 546、914、514 μm。可見，隨著轉速的增加，車輪材料裂紋擴展角度、裂紋分叉深度以及最大裂紋擴展深度均呈現減小的趨勢。

圖8 不同轉速下車輪試樣剖面斜裂紋形貌Fig 8 Morphology of inclined crack propagation of wheel specimens at different rotational speeds (a)W250;(b)W500;(c)W750;(d)W1000

圖9所示為不同轉速下試樣表層材料的塑性流動情況，其中黑白相間組織為鐵素體-珠光體組織。可以看出，在不同轉速下，所有試樣沿著切向力方向發生了明顯塑性流動，且塑性層厚度隨轉速增加而減小。周桂源[15]認為，塑性流動層厚度主要取決兩方面，首先是棘輪效應引起的表層材料塑性變形累積,其次是磨損對塑性變形層的消除作用,最終塑性流動層厚度取決于棘輪效應和磨損之間競爭。其中，棘輪效應主要由摩擦因數決定。從圖4和圖5所示的不同速度下的摩擦因數和磨損速率可推斷，W1000試樣較小的塑性流動層厚度，主要由較大的磨損導致的，W250試樣較大的塑性流動層厚度，是由輕微的磨損導致的。

但她始終沒有生下一兒半女，和家世顯赫、兒女雙全的王夫人相比，處處都相形見絀。所以即便身為長房媳婦，卻時時被二房壓了一頭。

圖9 不同轉速下車輪試樣剖面塑性變形Fig 9 Profiled deformation of wheel specimens at different rotational speeds (a)W250;(b)W500;(c)W750;(d)W1000

3 討論

JING等[16]研究了車輪鋼材料在不同應變速率下的力學響應，發現應變速率越快，相同應力作用下應變響應越小。如圖7(a)、(b)所示，低速運轉情況下材料被氧化程度不明顯，且摩擦因數變化較小，如圖4所示。此時，應變速率的提高導致材料發生的應變響應減小，磨損速率也相應減小，如圖5所示。如圖7(c)、(d)所示，高速運轉情況下材料氧化程度明顯，導致輪軌摩擦副的摩擦因數顯著增大(如圖4所示)，進而加劇材料磨損(如圖5所示)。

車輪材料剝離壽命是一個宏觀觀測結果，總體而言是由磨損和滾動接觸疲勞兩方面決定，但其中影響因素眾多，包括垂向力、摩擦因數、氧化作用、液體黏度、滑差率、溫升帶來的材料轉變以及磨損速率等等[1,17-18]。如圖3所示，隨著車輪轉速的提高，試樣剝離壽命呈下降趨勢。結合文中已獲得的試驗結果，可以從裂紋萌生和擴展兩方面分析轉速對車輪材料剝離壽命的影響：

(1)隨轉速的增大摩擦因數整體呈增長趨勢，在相同垂向力下，車輪承受切向力也隨轉速提高而增大。MAGEL和ERIC[12]介紹了眾多滾動接觸疲勞裂紋萌生模型，包括等效應變法、臨界平面法、能量密度法、臨界平面-能量法、經驗模型法等，都將切向力或者剪切應變作為控制裂紋萌生的主要參數。肖乾等人[19]采用有限元分析了摩擦因數對車輪滾動接觸疲勞影響，表明摩擦因數增大會導致車輪的接觸狀態接近棘輪效應區，在循環載荷下更容易發生疲勞失效。因此，高速工況下，摩擦因數的急劇增大，使表層材料更早地突破棘輪應變的臨界值，從而導致裂紋更早萌生。

(2)轉速的提高會顯著增強試樣被氧化程度，導致摩擦因數顯著增大。所以在高速帶來的高摩擦因數條件下，裂紋分叉深度更小(如圖8所示)，裂紋在更淺位置時即發生了向表面轉折，從而能更快地擴展至剝離失效。水潤滑條件下，液體進入裂尖后，主要有以下兩方面作用：(a)對裂紋尖端的擠壓效應，增大Ⅰ型裂紋應力強度因子，驅動裂紋以Ⅰ型裂紋方式擴展；(b)通過潤滑裂紋面，消除了裂紋面間的自鎖效應，可驅動裂紋以Ⅱ型裂紋方式進行擴展[20]。MAKINO等[17]利用線彈性斷裂力學理論，采用ABAQUS有限元軟件詳細論證了Ⅱ型裂紋應力強度因子是裂紋向表面擴展的直接動力。所以，對轉速逐漸增大的水潤滑試驗而言，車輪表面承受的切向力逐漸增大，導致剪切型(Ⅱ型)應力強度因子增大,使裂紋提前向表面擴展，從而減小剝離壽命。

綜上所述，高轉速帶來的高摩擦因數一方面增加了車輪表面切向力，從而使得裂紋更早的萌生；另一方面，使得剖面裂紋擴展至較淺的位置，即發生向表面的轉折，進而縮短了剝離失效的壽命。

4 結論

(1)隨著轉速提高，車輪材料氧化程度加劇，導致摩擦因數逐漸增加。

(2)當轉速由250 r/min增加到500 r/min時，摩擦因數增幅較小，應變速率增加導致磨損速率下降；由500 r/min增加到1 000 r/min時，摩擦因數急劇增加，導致材料磨損速率增加。

(3)隨著轉速提高，剖面塑性流動層厚度、裂紋擴展角度、裂紋分叉深度和最大擴展深度均呈現減小趨勢。

(4)轉速增加帶來的摩擦因數的增加，一方面縮短裂紋萌生壽命，另一方面減小了裂紋發生向上轉折的深度，最終導致滾動接觸疲勞壽命隨轉速的增加而減小。