滑差對重載列車輪軌黏著特性與表層損傷的影響

李春紅，閔林峰，沈明學，3，熊光耀，3

（1.華東交通大學材料科學與工程學院，江西 南昌330013；2. 溫州職業技術學院機械工程系，浙江 溫州325035；3. 華東交通大學載運工具先進材料與激光增材制造南昌市重點實驗室，江西 南昌330013）

列車的牽引、運行和制動均需要依靠輪軌的相互作用來實現，制動和牽引時，輪軌間不可避免的都會存在滑差，所以有必要研究滑差對輪軌摩擦磨損特性的影響。 近年來隨著高速列車速度和載重的提高，輪軌損傷已成為當前關注的重點問題。 重載列車輪軌損傷主要以磨損為主， 伴有接觸疲勞，表現為輪軌表面出現裂紋、剝離、壓潰甚至斷裂等現象。 當前對重載列車輪軌黏著特性與表層損傷影響因素的研究主要集中在軸重、輪軌材料、幾何接觸關系等方面[1-2]。 丁昊昊等[3]研究了不同軸重下，輪軌材料磨損和疲勞損傷性能，發現車輪和鋼軌磨損率均隨軸重的增加而增加，且車輪的磨損程度大于鋼軌。 王文健等[4]在輪軌試樣表面進行激光淬火，發現經過處理后，輪軌表面獲得了高硬度的致密馬氏體層，輪軌間的摩擦系數曲線變化不明顯，鋼軌磨損量降低，損傷情況得到改善。 鐘浩等[5]通過優化與重載鋼軌匹配的車輪踏面來改善輪軌間的幾何接觸關系，通過計算與程序分析預測優化后的車輪踏面在與重載鋼軌匹配時，曲線能力得到了提高，減緩了輪軌間的損傷與磨耗。 Pal 等[6]對輪軌表面制動擦傷痕跡研究分析，發現擦傷是由于輪軌發生滑差引起的，擦傷同時導致在輪軌表面形成高硬度馬氏體組織。 Ma 等[7]采用滾動摩擦磨損實驗機，通過控制齒輪副來獲得輪軌間不同的滑移率，研究滑移率對材料的磨損與滾動接觸疲勞性能的影響，得知在低滑移率下，裂紋的角度和深度較小；當滑移率增大時，裂紋的角度、深度變大，摩擦系數上升。

當前關于滑差對輪軌材料的摩擦磨損研究還尚少，而且主要集中在研究滑差對高速輕載列車的影響方面。 尚沒有關于滑差對重載列車摩擦磨損行為的研究，迫切需要研究滑差對重載列車輪軌摩擦磨損特性的影響。本文利用JD-18-A 小型輪軌滾動磨損實驗臺，在赫茲接觸模擬準則下，通過調節滾輪的滾動速率設置4 組不同滑差，研究其對重載列車輪軌摩擦特性的影響。 以期為重載列車輪軌摩擦磨損提供理論依據，同時對列車安全運行降低部件損傷提供參考。

表1 材料中各元素含量Tab.1 Contents of elements in the material

1 材料與方法

為了保證模擬實驗的準確性，試樣材料均來自實際鐵路工況中的輪軌材料。 車輪材料為CL60，亞共析鋼。鋼軌材料為U71Mn，屬于共析鋼。車輪和鋼軌主要化學成分如表1 所示。

圖1 輪軌試樣結構尺寸（單位：mm）Fig.1 Dimensions of wheel-rail sample（unit：mm）

圖2 切割示意圖（單位：mm）Fig.2 Diagram of cutting（unit：mm）

在JD-18-A 小型輪軌滾動磨損實驗臺 （自制）上，模擬軸重為25 t，平均運行速度為60 km/h 的重載列車的輪軌磨損。 設備功率為8.0 kW，接觸載荷為50～3 000 N， 最高轉速為5 000 r/min。 采用雙圓盤對滾方式進行，利用高精度伺服電機分別控制滾輪的轉速得到不同滑差。 實驗時， 上下試樣安裝方式如圖1 所示， 上試樣為車輪試樣，下試樣為鋼軌試樣，車輪試樣是圓弧半徑為14 mm，外徑為40 mm，內徑為16 mm 的圓環，鋼軌試樣是外徑為40 mm，內徑為16 mm 的圓環。車輪、鋼軌試樣踏面表面粗糙度均為0.8 μm，兩試樣的寬度均為10 mm。

通常研究滑差取值在0～10%之間[8-9]，實驗設置4 組滑差值分別為0，3%，5%和7%。 第1 組：上試樣轉速為300 r/min，下試樣為300 r/min，轉動滑差率為0；第2 組：上試樣轉速為309 r/min，下試樣為300 r/min，轉動滑差率為3%；第3 組：上試樣轉速為315 r/min，下試樣為300 r/min，轉動滑差率為5%；第4 組：上試樣轉速為321 r/min，下試樣為300 r/min，轉動滑差率為7%。 實驗在室溫下進行，濕度55 RH，循環次數設為1.2×105。

輪軌滾動磨損實驗臺導出相關數據通過計算可得輪軌黏著系數隨時間變化情況。磨損實驗磨損量利用FA2004 電子分析天平稱量。 利用線切割機選取如圖2 所示輪軌試樣磨損區切塊。通過AXIO Vert A1 顯微鏡觀察輪軌磨損表面形貌和車輪試樣剖面塑性變形組織。 利用HV-1000IS 顯微硬度計，測量試樣的硬度。通過JSM-6360LA 掃描電子顯微鏡，觀察試樣磨損后的表面磨痕寬度及損傷形貌。

2 實驗結果分析與討論

2.1 黏著系數曲線

通過實驗過程中的扭矩變化， 計算得出車輪和鋼軌間的黏著系數。 圖3 為黏著系數隨循環周次的演變特性曲線圖。 圖中顯示，在不同的滑差下，輪軌間黏著系數呈現先迅速增大后逐漸平穩的趨勢。 黏著系數上升階段在摩擦初期數百個循環周次內完成，隨后進入穩定階段；輪軌為純滾動時（滑差為0）黏著系數最小，穩定在0.13 左右；滑差為3%時的黏著系數穩定值約為0.40，與純滾動相比，黏著系數提高了將近3 倍；滑差為7%時，黏著系數最高，穩定值約為0.53。可見輪軌間黏著系數受滑差大小的影響，滑差越大，黏著系數越高。 黏著系數的上升與輪軌間氧化膜擠壓破碎、微凸體接觸和磨削的產生有關。 隨著滑差的增大，切向摩擦力增大，微凸體發生塑性變形，輪軌間接觸面積增大，同時接觸的微凸體數量增多，從而影響相對運動，導致摩擦阻力上升進而黏著系數增大。

圖3 不同滑差下輪軌黏著系數隨時間變化Fig. 3 Changes of wheel-rail adhesion coefficient with time under different slip rate

2.2 輪軌材料磨損量

利用電子分析天平分別對磨損實驗前后輪軌試塊進行稱量，計算得出輪軌試樣在不同滑差下的磨損量，圖4 所示為不同滑差下輪軌磨損量。 由圖可知，輪軌磨損量隨滑差增加而增大，且車輪試樣磨損量顯著高于鋼軌試樣。在純滾動時（滑差為0），輪軌試樣的磨損量最低；當滑差為3%時，輪軌磨損量均增加， 車輪磨損量尤為明顯， 為純滾動時的3倍；當滑差繼續增大時，輪軌磨損量進一步加大。 推測磨損量增加的原因為：重載列車的軸重大，施加在輪軌間的法向載荷力大。 隨著滑差的增大，輪軌試樣間的切向摩擦力也隨之增加。 在切向力的作用下，材料會有沿著滾動方向發生塑性變形。 在其他條件相同的前提下，切向力越大，塑性變形越嚴重，直至材料產生應力集中。 裂紋萌生、擴展，致使材料最終發生剝落，磨損。 另一方面，車輪試樣的磨損量均顯著高于鋼軌試樣，這可能與兩種試樣的材料性能有關。 由于車輪試樣的含碳量小于鋼軌試樣的含碳量，而一般在含碳量低于1%的情況下，隨含碳量的增大，材料的硬度強度也隨著增大[10-11]，致使鋼軌試樣抵抗塑性變形能力優于車輪試樣，所以車輪試樣磨損量高于鋼軌。

圖4 輪軌試樣的磨損量Fig.4 Wear amount of wheel-rail sample

2.3 輪軌材料表面磨痕寬度變化

在不同滑差下，輪軌試樣表面磨痕寬度見圖5，其中圖5（a），圖5（b），圖5（c），圖5（d）為不同滑差下車輪試樣表面磨痕；圖5（e），圖5（f），圖5（g），圖5（h）為不同滑差下鋼軌試樣表面磨痕。 由圖可知，在純滾動時，輪軌表面磨痕寬度較小，輪軌試樣間存在滑差時， 磨痕寬度顯著增大。 輪軌在滑差為0時的磨痕寬度最小，為850 μm；當滑差提高為3%時，車輪和鋼軌試樣的磨痕寬度迅速增大，為滑差為0 時的3.3 倍；同時，在滑差為3%，5%，7%時，輪軌磨痕寬度相差不大，見圖6。 因此可以推測，在重載工況下，輪軌間是否存在滑差是影響磨痕寬度的重要因素。 原因在于：在相同的接觸應力下，赫茲接觸寬度相當。 當輪軌為純滾動時，輪軌間的切向力小，只有少量較高的微凸體接觸；同時由于應力小，輪軌間主要發生彈性變形，導致接觸面積小，參與承載的區域小，因此在輪軌表面形成的磨痕寬度較窄。 當輪軌試樣存在滑差時，切向摩擦力增大，參與承載的微凸體增多， 輪軌間接觸面積也因此變大，磨痕寬度顯著增大。

圖5 不同滑差下輪軌試樣磨痕形貌Fig. 5 Wear trace morphologies of wheel/rail samples under different slip rate

圖6 不同滑差下輪軌試樣磨痕寬度Fig.6 Width of wear marks of wheel and rail samples under different slip rate

2.4 車輪材料塑性變形及硬度變化

圖7 不同滑差下車輪試樣剖面組織變化Fig.7 Wheel samples profile morphologies under different slip rate

通過AXIO Vert A1 金相顯微鏡對車輪試樣的剖面組織形貌進行觀察，并測量了不同滑差下車輪試樣塑性變形層厚度，結果如圖7 所示。 從圖中可以看出，隨滑差增加，車輪試樣塑性變形程度越來越大，塑性變形區越來越厚。 同時，在塑性變形區塑性變形線向著滾輪滾動的方向發展，有平行于表面的趨勢。圖8 為車輪試樣剖面硬度變化曲線。可以看出，滑差的增大導致試樣表層硬度增大；在相同滑差下， 試樣表面硬度沿深度方向先迅速下降后緩慢降低直至接近基體硬度。分析原因可能為，在低應力時車輪材料組織分布較均勻， 材料表面軟相組織未被磨損（如圖7（a）所示，表層存在均勻白亮相）；增大滑差材料表面磨損量增加， 表層質地較軟相被先行破壞，從而影響材料表層硬度。 滑差增大，材料表層塑性變形增大，位錯密度提高，材料產生了加工硬化導致硬度提高。同時，材料塑性變形厚度影響材料表層的力學特性。

圖8 不同滑差下車輪試樣剖面硬度變化Fig.8 The hardness of wheel samples profile changes with different slip rate

2.5 不同滑差下輪軌表面損傷機制

鋼軌試樣表面磨損形貌的SEM 照片如圖9 所示。 由圖分析可知不同滑差下車輪試樣的表面磨痕損傷機制不同。在純滾動（滑差為0）時，輪軌表面損傷較輕，主要為顆粒狀小坑，此為在低應力循環作用下產生的接觸疲勞；滑差為3%時，車輪試樣表面出現較多微裂紋，角度較大，且方向明顯垂直于滾動方向。同時表面存在較大剝落層。相較于車輪，鋼軌試樣表面出現少量微裂紋， 同時存在片狀模屑，此時輪軌以粘著磨損為主。 隨著滑差的增大，當滑差為7%時， 鋼軌試樣的表面均較光滑， 無明顯裂紋，無明顯剝落。 車輪試樣磨損表面微裂紋減少，剝離掉塊不明顯。 此時材料疲勞損傷表現不明顯，以磨損為主。 上述結果表明，在重載工況下，改變滑差對輪軌試樣表面損傷形貌具有較大影響。 輪軌間無滑差存在時，只發生輕微的疲勞磨損。 有滑差存在時，切向摩擦力大，微凸體接觸，產生粘著磨損。 同時，滑差的大小對輪軌磨損機理也有影響。 當疲勞占優勢時，輪軌形貌粗糙，存在大量的剝落層；磨損占優勢時，輪軌形貌比較光滑，裂紋來不及擴展就被磨損掉。 另外，鋼軌和車輪試樣在同一滑差條件下，車輪試樣的損傷情況要比鋼軌嚴重，推測主要原因為車輪材料的含碳量低于鋼軌材料，與鋼軌材料相比，車輪材料硬度低，強度低，在法向載荷下與切向摩擦力的共同作用下，車輪試樣更容易發生塑性變形，位錯運動集中在一起，產生應力集中，使材料更容易萌生裂紋。

圖9 不同滑差下輪試樣軌損傷SEM 照片Fig.9 SEM photographs of wheel and rail samples damage under different slip rate

3 結論

1） 隨著輪軌間滑差的增大，輪軌試樣間的黏著系數增大。

2） 輪軌磨損受滑差大小影響， 隨著滑差增大，輪軌磨損量增加。 且在相同滑差下，車輪試樣的磨損量顯著高于鋼軌試樣。

3） 滑差對輪軌表面磨痕有顯著影響， 純滾動（滑差為0）時，輪軌試樣表面磨痕較窄，當存在滑差時，輪軌磨痕寬度顯著增大，但磨痕寬度隨滑差增大變化不明顯。

4） 隨著滑差增大，輪軌試樣表層塑性變形程度增加，試樣表面硬度提高。

5） 隨著滑差的增大，輪軌表面磨損機制發生變化。純滾動（滑差為0）時輪軌以疲勞損傷為主；隨著滑差的增大，輪軌表面磨損機制由輕微的疲勞磨損轉變為黏著磨損和疲勞損傷，以黏著磨損為主。