摩擦條件對磁軌制動器極靴材料與鋼軌材料間摩擦因數的影響

王明星，焦記楠，楊 磊，夏志遠，李 坤，彭金方

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司，青島 266111；2.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室摩擦學研究所，成都 610031)

0 引 言

隨著運行速度的不斷提高，傳統的盤式制動、液力制動、再生制動等黏著制動方式提供的制動力已經很難滿足軌道列車制動要求[1-3]。輪軌間的黏著系數不僅會隨著制動初速度的提升而下降[4]，并且受線路條件及列車自身技術參數等因素的影響，其離散度也在加大，這使得列車在制動后產生滑行的概率增大[5]。非黏著制動方式可以提供額外的制動力，并且通過制動裝置吸附在軌道上改善黏著條件[6-7]。目前，在研制高速列車及新型軌道車輛時，制動系統主要采用直線型非黏著制動協同黏著制動方式[8-9]。

磁軌制動是一種典型的非黏著制動方式，具有制動力不受輪軌間黏著因素的限制、電磁鐵與鋼軌間的摩擦表面積遠遠大于輪軌滾動時的摩擦表面積、制動效率優于閘瓦制動和閘盤制動等諸多優點，其運行的可靠性對保障列車運行安全具有重要意義[10-12]。然而，在實際運行工況中，磁軌制動器極靴與鋼軌構成的摩擦副由于相對滑動速度、法向載荷、摩擦介質等摩擦條件的改變，其摩擦因數會發生變化，使得極靴與鋼軌之間的摩擦力發生變化，從而影響磁軌制動器的制動能力。目前，相關研究大多集中在采用有限元仿真方法研發、設計車輛磁軌制動裝置上[13-14]，鮮有關于不同服役工況下極靴與鋼軌間摩擦因數的研究報道；摩擦因數對于準確計算磁軌制動器的制動距離，更好地發揮其制動效能有著重要意義。為此，作者以取自極靴樣件的Q235B鋼以及硬度與鋼軌材料相當的油淬硬化45鋼為研究對象，采用自制的多功能銷-盤磨損試驗裝置對這2種材料進行對磨試驗，研究了不同滑動速度、法向載荷和潤滑條件下的摩擦因數變化以及磨損機制。

1 試樣制備與試驗方法

在極靴樣件(材料為鑄造Q235B鋼)上采用線切割法加工出尺寸為φ16 mm×30 mm的銷試樣，將試樣端面精磨至表面粗糙度Ra不高于0.32 μm。選用45鋼作為試驗用鋼軌替代材料，將其加工成由輪盤和對磨環兩部分構成的盤試樣。材料的摩擦磨損主要與其表面硬度和表面狀態相關，因此將對磨環整體進行油淬處理，使其表面硬度達到在役鋼軌的表面硬度，即330～380 HB，并通過精磨加工使45鋼盤試樣與Q235B鋼銷試樣的軸向跳動低于0.03 mm。作者認為，在該條件下測得的摩擦因數與實際工況下極靴-鋼軌摩擦副的摩擦因數等效。

采用自制的多功能銷-盤磨損試驗裝置進行高速摩擦磨損試驗，試驗裝置和銷-盤試樣對磨形式如圖1所示。圖1(b)中：ω為角速度；Ft為切向力；Fn為法向力。銷-盤試樣接觸中心到盤試樣轉軸中心的距離為190 mm。在盤試樣安裝孔內設置一定錐度，并在軸盤整體裝配后進行精加工，保證對磨環的端面跳動小于50 μm。

圖1 多功能銷-盤磨損試驗裝置及銷-盤試樣對磨形式示意

用無水乙醇清洗對磨環和銷試樣表面的油污，并進行裝夾，銷試樣與圓盤的軸線應保持平行以保證對磨環與銷試樣為面接觸。啟動試驗裝置，使對磨環和銷試樣在線速度10 km·h-1、法向載荷60 N下進行接觸跑合，直至接觸面完全貼合，再在線速度10 km·h-1下用砂紙打磨對磨環表面，消除跑合過程造成的表面磨痕，最后進行摩擦磨損試驗。試驗時滑動速度分別為10，20，30，40，50，60，70，80，90，100 km·h-1，主軸轉速波動控制在±5 r·min-1以內，法向載荷分別為40，60，80 N，溫度為(23±5)℃，相對濕度為(60±5)%，試驗環境為干態環境。為了分析潤滑條件對摩擦因數的影響，還進行了濕態環境下的摩擦磨損試驗，在摩擦過程中通過微型水泵在銷試樣與對磨環接觸區域連續噴淋水，水量為3 mL·min-1，法向載荷為60 N，滑動速度分別為50，80 km·h-1，溫度為(23±5) ℃。試驗過程中采用壓縮空氣對摩擦磨損接觸區進行冷卻降溫，以避免高溫導致表面燒損和黏著；在線監測試驗數據，待摩擦因數達到穩定后停止試驗。在完成單次動摩擦因數測試后，通過試驗裝置配備的車刀對對磨環進行鏇修，并用砂紙打磨，以保證每次試驗接觸界面的一致性。采用ContourGT-I型白光干涉三維形貌儀觀察銷試樣和對磨環磨損表面形貌，并測定銷試樣磨損表面粗糙度。采用JSW-6610LV 型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察銷試樣磨損表面微觀形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 摩擦因數

由圖2可知，在法向載荷60 N、不同滑動速度下干摩擦時，銷-盤摩擦副的摩擦因數均在3 s后基本保持穩定，穩定后不同滑動速度下的摩擦因數差異較小，集中在0.40～0.55之間。對穩定階段摩擦因數取平均值，以此作為摩擦副的平均摩擦因數。由圖3可知，銷-盤摩擦副的平均摩擦因數隨滑動速度的增大先增大后減小，當滑動速度為40 km·h-1時達到最大，為0.54。不同滑動速度下摩擦副摩擦因數的變化是摩擦界面溫度、接觸狀態等多種因素耦合作用的結果，其變化機制需要進一步的試驗研究[15-16]。

圖2 法向載荷60 N、不同滑動速度下干摩擦時銷-盤摩擦副的摩擦因數變化曲線

圖3 法向載荷60 N下干摩擦時銷-盤摩擦副的平均摩擦因數隨滑動速度的變化曲線

由圖4可以看出：當滑動速度為50 km·h-1時，隨著法向載荷的增大，銷-盤摩擦副摩擦因數達到穩定時的時間縮短，這是因為較大載荷下摩擦副接觸表面的微凸峰被更快削除；穩定后不同法向載荷下的摩擦因數變化不大，平均摩擦因數均約為0.5。當滑動速度增至80 km·h-1時，不同法向載荷下銷-盤摩擦副摩擦因數達到穩定時的時間均在4 s左右，較大法向載荷下的摩擦因數較低。這是由于摩擦界面的閃溫能使材料軟化甚至局部熔化，而較大的法向載荷會增大磨損表面局部熔化的區域，并產生邊界潤滑效應，使得摩擦因數降低[17]。

圖4 不同滑動速度、不同法向載荷下干摩擦時銷-盤摩擦副的摩擦因數變化曲線

由圖5可知，在法向載荷60 N，滑動速度分別為50，80 km·h-1條件下，濕摩擦時銷-盤摩擦副的摩擦因數相比于干摩擦均有一定程度的下降，穩定時的平均摩擦因數下降了約0.1。這是由于水的存在降低了接觸面間的摩擦熱，使得產生的磨屑數量較干摩擦時少，接觸表面粗糙度降低，摩擦因數減小；另一方面，低黏度的水進入接觸界面形成非均勻水膜，與摩擦副接觸面上的微凸體共同承受法向載荷，改善了摩擦界面的接觸狀態[18-19]。此外，在滑動切應力的作用下，水介質產生的邊界潤滑效應[20]也在一定程度上減小了摩擦因數。

圖5 在法向載荷60 N、不同滑動速度下干摩擦和濕摩擦時銷-盤摩擦副的摩擦因數變化曲線

2.2 磨損表面形貌

不同條件摩擦磨損后，銷試樣和對磨環磨損表面的典型形貌如圖6所示。由圖6可知：銷試樣磨損表面未出現嚴重損傷，僅觀察到少量的犁溝和剝落坑，未見明顯的燒蝕痕跡(在線監測顯示磨損區域邊緣溫度低于80 ℃)；對磨環磨損表面表現為輕微的磨粒磨損，未出現材料轉移及黏著現象，并且磨損區域呈寬度均勻的帶狀，表明銷試樣和對磨環面接觸良好。銷試樣磨損表面的表面粗糙度約為1.4 μm，滿足實際工程中的表面粗糙度要求(不大于1.6 μm)[21]。

圖6 銷試樣與對磨環磨損表面形貌

由圖7可以看出：在滑動速度80 km·h-1、3種法向載荷下干摩擦后，銷試樣磨損表面均分布著大量的剝落坑和較淺的犁溝，磨損機制主要為黏著磨損；隨著法向載荷的增大，銷試樣磨損表面的損傷程度加劇，在法向載荷為80 N時出現大量貫通的剝落坑，發生嚴重的黏著磨損。犁溝是由于摩擦副間相互接觸的微凸體或產生的磨屑在法向載荷作用下切入表面，并在切向力作用下對表面進行犁削而產生的。載荷的增大使得銷試樣和對磨環的實際接觸面積增大，即摩擦副間相互接觸的微凸體數量增多[22]，同時產生的大量摩擦熱使得接觸區材料更易發生剪切和撕裂，進而形成剝落坑，產生嚴重的黏著磨損。在法向載荷為60 N條件下，當滑動速度為20 km·h-1時，銷試樣磨損表面存在深淺不一的凹槽和犁溝，磨損機制主要為磨粒磨損；當滑動速度增大至40 km·h-1時，銷試樣磨損表面的犁溝數量增多，并伴有少量較淺的剝落坑，其損傷機理為磨粒磨損和黏著磨損；當滑動速度增加至50 km·h-1時，磨損表面的剝落坑進一步增多，磨損機制為黏著磨損和磨粒磨損。剝落坑的增多是由于滑動速度的增加使得接觸界面產生了更多的摩擦熱，導致材料軟化并加劇了材料的剪切和轉移[23]。綜上，較低滑動速度下銷試樣的磨損機制主要為磨粒磨損，隨著滑動速度的增大，單位時間內產生了更多的摩擦熱，導致磨損機制向黏著磨損轉變。

對比圖8和圖7(f)可以看出，在法向載荷60 N、滑動速度為50 km·h-1下干摩擦后，銷試樣磨損表面存在大量剝落坑和犁溝，而水潤滑條件下，銷試樣磨損表面主要存在大量犁溝。干摩擦時產生的摩擦熱較多，使得接觸區材料更易剪切和剝落而形成剝落坑；水介質的加入降低了摩擦熱，從而減輕了銷試樣的黏著磨損程度。

圖7 不同法向載荷、不同滑動速度下干摩擦后銷試樣磨損表面微觀形貌

圖8 在法向載荷60 N、滑動速度50 km·h-1下濕摩擦后銷試樣磨損表面微觀形貌

3 結 論

(1) 將鑄造Q235B鋼銷試樣和油淬硬化45鋼盤試樣組成摩擦副進行干摩擦后，銷試樣的表面粗糙度約為1.4 μm，滿足實際工程中的表面粗糙度要求。

(2) 在法向載荷60 N下干摩擦時，隨著滑動速度的增大(由10 km·h-1增至100 km·h-1)，銷-盤摩擦副的摩擦因數均在3 s內達到穩定，穩定后的平均摩擦因數隨滑動速度的增大先增大后減小，在滑動速度為40 km·h-1時達到最大，但總體上摩擦因數變化范圍較小，集中在0.40～0.55區間；法向載荷對摩擦因數的影響相對較小，較低的滑動速度(50 km·h-1)下較大的法向載荷會使摩擦因數更快進入穩定階段，較高滑動速度(80 km·h-1)和較大法向載荷下的摩擦因數略小；隨著滑動速度的增大，銷試樣的磨損機制由磨粒磨損向黏著磨損轉變，法向載荷的增大會導致更為嚴重的黏著磨損。

(3) 在水潤滑條件下銷試樣的平均摩擦因數相比于干摩擦下降約0.1，且表面磨損程度減輕。