何成剛, 張佩禎, 鄒 港,3, 宋智博, 劉吉華*

(1.五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院, 廣東 江門 529020;2.先進(jìn)驅(qū)動節(jié)能技術(shù)教育部工程研究中心, 四川 成都 610031;3.廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司, 廣東 佛山 528137)

鐵路運(yùn)輸?shù)难该桶l(fā)展，特別是重載貨運(yùn)鐵路和高速客運(yùn)鐵路近二十年來的發(fā)展已在鐵路運(yùn)輸中占據(jù)越來越重要的地位，其對列車的運(yùn)行安全性和高效性提出了更高的需求.無論是高速動車組還是重載貨運(yùn)機(jī)車均是借助動車或機(jī)車輪對在鋼軌上的滾動接觸作用來實現(xiàn)列車的牽引與制動，而這一過程則完全依賴于輪軌接觸界面間的黏著特性[1-4].輪軌黏著是表示車輪與鋼軌間可以傳遞牽引力或制動力程度的專用術(shù)語，使用黏著的定義主要是為了與傳統(tǒng)庫倫摩擦和輪軌間的純滾動摩擦進(jìn)行區(qū)分.輪軌黏著系數(shù)μ是表示車輛的牽引力或制動力傳遞給鋼軌的可能程度，即輪軌接觸界面間傳遞的切向力FT大小與輪軌間法向接觸載荷P間的比值[2]，公式如下：

輪軌接觸是個復(fù)雜的摩擦學(xué)行為，首先，輪軌接觸界面隨列車的運(yùn)行呈動態(tài)變化，其次，輪軌接觸是滾-滑接觸，其運(yùn)動形式為“既滾又滑”，稱為“蠕滑”.蠕滑是介于純滾動和純滑動之間的1種運(yùn)動形式，根據(jù)彈性接觸理論的研究結(jié)果表明，蠕滑狀態(tài)下的輪軌接觸斑可劃分為黏著區(qū)和滑移區(qū)(圖1)，黏著區(qū)內(nèi)切向力分量接近于純滾動，而滑移區(qū)內(nèi)切向力分量接近于滑動摩擦，是輪軌接觸界面黏著力的主要組成部分，因此輪軌黏著系數(shù)介于純滾動摩擦系數(shù)與純滑動摩擦系數(shù)之間，常用滑移率(滾滑比)來表示輪軌接觸處縱向滑動程度.最后，輪軌系統(tǒng)是1個開放的系統(tǒng)，正是由于輪軌接觸系統(tǒng)具有開放性的特點，輪軌接觸界面的黏著特性和損傷行為會直接受到環(huán)境因素和界面污染物等影響[5]，其中環(huán)境因素包括溫度、濕度、風(fēng)沙、水、油和樹葉等.

我國地域廣闊，地形地貌特征從東到西、從南到北包含了平原、山區(qū)、丘陵、高原及沙漠，氣候環(huán)境因地域而變化，使得輪軌的服役環(huán)境涵蓋了高溫、高濕、高寒、酸雨腐蝕和風(fēng)沙等復(fù)雜環(huán)境條件[6].氣候環(huán)境對暴露在外的輪軌材料服役性能會造成嚴(yán)重的影響，溫度、濕度與腐蝕性環(huán)境是輪軌接觸界面黏著特性的重要影響因素之一，其變化不僅對輪軌材料的磨損產(chǎn)生重要影響，而且對列車牽引/制動性能產(chǎn)生重要影響，極大地威脅列車的運(yùn)行安全.我國不同區(qū)域的空氣溫濕度差異非常顯著異，使得列車服役的大氣環(huán)境變化非常復(fù)雜[7-8].在低溫干燥和高溫潮濕環(huán)境下輪軌踏面的磨損與疲勞損傷會出現(xiàn)明顯的差異，濕熱環(huán)境將導(dǎo)致輪軌材料表面極易形成氧化銹蝕物(圖2)[9-10].

Fig.1 The wheel-rail contact interface圖1 輪軌接觸界面

自然環(huán)境的不斷變化對輪軌接觸特性有極大的影響，溫度和濕度的變化與降雨降雪極易引起“濕軌”現(xiàn)象(即為當(dāng)輪軌界面存在少量水分時，導(dǎo)致黏著不足的現(xiàn)象)將直接影響著輪軌的黏著特性[11]，輪軌間的鐵氧化物和落葉污染導(dǎo)致輪軌發(fā)生低黏著現(xiàn)象.在英國和瑞典鐵路交通統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，發(fā)現(xiàn)事故(制動距離較長)發(fā)生在降水和溫度波動大的地區(qū)[12].本文中主要對自然環(huán)境條件及輪軌間鐵氧化物對輪軌黏著特性的影響方面做了較為詳細(xì)的研究現(xiàn)狀分析，并歸納總結(jié)了水、溫度、濕度和風(fēng)沙等環(huán)境條件下輪軌黏著特性的變化規(guī)律，期望對后期研究輪軌材料在濕熱與腐蝕性環(huán)境下的損傷行為與失效機(jī)制提供參考.

1 自然環(huán)境對于輪軌黏著影響的研究

1.1 水對輪軌黏著的影響

自然環(huán)境中水是輪軌界面最常見的第三介質(zhì)之一，它能通過各種形式出現(xiàn)在車輪和鋼軌表面，其對輪軌黏著的影響已經(jīng)得到了廣泛的研究.Zhou等[13]和Wang等[14-15]研究發(fā)現(xiàn)水會使輪軌的黏著系數(shù)急劇下降，在干態(tài)和水介質(zhì)下，速度和沖角的增加會顯著降低輪軌黏著系數(shù)，但在水潤滑工況下軸重對輪軌黏著系數(shù)影響不明顯.降雨量大時輪軌表面的污染物會被雨水沖刷干凈，這在一定程度上是有利于提高輪軌接觸間的黏著系數(shù)；而在小雨、雪、霜、露和霧等天氣情況下，少量的水進(jìn)入輪軌接觸界面時會極大地降低輪軌黏著系數(shù)，且其與輪軌接觸界面其他污染物混合會進(jìn)一步減小輪軌黏著系數(shù)[3,16]，水會在輪軌間形成1層天然的潤滑層以減少磨損.Nilsson[17]采用現(xiàn)場測試的方式研究了降水對鋼軌磨損率的影響，把低磨損率歸因于水減少了黏著(圖3).表面粗糙度的大小會直接影響到輪軌界面微凸體的接觸數(shù)量，而在水介質(zhì)條件下輪軌接觸應(yīng)力主要由界面微凸體承擔(dān)，故而表面粗糙度對水介質(zhì)下的輪軌黏著有重要影響.吳兵和常崇義等[18-20]研究表明在水介質(zhì)下輪軌黏著系數(shù)隨著表面粗糙度的不斷增加呈增大趨勢.水介質(zhì)通過降低輪軌接觸界面間的黏著系數(shù)，延緩了表面裂紋的萌生[21].當(dāng)滑移率為零時，由于黏附力較低，很難觀察到試樣表面有裂紋萌生[22].但是水介質(zhì)卻也能加速輪軌材料表面疲勞裂紋的擴(kuò)展，當(dāng)在水潤滑條件下，裂紋在壓力下閉合時，由于液壓的作用使得裂紋擴(kuò)展加速[23-24]，因此，在潮濕條件下輪軌表面損傷更容易加劇惡化.Olofsson等[25]綜述了不同環(huán)境條件下輪軌界面黏著特性，發(fā)現(xiàn)水介質(zhì)存在會導(dǎo)致輪軌界面局部腐蝕和氫離子吸附效應(yīng)，加劇疲勞裂紋的形成.

Fig.2 The oxidation rust of wheel and rail surface圖2 輪軌表面氧化銹蝕

Fig.3 Influence of average daily precipitation on the rail wear rates measured on a specific track site[17]圖3 平均日降水量對特定軌道站點的鐵路磨損率的影響[17]

除了自然界的降水，溫度和濕度的變化在一定條件下也會形成水膜，肖乾等[26]從溫度影響水膜的形成對輪軌接觸狀態(tài)的影響做了分析，發(fā)現(xiàn)空氣濕度通過改變輪軌界面的狀態(tài)影響著黏著系數(shù)，當(dāng)環(huán)境溫度小于露點溫度時鋼軌表面會形成水膜，而空氣濕度的變化主要影響鋼軌表面的粗糙度，并與表面的污染物共同對黏著系數(shù)產(chǎn)生影響；輪軌表面的水膜能夠吸附磨屑，在潮濕條件下可以觀察到表面損傷形式主要為磨粒磨損，但是滑移率增加后，水膜的厚度會減小，表面會出現(xiàn)微裂紋和剝落損傷.在干燥條件下，輪軌表面會在機(jī)械熱的條件下發(fā)生大量的剝落損傷，而在潮濕條件下水會帶走界面的部分熱量，且水膜會起到潤滑作用，減少剝落損傷的形成[27].當(dāng)環(huán)境溫度大于露點溫度時鋼軌表面沒有形成水膜，空氣濕度主要是影響輪軌材料表面銹蝕或氧化膜的形成，從而對輪軌黏著系數(shù)產(chǎn)生影響[26].盡管研究結(jié)果表明水介質(zhì)的存在會顯著降低輪軌間的黏著系數(shù)，但通常是發(fā)生在高速條件下，Ohyama[28]在濕軌上使用Shinkansen機(jī)車進(jìn)行現(xiàn)場測試研究，結(jié)果表明機(jī)車運(yùn)行速度超過160 km/h時黏著系數(shù)會降至0.05以下，該趨勢與Chen等[29]和吳兵等[30]建立的考慮熱效應(yīng)的邊界潤滑模型預(yù)測結(jié)果一致.

研究人員對水會降低輪軌間的黏著水平已經(jīng)形成統(tǒng)一的認(rèn)識，但其作用機(jī)理仍是1個爭論的問題.部分研究人員認(rèn)為水促進(jìn)了輪軌接觸界面鐵氧化物的產(chǎn)生，從而抑制了黏著[31-32].而另一部分研究人員認(rèn)為水的作用符合彈流動力潤滑(EHL)理論[29,33-35].甚至有的研究發(fā)現(xiàn)，水溫對輪軌黏著特性的影響很顯著，水溫越高，輪軌界面黏著水平越高[19-21,36].因此，闡明并統(tǒng)一水介質(zhì)對輪軌黏著系數(shù)影響的作用機(jī)理是后續(xù)研究中必須要面對的挑戰(zhàn).

1.2 空氣濕度與溫度對輪軌黏著的影響

濕度對輪軌接觸界面黏著的影響最初是通過列車在早晨發(fā)生嚴(yán)重黏著力不足時被意識到的，特別是對于首趟列車.Zhu等[37-39]使用安裝有腔體的銷-盤試驗機(jī)研究了環(huán)境條件(溫度、濕度)對輪軌黏著系數(shù)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度和濕度對輪軌黏著系數(shù)與磨損性能有很大影響，在中低接觸壓力下，磨損率隨濕度的增大而顯著降低，這與在現(xiàn)場觀察到的車輪踏面-軌頭接觸對氣候變化的敏感性是一致的.Lyu等[40]研究了濕度和溫度對黏著磨損的影響，發(fā)現(xiàn)在低空氣濕度下輪軌黏著磨損最為明顯，且黏著磨損的程度隨著溫度的降低而逐漸變得更加嚴(yán)重；隨著濕度的增加，黏著磨損逐漸向氧化磨損過渡.李正軍[41]采用銷-盤滑動接觸的方式研究了不同濕度下車輪材料的黏著特性與磨損性能，發(fā)現(xiàn)隨相對濕度的增大，輪軌間的黏著系數(shù)逐漸減小，車輪材料的磨耗逐漸降低，由磨粒磨損逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸p.Olofsson等[42]在配備有氣候室的銷-盤試驗機(jī)上研究了自然條件(濕度、落葉)對輪軌接觸界面黏著系數(shù)的影響，結(jié)果表明輪軌接觸界面間存在落葉時，輪軌黏著系數(shù)隨環(huán)境中空氣濕度逐漸增大而呈減小趨勢.Baek等[43-44]研究了在不同溫度和濕度工況下輪軌接觸的黏著與磨損特性，發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境相對濕度的增大，輪軌黏著系數(shù)逐漸減小，輪軌材料的磨損減輕，且與實際運(yùn)營線路上測得的數(shù)據(jù)有很好的一致性.

Zhu等[39]的研究發(fā)現(xiàn)黏著系數(shù)隨相對濕度的增大而減小，直至相對濕度達(dá)到飽和水平，相對濕度在飽和水平之上即使相對濕度繼續(xù)增加，黏著系數(shù)仍然較低且保持穩(wěn)定；特別是當(dāng)溫度低時，空氣中含水量的小幅增加(即絕對濕度)可顯著降低黏著系數(shù)，在高濕度情況下，水分子膜可將生成的赤鐵礦保留在表面上，從而抵消濕度上升的影響.Zhu等[45-46]在不同溫度和濕度環(huán)境下分別進(jìn)行潔凈試樣和生銹試樣的銷-盤試驗，表明在高濕度情況下表面形成穩(wěn)定的邊界膜(水膜)，黏著系數(shù)對于濕度不是很敏感；而在低濕度情況下黏著系數(shù)隨相對濕度的增大而急劇減小.在晴天的時候輪軌間的黏著力變化非常大，因為同一天濕度在不斷地變化，在低濕度范圍內(nèi)，潔凈試樣比生銹試樣展現(xiàn)了更大的減磨現(xiàn)象.肖乾等[47]對南方地區(qū)不同月份和空氣濕度服役條件下的地鐵車輪磨耗情況進(jìn)行調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)隨著空氣濕度的逐漸增大，地鐵車輪材料的磨耗量逐漸減小.

相對濕度和溫度是相互影響的，相對濕度會隨著溫度的變化而變化，當(dāng)溫度在零度以上時，相對濕度會隨著溫度的降低而急劇降低.相對濕度(RH)、溫度(T)與絕對濕度(AH)三者的關(guān)系如下[45]：

此公式適用于-35～35 ℃，當(dāng)溫度從常溫降低到0 ℃，濕度值會急劇降低，溫度降至0 ℃以下濕度變化不大.馬蕾[48]對哈大高鐵不同季節(jié)運(yùn)營的輪軌材料的磨耗量測量統(tǒng)計，結(jié)果表明輪軌材料的磨耗量在溫度較低的冬季明顯比溫度較高的夏季大.

當(dāng)溫度上升時，濕度值也會急劇下降，溫度下降同樣也會影響到相對濕度的急劇下降.溫度不僅能影響濕度的變化，減少濕度對輪軌的減磨作用，還會影響輪軌的材料特性.文獻(xiàn)[39]提到當(dāng)溫度極低時，絕對溫度的少量變化將會大幅度改變黏著系數(shù).Shi等[49]研究了低溫環(huán)境下溫度和濕度對輪軌界面黏著特性的影響，結(jié)果表明低溫干燥條件下界面黏著系數(shù)會因表面氧化作用減弱而得到改善.環(huán)境溫度除了會影響環(huán)境中水分子含量(絕對濕度)外，還會直接影響輪軌材料的強(qiáng)度、韌性和屈服極限等材料的力學(xué)性能[50].Ma等[51]和Fang等[52]研究發(fā)現(xiàn)低溫環(huán)境下輪軌滾動接觸中氧化作用減弱和材料低溫韌脆轉(zhuǎn)變是導(dǎo)致輪軌黏著系數(shù)上升和疲勞損傷加劇的主要原因.馬蕾[48]發(fā)現(xiàn)低溫環(huán)境下輪軌界面黏著系數(shù)較常溫環(huán)境有明顯提高，但在-20 ℃以后又隨著環(huán)境溫度的降低而出現(xiàn)輕微下降.Lyu等[32]研究了低溫環(huán)境(-35～3 ℃)對輪軌接觸間黏著系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)在低溫范圍內(nèi)，黏著系數(shù)對環(huán)境溫度極為敏感，當(dāng)環(huán)境溫度大于-15 ℃時，材料脆性的增加導(dǎo)致基體材料從接觸表面剝落并被碾碎形成金屬微粒，其在接觸界面充當(dāng)?shù)谌w介質(zhì)導(dǎo)致黏著系數(shù)顯著增加；當(dāng)環(huán)境溫度低于-15 ℃時，由于蒸汽飽和壓力的快速下降，環(huán)境中的大量水分子在接觸表面凝結(jié)成霜，致使黏著系數(shù)隨溫度降低而急劇下降.

以上研究只是單純考慮了空氣濕度與溫度對輪軌黏著特性的影響，然而輪軌運(yùn)行界面處于開放的環(huán)境中，必然伴隨著空氣濕度和溫度的綜合影響，濕度和溫度會影響輪軌界面氧化物的生成，氧化物和濕度結(jié)合會進(jìn)一步對輪軌的黏著性能造成影響，溫度和濕度影響輪軌的黏著特性與氧化物的生成是密不可分的.夏日高溫暴曬下鋼軌表面溫度可達(dá)70 ℃甚至更高，一般比最高環(huán)境氣溫高20 ℃左右，而關(guān)于溫度和空氣濕度對輪軌黏著特性的影響研究主要是在常溫及0 ℃以下的極寒環(huán)境條件下進(jìn)行的，缺少對高溫和潮濕環(huán)境條件下的相關(guān)研究，后續(xù)需要進(jìn)一步開展相關(guān)的試驗研究.

1.3 風(fēng)沙對輪軌黏著的影響

在風(fēng)沙環(huán)境中輪軌接觸界面會有砂礫進(jìn)入，砂礫對輪軌黏著特性有顯著的影響，能有效緩解并改善輪軌界面低黏著問題，因此，在鐵路系統(tǒng)中砂礫主要被用作低黏著工況下的增黏劑.Tubley[53]和Arias-Cuevas等[54]進(jìn)行現(xiàn)場實車測試研究，結(jié)果表明在發(fā)生低黏著時撒砂是提高輪軌黏著系數(shù)和避免車輪打滑的有效措施.韓長虎等[55]模擬雨天環(huán)境并研究了撒砂對HXD3型機(jī)車黏著牽引的影響，結(jié)果表明與未撒砂相比，機(jī)車可發(fā)揮的牽引力增幅達(dá)49%.Wang等[56-57]和張振先等[58]開展了不同輪軌低黏著條件下撒砂增黏試驗研究，結(jié)果表明撒砂在水、油、脂、樹葉及水與樹葉混合和水油混合等各類低黏著工況下可以有效提高輪軌黏著系數(shù).Arias-Cuevas等[59-60]對不同粒徑的砂粒和鐵路運(yùn)營使用的標(biāo)準(zhǔn)粒徑的砂粒對比研究，發(fā)現(xiàn)在低黏著條件下，輪軌間的黏著系數(shù)隨著砂粒粒徑的增大而增大.Shi等[61]研究了標(biāo)準(zhǔn)粒徑的砂與小粒徑的砂對輪軌黏著的影響，發(fā)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)粒徑的砂相比，小粒徑的砂在使用的過程中對輪軌材料的磨損和表面損傷的影響更小，且砂與水、油及樹葉的混合液中砂粒含量越多，黏著系數(shù)越大.申鵬等[62]和Omasta等[63]研究了低黏著條件下撒砂量對撒砂增黏效果的影響，發(fā)現(xiàn)輪軌黏著系數(shù)隨著撒砂量的增加先顯著上升，當(dāng)撒砂量達(dá)到一定水平后，隨著撒砂量的繼續(xù)增加對增黏效果無明顯提升，并且過大的顆粒分布量甚至?xí)魅跗湫Ч?界面的砂粒能夠穿破污染膜與輪軌表面材料發(fā)生接觸，承擔(dān)其輪軌接觸間的法向載荷，大多數(shù)研究者認(rèn)為砂粒能提高輪軌黏著系數(shù)的主要機(jī)理是其在金屬材料界面上的犁溝作用力.砂粒在低黏著條件下有顯著的增黏效果，但大量研究結(jié)果表明在干態(tài)下砂粒對輪軌接觸無明顯的增黏作用[62].Arias-Cuevas[60]、Skipper等[64]和Lewis等[65]研究發(fā)現(xiàn)干態(tài)下大量砂粒進(jìn)入輪軌接觸界面反而會產(chǎn)生固體潤滑效果，致使輪軌黏著系數(shù)下降.Skipper等[64]和Lewis等[66-67]利用雙盤試驗機(jī)研究了砂子顆粒對輪軌界面接觸電阻的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)輪軌接觸界面砂粒分布達(dá)到一定的密度后會影響輪軌界面電阻，甚至使輪軌間完全絕緣.Wang等[57]、Arias-Cuevas等[59]、Lewis等[65]、Faccoli等[68-69]及Grieve等[70]的研究結(jié)果表明進(jìn)入輪軌界面的砂粒會顯著增大輪軌材料的磨損率，并加劇輪軌損傷，這是因為砂?？偸乔度氲捷^軟材料的表面從而在較硬的摩擦對偶表面產(chǎn)生犁溝作用，這是典型的磨粒磨損效應(yīng).

綜上所述，盡管低黏著工況下通過撒砂或氧化鋁等硬質(zhì)顆粒能夠有效提高并改善輪軌界面的黏著系數(shù)，但是硬質(zhì)顆粒將會不可避免地加劇輪軌材料磨損和損傷等不利因素[71].因此，需要進(jìn)一步研究在充分發(fā)揮硬質(zhì)顆粒增黏效果的同時對其應(yīng)用參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化來降低或者避免硬質(zhì)顆粒增黏過程中對輪軌材料損傷的不利影響.

2 鐵氧化物對輪軌黏著影響的研究

鐵氧化物包括三種基本的類型：FeO(亦稱方鐵礦，顏色呈灰色)、Fe3O4(亦稱磁鐵礦，顏色為黑色)和Fe2O3(亦稱赤鐵礦，其顏色呈深紅色).FeO和Fe3O4都是在基體上形成堅固連貫的粘附層.FeO可能是在缺氧環(huán)境條件下形成的，而Fe2O3雖在空氣中含有足夠的氧氣時形成，但所得均為易碎粗糙的氧化物層[42]，由于Fe2O3會增加材料的摩擦磨損，因此可以使用含氧量低的潤滑劑來防止形成Fe2O3.除了這些無水鐵氧化物之外，還有許多類型的水合鐵氧化物(稱為鐵銹).Godfrey[72]在綜述鐵氧化物和鐵銹在摩擦學(xué)中的作用時列出了五種無水鐵氧化物和十種鐵銹(水合鐵氧化物)，包括了其組成、化學(xué)分子式、晶體結(jié)構(gòu)、磁性、顏色和硬度等性質(zhì)，表1中列出了其部分性能.雖然Godfrey在綜述中也簡要地介紹了一些鐵氧化物和鐵銹的摩擦學(xué)性能，卻并沒有討論如何測量這些鐵氧化物的摩擦學(xué)性能.Picqué等[73]采用四點熱彎曲試驗?zāi)M軋輥咬入時的應(yīng)力狀態(tài)，通過比較氧化和非氧化試樣的載荷-撓度曲線來測定鐵氧化物的力學(xué)性能.

表1 鐵氧化物性質(zhì)[72]Table 1 Properties of iron oxides[72]

2.1 輪軌間的鐵氧化物

α-Fe2O3，α-FeOOH，β-FeOOH和γ-FeOOH是輪軌接觸中常見的四種類型鐵氧化物.α-Fe2O3和β-FeOOH對輪軌接觸的黏著特性和磨損有顯著的影響，其中α-Fe2O3也是鋼軌表面上非常常見的氧化銹蝕物，它借助中間水層的協(xié)助作用增加黏著力，而β-FeOOH主要存在于氯離子含量較高的濱海區(qū)域鋼軌表面，且具有減摩作用，因此當(dāng)車輛處于自由滾動狀態(tài)時，輪軌黏著明顯降低，但由于β-FeOOH很容易被去除，所以增加滑差可以降低β-FeOOH引起的低黏著問題[74].Viesca等[75]研究環(huán)境條件和氧化物對微合金鋼軌鋼摩擦系數(shù)的影響，結(jié)果與Querol等[76]的研究結(jié)果高度吻合，即在潮濕條件下，鋼軌軌頭表面生成的鐵氧化物主要為α-Fe2O3.

Suzumura等[9]采用原位光譜分析技術(shù)對現(xiàn)場鋼軌表面進(jìn)行檢測，結(jié)果表明在鋼軌表面上通常存在3種類型的鐵銹，并且滑移率極大地影響了這些鐵銹的去除(表2).在很小滑移率(如自由滾動)條件下α-FeOOH、β-FeOOH和γ-FeOOH3類鐵銹蝕物不易去除；在中等滑移率(車輪踏面-軌頭接觸)條件下，與α-FeOOH和γ-FeOOH相比，β-FeOOH容易被除去；在大滑移率(輪緣-軌距角接觸)條件下，這三種類型的鐵銹蝕物均顯著減少，由其提供的鋼軌表面鐵氧化銹蝕物形成的信息可作為實驗室試驗的指導(dǎo)方針.在實驗室中使用銷盤試驗機(jī)，試驗后很難檢測到β-FeOOH的存在，因為其基本被純滑動去除.因此，只有在低接觸壓力、小滑移率或潤滑等輕微的接觸條件下才能通過雙盤試驗機(jī)研究β-FeOOH的影響.在現(xiàn)場鋼軌表面和實驗室輪軌樣品中最常見的鐵銹類型是α-FeOOH和γ-FeOOH.在車輪踏面-鋼軌軌頭接觸條件下，難以去除α-Fe2O3、α-FeOOH和γ-FeOOH沉積物.

表2 鋼軌上檢測到的氧化物類型[9]Table 2 Types of iron oxides detected on the tracks[9]

2.2 環(huán)境條件對鐵氧化物形成的影響

影響輪軌氧化的因素極其復(fù)雜，除了氧的含量影響各類鐵氧化物的形成之外，接觸條件(接觸溫度和接觸載荷)、大氣條件(溫度、濕度和空氣成分)和持續(xù)暴露時間等都會影響到鐵氧化物的形成程度及類型[5].

Quinn[77-78]在干燥條件下進(jìn)行了一系列銷盤試驗，測量了在不同施加載荷和環(huán)境溫度下鐵的氧化磨損率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度和載荷大小決定了銷釘表面氧化層的厚度(圖4).接觸溫度是氧化的關(guān)鍵因素之一，因為接觸溫度與載荷和滑動速度有關(guān)，所以鐵的氧化也取決于接觸條件.Dillmann等[79]綜述了早期的研究，發(fā)現(xiàn)在濕-干循環(huán)過程中鐵或低合金鋼的大氣腐蝕涉及3個階段：(1)在第一次潤濕階段，鐵的陽極溶解通過鐵銹層內(nèi)的γ-FeOOH還原而達(dá)到平衡，并且認(rèn)為α-FeOOH為更具顯著保護(hù)能力的不反應(yīng)相；(2)在空隙表面開始進(jìn)行氧還原；(3)γ-FeOOH和其他亞鐵氧化物的還原層再次氧化，導(dǎo)致α-FeOOH的形成和γ-FeOOH的再生.然而，這些鐵氧化物間的轉(zhuǎn)化是十分復(fù)雜的，并且尚未達(dá)成普遍認(rèn)識.H?rlé等[80]在研究鐵的長期大氣腐蝕行為過程中討論了干-濕循環(huán)中各類型鐵氧化物之間的轉(zhuǎn)化，這為研究銹層組成和形態(tài)提供了更有利的依據(jù).

Fig.4 Thickness of the oxide layer on the surface of the pin vs load based on a series of pin-on-disc tests under dry conditions[77]圖4 干燥條件下銷盤試驗中銷釘表面氧化物層的厚度與載荷的關(guān)系[77]

空氣溫度會影響水蒸氣在金屬表面的凝聚及其水膜中各類鹽類和腐蝕性氣體的溶解度，進(jìn)而影響水膜的電導(dǎo)性和電化學(xué)反應(yīng)速率[81].大氣環(huán)境中的金屬通常在溫度與空氣相對濕度共同作用下才發(fā)生氧化銹蝕.金屬的電化學(xué)反應(yīng)會隨溫度的升高而加快，在高溫高濕的環(huán)境下，金屬的銹蝕速率會急劇提升[82].研究發(fā)現(xiàn)在夏季高濕度時期到夜晚氣溫下降，金屬表面出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象；鋼軌材料的大氣腐蝕過程主要分為干-潮-濕3個階段：在干大氣階段，鋼軌表面吸附的水膜厚度趨近于零(基本沒有水膜存在)，腐蝕速率低，主要是常溫氧化作用；在潮的大氣階段(相對濕度超過臨界相對濕度，但是在100%以下)，鋼軌表面存在看不見的薄水膜，開始電化學(xué)腐蝕，是鋼軌腐蝕最主要的階段；濕的大氣階段，相對濕度為100%或以水和雨雪等直接落在鋼軌上形成水膜，由于水膜較厚導(dǎo)致氧無法在水中擴(kuò)散，腐蝕速率較潮階段降低[82-83]，文獻(xiàn)[39]也提到當(dāng)輪軌周圍濕度過高水蒸氣過多會減慢氧化速度.Wu等[84]調(diào)查研究了高速列車轉(zhuǎn)向架在大氣環(huán)境下的腐蝕情況，通過定期循環(huán)式干濕循環(huán)腐蝕試驗發(fā)現(xiàn)高速列車用SMA490BW鋼和焊接接頭上形成的銹層主要為α-FeOOH、γ-FeOOH、Fe2O3和Fe3O4.

大秦鐵路天馬山隧道在2012～2014年期間多次出現(xiàn)因隧道漏水、環(huán)境潮濕和溫度低造成的鋼軌銹蝕最終導(dǎo)致斷裂，鋼軌表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在軌面陽極區(qū)，鐵被氧化為Fe2+進(jìn)入水膜之中，而溶于水膜中的氧在陰極區(qū)被還原為OH-，F(xiàn)e2+和OH-結(jié)合形成Fe(OH)2并被進(jìn)一步氧化為疏松易脫落的Fe(OH)3[85].肖鋒[86]在鋼軌腐蝕與防護(hù)研究的綜述中提出處在濕潤潮濕條件下的鐵銹層能夠起到強(qiáng)氧化劑的作用，其具體過程是在Fe和Fe3O4的界面上發(fā)生Fe→Fe2++2e的陽極反應(yīng)，而在Fe3O4和FeOOH的界面上發(fā)生8FeOOH+Fe2++2e→3Fe3O4+4H2O的陰極反應(yīng)，即鐵銹層內(nèi)發(fā)生了Fe3+→Fe2+的還原反應(yīng)，鐵銹層參與了陰極反應(yīng)過程；當(dāng)外部氣體相對濕度下降時(即鐵銹層干燥時)，鐵銹層和底部基體金屬的局部微電池成開路狀態(tài)，鐵銹層內(nèi)的Fe2+重新被氧化成Fe3+，發(fā)生Fe3O4+O2+6H2O→12FeOOH的反應(yīng).因此，在干-濕循環(huán)交替下，帶有銹蝕層的輪軌腐蝕速度加快.

在大氣環(huán)境中，氧化鐵會通過電化學(xué)反應(yīng)緩慢形成，這種反應(yīng)通常發(fā)生在高濕度環(huán)境中，其中覆蓋車輪和軌道表面的水層將充當(dāng)電解質(zhì)，在這種情況下氧化的速率由電解質(zhì)的量來決定.而當(dāng)天氣干燥時，發(fā)生電化學(xué)氧化的可能性較低，然而鋼的氧化仍然會通過熱腐蝕過程發(fā)生，在這種情況下，溫度成為控制因素，隨著溫度的升高，鐵離子和氧的擴(kuò)散加快，加速了氧化反應(yīng).在室溫下，氧化物層非常薄，大約幾納米，而在高溫下會形成厚而相對干的氧化物層.不同類型的氧化物之間的轉(zhuǎn)換可能發(fā)生在交替干燥和潮濕的循環(huán)天氣條件下.一般來說，鐵銹(水合氧化物)在干燥條件下容易轉(zhuǎn)化為無水氧化物，在潮濕條件下則相反.

在不同地域(工業(yè)區(qū)、農(nóng)村地區(qū)和濱海地區(qū))，由于空氣中成分不同，在輪軌表面生成的鐵氧化物類型也不同.在工業(yè)地區(qū)的大氣中，雨水中溶解了空氣中的SO2和氯離子(Cl-)等污染物，使得降水中、、Na+和Cl-濃度較高，增加了電解液膜的導(dǎo)電性，加快電化學(xué)反應(yīng)速率，從而促進(jìn)金屬氧化物銹蝕[82].SO2和氮氧化物，從而滋生酸雨，酸雨降低附著在輪軌表面液膜的pH值，從而加速輪軌材料及其配件的電化學(xué)腐蝕.Kamimura等[87]根據(jù)空氣中鹽顆粒數(shù)量的不同，確定了每個地區(qū)的主要鐵氧化物類型(表3).Fuente等[88]在不同類型的區(qū)域現(xiàn)場研究了有利于形成各種鐵氧化物的長期大氣條件，結(jié)果表明β-FeOOH只能在海洋地區(qū)形成，而且無論地域位置和環(huán)境條件如何變化均存在γ-FeOOH和α-FeOOH.Hardwick等[89]使用雙盤試驗機(jī)研究了鹽對輪軌黏著特性與磨損性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鹽的存在可以促進(jìn)鋼軌軌頭鐵氧化銹蝕物的產(chǎn)生，而鐵氧化銹蝕物反過來又會對輪軌黏著特性和磨損性能產(chǎn)生影響.Cl-會破壞表面的鈍化膜，NaCl和硫酸鹽的吸水性很強(qiáng)，降低臨界相對濕度，加劇電化學(xué)腐蝕.Fe3O4的形成似乎與氯離子的存在無關(guān)，而低濃度的SO2對Fe3O4的形成具有非常顯著的影響.

表3 各地區(qū)鐵氧化物的主要形式[87]Table 3 The predominant forms of iron oxides by region[87]

2.3 鐵氧化物對輪軌黏著的影響

英國的Beagley等[90]是實驗室進(jìn)行鐵氧化物對輪軌接觸影響研究的先驅(qū)，使用四種試驗機(jī)研究了Fe2O3及其與其他液體混合物對輪軌接觸的影響.Ohno和Ogawa[91]利用試驗機(jī)模擬了車輪在一段鋼軌上運(yùn)行，特別關(guān)注了產(chǎn)生不同氧化銹蝕物的各種環(huán)境條件對輪軌接觸的影響.隨后越來越多的研究人員認(rèn)識到鐵氧化銹蝕物的重要性及其對輪軌黏著特性與磨損的影響，并由此產(chǎn)生了濃厚的研究興趣[92-96].

前面已提到輪軌接觸中常見的四種鐵氧化物包含α-Fe2O3、α-FeOOH、β-FeOOH和γ-FeOOH.其中β-FeOOH具有減摩作用且易于被去除，當(dāng)車輛處于自由滾動狀態(tài)時，輪軌黏著明顯降低，而增加滑差率可以降低β-FeOOH引起的低黏著問題[74].而α-FeOOH和γ-FeOOH是現(xiàn)場鋼軌表面和實驗室輪軌樣品中最常見的鐵銹形式，且大量的鐵銹沉積致使其表面極其粗糙，從而增加了輪軌材料的磨損率.輪軌表面上鐵氧化銹蝕物的形成及去除都受到車輪運(yùn)行的影響，故而氧化銹蝕層經(jīng)常被磨損并再生.Nakahara等[31]研究了早晨時段城市地鐵系統(tǒng)輪軌低黏著情況，指出輪軌接觸的黏著系數(shù)隨著早晨列車運(yùn)行量的增加而增大，并認(rèn)為這種現(xiàn)象與輪軌表面鐵氧化銹蝕物的形成和脫落有關(guān)，這時在低列車運(yùn)行量時鋼軌表面形成的氧化銹蝕層被逐漸消除且在高列車運(yùn)行量時無法及時恢復(fù).Zhu等[97]利用各種表面分析技術(shù)對受到落葉污染的鋼軌表面進(jìn)行檢測，結(jié)果表明鋼軌被落葉污染程度的增加與鐵氧化物厚度的增加和黏著系數(shù)的減小有關(guān).

氧化膜具有隔離作用，可以抑制Fe持續(xù)被氧化，當(dāng)氧化膜遭到破壞形成剝落后，暴露出的Fe原子發(fā)生摩擦化學(xué)作用生成一定的Fe2+和Fe3+，進(jìn)一步又形成新的氧化膜，剝落的氧化物會在輪軌間充當(dāng)?shù)谌w介質(zhì)，對輪軌黏著性能造成影響[98].氧化銹蝕物不僅直接影響輪軌間的黏著特性和磨損性能，而且還與其他第三體介質(zhì)混合，對輪軌材料損傷行為與失效機(jī)制的影響比單獨的第三體介質(zhì)更為復(fù)雜.Beagley等[90]使用四種試驗機(jī)研究了Fe2O3及其與其他液體混合對輪軌接觸的影響，并利用理論方法和圓盤式黏度計進(jìn)一步測試了Fe2O3-H2O混合物的流變性能，發(fā)現(xiàn)在油潤滑條件下，磨屑的存在有助于保持輪軌間的黏著力，而在潮濕的條件下，接觸界面存在的大量磨屑會顯著降低輪軌間的黏著力，對于Fe2O3-H2O混合物，其黏度隨固體Fe2O3含量的增加呈指數(shù)增加[99].Fe2O3沉積物造成的低黏著力可以從Fe2O3的高強(qiáng)度和柔韌性足以支撐其車輪而剪切強(qiáng)度較低得到解釋，但是在Beagley的研究中鐵氧化銹蝕物只有Fe2O3.White等[100]通過雙盤試驗機(jī)研究發(fā)現(xiàn)預(yù)制鐵氧化物的鋼軌試樣和少量水會使黏著系數(shù)低于0.02，這與機(jī)油和潤滑脂污染導(dǎo)致的最低黏著系數(shù)相當(dāng)，可能是由初始鐵氧化物層與磨屑顆粒加上水混合成的糊狀物導(dǎo)致的，在實際鋼軌上少量的水可以與氧化鐵和磨損產(chǎn)物混合產(chǎn)生大量的糊狀物并產(chǎn)生在實驗室觀察到的極低黏著特性，這種現(xiàn)象與糊狀物中的水含量相關(guān)性極大，因為水會影響到糊狀物的黏度.這也解釋了在小雨、露水和清晨時的“濕軌”現(xiàn)象，少量的水會產(chǎn)生黏性糊狀物，而大量的水則會稀釋糊狀物并沖走糊狀物.Galas等[101]通過球盤試驗機(jī)研究了不同濕度條件下的輪軌黏著特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與之前的關(guān)于環(huán)境條件對黏著的影響不同，受到樹葉提取物污染的圓盤在相對濕度70%及以上條件下的試驗發(fā)現(xiàn)黏著系數(shù)會跌破0.05，而清潔的圓盤試樣只有當(dāng)相對濕度過高使其接觸界面凝結(jié)出現(xiàn)露水時才可能發(fā)生低黏著現(xiàn)象.在水作為摩擦介質(zhì)的試驗中，清潔圓盤試樣的黏著系數(shù)沒有發(fā)生嚴(yán)重的降低，但是當(dāng)試樣表面形成氧化層時，黏著系數(shù)會降至很低.Lu等[102]和Messdddi等[103]在銷盤試驗機(jī)和雙盤試驗機(jī)上研究了摩擦改進(jìn)劑(FM)與鐵氧化銹蝕物對輪軌接觸界面摩擦學(xué)性能的影響及其相互作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)FM-Fe2O3復(fù)合膜的剪切強(qiáng)度受到FM和Fe2O3相對濃度的影響.Lewis等[104]通過銷盤試驗機(jī)研究發(fā)現(xiàn)FM-Fe3O4混合物比FM-Fe2O3混合物具有更大的黏著力，因為FM-Fe3O4混合物的顆粒尺寸更大.FM-鐵氧化物濃度對輪軌黏著也有顯著影響，其中氧化物在FM-鐵氧化物混合物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%時摩擦系數(shù)較小.上述研究大多強(qiáng)調(diào)鐵氧化物對摩擦的影響，普遍認(rèn)為鐵氧化物能減小摩擦，并且可以通過與水的混合進(jìn)一步減小摩擦.

除Fe2O3和Fe3O4外，學(xué)者還研究了其他特定類型鐵氧化銹蝕物對輪軌材料摩擦磨損的影響.Sone等[105]提出了在實驗室進(jìn)行表面氧化處理，已在實驗室中生成與Suzumura等[9]在現(xiàn)場觀察到的類似的鐵氧化物.該工作為在實驗室條件下模擬現(xiàn)場制備鐵氧化物提供了1種試驗方法，Zhu等[10,39-40,45,106]遵循Sone等[105]提出的氧化處理方法，利用雙盤試驗機(jī)和銷-盤試驗機(jī)進(jìn)行一系列的試驗研究，結(jié)果表明，純滑動接觸試驗過程中形成的鐵氧化物比預(yù)先生成的鐵氧化物對摩擦的影響更大，這是由于在純滑動條件下，預(yù)先生成的鐵氧化物被迅速去除，因此不會被保留在摩擦界面上，而試驗過程中形成的鐵氧化物能夠保留在摩擦界面上并對摩擦磨損產(chǎn)生影響。在滾-滑條件下預(yù)先制備的鐵氧化物對摩擦接觸的影響時間更長.由于水分子形成了邊界層，黏著系數(shù)隨濕度增加而減小，直至達(dá)到飽和水平；當(dāng)相對濕度處于飽和水平以上，水分子膜開始附著在α-Fe2O3上增加表面的摩擦，從而抵消水膜對摩擦的影響，因此，隨著相對濕度的進(jìn)一步增大，摩擦系數(shù)保持在較低且穩(wěn)定的水平(圖5)，增加水分含量可增大氧化，避免嚴(yán)重磨損.還發(fā)現(xiàn)在相對濕度處于較低水平時，低溫使得摩擦系數(shù)增加到極高的水平[45].而在雙盤試驗機(jī)的研究結(jié)果中并未發(fā)現(xiàn)類似的摩擦行為，但卻檢測到存在β-FeOOH，在潮濕條件下正是β-FeOOH導(dǎo)致了輪軌接觸界面的低黏著，并發(fā)現(xiàn)粗糙表面對于去除薄氧化層的影響并且恢復(fù)輪軌黏著是有效的，這為緩解鐵路運(yùn)營中由鐵氧化物引起的低黏著提供一種可行的方法[10]，另外還發(fā)現(xiàn)在潮濕條件下，薄的氧化層會減少磨損，而厚的氧化層會大大增加磨損.

相對濕度顯著影響著輪軌接觸界面的黏著特性，而溫度會影響到相對濕度，濕度和溫度又會進(jìn)一步影響輪軌表面鐵氧化銹蝕物的生成，進(jìn)而影響著輪軌材料的摩擦磨損性能.鐵氧化物一直存在于輪軌接觸表面，這是在研究輪軌材料摩擦磨損時不可避免的現(xiàn)象，但是經(jīng)常被忽略.在輪軌接觸過程中，車輪和鋼軌表面鐵氧化物的形成及其去除都受車輪運(yùn)行的影響.氧化銹蝕層經(jīng)常被磨損并再生的這一瞬態(tài)過程尚未清楚，而且鐵氧化銹蝕物往往會被消除而沒有留下可檢測的殘留物，這也極大地增加了對其研究的難度.

Fig.5 Schematic of the coefficient of friction vs the amount of water vapour[38]圖5 摩擦系數(shù)與水蒸氣量關(guān)系[38]

3 結(jié)束語

輪軌接觸界面黏著特性是鐵路運(yùn)輸過程中關(guān)鍵的基礎(chǔ)性科學(xué)問題之一，是車輛-軌道耦合系統(tǒng)動力學(xué)和輪軌關(guān)系研究的基礎(chǔ).隨著鐵路運(yùn)輸向著高速化和重載化方向迅速發(fā)展，尤其是機(jī)車功率的不斷提高使得輪軌間需要傳遞的牽引與制動力顯著增加.輪軌接觸界面間良好的黏著狀態(tài)對滿足機(jī)車牽引功率的發(fā)揮、保障車輛的牽引與制動安全、延長輪軌材料的服役壽命及降低鐵路部門的養(yǎng)護(hù)成本具有極其重要的意義.根據(jù)目前的研究狀況來看，為保障輪軌接觸界面良好的黏著狀態(tài)，未來可以從以下幾個方面對輪軌接觸界面黏著特性進(jìn)行深入研究：

a.主要針對南方濱海地區(qū)輪軌材料長期處于高溫潮濕服役環(huán)境及一些工業(yè)區(qū)的腐蝕性服役環(huán)境，可深入開展?jié)駸崤c腐蝕性環(huán)境下輪軌材料的氧化銹蝕規(guī)律及鐵氧化銹蝕物對輪軌接觸黏著特性和損傷行為方面的研究.

b.針對第三介質(zhì)工況下輪軌接觸界面低黏著狀態(tài)的撒砂和氧化鋁等硬質(zhì)顆粒增黏措施加劇輪軌材料磨損與損傷的問題，可深入研究硬質(zhì)顆粒在增黏過程中的破碎行為，優(yōu)化改進(jìn)輪軌接觸界面硬質(zhì)顆粒增黏措施的最佳應(yīng)用參數(shù).

c.針對干態(tài)工況下輪軌接觸界面因黏著系數(shù)過高而引起輪軌材料異常磨耗與嘯叫噪聲的問題，可深入開展輪緣/軌距面潤滑及車輪踏面-軌頂面黏著控制研究，設(shè)計研發(fā)環(huán)境友好型的潤滑劑與黏著控制劑，穩(wěn)定調(diào)控輪軌接觸界面的黏著特性.此外，潤滑劑與黏著控制劑的開發(fā)和研究需要考慮鐵氧化物的影響.