李勝杰, 李佳辛, 吳柄男, 師陸冰, 張沭玥, 丁昊昊, 王文健, 劉啟躍

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 摩擦學(xué)研究所, 四川 成都 610031)

隨著鐵路運(yùn)輸向“客運(yùn)高速”和“貨運(yùn)重載”方向的快速發(fā)展，輪軌系統(tǒng)的日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)不斷面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)[1-2]，特別是對(duì)于貨運(yùn)鐵路和城軌系統(tǒng)中小半徑曲線段的輪軌磨損(鋼軌波磨、車(chē)輪多邊形磨損和鋼軌側(cè)磨等)、滾動(dòng)接觸疲勞損傷和摩擦噪聲已成為影響鐵路運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本和列車(chē)乘坐舒適性的關(guān)鍵問(wèn)題[3]. 針對(duì)以上問(wèn)題的解決辦法主要包括輪軌材料優(yōu)化和輪軌減摩調(diào)控等[4]. 近年來(lái)輪軌減摩調(diào)控技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品逐漸在國(guó)、內(nèi)外軌道交通領(lǐng)域得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用.

輪軌減摩調(diào)控可分為軌側(cè)潤(rùn)滑和軌頂摩擦調(diào)控兩大類(lèi). 其中軌側(cè)潤(rùn)滑主要是通過(guò)在鋼軌軌側(cè)或輪緣處噴涂潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂或其他潤(rùn)滑材料，使列車(chē)在通過(guò)曲線時(shí)輪緣與軌距角接觸界面維持良好的潤(rùn)滑狀態(tài)(摩擦系數(shù)應(yīng)達(dá)到0.1以下)，以達(dá)到抑制鋼軌側(cè)磨、車(chē)輪爬軌和摩擦噪聲等目的[5]. 不同于軌側(cè)潤(rùn)滑，軌頂摩擦調(diào)控是將潤(rùn)滑材料(軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑)直接涂敷至鋼軌軌頂[6]，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸界面的潤(rùn)滑. 而為了避免影響列車(chē)運(yùn)行安全，此類(lèi)潤(rùn)滑材料應(yīng)具備“中等摩擦系數(shù)水平”，即在其使用過(guò)程中應(yīng)將輪軌滾動(dòng)接觸界面摩擦(黏著)系數(shù)調(diào)控至0.1~0.3范圍內(nèi)[7]，在發(fā)揮減摩效果的同時(shí)滿足輪軌正常牽引和制動(dòng)所需的黏著系數(shù)水平[8]. 軌頂摩擦調(diào)控相關(guān)產(chǎn)品自上世紀(jì)90年代被研制并使用，首先在溫哥華城軌系統(tǒng)上得以應(yīng)用(解決小半徑曲線鋼軌波磨問(wèn)題)[9]，并逐漸在北美、新西蘭、歐洲及國(guó)內(nèi)貨運(yùn)鐵路和城市軌道交通領(lǐng)域得以推廣，已成為延長(zhǎng)鋼軌使用壽命、降低鐵路運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本的一項(xiàng)重要輪軌減摩調(diào)控技術(shù)手段.

關(guān)于軌側(cè)潤(rùn)滑和軌頂摩擦調(diào)控產(chǎn)品的相關(guān)應(yīng)用效果，如輪軌摩擦系數(shù)、磨損率[4]、滾動(dòng)接觸疲勞損傷[10]、波磨[11]和摩擦噪聲[12]等已得到國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛研究和驗(yàn)證，其相關(guān)作用機(jī)制也已得到初步闡釋?zhuān)捎谝酝芯慷嗉杏趯?duì)同類(lèi)潤(rùn)滑材料應(yīng)用效果研究，缺乏在同一施用條件下不同潤(rùn)滑材料間(如軌側(cè)潤(rùn)滑材料與軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑)的直接對(duì)比. 此外，以往研究結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果表明[13]，當(dāng)輪軌接觸界面存在初始表面滾動(dòng)接觸疲勞裂紋時(shí)，后續(xù)使用水、油和脂等潤(rùn)滑介質(zhì)在輪軌界面發(fā)揮減摩作用的同時(shí)，會(huì)因潤(rùn)滑介質(zhì)進(jìn)入裂紋內(nèi)部產(chǎn)生“油楔效應(yīng)”而導(dǎo)致嚴(yán)重的輪軌表面剝離損傷，如圖1所示. 然而軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑是否會(huì)導(dǎo)致此類(lèi)相同問(wèn)題尚缺乏有效研究.

Fig. 1 Spalling damage on rail side caused by the “oil wedge effect” of oil and grease圖1 軌側(cè)潤(rùn)滑油/脂“油楔效應(yīng)”導(dǎo)致的鋼軌剝離損傷

為對(duì)比揭示不同潤(rùn)滑材料對(duì)輪軌磨損和滾動(dòng)接觸疲勞損傷的影響，本文中通過(guò)輪軌滾動(dòng)接觸模擬試驗(yàn)對(duì)比研究了干態(tài)、施加軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑、潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂工況下的輪軌摩擦系數(shù)、磨損率、表面損傷和剖面損傷，并對(duì)不同潤(rùn)滑條件下的輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷機(jī)制開(kāi)展分析討論. 研究結(jié)果可為現(xiàn)場(chǎng)合理施用輪軌摩擦調(diào)控技術(shù)提供理論和技術(shù)參考.

1 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)在MJP-30A型輪軌滾動(dòng)接觸摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示. 其中，鋼軌試樣和車(chē)輪試樣分別安裝在試驗(yàn)機(jī)的上、下主軸上，分別由兩臺(tái)伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)(轉(zhuǎn)速范圍：100~2 000 r/min；精度：0.1 r/min)，通過(guò)控制輪軌試樣的轉(zhuǎn)速及其轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)對(duì)蠕滑率的控制，蠕滑率按照式(1)進(jìn)行計(jì)算；模擬輪軌試樣間的法向載荷通過(guò)液壓加載(加載范圍：0~30 kN；精度0.1 N)，并由液壓缸底部的薄膜式壓力傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量；試驗(yàn)中模擬輪軌試樣間的摩擦力矩由下試樣主軸上連接的扭矩傳感器測(cè)得，并通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)反饋到電腦上獲得實(shí)時(shí)的輪軌摩擦系數(shù)，其計(jì)算方法如式(2)所示. 本研究中選取的輪軌模擬轉(zhuǎn)速為500 r/min，蠕滑率為1%，法向載荷為2.52 kN (根據(jù)赫茲接觸理論計(jì)算得到最大接觸應(yīng)力為1 100 MPa，接近于21 t軸重機(jī)車(chē)正常運(yùn)行工況下的輪軌滾動(dòng)接觸狀態(tài)).

式中：λ為蠕滑率；V1和V2分別為模擬輪軌試樣的線速度(mm/min)；n1和n2分別為模擬輪軌試樣的轉(zhuǎn)速(r/min)；d1和d2分別為模擬輪軌試樣的直徑(mm).

式中：μ為試驗(yàn)過(guò)程中的輪軌摩擦系數(shù)；M1為扭矩傳感器檢測(cè)得到的摩擦轉(zhuǎn)矩(N·m)；r為試樣半徑(m)；FN為模擬輪軌試樣間的法向載荷(N)；

試驗(yàn)中選取的輪軌試樣分別取自CL65車(chē)輪踏面和U75V熱軋鋼軌軌頭，試樣直徑為60 mm，接觸寬度為5 mm，其取樣位置和試樣結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示. 試驗(yàn)前輪軌試樣表面粗糙度Ra約為0.3 μm，車(chē)輪和鋼軌試樣圓周表面初始硬度分別為330 HV0.5和315 HV0.5，輪軌試樣材料化學(xué)成分列于表1中.

表1 輪軌試樣化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of wheel and rail rollers (mass fraction)

Fig. 2 MJP-30A wheel-rail rolling contact friction and wear testing machine圖2 MJP-30A輪軌滾動(dòng)接觸摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

Fig. 3 Sampling position and size of wheel and rail specimens圖3 輪軌試樣取樣位置及尺寸

Fig. 4 The lubricants used for the test圖4 試驗(yàn)中使用的不同輪軌潤(rùn)滑材料

研究中選用常用的輪軌潤(rùn)滑材料為軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑、潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂(圖4)，其中軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑為鐵路上使用的水基型軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑(FM)，它是由水、樹(shù)脂和固體減摩材料混合形成的水基懸浮液[14]，此產(chǎn)品由西安凱豐鐵路機(jī)電設(shè)備有限公司提供；潤(rùn)滑油為常用的車(chē)用齒輪潤(rùn)滑油，其主要成分為潤(rùn)滑基礎(chǔ)油、極壓抗磨劑和除銹劑等[15]，此產(chǎn)品購(gòu)于長(zhǎng)城潤(rùn)滑油官網(wǎng)；潤(rùn)滑脂為鐵路上使用的軌側(cè)減磨膏，是由稠化劑、石墨和基礎(chǔ)油等成分組成潤(rùn)滑脂產(chǎn)品[16]，此產(chǎn)品由西安凱豐鐵路機(jī)電設(shè)備有限公司提供. 為模擬輪軌正常磨損狀態(tài)下施加不同潤(rùn)滑材料的磨損和損傷行為，試驗(yàn)前將輪軌試樣在干態(tài)下進(jìn)行預(yù)跑和10 000 r，使模擬輪軌試樣達(dá)到穩(wěn)定摩擦系數(shù)且試樣表面呈現(xiàn)輕微的疲勞損傷狀態(tài)(圖5). 然后對(duì)跑和后的輪軌試樣分別在干態(tài)、施加軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑、潤(rùn)滑油以及潤(rùn)滑脂工況下繼續(xù)運(yùn)行25 000 r，具體試驗(yàn)參數(shù)列于表2中.在現(xiàn)場(chǎng)干線中軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑和軌側(cè)減磨膏主要采用道旁涂敷施加方式，由通過(guò)涂敷點(diǎn)的車(chē)輪將潤(rùn)滑材料攜帶至更遠(yuǎn)處的鋼軌表面，進(jìn)而發(fā)揮減摩作用. 因此，模擬試驗(yàn)中使用移液槍按照每次20 μL的施加量逐次施加不同潤(rùn)滑材料. 考慮到軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑的應(yīng)用目標(biāo)是將輪軌滾動(dòng)接觸界面摩擦系數(shù)調(diào)控至0.1~0.3范圍內(nèi)，因此模擬試驗(yàn)中軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑的施加頻次為每當(dāng)輪軌試樣摩擦系數(shù)上升到0.3時(shí)再施加一次[17](相同試驗(yàn)參數(shù)下的干態(tài)摩擦系數(shù)約為0.4，該施加方式同樣保證了軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑始終在模擬輪軌接觸界面間發(fā)揮作用). 潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂的施加量和施加次數(shù)保持不變，使試驗(yàn)過(guò)程中各潤(rùn)滑材料的總施加量和次數(shù)一致.

Fig. 5 Surface morphology of wheel/rail rollers after running-in圖5 干態(tài)預(yù)跑和后的輪軌試樣表面形貌

表2 試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Experimental parameter

全部試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)前、后用超聲波清洗試樣5~10 min，利用電子天平對(duì)清洗后的試樣稱(chēng)重以計(jì)算磨損率；對(duì)試驗(yàn)后的輪軌試樣進(jìn)行切割、鑲嵌、拋光和腐蝕等處理，利用超景深光學(xué)顯微鏡(OM, KEYENCE VHX-6000，Osaka Japan)以及掃描電子顯微鏡(SEM,PhenoPre-SE，The Neherands)分別對(duì)試樣表面和剖面損傷進(jìn)行表征分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦系數(shù)和磨損率

干態(tài)及施加不同潤(rùn)滑材料的輪軌界面摩擦系數(shù)曲線及試驗(yàn)后的輪軌試樣磨損率如圖6所示. 干態(tài)工況下輪軌摩擦系數(shù)水平約為0.4，其車(chē)輪與鋼軌試樣的磨損率分別為3.88和2.96 μg/r. 與干態(tài)工況下相比，施加軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑后輪軌摩擦系數(shù)迅速降低至0.1~0.15范圍內(nèi)，但之后的摩擦系數(shù)并不能穩(wěn)定在該范圍內(nèi)，而是呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)直至再次施加軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑. 從施加軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑后摩擦系數(shù)瞬時(shí)降低到其重新恢復(fù)至0.3的過(guò)程是軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑在輪軌界面充分發(fā)揮摩擦調(diào)控效果的有效作用過(guò)程，其持續(xù)的模擬輪軌試樣循環(huán)滾動(dòng)轉(zhuǎn)數(shù)通常被定義為軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑的有效作用距離[18]，在本試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得的該軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑的平均有效作用距離約為996 r.在該過(guò)程中輪軌摩擦系數(shù)始終處于0.1~0.3范圍內(nèi)，可以滿足列車(chē)牽引和制動(dòng)需求(列車(chē)正常牽引和制動(dòng)所需的輪軌摩擦系數(shù)水平應(yīng)不低于0.1[19]). 軌頂摩擦調(diào)控劑通過(guò)對(duì)摩擦系數(shù)的調(diào)控可以有效降低輪軌磨損率，其車(chē)輪和鋼軌磨損率較干態(tài)工況分別下降了54.9%和26.3%.

Fig. 6 Adhesion coefficient and wear rates between wheel and rail under four test conditions圖6 四種試驗(yàn)工況下輪軌摩擦系數(shù)和磨損率

不同于軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑，在相同的施加頻次下施加潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂時(shí)，輪軌摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.075左右，施加潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂后輪軌摩擦系數(shù)未表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，表明了潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂具有優(yōu)異的潤(rùn)滑效果和潤(rùn)滑保持能力，這也與這兩種工況下較小的輪軌磨損率結(jié)果一致. 與干態(tài)工況相比，車(chē)輪磨損率降低90%以上，鋼軌磨損率降低85%以上. 但是施加潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂工況下的輪軌摩擦系數(shù)水平難以滿足列車(chē)牽引和制動(dòng)所需的摩擦系數(shù)水平(不低于0.1)，因此在現(xiàn)場(chǎng)中潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂僅能用于軌側(cè)和輪緣接觸界面，一旦應(yīng)用于軌頂或車(chē)輪踏面將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的低黏著風(fēng)險(xiǎn).

2.2 表面損傷

試驗(yàn)后不同工況下的輪軌表面形貌如圖7所示.與試驗(yàn)前輪軌試樣跑和后的表面形貌(圖5)相比，干態(tài)工況下輪軌試樣繼續(xù)運(yùn)行25 000 r后其表面損傷明顯加劇，車(chē)輪和鋼軌試樣表面均分布有明顯的表面疲勞裂紋，且由于輪軌材料疲勞與磨損的競(jìng)爭(zhēng)作用，磨損率較小的鋼軌試樣表面疲勞損傷更為顯著，表現(xiàn)出明顯的起皮和剝落特征[圖7(a)]. 與干態(tài)工況相比，施加軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑在降低輪軌磨損的同時(shí)，輪軌試樣表面損傷也有明顯減輕，試樣表面僅分布有少量的輕微疲勞裂紋[圖7(b)]. 而施加潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂工況下，盡管車(chē)輪試樣表面損傷極為輕微(有局部的微點(diǎn)蝕損傷)，但鋼軌試樣表面疲勞損傷特征較干態(tài)工況更加顯著，表現(xiàn)出嚴(yán)重的起皮和材料片層剝落特征[圖7(c~d)].

Fig. 7 OM micrographs of surface damage morphology of wheel-rail specimen after test圖7 試驗(yàn)后輪軌試樣表面損傷形貌的OM照片

圖8所示為試驗(yàn)后輪軌試樣表面損傷形貌的SEM照片，由圖可見(jiàn)輪軌試樣表面損傷結(jié)果與圖7結(jié)果一致. 干態(tài)下輪軌試樣磨損表面出現(xiàn)明顯的表面疲勞裂紋[圖8(a)]；施加軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑下輪軌試樣表面僅出現(xiàn)表面微裂紋[圖8(b)]；而施加潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂工況下，盡管車(chē)輪試樣表面損傷極為輕微，但鋼軌試樣表面疲勞損傷特征較干態(tài)工況更加顯著，表現(xiàn)出嚴(yán)重的起皮和材料片層剝落特征[圖8(c)和(d)]. 結(jié)合表面損傷形貌(圖7~8)發(fā)現(xiàn)，軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑可有效減緩輪軌試樣表面損傷，而潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂會(huì)加劇鋼軌表面疲勞損傷.

2.3 剖面損傷

試驗(yàn)后輪軌試樣剖面(沿滾動(dòng)方向)塑性變形層如圖9所示. 可以看出，干態(tài)工況下車(chē)輪和鋼軌試樣的塑性變形層厚度分別為146和255 μm；而施加不同潤(rùn)滑介質(zhì)均使輪軌試樣塑性變形層厚度較干態(tài)明顯降低.在輪軌滾動(dòng)接觸過(guò)程中，當(dāng)材料內(nèi)部所受的屈服應(yīng)力超過(guò)其屈服強(qiáng)度時(shí)，輪軌材料便會(huì)發(fā)生塑性變形，并隨著輪軌的循環(huán)滾動(dòng)接觸和材料的應(yīng)變硬化，該塑性變形層厚度最終趨于穩(wěn)定. 在輪軌試樣材料和法向載荷相同的條件下，試驗(yàn)中不同工況下的輪軌試樣塑性累積過(guò)程直接受接觸界面摩擦系數(shù)(切向力)的影響，因此與施加軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑相比，施加潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂工況下輪軌塑性變形更加輕微.

輪軌滾動(dòng)接觸過(guò)程中材料的塑性累積會(huì)在“棘輪效應(yīng)”作用機(jī)制下萌生滾動(dòng)接觸疲勞裂紋，而且受塑性變形層內(nèi)材料微觀組織結(jié)構(gòu)(珠光體、鐵素體)的拉伸、變形和位錯(cuò)等影響，已萌生的疲勞裂紋極易沿塑性流變線方向延伸擴(kuò)展[20]，因此在干態(tài)工況下輪軌試樣滾動(dòng)接觸疲勞裂紋通常在剖面深度較淺處沿近似于平行表面方向擴(kuò)展并最終擴(kuò)展至表面形成局部材料剝落，如圖9(a)所示. 輪軌塑性變形減弱能夠直接降低試樣滾動(dòng)接觸疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，所以施加不同潤(rùn)滑介質(zhì)工況下車(chē)輪試樣剖面幾乎無(wú)明顯的滾動(dòng)接觸疲勞裂紋[圖9(b~d)，左圖]. 然而與圖7所示表面損傷特征一致，施加潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂工況下鋼軌試樣剖面分布有明顯長(zhǎng)裂紋和深裂紋[圖9(c~d)，右圖].

Fig. 8 SEM micrographs of surface damage morphology of wheel-rail specimen after test圖8 試驗(yàn)后輪軌試樣表面損傷形貌的SEM照片

Fig. 9 Plastic deformation layer of wheel and rail specimen after test圖9 試驗(yàn)后輪軌試樣塑性變形層

為了進(jìn)一步對(duì)比分析，圖10所示為各試驗(yàn)工況下試驗(yàn)后鋼軌試樣的剖面滾動(dòng)接觸疲勞裂紋分布的OM照片以及最長(zhǎng)和最深疲勞裂紋形貌的SEM照片，并在圖11中示出各工況下的疲勞裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度和深度統(tǒng)計(jì)結(jié)果. 由圖10可以看出，干態(tài)工況下鋼軌試樣剖面疲勞裂紋分布密集，且主要沿平行于滾動(dòng)方向擴(kuò)展，最深裂紋擴(kuò)展深度為28 μm，最大裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度236 μm [圖10(a)]. 與干態(tài)工況下相比，施加軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑的鋼軌試樣剖面裂紋數(shù)量明顯減少且擴(kuò)展深度變淺，最長(zhǎng)裂紋為56 μm，最深裂紋擴(kuò)展深度為12 μm[圖10(b)]；而施加潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂工況下鋼軌試樣剖面長(zhǎng)裂紋明顯增多且多以大角度往材料深處擴(kuò)展，其最大裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度分別約為1 255和955 μm，最大擴(kuò)展深度分別為165和125 μm [圖10(c~d)]. 由圖11統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以進(jìn)一步看出，施加軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑可以顯著降低輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷，其鋼軌試樣剖面平均疲勞裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度和擴(kuò)展深度僅為干態(tài)下的44.7%和53.6%；而施加潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂工況下平均裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度和深度約是干態(tài)工況下的3~5倍.

Fig. 10 OM and SEM micrographs of rail specimen profile damage after test圖10 試驗(yàn)后鋼軌試樣剖面損傷OM照片和SEM照片

Fig. 11 (a) Crack growth length and (b) depth of rail specimens under four working conditions圖11 四種工況下鋼軌試樣(a)裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度和(b)深度

由上述結(jié)果可知，施加潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂在發(fā)揮減磨作用的同時(shí)顯著加劇了鋼軌試樣的滾動(dòng)接觸疲勞損傷，而施加軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑則在發(fā)揮減磨作用的同時(shí)有效避免了輪軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷.

2.4 鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷機(jī)制分析

施加潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂工況下鋼軌試樣顯著的滾動(dòng)接觸疲勞特征(擴(kuò)展長(zhǎng)度和擴(kuò)展深度)及其與車(chē)輪試樣間的顯著差異(車(chē)輪試樣無(wú)明顯滾動(dòng)接觸疲勞損傷)表明：試驗(yàn)中由潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂所致的“油楔效應(yīng)”是加劇鋼軌試樣滾動(dòng)接觸疲勞損傷的主要機(jī)制.如圖12(a)所示，由于模擬試驗(yàn)過(guò)程中，鋼軌試樣所受切向力Ftr方向與滾動(dòng)方向一致，因此經(jīng)干態(tài)跑和后其試樣表面萌生的疲勞裂紋開(kāi)口方向與滾動(dòng)方向相同，而車(chē)輪試樣表面裂紋開(kāi)口方向則與其滾動(dòng)方向相反[13].當(dāng)輪軌滾動(dòng)接觸界面存在潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂等潤(rùn)滑介質(zhì)時(shí)[圖12(b)]，鋼軌試樣裂紋開(kāi)口處先進(jìn)入接觸區(qū)，潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂得以沿鋼軌裂紋開(kāi)口進(jìn)入到裂紋內(nèi)部，并最終形成“油楔效應(yīng)”使裂紋以第I、II或兩種混合的方式急劇擴(kuò)展[圖12(b)][21-22]；而車(chē)輪試樣表面裂紋進(jìn)入接觸區(qū)域時(shí)進(jìn)入裂紋內(nèi)部的潤(rùn)滑介質(zhì)會(huì)被排出，不會(huì)產(chǎn)生“油楔效應(yīng)”而加劇裂紋擴(kuò)展，因此在良好的潤(rùn)滑作用下其滾動(dòng)接觸疲勞極為輕微.

Fig. 12 The propagation mechanisms of rolling contact fatigue cracks under different conditions圖12 不同工況下疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制

不同于潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂，研究中使用水基軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑是一種由水、樹(shù)脂和固體減摩材料混合形成的潤(rùn)滑介質(zhì)，在施加至輪軌接觸界面后會(huì)迅速干涸形成1層固體潤(rùn)滑層[圖12(c)]. 因?yàn)楣腆w潤(rùn)滑層流動(dòng)性較差，難以像潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂等流體潤(rùn)滑材料進(jìn)入裂紋內(nèi)部形成“油楔效應(yīng)”[23]，因此施加軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑在發(fā)揮潤(rùn)滑作用的同時(shí)避免了因“油楔效應(yīng)”所致的嚴(yán)重的滾動(dòng)接觸疲勞損傷問(wèn)題.

綜合上述對(duì)比結(jié)果，與干態(tài)工況相比，軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑可以將輪軌滾動(dòng)接觸界面摩擦系數(shù)調(diào)控至“中等摩擦系數(shù)水平”，滿足機(jī)車(chē)正常牽引和制動(dòng)需求；同時(shí)通過(guò)對(duì)摩擦系數(shù)的調(diào)控，施用軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑能夠有效降低輪軌磨損、表面損傷、塑性變形和滾動(dòng)接觸疲勞損傷等，因此適宜作為輪軌滾動(dòng)接觸界面的潤(rùn)滑材料. 與軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑相比，潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂極佳的潤(rùn)滑效果會(huì)導(dǎo)致輪軌摩擦系數(shù)跌至0.1以下而引發(fā)輪軌低黏著問(wèn)題，因此在現(xiàn)場(chǎng)干線中進(jìn)行輪緣/軌側(cè)減摩潤(rùn)滑時(shí)應(yīng)避免潤(rùn)滑材料污染鋼軌軌頂. 盡管潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂能夠顯著降低輪軌磨損，但其“油楔效應(yīng)”會(huì)對(duì)鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷產(chǎn)生顯著影響，在現(xiàn)場(chǎng)使用中應(yīng)避免直接應(yīng)用于存在斜裂紋等初始表面疲勞損傷的鋼軌上.

3 結(jié)論

a. 施加軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑可將輪軌摩擦系數(shù)調(diào)控至0.1~0.3范圍內(nèi)，車(chē)輪和鋼軌磨損率較干態(tài)分別降低54.9%和26.3%，且輪軌表面損傷、塑性變形和滾動(dòng)接觸疲勞損傷明顯降低.

b. 施加潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂使輪軌摩擦系數(shù)降低至0.1以下，輪軌磨損率降低85%以上，車(chē)輪試樣表面損傷、塑性變形和滾動(dòng)接觸疲勞損傷較施加軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑工況更為輕微，但鋼軌試樣產(chǎn)生嚴(yán)重的滾動(dòng)接觸疲勞損傷.

c. “油楔效應(yīng)”是潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂工況下引發(fā)鋼軌試樣嚴(yán)重滾動(dòng)接觸疲勞損傷的主要原因，軌頂摩擦調(diào)節(jié)劑在輪軌界面的固體潤(rùn)滑特性使其難以進(jìn)入裂紋內(nèi)部產(chǎn)生“油楔效應(yīng)”.