轮缘固体润滑剂对轮轨减摩性能影响试验研究

宋靖东，程焯，王文健，郭俊，刘启跃

轮缘固体润滑剂对轮轨减摩性能影响试验研究

宋靖东1,2，程焯1，王文健1，郭俊1，刘启跃1

（1.西南交通大学 摩擦学研究所，四川 成都 610031；2.西南交通大学唐山研究生院，河北 唐山 063000）

利用MJP-30A滚动接触疲劳试验机完成试验工作，针对不同固体润滑剂的作用工况，分析摩擦力矩和摩擦系数随着试验力的变化，探究试验力对摩擦系数的影响；分析干态和两种不同固体润滑剂作用后的轮轨摩擦性能和固体润滑剂的有效作用时间，探究固体润滑剂的使用性能；分析固体润滑剂的磨损率和附着率情况，探究固体润滑剂的最佳应用性能。结果表明：随着试验力变大，摩擦力矩近乎呈线性增大，摩擦系数先降低后趋于平稳；随着蠕滑率增大，1#润滑剂的摩擦系数先达到0.2左右，后趋于平稳；两种固体润滑剂的有效作用时间均相近，均为4分钟左右，1#润滑剂的磨损率较小，1#润滑剂在轮轨试样界面的附着率也优于2#固体润滑剂。

固体润滑剂；摩擦系数；应用性能

钢轨侧磨是重载铁路的主要损伤形式，而高速铁路的主要损伤形式则为疲劳损伤[1]。钢轨打磨是缓解钢轨磨耗的有效方式，杜星[2]利用SIMPACK仿真计算得知打磨后的钢轨在运行中的横向力大大减小。同打磨相比，轮缘润滑是缓解钢轨侧磨的有效方法，它不仅可以有效改善机车曲线通过性能[3]，还因为操作简单、人工成本低而受到重视。轮缘润滑技术主要分为固体润滑和油脂润滑。Uddin M G[4]对重载铁路小曲线润滑进行研究，认为进行有效监控润滑效果才可使润滑效果最优化。在固体润滑剂应用效果方面，加拿大Kelsan公司的Donald和Eadie[5]研发的固体润滑棒可以稳定控制摩擦系数在0.15～0.2；杜伟[6]也认为合理的摩擦系数会降低轮轨磨耗；姚光督等[7]研究了聚四氟乙烯微粉（PTFE）对聚醚醚酮（PEEK）复合材料的摩擦磨损性能，得出的结论是PTFE质量分数增加时复合材料的干摩擦系数可下降至0.17，说明由PTFE构成的复合材料具有良好的减摩效果。在固体润滑剂力学性能方面，江万波等[8]认为热固性树脂可以改善固体润滑剂的承载力和耐磨性。同时，固体润滑剂不仅可以有效降低轮缘和钢轨磨耗，陈波[9]还发现可以缓解轮轨摩擦噪声。

轮缘固体润滑剂可降有效低轮缘和轨侧的磨损，对延长轮轨服役寿命有重要作用。本文利用MJP-30A滚动接触疲劳试验机研究干态和两种轮缘固体润滑剂对轮轨界面摩擦性能的影响，研究结果能为轮缘固体润滑技术的工程应用提供一定的理论指导。

1 试验部分

试验工作在MJP-30A滚动接触疲劳试验机上完成，采用两个轮形试样来模拟现实运行工况中的车轮和钢轨，轮轨试样和固体润滑剂试样的安装如图1所示，固体润滑剂的施加是通过定滑轮连接砝码来实现。车轮和钢轨试样的取样如图2所示。

试验参数：①接触应力在摩擦系数随摩擦力矩和试验力变化的试验中为490 N、980 N、1470 N、1960 N，其余试验中为715 MPa；②固体润滑剂的施加应力为0.1 MPa；③蠕滑率在摩擦系数－蠕滑率试验中为0%～8%，其余试验中为1%；④转速在附着性能试验中为400 r/min，其余试验中为500 r/min。

本文选取工程中在用两种不同轮缘固体润滑剂，分别命名为固体润滑剂1#、固体润滑剂2#，其主要作用是可以有效降低轮缘和轨侧接触面的的摩擦系数，从而达到改善轮轨之间的摩擦磨损和疲劳损伤的效果；选用精密电子天平（TG328A）称量轮轨试样质量并计算磨损量。

图1 固体润滑剂添加示意图

图2 试验车轮和钢轨试样的取样示意图

2 结果与分析

如图3所示，在转速、蠕滑率一定时，轮轨界面的摩擦力矩随试验力近似呈线性变化，即随着试验力增大，摩擦力矩会近似线性变大。这是因为随着轮轨界面接触应力的变大，作用在轮轨界面的切向摩擦力随之变大，即与之对应的摩擦力矩呈现增大的趋势；由于试验力呈线性变化，摩擦力矩的变化也几乎呈现线性。对比可知，使用2#的摩擦力矩要大于1#，1#润滑剂对轮轨界面的减摩润滑作用明显优于2#润滑剂。

图3 摩擦力矩－试验力曲线

如图4所示，随着试验力的增加，摩擦系数先降低再趋于平稳；1#的轮轨摩擦系数整体小于2#，也再次佐证图3的结果。图3显示轮轨接触应力对摩擦力矩有影响，图4表明试验力变化对轮轨界面摩擦系数的影响并不特别明显。对比可知，使用2#的摩擦系数要大于1#，即1#润滑剂对轮轨界面的减摩润滑作用明显优于2#润滑剂，试验结论同图3结论一样。

图4 摩擦系数－试验力曲线

图5为使用两种不同固体润滑材料时和干态工况下的轮轨摩擦－蠕滑曲线。干态工况下，蠕滑率达到3%左右时，摩擦系数开始趋于平稳，此时摩擦系数为0.62左右。随着蠕滑率的增大，1#的摩擦系数先是达到0.2左右，后趋于平稳。在蠕滑率低于5%时，随着蠕滑率的增大，2#的摩擦系数增长比较缓慢；当蠕滑率超过6%时，2#的摩擦系数增大较快；蠕滑率达到7%左右时，2#对轮轨摩擦系数几乎没有影响，与干态时的轮轨摩擦系数相近。这是因为对比小蠕滑率情况时，当轮轨试样接触界面之间的蠕滑率较大，上下试样之间的相对滑动就比较明显，相同的轮轨转速时黏附在接触界面的固体润滑剂就不能在接触界面形成一定厚度的固体润滑剂层，即表现为对接触界面不能形成有效的润滑减摩效果。在较大蠕滑率下，1#润滑剂仍能将干态工况下的摩擦系数降低到0.2左右，但2#作用效果已经同干态接近，几乎可以认定为已经失去减摩润滑效果。

图5 摩擦系数－蠕滑率曲线

图6为两种固体润滑剂的有效作用时间曲线。两种固体润滑剂分别作用轮轨界面3 min，然后去除固体润滑剂，研究不同润滑剂的有效作用时间的不同。结果表明：1#和2#的有效作用时间均为4 min左右，有效作用时间基本一致；但是，2#的摩擦系数波动较大上下浮动值接近0.05，1#的摩擦系数相对比较稳定。去除固体润滑剂作用，两种润滑剂作用的轮轨摩擦系数都没有立即恢复到相应的干态摩擦系数水平，这是因为虽然固体润滑剂不再继续作用轮轨界面，但轮轨界面凹凸不平的的微凹体内仍然残留有固体润滑剂固体颗粒；随着持续滚动接触作用，切向摩擦力作用使得微凹体持续磨损，微凹体内残留的固体润滑剂逐渐被碾压作用到轮轨界面会被轮轨界面；随着时间推移，轮轨试样表面磨损加剧，表面微凹体都被切向摩擦力作用去除，残留的固体润滑剂消耗殆尽失去减摩润滑效果，即轮轨界面摩擦系数恢复到干态工况相当的摩擦系数水平。

图7给出两种固体润滑剂的磨损率情况。结果表明：1#和2#的磨损率均在0.2～0.4 mg/min内；1#的磨损率较小，2#的磨损率较大。这是因为固体润滑剂作用轮轨界面时切向摩擦力作用使得润滑剂涂覆在试样表面产生减摩润滑效果。1#润滑剂颗粒之间的固结程度稍好，表现为相同切向摩擦力作用下1#润滑剂的磨损率更低、使用时间更长久，可以有效减小轮轨试样界面摩擦系数的距离更长。

图6 固体润滑剂有效作用时间

图7 固体润滑剂磨损率

在转速400 r/min试验条件下空转20 s进行固体润滑剂附着性试验，结果表明：1#的附着率为91%～100%，2#的附着率为81%～90%。轮轨界面切向摩擦力作用于固体润滑剂，固体润滑剂颗粒填充轮轨界面凹凸不平的微凹体内部，即在轮轨试样表面产生附着行为。由于1#润滑剂颗粒之间的固结程度稍好于2#，1#润滑剂粘附在轮轨试样表面的面积比例稍大于1#润滑剂的。综上所诉，1#固体润滑剂减摩润滑的效果要优于2#。

3 结论

（1）随着试验力变大，摩擦力矩近乎呈线性增大；随着试验力的增大，施加润滑剂的轮轨摩擦系数，先降低后趋于平稳。随着轮轨界面接触应力变大，作用在轮轨界面的切向摩擦力随之变大，即与之对应的摩擦力矩呈现增大的趋势；由于试验力的变化是呈线性变化，摩擦力矩的变化也几乎呈线性变化。

（2）随着蠕滑率的增大，1#润滑剂的摩擦系数先是达到0.2左右，而后趋于平稳；随着蠕滑率的增大，1#和2#的摩擦系数增长均增大；当蠕滑率达到7%左右时，2#对轮轨摩擦系数几乎没有影响，即2#失去润滑和减摩效果。当接触界面的蠕滑率较大，上下试样之间的相对滑动就比较明显，固体润滑剂就不能在接触界面形成有效的固体润滑剂层，即表现为对接触界面不能形成有效的润滑减摩效果。

（3）两种固体润滑剂的有效作用时间都是4 min左右，但2#的摩擦系数波动较大，1#的摩擦系数相对比较稳定；1#润滑剂的磨损率较小，1#润滑剂在轮轨试样界面的附着率也优于2#。连续滚动接触时切向摩擦力作用使微凹体持续磨损，轮轨界面微凹体内残留的固体润滑剂逐渐作用轮轨界面。

根据不同固体润滑剂的不同应用效果择优选用，可提升固体润滑剂实际工程应用价值。

[1]刘启跃，王文健，周仲荣. 高速与重载铁路钢轨损伤及预防技术差异研究[J]. 润滑与密封，2007，32（11）：11-14.

[2]杜星，郭俊，陈婧，等. 地铁线路控制钢轨波磨的钢轨打磨技术应用研究[J]. 机械，2011，38（10）：9-13.

[3]于春广，陶功权. 地铁车轮磨耗测试及数值仿真[J]. 工程力学，2016，33（1）：201-208.

[4]UDDIN M G，CHATTOPADHYAY G，RASUL M. Development of effective performance measures for wayside rail curve lubrication in heavy haul lines[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part F Journal of Rail & Rapid Transit，2014，228（5）：481-495.

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[6]杜伟. 重载铁路曲线内外轨摩擦系数的合理匹配研究[J]. 机械，2013，40（2）：11-15.

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[9]CHEN B. Experimental Study on train wheel/rail noise reducing using a new type of lubricants[J]. Lubrication Engineering，2010-05.

Experimental Study of Effect of Wheel Flange Solid Lubricants on Friction Reduction Performance of Wheel/Rail

SONG Jingdong1,2，CHENG Zhuo1，WANG Wenjian1，GUO Jun1，LIU Qiyue1

(1.Tribology Research Institute, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2.Tangshan Graduate School of Southwest Jiaotong University, Tangshan 063000, China)

The MJP-30A rolling fatigue testing machine was used to complete all the test work. According to the working conditions of different solid lubricants, the friction torque and coefficient of friction are analyzed with the test force, and the coefficient of friction was investigated. Influence; Analyze the effect of dry condition and wheel-rail friction performance of two different solid lubricants and the effective action time of solid lubricants, explore the influence of different solid lubricants on applicant performance; analyze the solid lubricants wear rate and adhesion rate, to study the best application performance of solid lubricants. The results show that as the test force becomes larger, the friction torque increases almost linearly, the coefficient of friction decreases firstly and then stabilizes; with the increase of creep rate, the coefficient of friction of 1# lubricant first reaches about 0.2, and then tends to be stable; the effective action time of the two solid lubricants are similar, both are about 4 minutes, and the wear rate of 1# lubricant is small. The adhesion rate of 1# lubricant at the interface of wheel and rail sample is also better than that of 2# solid lubricant.

solid lubricant；coefficient of friction；performance of application

U213.4+2

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.09.009

1006－0316 (2018) 09－0055－04

2018－07－02

四川省重点研发计划项目（2018GZ0368）；四川省高校科研创新团队资助项目（18TD0005）

宋靖东（1988－），男，山东临沂人，硕士研究生，主要研究方向为轨道交通轮轨界面摩擦调控。