不同介质作用下轮轨摩擦性能研究

左维琦　罗云萌　马涛

摘要：利用MMS-2A型摩擦磨损试验机开展不同介质下轮轨摩擦性能研究，主要研究摩擦系数的变化。研究干摩擦情况下、水态下、油介质润滑条件下、防冻液条件下对轮轨材料的摩擦磨损性能影响，系统分析研究不同条件下轮轨材料的摩擦系数变化。结果表明：不同介质工况下的轮轨摩擦系数明显不同，干态下轮轨摩擦系数最大，水润滑下次之，油润滑下还有所下降，最低的摩擦系数为添加了防冻剂后;随着环境湿度的增加，轮轨摩擦系数明显下降;滑差率对摩擦系数影响显著，随着滑差率增加，轮轨摩擦系数将显著增加;不同流量下，整体变化趋势无明显差异，随着流量的增大，干态与水态工况的状态摩擦系数的转换差异越来越趋于相似，1ml的小流量对摩擦系数影响较大;油介质下摩擦系数较小，随流量的增大，摩擦系数呈现降低趋势。

关键词：轮轨;摩擦;干态;水;油

随着高铁行业的发展，对电力机车负荷的要求愈来愈高，铁路工作主要依靠轮轨间的摩擦力，提升机车的运行能力是一个亟待需要解决的课题[1]。干态情况与介质存在条件下，轮轨接触区的表面形态与压力分布都会发生较大变化，为了减小轮轨接触面的压力，所以轮轨介质接触一般处于部分润滑状态。因此，寻求最佳工况下的轮轨摩擦特性，是非常重要的。很多学者对该方面内容进行了研究，CHEN[2]等进行了水介质条件下轮轨表面粗糙度、速度、水温对粘着特性影响的数值计算分析，张卫华[3]等开展了包括干净表面、水润滑和油润滑三种轮轨表面状态在不同轴重、不同速度工况下的粘着试验。

通过MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机开展不同工况下的试验，了解不同工况下轮轨摩擦系数的变化，研究成果可为轮轨实际工作提供重要的理论参考与技术指导。

1试验简介

在MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机上开展试验，试验采用双轮对滚动接触方式进行，上、下试样在双速电动机的带动下运行。试验采用赫兹模拟准则进行，可使得实验室条件下模拟轮轨试件间的平均接触应力和接触椭圆的长短轴之比与现场中的一致。设置上轮为车轮，下轮为轮轨，两试样直径都为40mm。试验上下试样结构尺寸如图1所示：

试验参数：下钢轨转速200r/min，上车轮转速180r/min，钢轨材料为U71Mn热轧轨，车轮材料为CL60钢。试验在室温条件下（23-25℃）干态、水态、油、防冻剂等介质下进行。水的温度为常温，油为中国石油集团兰州润滑油厂生产的L-CKC220齿轮油，防冻液选择乙二醇。滑差率分别选择0.17%、0.91%、2.38%、3.83%、4.55%、9.43%，流量选择为1ml、3ml、5ml、10ml、20ml，防冻液浓度分别为35%、50%、65%、80%。温度为室温，水温为常温。

试验过程中会给出一个法向力，该法向力通过法向传感器施加，运行过程中会产生一个切向力，该切向力通过扭矩传感器测量计算得到，摩擦系数为测得的切向力与施加法向力的比值。

2结果与分析

2.1室温条件不同介质1ml流量下摩擦系数

室温条件下，不用介质下摩擦系数变化较大。随着试验时间的增加，摩擦系数趋于平稳，干态下摩擦系数最大，其值在080左右，水介质润滑下摩擦系数值在0.60左右，相比干态下降低了25%，油润滑条件下，由于润滑油润滑效果良好，摩擦系数大幅下降，其值稳定在0.18左右，防冻液的加入，对于降低摩擦系数也起到了明显的作用。但较小的摩擦系数会导致轮轨间摩擦力太小，不利于列车的安全运行。

2.2不同湿度下摩擦系数

湿度对摩擦系数影响较大，当湿度值处于15%～55%时，摩擦系数相差不大，随着湿度增加，达到75%-95%时，摩擦系数明显降低。不同湿度工况下的摩擦系数较为不同，随着轮轨之间表面湿度的增加，摩擦系数将降低，当湿度为35%时，摩擦系数与干态时趋于一致，也就是室温时的状态。湿度增加到95%时，摩擦系数明显减小。上述结果表明轮轨面的湿度对摩擦性能影响明显。

2.3室温干态不同滑差下摩擦系数

随着滑差率增加，轮轨摩擦系数将显著增加。滑差率为943%时，摩擦系数非常大，效果较差。随着滑差率的减小，摩擦系数大幅降低，当滑差率为0.17%时，摩擦系数稳定在0.37左右。滑差率与摩擦系数呈正比趋势。

2.4室温水态不同流量下摩擦系数

不同流量下，整体变化趋势无明显差异，随着流量的增大，干态与水态工况的状态摩擦系数的转换差异越来越趋于相似，1ml的小流量对摩擦系数影响较大。

2.5室温油介质不同流量下摩擦系数

油介質下摩擦系数较小，随流量的增大，摩擦系数呈现降低趋势。很明显可以看出，在1ml下摩擦系数整体偏高，而10ml下摩擦系数最低。

3结论

（1）不同介质对轮轨摩擦系数影响明显，干态下最大，油水介质下的摩擦系数最小;水介质将降低轮轨摩擦系数，随湿度增加轮轨摩擦系数明显下降。

（2）滑差率显著影响摩擦系数，随着滑差率增加，轮轨摩擦系数将显著增加。

（3）不同流量下，整体变化趋势无明显差异，随着流量的增大，干态与水态工况的状态摩擦系数的转换差异越来越趋于相似。流量越小，影响越大。

（4）油介质下摩擦系数较小，随流量的增大，摩擦系数呈现降低趋势。

参考文献：

[1]刘启跃，周仲荣.受制滚动钢摩擦副的摩擦特性研究[J].机械工程学报，2003，39（7）：56-58.

[2]CHENHua，ISHIDAM，NAKAHARAT.Analysisofadhesionunderwetconditionsforthree-dimensionalcontactconsideringsurfaceroughness[J].Wear，2005（258）：1209-1216.

[3]张卫华，周文祥，陈良麒，等.高速轮轨粘着机理试验研究[J].铁道学报，2000，22（2）：20-24.

作者简介：左维琦（1989-），女，陕西渭南人，硕士，讲师，主要从事机械工程、电气控制与PLC应用等方面的教学工作，轮轨摩擦与润滑方面的研究工作。