不同润滑材料对轮轨磨损与滚动接触疲劳的影响

李胜杰, 李佳辛, 吴柄男, 师陆冰, 张沭玥, 丁昊昊, 王文健, 刘启跃

(西南交通大学 牵引动力国家重点实验室 摩擦学研究所, 四川 成都 610031)

随着铁路运输向“客运高速”和“货运重载”方向的快速发展，轮轨系统的日常运营维护不断面临新的技术挑战[1-2]，特别是对于货运铁路和城轨系统中小半径曲线段的轮轨磨损(钢轨波磨、车轮多边形磨损和钢轨侧磨等)、滚动接触疲劳损伤和摩擦噪声已成为影响铁路运营维护成本和列车乘坐舒适性的关键问题[3]. 针对以上问题的解决办法主要包括轮轨材料优化和轮轨减摩调控等[4]. 近年来轮轨减摩调控技术及相关产品逐渐在国、内外轨道交通领域得到广泛的发展和应用.

轮轨减摩调控可分为轨侧润滑和轨顶摩擦调控两大类. 其中轨侧润滑主要是通过在钢轨轨侧或轮缘处喷涂润滑油、润滑脂或其他润滑材料，使列车在通过曲线时轮缘与轨距角接触界面维持良好的润滑状态(摩擦系数应达到0.1以下)，以达到抑制钢轨侧磨、车轮爬轨和摩擦噪声等目的[5]. 不同于轨侧润滑，轨顶摩擦调控是将润滑材料(轨顶摩擦调节剂)直接涂敷至钢轨轨顶[6]，用以实现对轮轨滚动接触界面的润滑. 而为了避免影响列车运行安全，此类润滑材料应具备“中等摩擦系数水平”，即在其使用过程中应将轮轨滚动接触界面摩擦(黏着)系数调控至0.1~0.3范围内[7]，在发挥减摩效果的同时满足轮轨正常牵引和制动所需的黏着系数水平[8]. 轨顶摩擦调控相关产品自上世纪90年代被研制并使用，首先在温哥华城轨系统上得以应用(解决小半径曲线钢轨波磨问题)[9]，并逐渐在北美、新西兰、欧洲及国内货运铁路和城市轨道交通领域得以推广，已成为延长钢轨使用寿命、降低铁路运营维护成本的一项重要轮轨减摩调控技术手段.

关于轨侧润滑和轨顶摩擦调控产品的相关应用效果，如轮轨摩擦系数、磨损率[4]、滚动接触疲劳损伤[10]、波磨[11]和摩擦噪声[12]等已得到国内外众多学者的广泛研究和验证，其相关作用机制也已得到初步阐释，但由于以往研究多集中于对同类润滑材料应用效果研究，缺乏在同一施用条件下不同润滑材料间(如轨侧润滑材料与轨顶摩擦调节剂)的直接对比. 此外，以往研究结果及现场调研结果表明[13]，当轮轨接触界面存在初始表面滚动接触疲劳裂纹时，后续使用水、油和脂等润滑介质在轮轨界面发挥减摩作用的同时，会因润滑介质进入裂纹内部产生“油楔效应”而导致严重的轮轨表面剥离损伤，如图1所示. 然而轨顶摩擦调节剂是否会导致此类相同问题尚缺乏有效研究.

Fig. 1 Spalling damage on rail side caused by the “oil wedge effect” of oil and grease图1 轨侧润滑油/脂“油楔效应”导致的钢轨剥离损伤

为对比揭示不同润滑材料对轮轨磨损和滚动接触疲劳损伤的影响，本文中通过轮轨滚动接触模拟试验对比研究了干态、施加轨顶摩擦调节剂、润滑油和润滑脂工况下的轮轨摩擦系数、磨损率、表面损伤和剖面损伤，并对不同润滑条件下的轮轨滚动接触疲劳损伤机制开展分析讨论. 研究结果可为现场合理施用轮轨摩擦调控技术提供理论和技术参考.

1 试验部分

试验在MJP-30A型轮轨滚动接触摩擦磨损试验机上进行，试验机结构如图2所示. 其中，钢轨试样和车轮试样分别安装在试验机的上、下主轴上，分别由两台伺服电机独立驱动(转速范围：100~2 000 r/min；精度：0.1 r/min)，通过控制轮轨试样的转速及其转速差实现对蠕滑率的控制，蠕滑率按照式(1)进行计算；模拟轮轨试样间的法向载荷通过液压加载(加载范围：0~30 kN；精度0.1 N)，并由液压缸底部的薄膜式压力传感器进行实时测量；试验中模拟轮轨试样间的摩擦力矩由下试样主轴上连接的扭矩传感器测得，并通过测控系统反馈到电脑上获得实时的轮轨摩擦系数，其计算方法如式(2)所示. 本研究中选取的轮轨模拟转速为500 r/min，蠕滑率为1%，法向载荷为2.52 kN (根据赫兹接触理论计算得到最大接触应力为1 100 MPa，接近于21 t轴重机车正常运行工况下的轮轨滚动接触状态).

式中：λ为蠕滑率；V1和V2分别为模拟轮轨试样的线速度(mm/min)；n1和n2分别为模拟轮轨试样的转速(r/min)；d1和d2分别为模拟轮轨试样的直径(mm).

式中：μ为试验过程中的轮轨摩擦系数；M1为扭矩传感器检测得到的摩擦转矩(N·m)；r为试样半径(m)；FN为模拟轮轨试样间的法向载荷(N)；

试验中选取的轮轨试样分别取自CL65车轮踏面和U75V热轧钢轨轨头，试样直径为60 mm，接触宽度为5 mm，其取样位置和试样结构尺寸如图3所示. 试验前轮轨试样表面粗糙度Ra约为0.3 μm，车轮和钢轨试样圆周表面初始硬度分别为330 HV0.5和315 HV0.5，轮轨试样材料化学成分列于表1中.

表1 轮轨试样化学成分(质量分数)Table 1 Chemical compositions of wheel and rail rollers (mass fraction)

Fig. 2 MJP-30A wheel-rail rolling contact friction and wear testing machine图2 MJP-30A轮轨滚动接触摩擦磨损试验机

Fig. 3 Sampling position and size of wheel and rail specimens图3 轮轨试样取样位置及尺寸

Fig. 4 The lubricants used for the test图4 试验中使用的不同轮轨润滑材料

研究中选用常用的轮轨润滑材料为轨顶摩擦调节剂、润滑油和润滑脂(图4)，其中轨顶摩擦调节剂为铁路上使用的水基型轨顶摩擦调节剂(FM)，它是由水、树脂和固体减摩材料混合形成的水基悬浮液[14]，此产品由西安凯丰铁路机电设备有限公司提供；润滑油为常用的车用齿轮润滑油，其主要成分为润滑基础油、极压抗磨剂和除锈剂等[15]，此产品购于长城润滑油官网；润滑脂为铁路上使用的轨侧减磨膏，是由稠化剂、石墨和基础油等成分组成润滑脂产品[16]，此产品由西安凯丰铁路机电设备有限公司提供. 为模拟轮轨正常磨损状态下施加不同润滑材料的磨损和损伤行为，试验前将轮轨试样在干态下进行预跑和10 000 r，使模拟轮轨试样达到稳定摩擦系数且试样表面呈现轻微的疲劳损伤状态(图5). 然后对跑和后的轮轨试样分别在干态、施加轨顶摩擦调节剂、润滑油以及润滑脂工况下继续运行25 000 r，具体试验参数列于表2中.在现场干线中轨顶摩擦调节剂和轨侧减磨膏主要采用道旁涂敷施加方式，由通过涂敷点的车轮将润滑材料携带至更远处的钢轨表面，进而发挥减摩作用. 因此，模拟试验中使用移液枪按照每次20 μL的施加量逐次施加不同润滑材料. 考虑到轨顶摩擦调节剂的应用目标是将轮轨滚动接触界面摩擦系数调控至0.1~0.3范围内，因此模拟试验中轨顶摩擦调节剂的施加频次为每当轮轨试样摩擦系数上升到0.3时再施加一次[17](相同试验参数下的干态摩擦系数约为0.4，该施加方式同样保证了轨顶摩擦调节剂始终在模拟轮轨接触界面间发挥作用). 润滑油和润滑脂的施加量和施加次数保持不变，使试验过程中各润滑材料的总施加量和次数一致.

Fig. 5 Surface morphology of wheel/rail rollers after running-in图5 干态预跑和后的轮轨试样表面形貌

表2 试验参数Table 2 Experimental parameter

全部试验重复3次，试验前、后用超声波清洗试样5~10 min，利用电子天平对清洗后的试样称重以计算磨损率；对试验后的轮轨试样进行切割、镶嵌、抛光和腐蚀等处理，利用超景深光学显微镜(OM, KEYENCE VHX-6000，Osaka Japan)以及扫描电子显微镜(SEM,PhenoPre-SE，The Neherands)分别对试样表面和剖面损伤进行表征分析.

2 结果与讨论

2.1 摩擦系数和磨损率

干态及施加不同润滑材料的轮轨界面摩擦系数曲线及试验后的轮轨试样磨损率如图6所示. 干态工况下轮轨摩擦系数水平约为0.4，其车轮与钢轨试样的磨损率分别为3.88和2.96 μg/r. 与干态工况下相比，施加轨顶摩擦调节剂后轮轨摩擦系数迅速降低至0.1~0.15范围内，但之后的摩擦系数并不能稳定在该范围内，而是呈现明显的上升趋势直至再次施加轨顶摩擦调节剂. 从施加轨顶摩擦调节剂后摩擦系数瞬时降低到其重新恢复至0.3的过程是轨顶摩擦调节剂在轮轨界面充分发挥摩擦调控效果的有效作用过程，其持续的模拟轮轨试样循环滚动转数通常被定义为轨顶摩擦调节剂的有效作用距离[18]，在本试验过程中测得的该轨顶摩擦调节剂的平均有效作用距离约为996 r.在该过程中轮轨摩擦系数始终处于0.1~0.3范围内，可以满足列车牵引和制动需求(列车正常牵引和制动所需的轮轨摩擦系数水平应不低于0.1[19]). 轨顶摩擦调控剂通过对摩擦系数的调控可以有效降低轮轨磨损率，其车轮和钢轨磨损率较干态工况分别下降了54.9%和26.3%.

Fig. 6 Adhesion coefficient and wear rates between wheel and rail under four test conditions图6 四种试验工况下轮轨摩擦系数和磨损率

不同于轨顶摩擦调节剂，在相同的施加频次下施加润滑油和润滑脂时，轮轨摩擦系数稳定在0.075左右，施加润滑油和润滑脂后轮轨摩擦系数未表现出明显的上升趋势，表明了润滑油和润滑脂具有优异的润滑效果和润滑保持能力，这也与这两种工况下较小的轮轨磨损率结果一致. 与干态工况相比，车轮磨损率降低90%以上，钢轨磨损率降低85%以上. 但是施加润滑油和润滑脂工况下的轮轨摩擦系数水平难以满足列车牵引和制动所需的摩擦系数水平(不低于0.1)，因此在现场中润滑油和润滑脂仅能用于轨侧和轮缘接触界面，一旦应用于轨顶或车轮踏面将会产生严重的低黏着风险.

2.2 表面损伤

试验后不同工况下的轮轨表面形貌如图7所示.与试验前轮轨试样跑和后的表面形貌(图5)相比，干态工况下轮轨试样继续运行25 000 r后其表面损伤明显加剧，车轮和钢轨试样表面均分布有明显的表面疲劳裂纹，且由于轮轨材料疲劳与磨损的竞争作用，磨损率较小的钢轨试样表面疲劳损伤更为显著，表现出明显的起皮和剥落特征[图7(a)]. 与干态工况相比，施加轨顶摩擦调节剂在降低轮轨磨损的同时，轮轨试样表面损伤也有明显减轻，试样表面仅分布有少量的轻微疲劳裂纹[图7(b)]. 而施加润滑油和润滑脂工况下，尽管车轮试样表面损伤极为轻微(有局部的微点蚀损伤)，但钢轨试样表面疲劳损伤特征较干态工况更加显著，表现出严重的起皮和材料片层剥落特征[图7(c~d)].

Fig. 7 OM micrographs of surface damage morphology of wheel-rail specimen after test图7 试验后轮轨试样表面损伤形貌的OM照片

图8所示为试验后轮轨试样表面损伤形貌的SEM照片，由图可见轮轨试样表面损伤结果与图7结果一致. 干态下轮轨试样磨损表面出现明显的表面疲劳裂纹[图8(a)]；施加轨顶摩擦调节剂下轮轨试样表面仅出现表面微裂纹[图8(b)]；而施加润滑油和润滑脂工况下，尽管车轮试样表面损伤极为轻微，但钢轨试样表面疲劳损伤特征较干态工况更加显著，表现出严重的起皮和材料片层剥落特征[图8(c)和(d)]. 结合表面损伤形貌(图7~8)发现，轨顶摩擦调节剂可有效减缓轮轨试样表面损伤，而润滑油和润滑脂会加剧钢轨表面疲劳损伤.

2.3 剖面损伤

试验后轮轨试样剖面(沿滚动方向)塑性变形层如图9所示. 可以看出，干态工况下车轮和钢轨试样的塑性变形层厚度分别为146和255 μm；而施加不同润滑介质均使轮轨试样塑性变形层厚度较干态明显降低.在轮轨滚动接触过程中，当材料内部所受的屈服应力超过其屈服强度时，轮轨材料便会发生塑性变形，并随着轮轨的循环滚动接触和材料的应变硬化，该塑性变形层厚度最终趋于稳定. 在轮轨试样材料和法向载荷相同的条件下，试验中不同工况下的轮轨试样塑性累积过程直接受接触界面摩擦系数(切向力)的影响，因此与施加轨顶摩擦调节剂相比，施加润滑油和润滑脂工况下轮轨塑性变形更加轻微.

轮轨滚动接触过程中材料的塑性累积会在“棘轮效应”作用机制下萌生滚动接触疲劳裂纹，而且受塑性变形层内材料微观组织结构(珠光体、铁素体)的拉伸、变形和位错等影响，已萌生的疲劳裂纹极易沿塑性流变线方向延伸扩展[20]，因此在干态工况下轮轨试样滚动接触疲劳裂纹通常在剖面深度较浅处沿近似于平行表面方向扩展并最终扩展至表面形成局部材料剥落，如图9(a)所示. 轮轨塑性变形减弱能够直接降低试样滚动接触疲劳裂纹的萌生和扩展，所以施加不同润滑介质工况下车轮试样剖面几乎无明显的滚动接触疲劳裂纹[图9(b~d)，左图]. 然而与图7所示表面损伤特征一致，施加润滑油和润滑脂工况下钢轨试样剖面分布有明显长裂纹和深裂纹[图9(c~d)，右图].

Fig. 8 SEM micrographs of surface damage morphology of wheel-rail specimen after test图8 试验后轮轨试样表面损伤形貌的SEM照片

Fig. 9 Plastic deformation layer of wheel and rail specimen after test图9 试验后轮轨试样塑性变形层

为了进一步对比分析，图10所示为各试验工况下试验后钢轨试样的剖面滚动接触疲劳裂纹分布的OM照片以及最长和最深疲劳裂纹形貌的SEM照片，并在图11中示出各工况下的疲劳裂纹扩展长度和深度统计结果. 由图10可以看出，干态工况下钢轨试样剖面疲劳裂纹分布密集，且主要沿平行于滚动方向扩展，最深裂纹扩展深度为28 μm，最大裂纹扩展长度236 μm [图10(a)]. 与干态工况下相比，施加轨顶摩擦调节剂的钢轨试样剖面裂纹数量明显减少且扩展深度变浅，最长裂纹为56 μm，最深裂纹扩展深度为12 μm[图10(b)]；而施加润滑油和润滑脂工况下钢轨试样剖面长裂纹明显增多且多以大角度往材料深处扩展，其最大裂纹扩展长度分别约为1 255和955 μm，最大扩展深度分别为165和125 μm [图10(c~d)]. 由图11统计结果可以进一步看出，施加轨顶摩擦调节剂可以显著降低轮轨滚动接触疲劳损伤，其钢轨试样剖面平均疲劳裂纹扩展长度和扩展深度仅为干态下的44.7%和53.6%；而施加润滑油和润滑脂工况下平均裂纹扩展长度和深度约是干态工况下的3~5倍.

Fig. 10 OM and SEM micrographs of rail specimen profile damage after test图10 试验后钢轨试样剖面损伤OM照片和SEM照片

Fig. 11 (a) Crack growth length and (b) depth of rail specimens under four working conditions图11 四种工况下钢轨试样(a)裂纹扩展长度和(b)深度

由上述结果可知，施加润滑油和润滑脂在发挥减磨作用的同时显著加剧了钢轨试样的滚动接触疲劳损伤，而施加轨顶摩擦调节剂则在发挥减磨作用的同时有效避免了轮轨滚动接触疲劳损伤.

2.4 钢轨滚动接触疲劳损伤机制分析

施加润滑油和润滑脂工况下钢轨试样显著的滚动接触疲劳特征(扩展长度和扩展深度)及其与车轮试样间的显著差异(车轮试样无明显滚动接触疲劳损伤)表明：试验中由润滑油和润滑脂所致的“油楔效应”是加剧钢轨试样滚动接触疲劳损伤的主要机制.如图12(a)所示，由于模拟试验过程中，钢轨试样所受切向力Ftr方向与滚动方向一致，因此经干态跑和后其试样表面萌生的疲劳裂纹开口方向与滚动方向相同，而车轮试样表面裂纹开口方向则与其滚动方向相反[13].当轮轨滚动接触界面存在润滑油和润滑脂等润滑介质时[图12(b)]，钢轨试样裂纹开口处先进入接触区，润滑油和润滑脂得以沿钢轨裂纹开口进入到裂纹内部，并最终形成“油楔效应”使裂纹以第I、II或两种混合的方式急剧扩展[图12(b)][21-22]；而车轮试样表面裂纹进入接触区域时进入裂纹内部的润滑介质会被排出，不会产生“油楔效应”而加剧裂纹扩展，因此在良好的润滑作用下其滚动接触疲劳极为轻微.

Fig. 12 The propagation mechanisms of rolling contact fatigue cracks under different conditions图12 不同工况下疲劳裂纹扩展机制

不同于润滑油和润滑脂，研究中使用水基轨顶摩擦调节剂是一种由水、树脂和固体减摩材料混合形成的润滑介质，在施加至轮轨接触界面后会迅速干涸形成1层固体润滑层[图12(c)]. 因为固体润滑层流动性较差，难以像润滑油和润滑脂等流体润滑材料进入裂纹内部形成“油楔效应”[23]，因此施加轨顶摩擦调节剂在发挥润滑作用的同时避免了因“油楔效应”所致的严重的滚动接触疲劳损伤问题.

综合上述对比结果，与干态工况相比，轨顶摩擦调节剂可以将轮轨滚动接触界面摩擦系数调控至“中等摩擦系数水平”，满足机车正常牵引和制动需求；同时通过对摩擦系数的调控，施用轨顶摩擦调节剂能够有效降低轮轨磨损、表面损伤、塑性变形和滚动接触疲劳损伤等，因此适宜作为轮轨滚动接触界面的润滑材料. 与轨顶摩擦调节剂相比，润滑油和润滑脂极佳的润滑效果会导致轮轨摩擦系数跌至0.1以下而引发轮轨低黏着问题，因此在现场干线中进行轮缘/轨侧减摩润滑时应避免润滑材料污染钢轨轨顶. 尽管润滑油和润滑脂能够显著降低轮轨磨损，但其“油楔效应”会对钢轨滚动接触疲劳损伤产生显著影响，在现场使用中应避免直接应用于存在斜裂纹等初始表面疲劳损伤的钢轨上.

3 结论

a. 施加轨顶摩擦调节剂可将轮轨摩擦系数调控至0.1~0.3范围内，车轮和钢轨磨损率较干态分别降低54.9%和26.3%，且轮轨表面损伤、塑性变形和滚动接触疲劳损伤明显降低.

b. 施加润滑油和润滑脂使轮轨摩擦系数降低至0.1以下，轮轨磨损率降低85%以上，车轮试样表面损伤、塑性变形和滚动接触疲劳损伤较施加轨顶摩擦调节剂工况更为轻微，但钢轨试样产生严重的滚动接触疲劳损伤.

c. “油楔效应”是润滑油和润滑脂工况下引发钢轨试样严重滚动接触疲劳损伤的主要原因，轨顶摩擦调节剂在轮轨界面的固体润滑特性使其难以进入裂纹内部产生“油楔效应”.