轮轨材料硬度匹配性能试验研究_王文健

第33卷第1期摩擦学学报Vol33No1 2013年1月Tribology Jan，2013轮轨材料硬度匹配性能试验研究王文健，刘启跃*，朱旻昊（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）摘要：利用滚动磨损试验机研究了车轮钢与U71Mn热轧钢轨的硬度匹配性能，分析了不同硬度车轮与U71Mn钢轨匹配时的摩擦磨损与表面损伤行为．结果表明：车轮硬度对轮轨试样滚动摩擦系数基本无影响；随车轮硬度增加，车轮磨损量呈下降趋势，钢轨磨损量表现为线性增加，轮轨总磨损量呈先降低后增加的趋势，轨轮硬度相同时轮轨系统总磨损量达到最小．车轮硬度对车轮和钢轨试样表面损伤形貌有一定影响，车轮硬度低时车轮表面损伤以麻点式剥落损伤为主，随车轮硬度增加试样表面发生大块剥落损伤，对摩副钢轨试样主要表现为表面剥落损伤机制．关键词：轮轨材料；硬度匹配；摩擦；磨损；损伤中图分类号：TH117．3文献标志码：A文章编号：1004－0595（2013）01－0065－05 Hardness Matching Behavior of Wheel/Rail MaterialsWANG Wen－jian，LIU Qi－yue*，ZHU Min－hao（Tribology Research Institute，State Key Laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University Chengdu610031，China）Abstract：The hardness matching characteristic between wheel steel and U71Mn hot rolling rail were investigated using a rolling testing apparatus．In addition，the friction，wear and surface damage behavior of different hardness wheel and U71Mn rail were analyzed in detail．The results show that the hardness of wheel had no obvious effect on rolling friction coefficient of wheel/rail．With the increasing hardness of wheel specimen，the wear volume of wheel decreased and the wear volume of rail specimen linearly increased．Furthermore，total wear volume of wheel/rail specimens firstly decreased and then increased．When the hardness of rail/wheel specimens was identical，total wear volume of wheel/rail reached a minimum．The wheel hardness had an effect on the surface damage morphology of wheel/rail specimens．When the wheel hardness was low，the pitting damage was dominating for the wheel specimen．With the increase of wheel hardness，dominating damage of wheel specimen was large bulk spalling．The primary damage mechanism of rail specimen was surface spalling．Key words：wheel/rail material，hardness matching，friction，wear，damage列车的牵引、制动和运行都是通过轮轨滚动接触作用来实现的，车辆与轨道之间各种载荷的传递依赖于大小约100mm2左右的接触斑，接触斑反复承受轮轨间的各种复杂载荷，易产生以磨损和滚动接触疲劳破坏为特征的轮轨接触表面剥离、表面擦伤、压溃、轮轨侧磨和钢轨波浪形磨损等典型现象［1－5］．轮轨是一对摩擦副，除了设计合理的轮轨几何型面外，不同运输条件下轮轨硬度的合理匹配对Received21May2012，revised23October2012，accepted4December2012，available online28January2013．*Corresponding author．E－mail：wwj527@163．com，Tel：+86－28－87634304．The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（51174282，51025519），Program Supported by the Innovative Research Teams in Universities（IRT1178）and Fundamental Research Funds for the Central Universities （SWJTU12CX037）．国家自然科学基金项目（51174282，51025519）、教育部创新团队科学基金项目（IRT1178）和中央高校基本科研业务费专项资金（SWJTU12CX037）资助．提高轮轨的综合使用寿命也具有十分重要的作用［6］．Perez Unzueta［7］对4种珠光体钢轨钢进行了纯滑和滚滑磨损试验，调查珠光体钢轨钢磨损过程中微观组织的变化和抗磨损性能．Ueda［8］利用试验手段研究了贝氏体钢和常用于钢轨生产的珠光体钢抗疲劳性能．Markov［9］利用3种不同类型Amsler试验机分别在纵向蠕滑率恒定的滚滑摩擦、摩擦力恒定的滚滑摩擦、横向蠕滑率恒定的滚滑摩擦和纯滑动等4种条件下调查了车轮和钢轨材料硬度与磨损之间的关系．文献［10］研究了热处理钢轨的轨轮匹配关系，认为磨损率取决于轨轮间的硬度比，轨对轮硬度安全匹配区为1．0 1．2．周清跃［11］根据现场使用经验提出了重载线路、客运专线、既有客货共线铁路等轮轨材料硬度匹配使用情况．近年来我国铁路钢轨材料和车轮材料得到了较大的发展，但目前针对高速铁路轮轨材料硬度的匹配性能，至今没有统一合理的规定．利用MMS－2A 型微机控制摩擦磨损试验机研究了不同硬度车轮与U71Mn热轧钢轨的匹配情况，分析了不同车轮与U71Mn钢轨对摩时的摩擦磨损性能与表面损伤情况．研究结果可对轮轨材料硬度的优化匹配提供有益的技术指导，也对认识轮轨损伤机理和降低损伤具有重要的参考意义．1实验部分试验在MMS－2A型微机控制摩擦磨损试验机上进行，试验以双轮对滚接触方式进行．试验采用赫兹模拟准则进行［12］，即保证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相同．试验过程中上试样为车轮试样，下试样为钢轨试样，两试样直径均为40mm，根据赫兹模拟准则计算得到车轮试样的圆弧半径R为14mm．试验上下试样结构尺寸如图1所示．试验参数：下试样转速为200r/min，上试样转速为180r/min，转动滑差率为10%；接触应力为1300MPa，相当于现场轴重21t，对应施加法向载荷为150N，其中动载系数取0．3；试验时间40h．钢轨材料为U71Mn热轧钢轨，硬度（HV0．2）为314，轮轨材料成分见表1．车轮材料通过热处理方式获得4种不同硬度，对应的车轮试样和试验编号分别为1#、2#、3#、4#．试验在干态下进行；利用维氏硬度仪（MVK－H21，Japan）测量试样的硬度值；用电子分析天平（TG328A）通过称重法测量试样磨损量；利用JB－6CA粗糙度轮廓仪测量轮轨试样磨痕表面轮廓；利用扫描电子显微镜（SEM）（JSM－7001F，Japan）观察试样磨损后的表面磨痕损伤形貌．Fig．1Scheme size of wheel/rail specimens图1轮轨试样尺寸示意图表1轮轨材料化学成分Table1Chemicalcomposition of wheel/rail materials% Wheel/railmaterialC%Si%Mn%P%S%Cr% Wheel0．560．400．800．0200．0150．30U71Mn rail0．650．760．150．351．101．40≤0．030≤0．030－2结果与讨论2．1滚动摩擦行为图2为测得的车轮试样硬度．结果表明：经过处理的车轮试样硬度（HV0．2）分别为251、272、284和334，钢轨与车轮试样的硬度比分别为1．25、1．15、1．10和0．94．图3给出了轮轨试样的滚动摩擦系数．随循环次数的增加，轮轨摩擦副滚动摩擦系数Fig．2The hardness of wheel/rail specimens图2轮轨试样硬度66摩擦学学报第33卷Fig．3Friction coefficient of wheel/rail specimens图3轮轨试样滚动摩擦系数首先呈现增加的趋势，一定循环次数后摩擦趋于稳定状态，其值约为0．4，此时摩擦系数较平稳，由于转动过程中振动等因素的影响，使摩擦系数呈现较小的波动，对比发现4种硬度车轮试样对摩U71Mn 热轧钢轨时的滚动摩擦系数变化不大，其值基本相近，这表明车轮硬度对轮轨试样的滚动摩擦系数无明显影响．2．2滚动磨损行为图4给出了轮轨试样的磨损量．结果表明：随车轮试样硬度增加，其磨损量呈明显下降趋势，这表明通过热处理方法提高车轮试样硬度后可增加其耐磨性，导致磨损量降低，即硬度越大，耐磨性越好，磨损量越小．随车轮硬度增加，对摩副U71Mn热轧钢轨的磨损量呈增加的趋势［图4（a）］，这表明增加车轮硬度将导致对摩副钢轨试样的磨损量增加，降低了其磨损寿命．从轮轨系统的角度分析可知，轮轨总磨损量随车轮硬度增加呈现出先降低后增加的趋势［图4（b）］，这表明通过提高车轮硬度来降低车轮磨损量的同时会导致轮轨总磨损量发生变化．从图5中轨轮磨损量与硬度比之间关系曲线可知，轮轨系统总磨损量随轨轮硬度比增加呈现二次抛物线变化趋势，当轨轮硬度比约为1．04时，轮轨（a）Wear volume of wheel/railspecimens（b）Total wear volumeFig．4The wear volume of wheel/rail specimens图4轮轨试样磨损量Fig．5The relation between wear volume and ratiohardness of rail/wheel specimens图5轨轮磨损量与硬度比之间关系系统总磨损量达到最小．上述结果表明：单独从降低轮轨系统总磨损量的观点从发，选择轨轮硬度相等时，轮轨系统总磨损量达到最小．此外轮轨硬度匹配对轮轨系统磨损和表面损伤具有重要的影响，要合理选择轨轮的硬度匹配，还必须考虑轮轨试样的表面损伤情况．2．3轮轨表面损伤行为图6给出了车轮试样表面损伤SEM照片．从图6可看出不同硬度车轮试样的表面磨痕损伤形貌存在一定的差异，硬度低的车轮试样表面损伤主要表现为黏着磨损和麻点式剥落损伤［图6（a）］，其剥落痕迹明显，剥落点密集的分布在试样磨痕表面上，这主要是滚动磨损过程中由于硬度较低造成磨损量76第1期王文健，等：轮轨材料硬度匹配性能试验研究（a）1#wheelspecimen（b）2#wheelspecimen（c）3#wheelspecimen（d）4#wheel specimenFig．6SEM micrographs of surface damage of wheel specimens图6车轮试样表面损伤SEM照片较大，试样在磨损过程中主要以麻点式剥落损伤导致材料的脱落．随车轮试样硬度增加，车轮试样表面损伤剥落痕迹增大［图6（b）］，当硬度进一步增加［图6（c和d）］，车轮试样表面出现了明显的大块剥落现象，且剥落块较大，SEM照片观察可见表面的剥落痕迹较为平坦，剥落面积大．车轮硬度增加使耐磨性增强，表面材料在滚动磨损过程中不容易从表面脱落而造成麻点式剥落损伤，在反复切向力作用下车轮试样材料产生微裂纹并导致扩展和贯通，从而造成在高时硬度的大块剥落损伤形貌，大块剥落对车轮疲劳性能具有较大影响，更容易造成疲劳损伤，上述结果表明改变硬度对车轮试样表面损伤形貌具有较大影响．图7为对摩副钢轨试样表面损伤SEM照片．从损伤形貌来看，钢轨试样主要表现为明显的剥落损伤，其不同对摩钢轨试样的表面损伤形貌与车轮试样硬度具有一定关系．车轮硬度小，对摩钢轨试样的表面剥落损伤颗粒较小，随车轮硬度增加，导致对摩钢轨试样的剥落颗粒增大，在钢轨试样表面上存在有明显的剥落损伤痕迹，且剥落损伤机制明显．总体来讲，对摩钢轨试样表面损伤机制主要为剥落磨损为主．综上分析车轮和钢轨试样的损伤形貌可知，车轮硬度的改变会造成车轮与钢轨试样表面损伤形貌存在一定的差异，同时也会造成轮轨系统磨损量的变化．实际中为了更好地进行轮轨材料硬度的合理匹配，需从轮轨磨损和损伤角度从发，结合两者综合考虑选择轮轨材料硬度的合理匹配．在考虑线路条件（客运线路、客货混跑线路等）、运行条件（速度、曲线半径等）等多因素下使轮轨材料在磨损和损伤方面均达到最佳匹配状态，力求使轮轨磨损寿命达到最长的状态下并降低轮轨材料的表面损伤，以延长轮轨材料的综合使用寿命．3结论a．不同硬度轮轨试样匹配时滚动摩擦系数基本保持不变；相同钢轨情况下，随车轮硬度增加，车轮磨损量呈降低趋势，钢轨磨损量呈增加趋势．b．随轨轮硬度比增加，轮轨系统总磨损量呈先降低后增加的变化趋势；单从降低轮轨系统总磨损量观点从发，选择轨轮硬度相同时，轮轨系统总磨损量达到最小．c．车轮硬度对车轮和钢轨试样表面损伤形貌具有一定影响；车轮硬度低时，车轮表面损伤主要表现为麻点式剥落，随硬度增加，车轮试样表面损伤剥86摩擦学学报第33卷（a）1#railspecimen（b）2#railspecimen（c）3#railspecimen（d）4#rail specimenFig．7SEM micrographs of surface damage of rail specimens图7钢轨试样表面损伤SEM照片落颗粒增大，钢轨试样表面损伤主要表现为剥落损伤机制．参考文献：［1］G Donzella，M Faccoli，A Ghidini，et al．The competitive role ofwear and RCF in a rail steel［J］．Engineering FractureMechanics，2005，（72）：287－308．［2］Wen Z F，Jin X S，Liu X Q．Creepages and friction work ofwheelset and track with two type profiles in rolling contact［J］．Tribology，2001，21（4）：288－292（in Chinese）［温泽峰，金学松，刘兴奇．两种型面轮轨滚动接触蠕滑率和摩擦功［J］．摩擦学学报，2001，21（4）：288－292］．［3］Wenjian Wang，Wen Zhong，Qiyue Liu，et al．Investigation onrolling wear and fatigue properties of railway rail［J］．Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part J：Journal of Engineering Tribology，2009，223（7）：1033－1039．［4］Guo J，Zhao X，Jin X S，et al．Analysis of wheel/rail thermal－mechanical coupling effects in sliding case［J］．Tribology，2006，26（5）：489－493（in Chinese）［郭俊，赵鑫，金学松，等．全制动工况下轮轨热－机耦合效应的分析［J］．摩擦学学报，2006，26（5）：489－493］．［5］Wang B K，Dong G N，Liu Y H，et al．Shakedown analysis ofrolling contact surface with short－wavelength corrugation［J］．Tribology，2004，24（1）：70－73（in Chinese）［王步康，董光能，刘永红，等．钢轨短波长波浪形磨损的安定性分析［J］．摩擦学学报，2004，24（1）：70－73］．［6］Guo J，Wang W J，Liu Q Y．Research progress of damage andmaterial optimization matching of high－speed wheel/rail［J］．Lubrication Engineering，2010，35（9）：118－121（in Chinese）［郭俊，王文健，刘启跃．高速轮轨损伤及材料优化匹配研究［J］．润滑与密封，2010，35（9）：118－121］．［7］A J Perez－Unzueta，J H Beynon．Microstructure and wearresistance of pearlitic rail steels［J］．Wear，1993，162－164：173－182．［8］M Ueda，K Uchino，H Kageyama，et al．Development of bainiticsteel rail with excellent surface damage resistance［C］．In：Pro－ceedings of IHHA＇99STS－Conference，Masco，1999：259－266．［9］D Markov．Laboratory tests for wear of rail and wheel steels［J］．Wear，1995，181－183：678－686．［10］Ma T，Zhu G L．Study on matching relationship between wheeland rail of heat treatmented rail［J］．Physics Testing，1999，（5）：1－3（in Chinese）［马腾，朱桂兰．热处理钢轨的轨/轮匹配关系研究［J］．物理测试，1999，（5）：1－3］．［11］Zhou Q Y，Liu F S，Zhu M，et al．Research on hardness matchingin wheel－rail system［J］．China Railway Science，2006，27（5）：35－41（in Chinese）［周清跃，刘丰收，朱梅，等．轮轨关系中的硬度匹配研究［J］．中国铁道科学，2006，27（5）：35－41］．［12］Wang W J，Guo J，Liu Q Y．Effect of contact stress on rollingfriction and wear behavior of wheel－rail materials［J］．Tribology，2011，31（4）：352－356（in Chinese）［王文健，郭俊，刘启跃．接触应力对轮轨材料滚动摩擦磨损性能影响［J］．摩擦学学报，2011，31（4）：352－356］．96第1期王文健，等：轮轨材料硬度匹配性能试验研究。