（机械工程专业论文）润滑剂对轮轨摩擦与磨损的影响研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 于两要 虽然润滑材料与润滑技术在不断更新，可是如何在更为苛刻的条件下让机械设备 持久稳定的工作，提高机械效率与交通车辆的安全性能，减少维护、修理与停工损耗， 节约能源与减少材料损耗等重大问题依旧没有从根本上得到解决。轮轨润滑主要是为 了减轻车轮与钢轨的磨耗，但还可以降低轮轨内部剪切应力，这有利于减轻轮轨表面 的接触疲劳损伤以及降低车轮脱轨系数，还有利于提高车辆运行安全性，所以，要从 科学性和有效性两个方面来研究轮轨润滑。 利用m m s 一2 a 磨损试验机模拟轮轨系统在不同润滑剂下的摩擦与磨损行为，研 究四种润滑剂对轮轨副摩擦、磨损特性的影响。试验中采用了润滑油、二硫化钼锂基 脂、植物油、石墨钙基脂四种润滑剂，并且通过对摩擦副的摩擦系数、硬度、磨损量、 磨痕宽度、磨痕深度和磨斑形貌对比分析了四种轮轨润滑剂的润滑性能。 论文通过研究得到以下几个结论： ( 1 ) 与千态下的轮轨摩擦副相比，四种润滑剂都使轮轨摩擦副的摩擦系数减小。 在四种润滑剂中，使用润滑油的摩擦副的摩擦系数最大，使用二硫化钼锂基脂的摩擦 副的摩擦系数较使用润滑油的摩擦副的摩擦系数小，使用植物油的摩擦副的摩擦系数 较使用二硫化钼锂基脂的摩擦副的摩擦系数小，使用石墨钙基脂的摩擦副的摩擦系数 是四种润滑剂中最小的。石墨钙基脂在四种润滑剂中的润滑效果最好。 ( 2 ) 试验结束后，轮轨试样的接触表面硬度均有不同程度的增加。其硬度值比较 为：使用润滑油的轮轨试样表面的硬度值最大，其次是使用植物油的轮轨试样表面的 硬度值，然后是使用二硫化钼锂基脂的轮轨试样表面的硬度值，最小的是使用石墨钙 基脂的轮轨试样表面的硬度值。 ( 3 ) 与干态下轮轨试样相比，使用润滑剂均使轮轨试样的磨损量降低，而且在轮 轨润滑剂的作用下，轮轨试样表面的磨痕深度和宽度都减小。在四种润滑剂中，其影 响程度比较为：使用润滑油的轮轨试样表面的磨痕深度和宽度都最大，与润滑油比使 用二硫化钼锂基脂的轮轨试样表面的磨痕深度和宽度都略小，与二硫化钼锂基脂比使 用植物油的轮轨试样表面的磨痕深度和宽度都略小，使用石墨钙基脂的轮轨试样表面 的磨痕深度和宽度都最小。 关键词：润滑剂；摩擦系数；硬度；磨损量 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t a l t h o u g hl u b r i c a t i n gm a t e r i a l sa n dl u b r i c a t i n gt e c h n o l o g yh a v eb e e nu p d a t i n g c o n s t a n t l y , m e c h a n i c a le q u i p m e n t sn e e dt ow o r ks t a b l ei nt h em o r er i g o r o u sc o n d i t i o n sf o r l a s t i n gt i m e i ti sa l s oi m p o r t a n tf o ri m p r o v i n gm e c h a n i c a le f f i c i e n c ya n dt h et r a f f i cs a f e t y p e r f o r m a n c e s s ot h ep r o b l e m sh a v e n tb e e ns o l v e df u n d a m e n t a l l y , s u c ha sr e d u c i n gt h e w a s t eo fm a i n t e n a n c e ，r e p a i r i n go rs u s p e n d i n gw o r k ，s a v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n gm a t e r i a l s 1 0 s s e s t h ea i mo f1 u b r i c a t i o nf o rw h e e l r a i li st or e d u c et h ea b r a s i o no ft h em a t e r i a l s i t c o u l da l s ol o w e rt h ei n t e r n a ls h e a rs t r e s so ft h ew h e e l r a i l a n dt h i sh e l p st or e d u c et h e f a t i g u ed a m a g et o t h es u r f a c ec o n t a c to ft h ew h e e l r a i lm a t e r i a l sa n dt h ed e r a i l m e n t c o e f f i c i e n t s l u b r i c a t i n gm e t h o d sa r eg o o df o rt h es a f e t yo p e r a t i o no fr a i l w a y t h u s ，w e s h o u l ds t u d yt h el u b r i c a t i o ns y s t e mf r o mt h et w oa s p e c t s ，s c i e n t i f i ca n de f f i c i e n c y u s em m s 一2as i m u l a t e da b r a s i o nt e s t e rt oo b s e r v et h ef r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o r so f w h e e l r a i ls y s t e mu n d e rd i f f e r e n tl u b r i c a n t sa n ds t u d yt h ei n f l u e n c et ot h ef r i c t i o n w e a r i n g c h a r a c t e r i s t i c s u s e dl u b r i c a t i n go i l ，m o s 2l i t h i u mb a s ef a t ，v e g e t a b l eo i l ，g r a p h i t ec a l c i u m b a s ef a tf o u rk i n do fl u b r i c a n ti nt h et e s t ，a n da n a l y z et h el u b r i c a t i n gp e r f o r m a n c e so ft h e f o u rl u b r i c a n t st h r o u g ht h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，h a r d n e s s ，w e a rl o s s ，g r i n d i n gm a r kw i d t h ， g r i n d i n gm a r kd e p t ha n dg r i n d i n gs p o tm o r p h o l o g y s e v e r a lc o n c l u s i o n sf r o mt h er e s e a r c hp a p e r ： ( 1 ) c o m p a r i n gw i t ht h ew h e e l r a i lf r i c t i o np a i ri nt h ed r yc o n d i t i o n ，f o u rk i n d so f l u b r i c a n t sc o u l dd e c r e a s et h ec o e f f i c i e n to ft h es p e c i m e n s i nt h ef o u rk i n do fl u b r i c a n t ，t h e f r i c t i o np a i ro fw h i c ht h eu s eo fl u b r i c a t i o no i lf r i c t i o nc o e f f i c i e n ti st h el a r g e s t ，u s em o s 2 l i t h i u mb a s ef a tt h ef r i c t i o np a i ro fw h i c ht h eu s eo fm o s 2l i t h i u mb a s ef a tf r i c t i o n c o e f f i c i e n ti ss m a l l e ro ft h ef r i c t i o np a i ro fw h i c hu s el u b r i c a t i o no i lf r i c t i o nc o e f f i c i e n t ， f r i c t i o np a i ro fw h i c ht h eu s eo fv e g e t a b l eo i lt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ti ss m a l l e rf r i c t i o np a i r o fw h i c ht h eu s eo fm o s 21 i t h i u mb a s ef 乱m c t i o nc o e f f i c i e n t ，t h ef r i c t i o np a i ro fw h i c ht h e u s eo fg r a p h i t ec a l c i u mb a s ef a tf r i c t i o nc o e f f i c i e n ti st h ey o u n g e s to ff o u rk i n do fl u b r i c a n t g r a p h i t ec a l c i u mb a s ef a tw h i c hi si nf o u rk i n d so fl u b r i c a n ti st h eb e s te f f e c t ( 2 ) a f t e rt h ee x p e r i m e n tw a so v e r , t h eh a r d n e s so ft h ec o n t a c ts u r f a c eo ft h ew h e e l r a i l s p e c i m e n si n c r e a s e di nd i f f e r e n td e g r e e i t sh a r d n e s sv a l u ef o rc o m p a r i s o n ：t h es u r f a c eo f w h e e l r a i ls a m p l eo fw h i c hu s el u b r i c a t i o no i lo nt h eh a r d n e s sv a l u ei st h el a r g e s t ，s e c o n di s t h es u r f a c eo fw h e e l r a i ls a m p l eo fw h i c hu s ev e g e t a b l eo i lo nh a r d n e s sv a l u e ，a n dt h e ni st h e s u r f a c eo fw h e e l r a i ls a m p l eo fw h i c hu s em o s 2l i t h i u mb a s ef a to nh a r d n e s sv a l u e ，t h e s u r f a c eo fw h e e l r a i ls a m p l eo fw h i c hu s eg r a p h i t ec a l c i u mb a s ef a to nh a r d n e s sv a l u et h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 s m a l l e s t ( 3 ) c o m p a r i n gw i t ht h ew h e e l r a i lf r i c t i o np a i ri nt h ed r yc o n d i t i o n ，l u b r i c a n t sc o u l d r e d u c et h ew e a rl o s so ft h es p e c i m e n s ，a n di nl u b r i c a n tf u n c t i o n ，s u r f a c eg r i n d i n gm a r k d e p t ha n dw i d t hw i l ld e c r e a s e i nt h e f o u rk i n do fl u b r i c a n t ，t h ei n f l u e n c ed e g r e ef o r c o m p a r i s o n ：t h es u r f a c eo fw h e e l r a i ls a m p l eo fw h i c h u s eo i lo ng r i n d i n gm a r kd e p t ha n d w i d t ho i lt h el a r g e s t ，t h es u r f a c eo fw h e e l r a i ls a m p l eo fw h i c hu s em o s 2l i t h i u mb a s ef a t o ng r i n d i n gm a r kd e p t ha n dw i d t ht h a nt h es u r f a c eo fw h e e l r a i ls a m p l eo fw h i c h u s eo i lo n i ss l i g h t l ys m a l l ，a n dt h es u r f a c eo fw h e e l r a i ls a m p l eo fw h i c hu s ev e g e t a b l eo i lo n g r i n d i n gm a r kd e p t ha n dw i d t ht h a nt h es u r f a c eo fw h e e l r a i ls a m p l eo fw h i c hu s em o s 2 l i t h i u mb a s ef a to ni ss l i g h t l ys m a l l ，t h es u r f a c eo fw h e e l r a i ls a m p l eo fw h i c h u s eg r a p h i t e c a l c i u mb a s ef a tg r i n d i n gm a r kd e p t ha n dw i d t ha r et h es m a l l e s t k e yw o r d s ：l u b r i c a n t ；l u b r i c a n t ；f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ；h a r d n e s s ；w e a r l o s s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 摩擦与磨损 1 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 铁路运输具有运量大、速度快、准确性高、安全性好、占地少、耗能低、舒适度 高、工程投资低、效益好，相对于航空和公路运输污染小，而且不受自然气候等条件 的制约优势，所以铁路运输业在运输业中有不可被替代的重要地位【1 j 。自从1 8 2 5 年9 月2 7 日世界上的第一条铁路在英国s t o c k t o n 和d a r l i n g t o n 两地之间采用了蒸汽机车 进行客运和货运输以来，到目前为止，世界上已经建成了3 0 0 多万公里铁路，其中中 国铁路的营运里程位居世界的第二位，高速铁路的运营里程位居世界的第一位。十九 世纪的末至二十世纪的初期，铁路运输业已经进入了第一个兴盛的时期，那时全球的 铁路总长度已经超过了1 2 0 万公里1 2 j 。依据国际铁路联盟( u t c ) 规定的定义：“允许 速度达到2 5 0 k m h 的客运专线或允许速度达到2 0 0 k m h 的既有线均可称之为高速铁 路。”近几十年来，一些传统的铁路强国例如法国、德国、日本等修建了大量高速铁 路并且取得了一定的经济效益和社会效益【3 j 。由于世界经济迅猛的发展，且伴随着经 济一体化，这必将加剧世界商贸活动，且对交运能力提出更高的要求。在这种情况下， 铁路发展的货物重载便随之产生。铁路运输作为一个国家经济发展的大动脉、国家的 重要基础设施和便捷的交通运输工具，在中国的经济社会发展中起到了重要作用1 4 j 。 铁路运输是借车轮和钢轨之间的相互作用所产生的牵引和制动粘着摩擦力实现列车 的运行的，而轮轨之间的磨损又是重载铁路运输业中耗资非常大的一个问题岭j 。车轮 的主要磨损形式有四种即轮缘磨耗、踏面磨耗、踏面剥离、踏面擦伤等，随着列车运 行速度的不断提高，牵引力和制动摩擦力的增加，车轮的踏面剥离磨损成为了车轮磨 损失效的主要形式。车轮磨损失效后需要进行落轮旋修，特别严重的时候还需要更换 轮对，这样极大的增加了铁路部门的运营成本，而且还消耗大量的金属材料，据统计 北美铁路运输企业更换剥离轮对时，每年需耗费资金近1 5 亿美元j 。同时车轮的踏 面剥离严重影响了列车行车安全和乘客舒适性，会使轮轨接触面之间产生巨大的噪 声，加速了其它部件的磨耗与损坏。铁路运输业在整个运输系统中占有不可被替代 的重要地位，但是随着高速重载铁路的飞速发展，其中的一些关键技术问题不断的出 现而且有待进一步的解决。 铁路运输业发展的其中一个方向是：重载运输【7 搿j 。，国际重载运输协会( i h h a ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 在2 0 0 5 年的巴西年会上，对于重载运输重新作了新的定义：重载列车的牵引的重量 至少应要达到8 0 0 0 t ( 之前为5 0 0 0 t ) ；轴重( 或者是计划的轴重) 应为2 7 t 及其以上 ( 之前为2 5 t ) ；在至少在1 5 0 公里的线路段上的年运量要大于4 0 0 0 万吨( 之前为2 0 0 0 万吨) 9 a o 。目前中国仍然在沿用国际重载协会之前的规定，满足了上述其中两条即 可被视为重载铁路。我国地域辽阔，人口众多，城市变得日益拥挤，公路的运输条件 日益恶劣，所以更加适合建设轨道交通。到2 0 0 9 年为止，我国的铁路营运里程已经 达到了8 万多公里，处于全球第二位，仅落后于美国。 轮轨关系是铁路系统中最基本的、也是最复杂的一个问题。现代铁路运输的最基 本特点就是运输量增大、轴重增加、速度提高、行车密度的加大。由此引起了车轮和 钢轨的磨损加剧，从而造成了轮轨使用寿命的缩短，直接会影响到铁路运输业经济效 益的提高【1 1 l 。在对近些年来，对发生在夏季的空货车的脱轨事故分析和对南津浦线脱 轨事件的调查和试验中，我们发现了轮轨摩擦状态的改变可能会对这些脱轨事故的发 生存在重要的影响。因为缺乏系统、有效的试验和计算分析，所以之前未能实现对此 现象的深入研究。而一般的理论分析仅认为摩擦系数减小，使脱轨系数许用值增大， 则车辆不易脱轨【l 引。近些年来，俄罗斯采用了移动式的轮轨润滑技术。仅1 0 列罗斯 托夫的列车采用了此技术，就可以达到轮对磨耗下降了3 3 5 5 ，而因磨耗要加工 的镟修轮对则由每年的1 8 1 对下降到了1 4 对，因为踏面的凹入和车轮轮缘的磨耗到 达极限而要报废的车轮和钢轨的数量则从1 8 9 4 对下降到了1 4 1 3 j 。早在上世纪的5 0 年代就开始出现了曲线涂油的措施，由巡道工人手工在曲线外股钢轨上涂油。尽管涂 油的质量不太理想，但对延长钢轨和轮对的使用寿命，还是起到了相当大的作用。之 后，轮轨润滑技术又得到了迅速的发展u4 | 。轮轨之间的踏面接触是主摩擦副，轮缘与 轨头侧面的接触是副摩擦副。在主摩擦副中，使用摩擦调节剂可以保证其粘着系数在 0 2 7 - 、, 0 6 0 的范围中，可以获得最大值u 引。机车轮缘和曲线段上钢轨的磨损问题，也 是铁路上一直长期未能解决的课题。解决轮缘与曲线段上钢轨磨损的途径很多。我国 铁路对机车转向架的结构、轨距、钢轨断面尺寸、游间、轨底坡、超高、机车轮箍和 钢轨使用耐磨钢材及其强度的关系等方面，做出了应该有的重视，并且取得了一定的 成绩，但是在用润滑的方法去减少轮缘和曲线段上钢轨侧面的磨损，却没有足够的重 视。铁路运输的发展过程就是铁路运输能力的不断提高的过程，从轮轨关系方面来看， 现代化的铁路运输的特点就是高速和重载。因此，合理选用匹配的轮轨材质的硬度， 使用磨耗型踏面轮轨，运用科学的润滑方法、降低轮轨摩擦系数也是降低轮轨磨耗的 另一个重要途径【16 l 。目前为止，我国铁路线路半径小于3 0 0m 的曲线段轨道总计大约 有50 0 0k m ，而这些钢轨的使用寿命大多仅为1 2 年，并且在某些路段钢轨的使用寿 命才仅仅只有1 1 个月j 。 目前，作为轮轨摩擦副的一个关键部件车轮的损伤在中国国内还尚未被引起足够 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 的重视，特别是提速后的车轮摩擦、磨损和疲劳损伤问题更加突出和更为严重，严重 影响机车运行的安全性和可靠性，所以，开展高速车轮的磨损与疲劳问题的研究对于 减轻轮轨损伤和提高铁路运输业经济效益和社会效益都具有非常重要的指导意义。此 次试验目的是研究在使用不同润滑剂下对车轮与钢轨的磨耗，摩擦副的摩擦系数等方 面的影响，为高速重载铁路润滑剂的研究提供一定的参考价值。 1 1 2 轮轨摩擦磨损及危害 磨损是指相对物体的对偶表面在相对的运动时，其相对表面的物质不断地损失或 着产生一些变形现象1 7 1 8 j 。目前，国际上对于摩擦的发生机理，还没有形成统一的认识。 不过经过专家和学者的多年研究，其中一些理论正在逐步走向成熟，并且慢慢被大家 所认可。按照表面的破坏机理的特征分类，磨损可以分为磨料磨损、粘着磨损、微动 磨损、表面疲劳磨损和腐蚀磨损等u 圳。轮轨系统中摩擦的研究情况，一方面是充分 利用摩擦以提高轮轨的粘着，使轮轨在各种车速和载荷条件下都能在接近最大摩擦力 而又不滑动的状态下工作；另一方面着重于降低轮缘与轨侧的有害摩擦【2 0 j 。在车轮运 行的过程中，会受到垂向载荷和水平载荷的同时作用。垂向载荷主要来自于车轮的自 重和货物重，而水平载荷来自于滑动摩擦力。垂向载荷和水平载荷统称为机械载荷。 在列车的运行过程中，除了有机械载荷的作用外，还会受到热载荷作用。并且由于车 轮和钢轨的接触以点接触为主要形式，所以车轮和钢轨之间的接触应力非常大，且在 普通运行工况下也会对车轮和钢轮轨造成损伤。轮轨失效直接会影响到机车车辆的正 常运营，并且还会危及铁路安全，甚至可能会造成重大行车事故。车轮和钢轨的失效 有多种不同的失效形式，从铁路机车在实际的线路运营中出现的失效形式来统计，车 轮和钢轨的失效形式主要反映在磨耗、剥离、疲劳裂纹、擦伤、掉块、热裂纹和崩轮 等。铁路机车车辆在运行过程中，轨道的状态和车轮相对于轨道接触的位置在不断变 化，而且轮轨接触面在不断磨耗。车轮沿轨道滚动时不仅相对于钢轨做纵向滑动、横 向滑动和自旋运动，而且承受和传递着较大的载荷，因此轮轨之间的接触行为变得十 分复杂口1 | 。轮轨滚轮轨系统是铁路运输的关键部件，轮轨之间的滚动摩擦接触可以实 现列车启动、运行和制动。 1 2 润滑技术与工业现状 1 2 1 润滑的作用与应用状况 润滑具有降低摩擦系数的作用，它已被大家广泛的应用于机械系统内的传动摩擦 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 副上【22 | 。润滑就是通过在摩擦副的接触面之间填充润滑剂，以此生成润滑膜，从而把 干摩擦变成了润滑剂分子之间的内摩擦，以达到降低磨损、减少摩擦的作用，并且延 长了机械设备的使用寿命【23 l 。随着铁路运输业向着重载、高速方向的发展，车轮和钢 轨之间接触条件的剧烈恶化，轮轨的磨耗造成了钢轨和车轮的大批量提前报废，并加 大了行车阻力，甚至造成了车辆脱轨的事故。在此种情况下，轮轨润滑便应运而生。 使用先进的轮轨润滑新技术，能带给铁路运输巨大的技术经济效益和社会效益，并顺 应了铁路运输发展趋势 2 4 1 。世界上很多发达国家的铁路部门为了适应铁路运输的发展 需求，近几年都在大力推广和使用新型轮轨润滑技术。 轮轨润滑的目的主要是为了减轻车轮与钢轨的磨耗，但还可以降低轮轨内部的剪 切应力，这样有利于减轻轮轨表面的接触疲劳损伤以及降低了车轮的脱轨系数，还有 利于提高车辆运行时的安全性，所以要从科学性和有效性这两个方面来研究轮轨润滑 2 5 1 。此次试验目的是研究在使用不同润滑剂下对车轮与钢轨的磨耗，摩擦副的摩擦系 数等方面的影响，为高速重载铁路润滑剂的研究提供一定的参考价值。 许久以来国内外的摩擦学界还有铁道科学界一直普遍把研究轮轨之间关系，解决 车轮轮缘与钢轨侧面的磨损的问题作为重要的课题。许多发达国家的经验可以表明， 采用润滑是解决这个问题的非常有效的措施。我国于上世纪六十年代初就开始进行了 这方面的研究【26 | 。美国已经拥有用作铁路车轮轮缘和钢轨侧面润滑的石墨钙基脂的产 品供应网，目前我国也已经研制出石墨油脂并投入到了应用当中，其润滑的效果要比 稀油要好的多 2 8 1 。但是，这类型石墨基润滑脂的承载能力和成膜性等仍然需要做进一 步的改进。铁路机车在运行的过程中，车轮和钢轨之间的相互作用是非常复杂的，既 有滑动又有滚动，在运行其间的产生的摩擦按性质可以分为有用的摩擦和有害的摩 擦。轨顶和车轮踏面的摩擦是必须的有用摩擦，而且正是由这种摩擦完成了轮轨的粘 着牵引和制动【2 9 l 。据统计，每年因为磨损而报废掉的轮轨可达到报废总数的5 5 3 0 。 轮轨润滑是近些年来发展起来的新型技术。随着我国内燃机车和电力机车数量的不断 增加以及机车车辆轴重和运量的不断提高。机车轮缘和钢轨之间的磨损问题日益突 出。尤其是机车在弯道上行驶过程中轮轨的磨损更为严重【3 1 , 3 2 j 。轮轨滚动接触过程中 的作用行为直接影响到列车运动的稳定性、乘客的舒适度、运营成本和生活环境 3 3 】。 1 2 2 润滑剂的分类 油脂润滑方式中主要的润滑剂为石墨油脂。石墨不仅拥有自动的润滑性能，而且 还对金属的表面有很大的附着力，而且同时容易沿着平面进行滑动。它通过在接触面 上形成的表面吸附分子来减轻之间摩擦，其作用可类似为在边界上摩擦时的添加剂分 子的作用。因此，理论上石墨油脂的润滑效果应该是非常好。但是通过在实际应用中 才发现：石墨油脂在经高压空气雾化后和喷盖到钢轨的侧面磨耗区后，会在其间形成 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 一条石墨油脂带；然而石墨油脂容易沿着平面滑动，所以流动性很强，再经过列车车 辆的碾压后，石墨油脂便会转移到车轮的轨项面，会引发粘着系数的迅速改变，最后 造成了牵引和制动出现问题。此外，石墨油脂是一种易燃品，在存在着空间特殊性的 地铁线路上极易造成消防安全隐患，同时还对环境造成一定的污染川。一般地润滑脂 的组成中有8 0 以上都是基础油系，因此选择一种可以生物降解性能非常好的基础油 是作为研制环保脂的关键条件之一【35 l 。植物油的可生物降解能力一般很高，可以达到 9 0 以上【36 | 。而且在轮轨接触面之间添加适量的油脂或着是油，以形成油膜，用油膜 来将轮轨隔开，从而降低了轮轨摩擦系数，是一种减少轮轨接触面间的摩擦阻力的好 方法 37 1 。近些年来，北美( 加拿大和美国等) 、俄罗斯和西欧等国家、铁路研究部门都 在原来的基础上对于新型的轮轨润滑系统和轮轨润滑剂做了进一步的研究，其中一些 国家( 例如俄罗斯) 还展示了近些年使用的有效轮轨润滑器材和润滑剂【38 1 。解决铁路轮 轨之间的摩擦问题，运用高效的轮轨润滑，这关系到了机车牵引能量的消耗、行车中 的安全问题、轮轨材料消耗问题和维修成本问题等一系列重要的内容，因此始终受到 各国铁路部门的重视【3 圳。润滑膜的形成主要有三种模式，即物理吸附膜、化学吸附膜 和化学反应膜三类模式【4 0 i 。 由于车轮与钢轨之间的接触压力很大，并且常常伴有由蛇形运动所引起的强烈冲 击等，因此车轮和钢轨的磨损量非常大，尤其是当机车在弯道行驶的过程中，外轨的内 边缘与轮缘之间的相互作用便更加强烈了，那么磨损变得更为严重 4 1 l 。然而，因为它们 彼此之间通过摩擦力的接触，表面就会发生磨损，所以它们就需要复杂的维修。此类 型的磨损主要发生在两个位置：一是曲率半径较小的曲线段高轨的内侧面和车轮的边 缘【4 2 i 。润滑剂通常都是在车辆过弯道的时侯由车上的喷嘴设备喷出或是每次通过几节 车厢后由轨道旁的喷嘴设备为其喷出m ，洲。科学的轮轨润滑方法、调整轨道结构的几 何参数、推行磨耗型踏面轮轨和提高钢轨强度等都是解决磨损问题非常有效手段。而 其中以轮轨润滑方法最为有效【4 5 , 4 6 j 。 1 2 3 润滑剂工业现状 通常意义上讲，润滑油= 添加剂+ 基础油。基础油可定义为，用润滑油或着其它产 品的油，可以直接单独使用，亦可与其它的油品或者是添加剂进行掺和着使用的。添 加剂是可以在润滑油中添加的一种或着多种物质，可以赋予给润滑油重要特性从而得 到更为满意的性能1 4 7 , 4 8 j 。从数量上看，润滑剂中的9 0 左右为润滑油，一般是由9 3 的基础油，7 的添加剂还有其他的组成成分。目前润滑剂大致可以分两类：一类为 汽车用润滑剂，另一类为工业用润滑剂，工业润滑剂又可以细分为工业润滑油和工业 特种润滑油( 主要是指金属加工润滑剂、润滑脂和固体润滑剂膜) 。 在现今的工业中和人民生活中，润滑剂几乎已经成为生活中必不可少的物质。伴 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 随着工业技术的持续且快速的发展与进步，润滑剂的使用量也是变得与日俱增，从而 引发了一个非常严峻的问题：润滑剂的废弃和润滑剂造成的环境污染。据估计，在全 欧洲大约每年会产生5 0 0 万吨的废弃润滑剂，而其中的4 0 5 0 会全部进入到环境中 去从而造成了环境污染。在全世界范围内各单位销售的润滑剂更是有5 0 以上的为 损，并造成了严重的环境污染。举非常明显的一个例子，那就是柴油发动机运行时排 放的微粒物中约有三分之一是由发动中的机润滑油蒸发而造产生的。在这个危机时刻 下，在社会上又提出了一个全新的定义，那就是环境友好型润滑剂。对这个定义之下， 主要有两种评判标准： 主观标准：环境友好型的，环境兼容型的。客观标准：可以生物降解的，水污染 性，水溶解性、生理安全和生态学毒性，使用性能、可回收性，换油周期、检验，与 一般材料的兼容性等等。 虽然矿物质油产品可以比较快的在自然界下被微生物降解，但是现在这些自然降 解系统已经被污染所压倒。近些年来，基于聚乙二醇、天然油和酯的可以迅速生物降 解类型的全损耗型润滑剂可以明显的减缓润滑剂导致的污染，如德国用以菜籽油为主 主要的植物油和其它可以生物降解的润滑剂的化学油脂已经占到了世界润滑剂总量 的4 ( 1 9 9 9 年) ，它为润滑剂的减污做出了巨大的贡献 4 9 , 5 0 j 。我国也在环境友好型 润滑添加剂的领域内开展了探索研究，其中包括了植物油用复合添加剂、抗氧化添加 剂的作用及植物油的氧化安定性等工作【5 1 1 。研究中发现，植物油要需要克服其低温流 动和高温氧化这两个关键问题才可以作为润滑剂；酚类和胺类抗氧化性添加剂的复合 使用可提高植物油的氧化安定性；在植物油中添加一定浓度的某些金属抗氧化添加剂 可以起到抑制植物油的氧化作用 5 2 , 5 3 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章试验材料与试验装置 2 1 试验设置与装备 本论文试验部分一共分为八个阶段，材料准备阶段、磨损试验阶段、摩擦系数观 测阶段、磨损量测量阶段、表面硬度测量阶段、表面宏观形貌分析、磨痕轮廓分析与 磨斑分析。试验用到的仪器有超声波仪、m m s 。2 a 微机控制磨损试验机、t g 3 2 8 a 型 机械式光电分析天平、m v k h 2 1 型维氏硬度测试仪、光学显微镜、j b 6 c a 粗糙度轮 廓仪、j s m 一5 6 0 0 l v 型分析扫描电镜和x 射线能谱仪等，以下对重要仪器进行简要介 绍。 2 1 1 微机控制磨损试验机 本论文中采用的磨损机为济南益华摩擦学测试技术有限公司所设计的m m s 2 a 微机控制磨损试验机，其结构主要部分由计算机控制系统、主机部分、电控柜、双向 电动机、转速传感、压力传感器。m m s 一2 a 微机控制磨损试验机示意图见图2 1 。 卜螺钉；2 一上试样；3 一下试样；4 一转速传感器；5 、8 、9 、1 0 - 齿轮；6 一内齿轮； 7 一摆架；1 1 一压力传感器；1 2 一三角皮带；1 3 一双速电动机；1 4 一弹簧；1 5 一螺母；1 6 一传感器 图2 1m m s 一2 a 微机控制摩擦磨损试验机示意图 m m s 2 a 计算机控制摩擦磨损试验机可以做非金属材料( 塑料、尼龙等) 、金属 材料在滚动式摩擦、滑动式摩擦、滚动与滑动复合式摩擦等方式下以及处在湿摩擦、 干态摩擦、磨料摩擦等状态下的摩擦与磨损试验，还可以测定试验材料的摩擦系数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 此次试验主要采用的实验材料为车轮材料与钢轨材料在滚动与滑动复合式摩擦方式 下进行的干态摩擦和磨料摩擦。本试验具体可用于以下研究，进行赫兹应力模拟试验， 金属材料的滚动与滑动复合式摩擦磨损试验，对润滑剂的使用性能进行评定。试验机 的主要参数与技术指标如表2 1 。 表2 1 主要参数与技术指标 m m s 2 a 型磨损试验机需在温度为1 0 3 5 的室温范围内；相对湿度不超过8 0 的工况环境中；环境中无振动，没有强电磁场的干扰和没有腐蚀性介质的侵染；电源 的电压波动不会超过所规定电压的士1 0 ，频率波动不会超过规定频率的2 ；安装稳 固，要求水平安装且为o 5 1 0 0 0 的水平度。 上下试样轴的运转是由电动机( 1 3 ) 带动三角皮带( 1 2 ) 经过齿轮( 5 ) ( 8 ) ( 9 ) 和内齿轮( 6 ) 的传动带动下试样轴转动，并使其转动速度为2 0 0 r m i n 或者4 0 0 r m i n ； 上试样轴通过三角皮带、齿轮、蜗杆轴、滑动齿轮的传递使其以18 0 r m i n 或者3 6 0 r m i n 速度转动。采用上、下轴同时转动，而且试验试样直径均为4 0 m m 时，因为上、下轴 的转速不同( 滚动摩擦除外) ，所以在轮轨间存在1 0 的滑差率，导致其存在滑动摩 擦。改变轮轨试样的直径可加大或者减小试样间的滑差率。试验力是通过弹簧的压缩 获得的，其力的增大或者减小，可以用螺母进行调整，力值的信号通过传感器进入电 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 控箱在计算机的显示屏上显示。试验产生的摩擦系数是由摩擦力矩和所加载荷得出， 试验摩擦力矩等于下试样半径与摩擦力的乘积。所产生的摩擦力矩和摩擦系数均可以 在计算机显示器上显示出来。 2 1 2 磨痕轮廓分析设备 试验中对磨痕轮廓的测量采用上海太明光学仪器有限公司设计的j b 一6 c a 粗糙度 轮廓仪来完成。轮廓仪主要由工作台、花岗岩平板、传感器、驱动箱、电脑、显示器、 和打印机等部分组成，仪器总图如图2 2 。 1 花岗岩平板2 样块3 传感器4 一驱动箱5 电缆16 一电缆27 一电缆3 8 一打印机9 电脑主机1 0 显示器11 一开关1 2 电缆41 3 一控制盒 图2 2j b 5 c 粗糙度轮廓仪构造图 该轮廓仪可以测量各种精密机械部件的轮廓形状参数和粗糙度。可以用来评定直 线和圆弧等。从而可以测量直线度、凸度、圆弧半径、倾斜度、沟心距、垂直距离、 水平距离、台阶等形状参数。还可以对各种机械零件的表面粗糙度进行测试。j b 一6 c a 粗糙度轮廓仪可以测试平面、外圆柱面、斜面、内孔表面、圆弧表面、球面和深槽表 面的粗糙度。本仪器依据g b t 3 5 0 5 2 0 0 0 、g b t 6 0 6 2 2 0 0 1 、g b t 1 0 6 1 0 1 9 9 8 国家标 准及i s 0 5 4 3 6 、i s 0 1 1 5 6 2 国际标准制造。表2 - 2 为粗糙度测量主要技术指标，表2 3 为轮廓测量的主要技术指标。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 表2 2 粗糙度测量主要技术指标 表2 - 3 轮廓测量的主要技术指标 本实验主要使用轮廓仪对试验前后钢轨和车轮表面的轮廓测试，得到轮廓测试参 数并绘制轮廓图。该仪器测量时可以选定被测量零件的不同的位置，设置不同的测量 长度进行自动的测量测量段内的采样数据可以达到数万采样点。并且可以打印或者是 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 显示轮廓的形状及其尺寸，各种轮廓的支承长度率曲线和粗糙度参数等。 2 1 3 磨斑形貌分析设备 本实验采用的宏观分析设备为光学显微镜( o m ) ，它主要可观察材料的基体组织， 显微硬度、配合偏光、干涉等手段使用。投入少，但可以快速分析，解决许多的材料 问题。光学显微镜的成像原理主要运用阿贝成像，是一种相干成像原理，其原理是以 波动光学为基础的，由德国物理学家e 5 可贝在1 8 7 3 年研究怎样提高显微分辨率时提 出的。在试验中，可以用光镜在各种不同的倍数下仔细观察已经抛光好的模拟轮轨试 样的表面形貌，并观试样察的表面组织裂纹、剥离、磨损等情况，观察结束后将图片 保存下来，用以分析不同的试验条件下的磨损和疲劳特性。 本实验采用的磨斑观测设备主要有光学显微镜和扫描电子显微镜( s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p e ) s e m 。扫描电子显微镜的制造是依据电子与物质的相互作用。 扫描电子显微镜由三大部分组成：电子束系统，成像系统以及真空系统。图2 3 为带能谱分析仪的扫描电镜。真空系统主要包括真空泵和真空柱两部分。 馨；啦 i f 囊 戮 l = 一+ 尊 。，f ( 矗 矗 纛 图2 - 3 带能谱分析仪的扫描电镜 扫描电子显微镜可用于成像和表面分析。次级电子和背散射电子可以用于成像， 但后者不如前者，所以通常使用次级电子。欧革电子、特征x 射线、背散射电子的产 生过程均与样品原子性质有关，所以可以用于成分分析。但由于电子束只能穿透样品 表面很浅的一层，所以只能用于表面分析。 2 1 4 磨损量和硬度分析设备 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 根据不同的试验方法还有适用范围的不同，硬度可以分为洛氏硬度、肖氏硬度、 高温硬度、维氏硬度、布氏硬度和显微硬度等。本试验测试的是模拟轮轨试样磨损表 面的维氏硬度。此试验中选用的是m n k - h 2 1 型号的维氏硬度仪。 模拟轮轨的磨损量是用失重法得到的，试验的前后均使用j a 3 0 0 0 3 精密电子天平 进行重量的测试，天平的量程为3 0 0 9 ，精度达到0 1 m g 。j a 3 0 0 3 精密天平作为新一 代的电磁式称量传感器，使试验测量的精度有了更加可靠的保证。 2 2 试验材料 2 2 1 轮轨试样的制备及其成分 在磨损试验中，模拟车轮选用c l 6 0 车轮材料，模拟钢轨选用u 7 1 m n 钢轨材料。 模拟车轮试样的毛坯是直接切取车轮踏面，车轮试样的端面与车轮的踏面保持平 行，然后再精加工为标准车轮试样，试样的截取示意图如图2 4 所示： 图2 - 4 车轮试样截取示意图 钢轨试样的毛坯直接切取u 7 1 m n 热轧钢轨的轨头横向部分，钢轨试样的端面与 钢轨的踏面保持平行，然后再精加工为标准钢轨试样，试样截取示意图如图2 5 所示。 图2 5u 7 1 m n 钢轨试样截取示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 表2 4 试验材料的化学成分( 质量分数) 表2 - 5 试验材料的力学性能 由表2 4 、2 5 可以看出车轮材料c l 6 0 与钢轨材料u 7 1 m n 热轧钢的含碳量相对 不高，含碳量相对不高材料会有相对较好的塑性和韧j | 生。钢中含碳量增加，屈服点和 抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低。 车轮材料c l 6 0 含硅量相对较高。在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂。如果 钢中含硅量超过0 5 0 0 6 0 ，硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点 和抗拉强度。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐 热钢。含硅量的增加，会降低钢的焊接性能。 钢轨材料u 7 1 m n 热轧钢含锰量相对较高。在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和 脱硫剂。含锰量较高的钢较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度。 含锰量的增高，会减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。 2 2 2 润滑剂 此次试验采用了中国石油公司兰州润滑油厂生产的工业闭式齿轮油、东营市康惠 工贸有限公司生产的植物油、二硫化钼锂基脂和石墨钙基脂。 本次试验中用的润滑油为中国石油生产的润滑油。该产品由优质润滑油作基础 油，然后加入了多种功能复合的添加剂，并采用了先进的调合技术调制而成，具有良 好的极压抗磨性能，良好的热氧化稳定性、并可防锈和抗乳化等。l c k c 2 2 0 负荷齿 轮油适合于水泥、化肥、冶金工业及采矿的齿轮齿面的接触应力小于1 1 0 0 m p a ( n m m 2 ) 的中、低速封闭式齿轮传动的润滑。 该润滑油具有很多优秀的特点，例如拥有优秀的抗磨极压特性，并保证齿轮的运 转顺畅，可以有效防止齿轮齿面的磨损、擦伤和胶合；优良的抗泡沫性，