轮轨材料硬度匹配性能试验研究_王文健

1、第 33卷 第 1期 摩 擦 学 学 报 Vol 33No 1 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

2、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 :TH1173文献标志码 :A 文章编号 :10040595(2013 01006505 Hardness Matching Behavior of Wheel /Rail MaterialsWANG Wen jian , LIU Qi yue *, ZHU Min hao(Tribology Res

3、earch Institute ,State Key Laboratory of Traction Power , Southwest Jiaotong University Chengdu 610031, China Abstract :The hardness matching characteristic between wheel steel and U71Mn hot rolling rail were investigated using a rolling testing apparatusIn addition , the friction , wear and surface

4、 damage behavior of different hardness wheel and U71Mn rail were analyzed in detailThe results show that the hardness of wheel had no obvious effect on rolling friction coefficient of wheel /railWith the increasing hardness of wheel specimen , the wear volume of wheel decreased and the wear volume o

5、f rail specimen linearly increasedFurthermore , total wear volume of wheel /railspecimens firstly decreased and then increasedWhen the hardness of rail /wheelspecimens was identical , total wear volume of wheel /railreached a minimumThe wheel hardness had an effect on the surface damage morphology o

6、f wheel /railspecimensWhen the wheel hardness was low , the pitting damage was dominating for the wheel specimenWith the increase of wheel hardness , dominating damage of wheel specimen was large bulk spallingThe primary damage mechanism of rail specimen was surface spallingKey words :wheel /railmat

7、erial , 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 100mm 2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 15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Received 21May 2012, revised

8、 23October 2012, accepted 4December 2012, available online 28January 2013*Corresponding authorE mail :wwj527163com , Tel :+862887634304The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (51174282, 51025519 , Program Supported by the Innovative Research Teams in Universitie

9、s (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 6Perez 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

10、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 10 12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 ,

11、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

12、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 03; 试验时间 40h钢 轨材料为 U71Mn 热轧钢轨 , 硬度 (HV 02 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

13、(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 Fig1Scheme size of wheel /railspecimens图 1轮轨试样尺寸示意图表 1轮轨材料化学成分Table 1Chemicalcomposition of wheel /railmaterials % Wheel /railmaterialC%Si%Mn%P%S%Cr% Wheel 05

14、604008000200015030 U71Mn rail 065076015035110140 0030 00302结果与讨论21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 (HV 02 分别为 251、 272、 284和 334, 钢轨与车轮试样的硬度比分别为 125、 115、 110和 094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Fig2The hardness of wheel /railspecimens图 2轮轨试样硬度66摩 擦 学 学 报 第 33卷 Fig3Friction coefficien

15、t of wheel /railspecimens 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 04, 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 22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 ,

16、 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 104时 , 轮轨 (a Wear volume of wheel /rail

17、 specimens (b Total wear volumeFig4The wear volume of wheel /railspecimens图 4 轮轨试样磨损量Fig5The relation between wear volume and ratiohardness of rail /wheelspecimens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

18、试样的表 面损伤情况 23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#wheel specimen (b 2#wheel specimen(c 3#wheel specimen (d 4#wheel specimenFig6SEM micrographs o

19、f 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

20、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

21、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

22、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#rail specimen (b 2#rail specimen(c 3#rail specimen (d 4#rail specimenFig7SEM micrographs of surface damage of rail specimens

23、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 :1G Donzella , M Faccoli , A Ghidini , et al The competitive role ofwear and RCF in a rail steel J Engineering FractureMechanics , 2005, (72 :2873082Wen Z F , Jin X S , Liu X QCreepages and friction work ofwheelset and track with two type profiles i

24、n rolling contact J Tribology , 2001, 21(4 :288292(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 :2882923Wenjian Wang , Wen Zhong , Qiyue Liu , et al Investigation onrolling wear and fatigue properties of railway rail J Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers , Par

25、t J :Journal of Engineering Tribology , 2009, 223(7 :103310394Guo J , Zhao X , Jin X S , et al Analysis of wheel /railthermal mechanical coupling effects in sliding case J Tribology , 2006,26(5 :489493(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 :4894935Wang B K ,

26、 Dong G N , Liu Y H , et al Shakedown analysis ofrolling contact surface with short wavelength corrugation J Tribology , 2004, 24(1 :7073(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 :70736Guo J , Wang W J , Liu Q YResearch progress of damage and material optimization matching of high speed wheel /railJ Lubrication Engineering , 2010, 35(9 :118121(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 :1181217A J Perez Unzueta , J H BeynonMicrostructure and wear resistance of pearlitic rail steels J Wear , 1993, 162164: 1731828M Ueda , K Uchin