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摘要：车轮与钢轨的摩擦是最大的，每年投入的轮轨材料费用都是占有比较高的，因此，如果能够减少轮轨磨损，随之减少维修过程中的人力物力投入，具有重要意义。本文主要对列车车轮与轨道硬度匹配度进行试验研究。
关键词：列车车轮；硬度；匹配
前言
材料包括金属及非金属材料均有软材料磨损硬材料的现象，但是对某些材料在一定的硬度范围内，耐磨性和硬度之间呈直线关系。另外硬度的测试是检验轮轨质量及匹配方便易行的手段。
1、试验材料及方法
钢轨试验样品取自轨头。淬火钢轨样品只是在轨头紧靠踏面处取样,以保证试验样品为原有的淬火组织。车轮样品取自轮箍。粗加工之后8400C淬火,以不同温度回火获得不同硬度,再加工成所借样品的尺寸。试验用耐磨轨,普通轨及轮箍的化学成分列于附表。
试验在M一200型摩擦磨损试验机上进行。按照轮缘和轨侧间的潜滑率(蠕滑率)在1一8%之间。故耐磨轨试验样品的潜滑率设计为7.7%,接近于最大值。轮轨间存在潜滑,相当于车轮有少量空转,即车轮样品线速度高,因而装于试验机下轴。试验机下轴转速为200转/分,上轴转速为181转/分。
试验时所加负荷为75公斤,计算出最大接触应力为510N/mm2,这个应力相当于11.5吨的静载轴重下,轮轨接触面积为300mm2时的平均接触应力的1.4倍(即最大接触应力)。但是轮缘和轨侧间最大接触应力远高于轮轨踏面间的接触应力,因此又采取减薄试验样品的方法来提高接触应力至730N/mm2。所以在耐磨轨的试验中,试验了两个应力水平(510及730N/mm2),用以表征钢轨踏面和轨侧相对车轮的磨损。
轮缘轨侧磨损的特点之一是,磨屑脱落到道床上,即磨屑不参与磨损过程,故上、下样品均附加刷子连续不断地清除磨屑。
为了模拟列车运行中蛇形运动造成的横向滑动,轮轨样品间有水平轴向往复运动。10mm厚样品的横向往复滑动量为0.70mm，5mm厚样品的为0.35mm,每分钟往复211次。
以上为耐磨轨和车轮的试验条件,也就是模拟列车通过曲线时的轮轨磨损情况。总共使用样品70个。每对轮轨样品磨损测试七至八次。去掉跑合磨损外,取五或六个稳态磨损值的平均值为测试结果(即图1中的每个试验点为五或六次测试的平均结果)。
普通轨用于直线线路其试验条件根据实际情况作了相应变更。直线线路上,普通轨和车轮间的磨损主要发生在踏面上。如Krasue等在其论文中指出的,在直线线路,轮轨间的潜滑率平均为0.5%,最大为1%。因此在设计样品时使其潜滑率为1%。轮轨踏面间的接触应力比轮缘轨侧间的横向推力小得多,在试验中只取一个应力水平,即510N/mm2。实际应用中的钢轨,在踏面上有多种氧化铁、二氧化硅、碳化铁、微量的油及水汽等污垢因而在试验中不附加刷子清除磨屑,磨损产生的附着于样品上的磨屑(氧化铁及铁)参与磨损。样品间的横向相互滑动量为0.4mm。在耐磨轨试验的基础上,车轮硬度低至HB250,车轮磨损过大,不适用。而车轮硬度高至HB350以上时,生产上又有实际困难,同时还增加了脆性。所以在普通轨的试验中,删去了耐磨轨试验中的最低和最高硬度,车轮只取三个硬度水平:HB270、300和340(所以试验结果在图7中只有三组点连成的折线)。
全部试验(曲线及直线的轮轨磨损)均为干磨损。样品在低负荷及试验负荷跑合数千转之后,测定多次稳态磨损率,取其平均值。为了方便,磨损率表示为样品转动1000转后的失重。样品在称重之前以及安装到试验机之后,均用丙酮清洗,除掉油迹。试验时的相对湿度为试验室相对湿度,在50~70%之间。样品的硬度用大型布氏硬度计测试,压头为10mm直径钢球,负荷为3000公斤。
2、试验结果
耐磨轨和不同硬度车轮的磨损试验结果的曲线绘于图1中。从图中可以看出：(1)当接触应力从510Nmm-2提高到730Nmm-2时,车轮和钢轨的磨损率都大为增加,说明增加轴班,或列车通过曲线时超速或曲线半径太小,都能增加轮轨间接触应力,因而增大了磨损。(2)当车轮硬度增加时,车轮磨损率不断降低。其中尤以车轮和AP-1轨在730Nmm-2 对脚封本轮磨损率下降迅速(图1b)。车轮硬度增加,则三种钢轨的磨损率增加。(3)淬火轨的硬度比其它两种珠光体轨的硬度高出约HB70,淬火轨的磨损率大约是珠光体轨磨损率的一半。这可以从图2a、b中看出。当钢轨的硬度增加,车轮的磨损率加大(图2c)。(4)车轮的磨损率远高于钢轨的磨损率。本试验所采用的接触应力较高,磨损主要发生在线速度高的下样品(车轮),相当于轮缘的磨损。
轮轨粘着系数就是车轮和钢轨的极限摩擦系数。当潜滑率超过3%时达到极限摩擦。故耐磨轨试验中(潜滑率为7.7%)求得的摩擦系数即为粘着系数。试验结果表明,当车轮硬度从HB230增至HB350时,摩擦系数从0.4增至0.5。其中车轮与淬火轨的摩擦系数稍低于车轮与珠光体轨的。
磨损试脸中所产生的磨屑,如同在轨道现场弯道处看到的一样,是片状的。图a3示淬火轨磨属已经形成,尚未脱离母体。图b3为磨屑的扫描电镜照片,均说明磨屑是片状的。磨屑经x光衍射分析,系a-Fe及Fe2O3组成。
干磨损中,由于切向力大,磨损亚表面发生大量塑性变形,如图4a所示。亚表面显微硬度的测定表明,车轮硬度高时,轮轨加工硬化层浅,车轮硬度低时,轮轨加工硬化层深,相应如图4b中的W40(HB331)及R40和W32(HB210)及R32所示。
钢轨的金相组织对磨损的影响以上的磨损试验仅只涉及两种在实际使用的金相组织即珠光体及淬火索氏体。为了研究钢轨样品的其它热处理对磨损影响,进行了钢轨的正火及淬火回火热处理,得到了细珠光体和回火索氏体组织。其磨损试验结果如图5所示。
从图中可以看出,经840oC再度正火的钢轨R1与轧态钢轨R2的磨损率相近,与之配对的车轮W1W2的磨损率也相近。这说明再度正火并没有起到很大的作用。R3为整体淬火后回火至HB289(接近于轧态钢轨的硬度)的钢轨,与轧态钢轨R4相比较,磨损大为加剧,也是图5中磨损率最高者,与之配对的车轮W3的磨损率有所降低。R5也是整体淬火,但回火至较高的硬度HB334,使之与淬火轨R6的硬度相近,其磨损率比悴火轨高约一倍。悴火索氏体R6是图5中最耐磨者。但与之配对的车轮W6的磨损率较高。以上试验结果表明,热轧钢轨经过再度正火,不能显著的减少磨损。整体淬火后回火至较低硬度(HB289)磨损率最高。整体淬火后回火至较高硬度(HB334)其磨损率还不如轧态钢轨的低,比淬火索氏体轨高出一倍。
R1正火,R3淬回火,R2R4为轧态。R5淬回火,R6淬火索氏体。W为车轮,编号相同的R及W为一对磨损试验样品。
接触疲劳试验在1220Nmm-2最大接触应力下,以20号机油润滑进行试验。由于弯道俐轨常采用涂油的措施,观察了润滑状态下的摩擦系数。试验开始时的摩擦系数为0.07，随试验时间的加长,摩擦系数逐步降低。样品运转约一百万次后,达到一个稳定的摩擦系数0.04。
接触疲劳试验结果符合一般规律—车轮硬度较高,接触疲劳寿命也较高,因而主张以降低轮箍的回火温度,提高硬度来改善接触疲劳寿命。
珠光体钢轨硬度较低,疲劳寿命约20万转后出现典型的接触疲劳损伤(图6a)。淬火轨硬度高,三百万转后出现人字形裂纹,如图6(b)所示。伤损也较小(注意图6a和b的放大倍数不相同)。
普通栩轨和不同硬度车轮的试验普通俐轨使用于直线线路。轮轨磨损是踏面的磨损。在上述的耐磨钢轨(小半径曲线上使用)试验的基础上,已经明确,太软太硬的车轮没有必要再进行试验,所以.本试验只选用三个硬度水平的车轮试样,即HB、275左右,HB300左右和HB340左右,进行轮轨磨损试验。试脸结果如图7所示。
从图中可以看出,随着车轮硬度的增加,车轮的磨损率减少,钢轨的磨损率增加。车轮硬度高至HB310左右以后,车轮的磨损率急剧下降。
钢中夹杂物对磨损的影响也是十分重要的,夹杂物的存在破坏了钢材的连续性,显然加剧了磨损裂纹的形成。热轧钢材中的硫化物呈长条形,所以,往往在其尖端造成应力集中产生裂纹。图8a表示出的硫化物虽然塑性好,并显示出随着表层金属变形而变形,但是其尖端产生裂纹延伸至表面。圆形夹杂物的应力集中因数低,但只要接近表面,也从夹杂物处形成裂纹,产生磨屑(图7b)。因此提高钢材冶金质量的措施之一是提高钢材的纯净度,减少有害的夹杂物如硫化物及硬脆夹杂物A12O3等。一些国家已经采用硅脱氧来取代传统的铝脱氧,进免氧化铝的产生,改善了钢轨的耐磨性及接触疲劳性能。
3、讨论
从 试验结果可以看出,提高车轮的硬度,车轮的磨损减少,钢轨的磨损增加。提高钢轨的硬度,钢轨的磨损减少(图2a及b),车轮的磨损增加(图c2)。
把图1的全部试验结果中的车轮磨损率W除以钢轨磨损率R,再以W/R对车轮硬度作图,得图9。
从图中可以看出,不论是接触应力高或较低，也不论三种耐磨轨中的那一种,当车轮硬度约HB295时,有一转折点,也就是说,当车轮硬度超过HB295后,能够有效地缓和轮缘磨损。普通轨的试验结果也表明,当车轮硬度达到约HB310时,磨损率迅速降低(图7)。
所谓轮轨磨损的涵义,主要指的是列车通过弯道时,轮缘和轨侧的大量磨损,而直线线路上的钢轨,只要不发生疲劳断裂等,可以使用数十年,因而直线线路的轮轨磨损不是主要矛盾,在考虑轮轨硬度匹配时,由耐磨轨试验结果而绘制的图9提供了一个准则。所以我们建议车轮采用硬度HB295~310。若取AP-1、U-Si及淬火轨的硬度为HB270、280及340时,则相应的轮轨硬度比值范围为1.09~1.15,1.05~1.11和0.84~0.91。这与过去的一些研究结论是相近的。
轮轨磨损是由于高接触应力下,表面或亚表面发生塑性变形造成损坏而形成片状磨屑的。Jamison把表面塑性变形为主的磨损机理称为碾压机理,磨损率很高;以亚表面塑性变形为主的称为流变疲劳机理,磨损率大为减少。图10示PD-1钢轨中形成的亚表面裂纹,而图3a及图8b所示亚表面裂纹的一端已经张开,片状磨屑即将脱落。以上均为流变疲劳磨损机理的结果。
图11则示车轮磨损面的扫描电镜照片,从图中可以看出,中央有一大块磨屑,四周为白色,表明四周已形成裂纹,与母体脱离,能散射较多的电子而呈白色。即碾压机理形成的磨屑。
为了比较不同硬度车轮在磨损过程中的行为,在相同的低倍率下拍摄了两张照如图12所示。图12a表明,车轮硬度高时(HB338),形成尺寸小的片状磨屑,而硬度低时(HB275),塑性变形范围大,形成的片状磨屑也大(图12b),图4b也表明,车轮硬度低时W32,塑性变形范围大,加工硬化层深,而车轮硬度高时(W40)则相反。
由此可见硬度的属性是表征抵抗塑性变形的能力。当然,硬度也不能过高致使材料变脆,在使用中导致脆性断裂。
因而,从轮轨的磨损机理说明:凡是一切增加接触应力的、迫使轮轨发生塑性变形的因素,都给轮轨带来了较大的磨损及其他伤损。这些因素有:加大轴重,过小的轮径,小半径弯道及转向架缺乏柔性等。
4、结论
4.1 在所试验的硬度范围内,轮缘和轨侧的磨损与硬度成反比。一方的硬度提高,它的磨损减少,而对方磨损增加。车轮硬度为HB295~310时,轮缘的磨损得以缓和,而轨侧磨损增加不多。从轮轨磨损的综合考虑,可以得出:轮轨硬度比值以1.05~1.15为宜,对淬火轨,轮轨硬度比值以0.84~0.91为宜。
4.2严格控制车轮的硬度,并使出厂检验硬度与实际硬度相符合，减少了磨损也提高了接触疲劳寿命。
4.3钢轨整体淬火并回火至较低硬度,不如珠光体钢轨耐磨,回火至较高硬度,不如淬火索氏体轨耐磨。
论文作者:张坤贤
论文发表刊物:《基层建设》2016年31期
论文发表时间:2017/1/21
标签：磨损论文; 硬度论文; 车轮论文; 钢轨论文; 样品论文; 应力论文; 轮缘论文; 《基层建设》2016年31期论文;