Page 30 - 《摩擦学学报》2021年第6期

第 6 期 丁昊昊, 等: 钢轨打磨磨痕粗糙度与交叉磨痕对滚动接触疲劳损伤的影响 815

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滚动方向为20°时，钢轨的滚动接触疲劳损伤最严重 ， 行多次打磨，会产生交叉磨痕，观察现场打磨磨痕发
因此，本文作者制备的上述3个粗糙度等级的磨痕均 现−45°/70°、−20°/90°和45°/70°交叉磨痕较为常见，因
与轮轨滚动方向呈20°夹角，从而研究打磨磨痕粗糙 此本文作者还将研究上述三种交叉磨痕对钢轨滚动
度等级对钢轨滚动接触疲劳损伤的影响. 此外，因打 接触疲劳损伤的影响. 不同角度与交叉磨痕的钢轨试
磨过程中不同摆角的多个砂轮均对钢轨某一位置进 样表面如图2所示. 车轮试样不进行打磨处理.

20°
Rolling −20° −20° 70°
−20°
direction −45° −45° 45°
70°
90°
1 mm 1 mm 1 mm 1 mm
(a) Unground (b) 20° (c) −45° (d) −20° (e) −45°/70° (f) −20°/90° (g) 45°/70°
Fig. 2 OM micrographs of grinding marks with different directions and cross marks on rail samples
图 2 钢轨试样不同角度与交叉打磨磨痕OM照片

1.2 试验方法 轮轨间垂向载荷约为1 360 N(根据赫兹接触理论，产
利用MMS-2A轮轨摩擦磨损试验机(原理图如图3 生的最大接触应力约为1 000 MPa，模拟现场轴重约10 t).
所示)对打磨过后的钢轨试样进行轮轨滚动试验. 车轮 轮轨滚动试验先在干态下运行5 000次，以促进钢轨表
和钢轨试样由电机伺服电机驱动，通过齿轮实现轮轨 面微裂纹的萌生，然后再在水态下运行95 000次，以促
间不同的蠕滑率，轮轨垂向力由弹簧加载. 不同磨痕 进裂纹的扩展. 水态工况通过向轮轨界面滴入自来水
粗糙度试验时车轮试样转速为500 r/min，交叉磨痕试 实现，水的流速为5 mL/min. 试验参数列于表2中.
验时车轮试样转速为200 r/min，轮轨蠕滑率为0.91%， 试验前后利用粗糙度轮廓仪(JB-6C，Japan)、维氏
硬度仪(MVK-H21，Japan)和光学显微镜(OM, OLY
Gear pairs Normal force
MPUSBX60M，Japan)观察钢轨试样表面，对试验后的
钢轨试样沿滚动方向进行切样、抛光、观察并统计滚
Pressure sensor
动接触疲劳裂纹情况.

Rail roller
Wheel roller 2 结果与讨论
Servo motor
2.1 打磨磨痕粗糙度对钢轨滚动接触疲劳损伤的
Torque sensor
影响

Fig. 3 Schematic diagram of MMS-2A wheel/rail friction and
wear tester 2.1.1 表面粗糙度
图 3 MMS-2A轮轨摩擦磨损试验机示意图 轮轨滚动试验后表面粗糙度是表征钢轨表面损

表 2 试验参数
Table 2 Tests parameters

Grinding mark
Test No Rotational speed of wheel/(r/min) Slip ratio/% Normal load/MPa Cycles
Roughness/μm Angle
1 # 1 20° 500 0.91 1 000 100 000
#
2 4 20° 500 0.91 1 000 100 000
#
3 7 20° 500 0.91 1 000 100 000
#
4 1 −45° 200 0.91 1 000 100 000
#
5 1 −20° 200 0.91 1 000 100 000
#
6 1 −45°/70° 200 0.91 1 000 100 000
#
7 1 −20°/90° 200 0.91 1 000 100 000
#
8 1 45°/70° 200 0.91 1 000 100 000