Page 32 - 《摩擦学学报》2021年第2期

第 2 期 程焯, 等: 两种水基摩擦改性剂对轮轨黏着和损伤性能的影响 177

damaged slightly. The slight peeling and pitting appeared on the surface and a small number of single-layer micro cracks
appeared on the cross sections. FM1 could effectively reduce the wear and damage of wheel and rail.
Key words: water-based friction modifier; wheel and rail materials; adhesion coefficient; wear; damage

随着铁路向高速化和重载化方向发展，轮轨系统 FM可以有效预防钢轨波磨的形成，同时能够降低噪
磨损和滚动接触疲劳损伤现象日益严重 [1-2] . 特别是小 声3~5 dB. 然而，当水基FM用量选择不当时，会引起
[18]
半径曲线线路上轮轨磨损(钢轨波磨、车轮多边形磨 轮轨低黏着效应 ，也容易引发轮轨“油楔效应”，加
损和钢轨侧磨等)与噪声严重，不仅降低乘坐舒适性， 剧轮轨疲劳损伤. 但是，目前针对水基FM最佳涂敷量
[3]
还会影响轮轨服役寿命与运行安全 . 因此，铁路现场 的研究较少，水基FM作用下轮轨损伤行为的研究也
需对轮轨界面进行减摩调控以降低轮轨黏着、磨损、 很缺乏.
损伤和噪声 [4-5] . 目前轮轨界面减摩调控技术主要包括 本文中利用MJP-30A滚动磨损与接触疲劳试验
轮缘/轨侧润滑和踏面/轨顶黏着调控. 轮缘/轨侧润滑 机首先研究了两种水基FM(分别记为FM1和FM2)不
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主要用于曲线线路 ，降低轮缘/轨侧黏着系数，从而 同涂敷量下轮轨界面黏着行为，确定了FM1和FM2的
减轻轮缘与轨侧磨耗. 经过几十年的发展，轮缘/轨侧 最佳涂敷量. 然后研究了FM1和FM2最佳涂敷量下对
润滑技术已相对成熟. 然而，在车轮踏面/轨顶界面上， 轮轨磨损和损伤性能的影响. 研究结果可为轮轨界面
黏着系数过低将导致车轮打滑或空转，使列车牵引力 摩擦调控应用及优化提供理论与技术指导.

不足或制动距离过长. 因此，车轮踏面/轨顶界面黏着
1 试验材料及方法
[7]
系数应保持在适中范围 . 目前，主要利用各类摩擦改
性剂(Friction Modifier，FM)，也称摩擦调节剂，将轮轨 轮轨滚动模拟试验在MJP-30A滚动磨损与接触
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界面黏着系数调控至0.2~0.4的适中水平. 常见摩擦改 疲劳试验机上进行 ，如图1(a)所示. 车轮试样和钢轨
性剂包括固体FM、油基FM和水基FM. 试样分别安装在试验机的上、下主轴上，并分别由两
早在90年代初期，温哥华铁路运输系统便已经开 台独立的伺服电机驱动，通过调节轮轨试样的转速可
[8]
始使用摩擦改性剂 . 此后，国内外学者对摩擦改性剂 以精确控制轮轨蠕滑率. 轮轨试样取样位置与尺寸如
的使用性能进行了实验室和现场试验研究 . 于水波 图1(b)所示，轮轨接触方式为线接触 ，接触宽度为5 mm.
[20]
[9]
[10]
等 通过现场试验发现利用摩擦调控技术可以有效 车轮材料为C级车轮(硬度约为HV 346)，钢轨材料为
0.5
减缓钢轨波磨，降低脱轨系数. 李珂等 制备了固体 U75V热轧钢轨(硬度约为HV 315). 滚动试验过程
[11]
0.5
FM，研究发现使用固体FM时摩擦系数可调节至0.3~ 中，轮轨之间的法向载荷通过液压加载，并由压力传
[12]
0.4水平. Galas等 研究发现油基FM具有调控轮轨界 感器进行实时监测，通过安装在下主轴上的扭矩传感
面黏着和减少轮轨磨损的能力，油基FM调控黏着的 器可测得钢轨试样所受扭矩，除以钢轨试样半径后可
能力很大程度上取决于所施加的量，而金属颗粒的含 得到轮轨界面切向力，通过轮轨界面切向力和法向力
[13]
量是控制磨损的关键因素. Meehan等 利用理论模型 可得到轮轨黏着系数(切向力/法向力). 试验参数：法
研究了油基FM对车轮振动和噪声的影响，定量解释 向载荷为2 350 N，通过赫兹模拟准则计算得到轮轨最
了油基FM作用下产生噪声的原因. Matsumoto等 在 大接触应力为1 100 MPa，对应列车轴重约14 t ，车
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[14]
试验室研究了水基FM对轮轨横向和纵向牵引曲线特 轮试样转速为495 r/min，钢轨试样转速为500 r/min，
性的影响，发现水基FM可以有效避免轮轨横向和纵 轮轨滑差率为1%.
向牵引曲线的负摩擦特性. Lu等 分别研究了氧化 试验所使用的两种水基FM主要成分列于表1中.
[15]
铁、钙基轮缘润滑脂对水基FM(Keltrack™)的影响，结 为了研究两种水基FM的机械稳定性能，将制备好的
果表明加入氧化铁可以明显提高轮轨的黏着系数，油 水基FM1和FM2装入试管中，密封静置并记录分层现
脂会降低水基FM的附着能力和轮轨第三介质层的剪 象随时间的变化，结果列于表2中. 静置5~10 d后，水
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切强度. Arias-Cuevas等 研究了两种水基FM对轮轨 基FM1和FM2均未出现分层；静置20 d后，水基FM2出
黏着和损伤性能的影响，结果表明含有坚硬固体颗粒 现轻微分层，而水基FM1仍无分层现象；随着静置时
的水基FM介质下轮轨界面的黏着系数更高，但容易 间增加，水基FM2分层现象越来越明显并伴有颗粒沉
造成轮轨损伤. Eadie等 [17] 通过现场研究发现水基 淀，而水基FM1只出现轻微分层现象；水基FM1的机