Page 113 - 摩擦学学报2025年第5期
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第 5 期 吴柄男, 等: 不同施用条件下轨顶摩擦调节剂的减摩性能研究 747
调节剂对轮轨界面摩擦特性的影响研究较少. 1.2 试验方法
本文中首先对水基、油基和脂基轨顶摩擦调节剂 本研究包括：(1)不同表面粗糙度条件下轮轨润滑状
的外观、黏度和密度进行了表征分析，然后利用轮轨 态参数计算；(2)轨顶摩擦调节剂对轮轨黏着行为的影响
滚动接触摩擦磨损试验机和经验公式研究了粗糙度 研究；(3)轨顶摩擦调节剂对轮轨磨损行为的影响研究.
对轮轨润滑状态的影响规律，并基于粗糙度研究结果 第一部分首先用手动分液器(Multipette M4, Ger-
探究了轨顶摩擦调节剂对轮轨黏着和磨损行为的影 many, ±1 μL)和电子天平(JA103，上海舜宇，±0.1 mg)
响，包括最低黏着系数、保持能力、摩擦特性、磨损 测得各材料的密度，并利用旋转黏度计的4号转子测
率、表面形貌以及表面粗糙度等，最后对比了不同施 试了水基FM和油基TOR在0.3~60 r/min转速范围内的
用条件下水基、油基和脂基轨顶摩擦调节剂的减摩性 表观黏度(脂基FM的黏度超出仪器的量程)，并基于幂
能. 研究结果可为轨顶摩擦调节剂的研发、测试和选 律模型[式(1)]拟合4种轨顶摩擦调节剂的剪切流变方
型应用提供理论支撑. 程，用于预测在高转速下的表观黏度.
η = k˙γ n−1 (2)
1 试验部分
˙ γ
式中，η是表观黏度(Pa·s)，k是黏度系数， 是剪切速
1.1 试验材料和仪器
[21]
率(1/s)，n是幂律指数. 最后采用Masjedi等 基于线接
试验用到的轨顶摩擦调节剂包括夏季FM、冬季
触粗糙表面弹流润滑数值研究中的拟合经验公式计
FM、由夏季FM和冬季FM按照质量比为1:1均匀混合
算了5种轨顶摩擦调节剂在不同表面粗糙度条件下的
制得的混合FM、油基TOR和脂基TOR. FM和油基
表面金属微凸体承载载荷比L.
TOR均由西安凯丰铁路科技有限公司提供，脂基TOR
L= 0.005W −0.408 U −0.088 G 0.103 ×
由捷克布尔诺科技大学提供，制作混合FM的目的是
ln(1+4470 ¯σ 6.015 V 1.168 W −0.485 U −3.741 G −2.898 ) (3)
为了探究冬夏2种FM在冬夏过渡期的适配性. 5种轨
顶摩擦调节剂的宏观形貌、介观形貌、元素分布以及 式中，W为载荷参数，U为速度参数，G为流体黏度参
主要元素的质量分数如图1所示，轨顶摩擦调节剂含 数， ¯ σ为粗糙度参数，V为材料硬度参数. 计算 ¯ σ用到的
有大量不同粒径的固体颗粒，C和O元素是分散相的 表面均方根粗糙度参数通过在轮轨滚动接触摩擦磨
主要元素(脂基TOR为Al元素)，Si、Mg、Mo、S和Na等 损试验机开展试验得到，试验过程如下：在车轮试样
元素是固体颗粒的主要元素，混合FM的固体颗粒含 转速为500 r/min，蠕滑率为1%，法向载荷为2 520 N (等
量和液体分散相含量居于夏季FM和冬季FM之间. 效最大法向赫兹接触应力为1 100 MPa，近似于21 t
如图2(a)所示，研究中使用的主要试验仪器包括 的机车轴重)的条件下使轮轨试样在干态下跑和0、500、
旋转黏度计(NDJ-8s，上海力辰)和轮轨滚动接触摩擦 1 000、2 000、3 000、4 000、5 000和6 000 r，然后利用轮
磨损试验机(MJP-30A，济南舜茂)，旋转黏度计可测试 廓粗糙度仪(JB-6c，上海精密仪器)测试转动不同转数
牛顿流体的绝对黏度和非牛顿流体的表观黏度，轮轨 后轮轨试样表面轮廓的算术平均偏差(R /μm)，并用R a
a
滚动接触摩擦磨损试验机MJP-30A是1种双盘对滚试验 近似代替的表面均方根粗糙度(RMS/μm).
机，试验机上模拟轮轨试样的接触位置示意图如图2(b) 第二部分探究了在不同施加量下轨顶摩擦调节
所示. 该试验机通过控制轮轨试样的转速差模拟真实 剂对轮轨黏着行为的影响，包括：
轮轨界面间的蠕滑率，利用扭矩传感器测量的摩擦力 (1)最低黏着系数和保持能力：在转速为500 r/min、
矩、加载的法向力以及轮轨试样的半径计算轮轨试样 蠕滑率为1%以及法向载荷为2 520 N的条件下，利用
[19]
界面间的黏着系数 ，黏着系数μ的计算公式如下： 手动分液器向图2(b)所示的接触入口区施加轨顶摩擦
调节剂，轮轨界面产生的最小黏着系数记为最低黏着
M 1
µ = (1)
rF N 系数，黏着系数从最低点恢复至0.3经过的循环转数记
式中，M 为扭矩传感器检测得到的摩擦转矩(N·m)； 为保持能力. 由文献[22]可知水基FM在20 μL/次的施
1
F 为模拟轮轨试样间的法向载荷(N)；r为试样半径(m). 加量下未产生低黏着(黏着系数小于0.1)，因此水基FM
N
轮轨试样分别取自C级车轮踏面和U75V钢轨轨头，轮 的安全施加量为20 μL/次. 油基和脂基TOR的施加量
轨试样的取样位置及试样尺寸如图2(c)所示，轮轨材 从20、10、5以及1 μL/次依次递减进行试验直至产生
料的化学成分和硬度参数见文献[20]. 的最低黏着系数高于0.1.
