激光微織構分布與形狀對輪軌線接觸下潤滑性能的影響

周渝鈞，區俊杰，鄭潤婷，歐洋婷，劉吉華，何成剛，林群煦

（1.五邑大學 軌道交通學院，廣東 江門 529020；2.廣東工業大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006）

地鐵作為綠色、環保、高效的交通工具，是未來城市軌道交通的發展趨勢. 由于城市地理環境復雜，使得在地鐵線路的設計中不得不采用數量眾多的小半徑曲線，這造成輪軌材料產生了不同程度的輪緣磨耗和鋼軌側磨[1]. 結合長期地鐵現場運營積累的經驗，以及各個城市和不同地鐵路段的不同情況，我國學者對改善輪緣磨耗給出了相應的建議：如制定車輪定期掉頭運行機制[2]、控制小半徑曲線列車速度[3]，對于已經發生輪緣異常磨耗的車輪通過鏇修的方式恢復車輪至設計外形[4-5]，在運行過程中通過使用輪緣/鋼軌軌距角潤滑系統來改善輪緣和軌距角的接觸狀態[6-7]. 國外輪軌關系研究學者針對輪緣潤滑開展了大量的探索與研究. 美國聯合鐵路公司的Thelen等[8]早在1996年就基于全尺寸試驗和現場試驗發現輪軌表面粗糙度、輪軌型面尺寸等參數對輪緣潤滑效率的影響規律. 巴西圣埃斯皮里圖聯邦大學的Almeida等[9]利用銷盤試驗機研究了不同車輪材料的輪緣與鋼軌軌距角的滑動摩擦行為. 國內金泰木等[10]探究了輪緣潤滑對重載列車曲線通過性能的影響，發現當機車通過小半徑曲線且處于輪緣潤滑狀態時，輪對的導向性能將減弱. 西南交通大學溫邦等[11]探究地鐵車輛輪緣潤滑對車輪磨耗的影響，建議在正線中、在潤滑狀態下給列車整車安裝輪緣潤滑器.

對于輪緣磨耗，英國謝菲爾德大學的Fukagai和Lewis教授[12]提出在車輪和鋼軌表面引入表面紋理，以此降低車輛爬坡脫軌風險. 研究表明，在某些接觸表面進行相應的凹坑設計可以起到儲油與減磨的作用[13-14]. 激光表面微織構能夠儲存潤滑介質，使得接觸界面形成動壓效應，進而改善摩擦副間的接觸狀態，已經被廣泛運用于機械行業摩擦表面，如汽車內燃機中的密封環、氣缸、止推軸承、機床導軌以及頻繁啟停的部件[15-16]. 本文擬將激光微織構應用于輪緣和鋼軌軌距角的接觸界面，利用大滑差線接觸狀態模擬地鐵車輛通過小曲線半徑類曲線路段，探討不同激光微織構參數（形貌、分布率）及試驗過程噴涂油量對輪緣/軌距角潤滑效率的影響規律，旨在提高地鐵車輛輪緣/軌旁潤滑系統的潤滑效率，緩解地鐵車輛通過小曲線半徑路段輪軌材料的損傷.

1 試驗部分

1.1 激光表面微造型試驗

用光纖激光打標機對鋼軌試樣表面進行表面微造型打標. 光纖打標機的主要參數包括：激光功率、激光頻率、旋轉軸速度以及打標次數，通過調節上述參數可以改變微造型的形貌. 對比分析不同激光功率與激光頻率下凹坑三維形貌圖發現：35 kHz、18 W 時所制備的凹坑深度、直徑及外觀形貌較為規律，且分布均勻.

由于地鐵車輛通過小半徑曲線路段時輪軌之間的接觸應力很大（最高能達到1 600 MPa），若采用微米級的小凹坑很容易在試驗過程中被磨除，所以本研究擬在規則的宏觀形貌下填充微米級的凹坑，從而保證微造型凹坑不容易磨除. 本文設計了矩形、圓形與菱形的激光微造型，并以50 μm 的微小圓形進行陣排列，具體如圖1-a所示，進而得到鋼軌試樣表面的激光微造型，如圖1-b所示. 通過NaoMap-D型三維形貌儀對微造型形貌進行觀察，發現制備的微造型中凹坑陣列形式明顯、凹坑整體形貌規則有序，如圖1-c所示.

圖1 不同激光微造型的分布、形狀及局部形貌圖

在鋼軌試樣表面制備矩形、圓形及菱形形貌，在各個宏觀微造型內以小凹坑進行陣列填充，且保持各個宏觀微造型面積均為 2 mm2，即矩形尺寸為1 mm ×2 mm，圓形直徑為1.8 mm，菱形邊長約為1.52 mm. 根據宏觀微造型形貌面積及鋼軌試樣表面面積，對微造型分布率進行推導：

式中，n為凹坑個數；r為內部填充凹坑的半徑，約20 μm；S為單個微造型面積；m為單個微造型個數；l為鋼軌試樣表面寬度；R為鋼軌試樣半徑，20 mm.

1.2 輪緣潤滑試驗

本研究涉及微造型分布率、噴涂油量及微造型形貌三組試驗水平變量，為優化試驗引入正交試驗設計，其具體因素水平如表1所示，得到的實驗設計如表2所示.

表1 因素水平表

表2 三種變量下的正交試驗設計

為探討多因素水平對輪緣潤滑的影響，本研究擬在MMS-2A磨損試驗機上開展輪緣潤滑饑餓試驗[17]. 輪軌試樣尺寸如圖2-b所示，下試樣為車輪試樣，上下試樣均為圓環形狀，采用線接觸形式.兩試樣內、外徑分別為16 mm 和40 mm，輪軌試樣接觸寬度為5 mm. 根據赫茲接觸模擬準則，實驗室模擬輪軌間最大接觸應力為400 MPa，輪軌間滑差率為10%，車輪轉速為200 r/min. 經計算上試樣轉速為180 r/min，輪軌間垂向試驗力為230 N. 本文擬通過輪緣潤滑饑餓試驗考察三種變量對輪軌潤滑效率的影響，通過分析輪軌間摩擦系數變化規律得出潤滑性能最優的方案. 考慮到試驗過程中較大油量（如0.3 mL）的潤滑持續時間遠大于較小油量（如0.1 mL）的，為保證后期正交試驗分析的準確性，本文以潤滑狀態時間與總時間的比值作為評判標準，即通過時間比來判斷潤滑性能的優劣.

圖2 取樣圖及輪軌試樣尺寸

2 實驗結果分析

2.1 輪緣潤滑試驗結果

按表2設計進行輪緣潤滑饑餓試驗，依次將鋼軌試樣與車輪試樣安裝到試驗臺，并設置轉速、試驗力等具體參數. 試驗初期，輪軌之間進行干摩擦，摩擦系數隨時間不斷上升，當摩擦系數達到0.35左右并穩定后利用注射器從法向方向噴涂預先設計的油量，摩擦系數驟降，達到0.23左右維持穩定，輪緣潤滑實物圖如圖3所示. 隨著時間的推移，輪軌間的摩擦系數逐漸升高，最終再次維持在0.35左右，隨后重復噴涂潤滑油.

圖3 潤滑狀態下的運行工況圖

輪緣潤滑饑餓試驗后對輪軌摩擦系數進行歸類分析，具體結果如圖4所示：

圖4 三組形貌對應的時間-摩擦系數圖

1）圖4-a圓形形貌對應的三組試驗，其潤滑效率規律隨機性較大，該形貌的潤滑持續時間與未進行激光微造型處理的鋼軌試樣沒有太大的區別. 在試驗過程中，隨著潤滑脂的不斷堆積，在輪軌潤滑界面中出現了“二次潤滑現象”[18]，這導致了摩擦系數的波動.

2）矩形形貌的部分曲線可以總結出一定的潤滑特性規律，但仍然受“二次潤滑現象”的干擾，如圖4-b所示. 值得注意的是在試驗初期，由于還沒有產生大量的潤滑脂堆積，所以在第一個潤滑周期內，摩擦系數極少出現再次潤滑現象，但隨著時間的推移，“二次潤滑現象”更加明顯. 在黑線（矩形、分布率2.50%和用油量0.3 mL）中，由于0.3 mL 自身的一次性噴涂量較大，在第一次噴涂后就造成了鋼軌試樣兩側大量的潤滑油堆積，進而在第一個潤滑周期內出現了3次“二次潤滑現象”，其余兩組試驗均是在試驗中后期出現二次潤滑的現象. “二次潤滑現象”在試驗中有效提高了潤滑時間與總時間的比值，從理論上看能夠起到更好的潤滑維持性能，但在未來的現場應用中，這種現象存在明顯弊端，如在現場應用過程中很難隨時把控其自身潤滑規律，需要進行大量的數據調研和統計，才能大致推算出其潤滑規律來指導現場應用.

3）圖4-c為菱形形貌的時間-摩擦系數圖，其在磨損試驗初期均未出現“二次潤滑現象”，其中黑線（菱形、分布率2.50%和用油量0.1 mL）與藍線（菱形、分布率7.75%和用油量0.3 mL）的前4個潤滑周期規律相似，且潤滑持續時間相近，紅線（菱形、分布率5.25%和用油量0.2 mL）工況下潤滑持續時間較長，且在該狀態下并未出現“二次潤滑現象”.

4）圖4-a中的黑線（圓形、分布率2.50%和用油量0.2 mL）與圖4-c的紅線（菱形、分布率5.25%和用油量為0.2 mL）在潤滑狀態下的持續時間比較長，顯然與傳統潤滑的觀點“所噴涂的潤滑脂越多，其潤滑時間就越久”[19-20]不相符，也證明了微造型對潤滑有很大影響.

2.2 正交試驗分析

本研究中數據組為3因素3水平的正交試驗 L9(34)以及每一次實驗所測得的潤滑時分比H（潤滑維持時間∶總時間），結果列于表3，加油時間點的選取、加油位置、加油速度、輪軌安裝位置等條件一致. 從表3可以看出潤滑時分比的范圍為4.9%～78.59%，其中水平組合A2B1C2（菱形、分布率5.25%和噴涂油量0.2 mL）的潤滑時分比H最高（78.59%）.

表3 正交試驗分配表

三組水平變量試驗所涉及的試驗共有27組，而現根據正交試驗設計只完成了其中最具代表性的9組試驗. 由于這9組實驗中最好的結果不一定是整個27組試驗中最好的，故需要進一步利用正交試驗進行分析. 本文采用正交試驗的直觀分析法來分析輪軌潤滑效果的最優水平組合. 一般定義Tij為表3第j列中與水平i相對應的各次實驗結果之和（i=1,2,3;j=1,2,3）；記T為9次實驗結果的總和，Rj為第j列的3個Tij的極差（極差越大對試驗結果的影響越大）. 按該方法，對因素A在每一水平下所做試驗的H值進行加和、取極差，結果如表4所示.

表4 T 值計算結果

表4中因素A的Rj計算值最大，其9次試驗結果的總和為379.73，四因素極差大小的順序為A,B,C,D. 由此可以看出：要使潤滑時分比H最優，需要優先控制好因素A（噴涂油量）和C（分布率），其次是要考慮因素B（微造型形貌）和D（空列）. 為方便計算. 引入空列D作為數據組，在表4一列中選取最大的T21（即取水平A2），同理可選出最好的因素水平搭配是A2B1C2D1，即輪緣涂油量選用0.2 mL、激光微織構形貌為菱形形貌，分布率為5.25%時，這一組的時分比H最優，輪軌潤滑效果最好. 直觀分析法雖然直觀、簡單和便捷，但未考慮誤差對試驗數據的影響，極大降低了試驗數據分析的準確性，可采用方差分析來確認數據的準確性. 方差分析又稱“變異數分析”，它通過公式計算推導出各數據之間的差異是否顯著，并以此確定多個因素的主效應和數據之間相互的交互作用[21-23]. 以上3種因素對H影響的顯著性以及整個正交設計試驗置信度的方差分析結果如表5所示.

表5 方差分析表

表5結果表明：三個因素對時間比H的影響都不顯著，究其原因是本例試驗誤差大且誤差自由度小，使檢驗的靈敏度低，從而掩蓋了考察因素的顯著性. 由于各因素對摩擦系數影響都不顯著，故不必再進行各因素水平間的多重比較. 此時，可從表4中選擇平均數大的水平A2B1C2（菱形、分布率5.25%和用油量0.2 mL）組合為最優水平.

3 結論

為解決輪緣/軌矩角潤滑容易造成軌道污染和潤滑脂大量浪費的問題，創新性地在鋼軌軌矩角表面制備具備儲油功能的激光微織構，利用正交試驗設計方法對試驗和結果進行分析，得出以下結論：

1）在時間-摩擦系數曲線中，干態下摩擦系數始終維持在 0.35 左右，潤滑狀態下維持在 0.23左右，改變微造型形貌、分布率及潤滑脂的噴涂量時，摩擦系數的大小均未出現明顯的變化. 所以，在潤滑狀態下摩擦系數的大小只與潤滑脂的自身性能有關，與激光微造型的形貌等因素無關. 對比菱形、矩形和圓形三組形貌的試驗數據，可以清晰看到部分用油量大的試驗組，其潤滑性能并非全部優于用油量少的試驗組，這打破了傳統潤滑“噴涂潤滑介質越多，潤滑狀態保持時間越久，潤滑性能越優異”的觀點. 進一步試驗證明，激光微造型形貌的種類與分布率在輪緣潤滑過程中起著至關重要的作用，故將激光微造型技術引入到輪軌潤滑界面十分必要.

2）通過正交試驗設計出9組試驗，并根據數理統計分析得出最優的方案為 A2B1C2D1（菱形形貌、分布率5.25%和用油量0.2 mL，D為空列）. 三種水平變量（微造型形貌、分布率和噴涂油量）對輪緣潤滑性能的影響中，潤滑脂的噴涂油量與激光微造型的分布率起著主要影響因素，微造型形貌種類為次要因素. 這一結論為日后進一步開展相應課題研究提供了方向.