列車輪緣潤滑材料性能分析與應用研究

方聰聰, 丁 一, 陳 軍, 周 偉, 關煜彬, 詹勝鵬

(1. 中南大學 交通運輸工程學院 軌道交通安全教育部重點實驗室, 湖南 長沙 410075;2. 中南大學 軌道交通安全關鍵技術國際合作聯合實驗室, 湖南 長沙 410075;3. 中南大學 軌道交通列車安全保障技術國家地方聯合工程研究中心, 湖南 長沙 410075;4. 中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司 科技和信息化部, 新疆 烏魯木齊 830011;5. 武漢材料保護研究所 特種表面保護材料及應用技術國家重點實驗室, 湖北 武漢 430030)

我國鐵路線路覆蓋地形種類繁多，在一些地區不可避免的存在小半徑曲線線路. 列車在通過這些小半徑曲線時，輪對朝外軌方向橫移量增加，以產生較大的輪徑差，增加曲線通過能力[1-2]. 在輪對踏面-軌頂蠕滑力不足的條件下，需通過輪緣與軌道內側接觸產生足夠的導向力，以完成列車曲線轉彎[3-4]. 然而，由于輪緣與軌側之間的劇烈接觸摩擦，列車過小半徑曲線會產生嚴重的車輪輪緣磨耗與曲線鋼軌側磨問題[5-7]. 輪緣-軌側的磨耗會使得輪軌之間的游隙隨之增大，既影響輪軌匹配性能，對輪軌接觸的穩定性和安全性產生影響，又會導致鏇修周期縮短，每次檢修的輪對鏇修量加大，造成了大量的車輪材料浪費，嚴重縮短車輪壽命，降低了鐵路運輸的經濟性[8-13].

輪軌潤滑作為1種經濟有效的減緩磨耗手段被鐵路運營部門廣泛應用，其既能顯著降低車輪輪緣曲線鋼軌磨耗，延長輪軌服役壽命，又能減小運行阻力，節約能源[14-15]. 國內外學者對輪軌潤滑方面的試驗展開了大量的研究. Tomeoka等[16]利用雙滾軸摩擦試驗機對幾種摩擦改進劑的摩擦性能進行了比較，并開發了1種車載設備將摩擦調節劑從轉向架精確地噴灑到鋼軌頂部，結果證明在輪軌間施加具有合適的摩擦系數的摩擦調節劑對解決輪軌接觸問題非常有效. Eadie等[17]在全尺寸輪軌試驗臺上驗證了摩擦調節劑對滾動接觸疲勞和輪軌磨損發展的影響，并與接觸條件的模擬結果進行了比較，研究結果表明，摩擦調節劑同時緩解了鋼軌磨損和滾動接觸疲勞缺陷. Biazon等[18]采用雙圓盤摩擦試驗驗證了輪軌潤滑脂不同組分對輪軌材料摩擦磨損的影響，研究范圍包括2種商用軌道潤滑脂和6種自制潤滑脂，結果表明潤滑油膜厚度的增加可以降低磨損. Galas等[19]進行了考慮摩擦調節劑的輪軌材料球盤摩擦試驗，發現摩擦調節劑可將黏附系數控制在0.30~0.35內，這個范圍被稱為中間摩擦水平. Viana等[20]在正常載荷變化(40、80和120 N)下進行干燥和潤滑的銷盤試驗來模擬輪緣與軌距角接觸磨損，研究結果顯示對于潤滑試驗，無論硬度比和正常載荷如何，質量損失都顯著低于干摩擦. 國內李勝杰等[21]研究了多種潤滑材料降低輪軌摩擦系數和輪軌材料滾動接觸損傷的效果，結果證明潤滑油、潤滑脂能顯著降低摩擦系數，但存油楔效應會導致鋼軌材料試樣出現嚴重損傷. 李英姿[22]使用類石墨層狀結構的G2固體潤滑劑制成了1種新型輪軌潤滑脂，經現場運用試驗證明能有效減少車輪輪緣磨耗. 盡管國內外學者對輪軌潤滑材料開展了廣泛研究，但大部分仍集中在基礎摩擦磨損試驗下的理想試驗工況，后續開展實車試驗的研究較少，缺乏在工程應用上的分析與驗證.

為了研究輪軌潤滑材料的減摩耐磨機理與實際運用效果，本文中選定了3種輪緣潤滑棒作為研究對象. 采用UMT-2摩擦磨損試驗機進行球-盤往復試驗測定了以上潤滑材料作用下的摩擦系數. 采用表面形貌儀分析了樣本的磨損廓形幾何形狀、磨損率，評估了潤滑材料的減摩耐磨性能. 對試驗后的樣本進行電鏡掃描(SEM)和能譜(EDS)分析，揭示了潤滑材料的成分及減摩耐磨機理. 將以上性能較好的潤滑材料安裝到DF12機車上，開展了2個月的磨耗跟蹤測試，進行了應用驗證.

1 試驗準備及方法

基礎摩擦磨損試驗采用美國CETR公司的UMT-2微摩擦試驗機. 試驗機設備如圖1(a)所示. 對偶試樣和輪箍試樣依次安裝在UMT-2試驗機的上下工裝，通過閉環的伺服機械系統實現恒力模式加載，試驗過程采用往復摩擦的方式，模擬了DF12內燃機車(軸重23 t)在貨運站場中時速25 km/h工況下的車輪輪緣接觸情況，對比分析了不同潤滑條件下的輪緣磨損結果. 經過初期的貨運站現場調研與機車運行動態監測后，測得機車正常服役狀態下的輪軌垂向力與橫向力，基于此在實驗室進行考慮不同潤滑條件的摩擦磨損試驗.試驗設計參照國家標準GB/T12444-2006[23]并根據摩擦試驗機進行調整. 試樣之間設置摩擦試驗工況為載荷100 N，采用Hertz接觸理論計算得到最大接觸應力954 MPa，對應實際工況中輪軌橫向力約為30 kN時車輪輪緣-鋼軌軌側的接觸情況.

Fig. 1 Universal micro-tribotester-2：(a) real machine; (b) working principle圖1 UMT-2摩擦磨損試驗機：(a)實機；(b)工作原理

式中：σE、σL為試驗、實際最大接觸應力；m、n為外形系數，可計算或插值求得；P為接觸壓力；R11、R12為接觸體1在接觸斑處的橫縱、曲率半徑；R21、R22為接觸體2在接觸斑處的橫縱、曲率半徑；E1、E2、ν1、ν2為兩接觸體楊氏模量與泊松比.

摩擦試驗中輪箍材料試樣取自DF12內燃機車車輪輪箍[圖2(a)]，輪箍材料為LG60鐵路粗制輪箍鋼，實測硬度為270 HB，輪箍試樣化學成分列于表1中，取樣位置和試樣尺寸、公差如圖3所示，試驗前試樣表面粗糙度Ra為0.8 μm. 對偶摩擦試樣選用GCr15軸承鋼球[圖2(b)]，直徑9.525 mm，其硬度高(硬度約為190~229 HB)而均勻，耐磨性和抗接觸疲勞強度高. 試樣完成摩擦試驗后進行超聲波清洗清除表面潤滑材料，所得摩擦溝痕采用日本電子株式會社JEOL的JSM-6510LV掃描電子顯微鏡觀察形貌，日本三豐Mitutoyo SJ-410表面粗糙度測量儀測量摩擦溝痕輪廓形貌以及摩擦溝痕幾何形狀.

表1 輪箍試樣化學成分(質量分數)Table 1 Chemical compositions of wheel tire specimens

Fig. 2 The materials used for the friction and wear test:(a) wheel flange; (b) chromium steel圖2 摩擦磨損試驗材料：(a)車輪輪緣；(b)鉻鋼

Fig. 3 (a) Sampling position; (b) dimensions of wheel specimens圖3 輪緣試樣的(a)取樣位置和(b)尺寸

研究中選取3種輪緣潤滑棒進行試驗，如圖4所示.3種輪緣潤滑棒(Flange lubrication rod，FLR)中輪緣潤滑棒A不含油和其他揮發性成份，是1種利用黏結在金屬表面的干性薄膜技術保護車輪輪緣和鋼軌軌側的潤滑棒；輪緣潤滑棒B是1種內軟外硬雙層結構的潤滑棒，固體潤滑成分包含石墨和二硫化鉬，并在固體成品中包含微小孔道存儲潤滑脂，輪緣潤滑棒C是1種金屬基的石墨潤滑棒，中間有直長孔道儲存潤滑脂. 輪緣潤滑棒在現場實際應用中一般與固定涂敷裝置配合使用. 在UMT-2多功能微摩擦磨損試驗機上進行試驗開始前使用潤滑棒在試樣表面摩擦涂敷，試驗過程中每隔1 min進行1次涂附，作為潤滑材料流失后的潤滑材料補充.

Fig. 4 The lubricants used for the test：(a) flange lubrication rod A; (b) flange lubrication rod B; (c) flange lubrication rod C圖4 試驗潤滑材料：(a)輪緣潤滑棒A；(b)輪緣潤滑棒B；(c)輪緣潤滑棒C

實車試驗在某貨運站場內的DF12內燃機車上進行，進行不同潤滑材料的對比跟蹤試驗. 在現場實際勘測中，同一輪對兩側車輪出現了不同的踏面狀態，根據調研結果來看，機車運行過程中，尤其是通過小半徑曲線時，輪緣潤滑裝置失效的車輪其輪緣磨耗速率加快，磨耗量大大增加，而輪緣潤滑裝置正常的車輪，其輪緣磨耗速率相對緩慢，由此造成車輪的磨耗不均勻；此外，輪緣潤滑裝置失效還會增加輪軌間的摩擦系數，輪軌切向載荷隨之上升，損傷車輪材料. 若同一輪對兩側的輪緣潤滑裝置工作狀態不同，將導致該輪對兩側車輪的磨耗尤其是輪緣磨耗不均勻，甚至出現嚴重的車輪偏磨和踏面剝離. 因此在站場人員的配合下對輪緣潤滑裝置行了檢測，針對存在問題進行改正，重新定位潤滑角度，對彈簧彈性模量強度不足的彈簧進行檢修，輪緣潤滑棒消耗過度的進行補充，對DF12機車6個軸輪對車輪的輪緣磨耗量進行跟蹤對比，輪對編號如圖5所示.

Fig. 5 DF12 diesel locomotive：(a) front of locomotive;(b) rear the locomotive圖5 DF12內燃機車：(a)車頭；(b)車尾

2 試驗結果與討論

2.1 摩擦系數與磨損概況

兩對偶試樣界面摩擦系數曲線如圖6(a)所示，干摩擦工況下試樣質量損失為400 μg，3種輪緣潤滑棒工況下質量損失分別為250、200和250 μg，由于質量損失在萬分之一天平下不能很好的體現輪緣潤滑棒工況下潤滑效果的區別，因此再次以摩擦溝痕最大深度和摩擦行程的比值計算試樣磨損速率，摩擦溝痕幾何形狀選在試樣摩擦溝痕中心處測量3次取平均值.

Fig. 6 (a) Friction coefficient and (b) wear profiles under four test conditions圖6 4種試驗工況下的(a)摩擦系數和(b)磨損廓形

式中：vwear為磨損速率(μm/m)，hmax為摩擦溝痕最大深度(μm)，l為摩擦行程(m).

固體潤滑材料的作用原理是在輪軌接觸界面上形成1層固體潤滑薄膜，一方面減輕輪軌接觸的疲勞損傷，降低輪緣-軌側產生的磨耗，同時還能擦除在接觸界面的金屬材料磨屑，填補接觸界面的微小點蝕坑.干態摩擦工況下試樣與GCr15鋼球的界面摩擦系數在600 s后達到穩定數值0.51左右，其平均值為0.512 9，試樣磨損速率為0.240 0 μm/m. 與干態摩擦工況相比，施加固體潤滑材料的試驗需要約1 500 s可達到較穩定的數值. 在穩定階段，施加輪緣潤滑棒A工況下試樣與GCr15鋼球的摩擦系數平均值為0.354 8，試樣磨損速率為0.198 7 μm/m；施加輪緣潤滑棒B工況下試樣與GCr15鋼球的摩擦系數平均值為0.198 9，試樣磨損速率為0.171 4 μm/m；施加輪緣潤滑棒C工況下試樣與GCr15鋼球的摩擦系數為0.341 8，試樣磨損速率為0.190 8 μm/m. 與干態摩擦工況相比，施加固體潤滑材料后摩擦系數迅速降低，但是無法保持穩定狀態，在短暫降低后開始逐漸升高并接近干態摩擦工況，此時需再次添加固體潤滑材料，同時摩擦系數再次降低，如此反復，這個過程也可以視為固態潤滑材料在接觸界面充當第三介質被逐漸損耗的過程. 與干態摩擦工況的磨損廓形面積相比，3種輪軌潤滑棒的施加后試樣磨損率分別下降17.21%、28.58%和20.50%.

2.2 試樣表面磨損形貌

在干態摩擦接觸作用下，試樣表層材料受到接觸界面摩擦力并開始產生塑性變形. 隨循環應力持續往復作用，當材料的殘余應力和硬度不能夠阻止塑性變形且綜合應力達到材料屈服極限時，在材料接觸表層就會出現微小疲勞裂紋，且微小疲勞裂紋在切向力作用下沿著塑性流動方向擴張，在法向力和切向力的共同作用下進一步變形，直至從試樣表面脫落形成磨屑.在干摩擦情況下的試樣表面形貌的SEM照片如圖7所示，在50放大倍數下可以看出試樣中央有一道明顯摩擦溝痕，表面有嚴重的片狀材料剝落痕跡，并伴有大量卷起的不規則金屬磨屑，磨屑顆粒的粒徑較大，在500以上的放大倍數下可以清晰看到摩擦溝痕中出現的剝離和起皮現象，在試樣表層形成了大量的淺層剝離坑，同時在部分淺層剝離坑中已經出現了疲勞裂紋.

Fig. 7 SEM micrographs of microstructure of sample under dry friction condition圖7 干態摩擦工況下試樣微觀形貌的SEM照片

圖8 (a)所示為施加輪緣潤滑棒A工況下的試樣摩擦溝痕微觀形貌的SEM照片，可以看出添加輪緣潤滑棒A作為固體潤滑介質后，在試樣表面存在金屬層狀材料斷裂并有小片狀剝落，產生剝落的層坑中存在大量卷起的不規則微小金屬磨屑. 圖8(b)所示為施加輪緣潤滑棒B工況下的試樣摩擦溝痕微觀形貌的SEM照片，試樣表面的摩擦溝痕表面有輕微分層現象和短劃痕，損傷痕跡主要為更加細小的粉末狀顆粒及小層片狀剝落物，層片剝離分界線不明顯，磨損剝落程度輕.圖8(c)所示為施加輪緣潤滑棒C工況下的試樣摩擦溝痕微觀形貌的SEM照片，試樣磨損表面沿摩擦運動方向呈現出了分層及犁削現象，摩擦溝痕區域中心的損傷痕跡主要為粉末狀大顆粒及片狀剝落物，并沿滑動方向的切向有起皮現象，總體表現為摩擦溝痕中心損傷嚴重，兩側損傷輕.

Fig. 8 SEM micrographs of microstructure under wheel flange lubrication rod condition:(a) flange lubrication rod A; (b) flange lubrication rod B; (c) flange lubrication rod C圖8 輪緣潤滑棒工況下微觀形貌的SEM照片：(a)輪緣潤滑棒A；(b)輪緣潤滑棒B；(c)輪緣潤滑棒C

綜合2.1和2.2的試驗結果來看，3種潤滑條件中輪緣潤滑棒B工況下的減摩效果最好，A與B效果接近，在對該結果進行分析后，認為輪緣潤滑棒中的潤滑機制如下. 在固體潤滑材料作用下，有效潤滑成分顆粒會進入疲勞裂紋內部，因為固體顆粒的流動性和延展性較差，故不會出現類似潤滑脂的“油楔效應”加劇裂紋擴展，輪緣潤滑棒工況下與干態摩擦工況下的疲勞裂紋分支擴展程度大致相當，且因固體潤滑成分在試樣接觸界面形成的致密潤滑膜大大減輕了試樣的表面磨損. 所以，固體潤滑材料下磨損率降低的同時試樣疲勞損傷比干態摩擦工況下輕，減摩耐磨損性能和抗疲勞性能得到同步提升.

2.3 輪緣潤滑棒EDS分析

輪緣潤滑棒一般由潤滑成分、填充材料和粘接劑組成. 潤滑成分是輪緣潤滑棒中的主要組成，石墨(C)、二硫化鉬(MoS2)和硼化物(MgB2和ZnB2等)因其結構特征而廣泛用于固體潤滑中的潤滑成分，在部分輪緣潤滑棒中還含有油脂成分作為潤滑劑. 填充材料對于輪緣潤滑棒影響不大，主要用于增加強度和經濟性.粘結劑主要為一些熱固性樹脂(聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯等)，用于將潤滑棒成分和填料粘合成為規定形狀尺寸的輪緣潤滑棒，輔助塑形，同時增加輪緣潤滑棒的強度.

如圖9所示，本次試驗針對3種不同固體潤滑材料，對其宏觀、微觀和元素組成進行了研究分析，EDS能譜分析結果列于表2中. 輪緣潤滑棒A中Mo質量分數為37.24%，S質量分數為26.59%，C質量分數為15.31%.輪緣潤滑棒A中潤滑成分以二硫化鉬為主，石墨成分占極小一部分，其宏觀表現為堅硬而干燥，其抗磨減摩作用機理是在摩擦過程中含鉬成分在接觸面分解、反應成膜，覆蓋摩擦接觸面，起到潤滑保護作用. 輪緣潤滑棒B中石墨與有機化合物中的C質量分數達到61.90%，S、Mo等質量分數為21.30%，且其宏觀上具有包含潤滑脂等成分的微孔用于增強潤滑劑的黏附性和提高潤滑性能，石墨與二硫化鉬在摩擦過程中由基體潤滑棒中擠出并形成阻隔接觸表面的潤滑膜，當磨痕表面有形變產生后，潤滑膜層中的固體潤滑顆粒隨磨痕表面輪廓變化，繼續保持鋪展. 輪緣潤滑棒C中C質量分數為53.19%，O質量分數為30.25%，是典型的金屬基石墨潤滑棒，其中固體潤滑成分主要為石墨，并在潤滑棒中間設置1條孔道并填充潤滑脂. 石墨的潤滑機理同樣是在潤滑表面形成致密潤滑膜，但材料表面晶粒間的結合強度會因石墨成分過多而降低，從而有大量磨屑產生，這一點在后續的實車試驗中得以驗證.

表2 化學成分Table 2 Chemical compositions

Fig. 9 SEM micrographs and EDS of component analysis of wheel flange lubrication rod of A, B and C：(a~b) A; (c~d) B; (e~f) C圖9 輪緣潤滑棒A、B和C微觀形貌的SEM照片和EDS組分分析：(a~b) A；(c~d) B；(e~f) C

輪緣潤滑棒A有效潤滑成分主要為二硫化鉬，輪緣潤滑棒B有效潤滑成分主要為石墨和二硫化鉬，輪緣潤滑棒C有效潤滑成分主要為石墨. 二硫化鉬中的鉬元素在摩擦磨損過程中其本身或分解產物在接觸物體表層聚集并反應形成致密潤滑膜，石墨直接由輪緣潤滑棒基材中涂附至接觸副表面形成固體潤滑膜.結合摩擦磨損試驗結果和EDS分析結果來看，單一的二硫化鉬(MoS2)成分或石墨成分均能起到一定的減摩效果，但綜合來看二者按照一定比例混合并黏合制成的輪緣潤滑棒效果更好，在摩擦磨損過程中表現出協同潤滑的機制. 當接觸表面產生塑性變形或疲勞裂紋后，石墨-二硫化鉬成分在摩擦磨損過程中可以形成1層覆蓋接觸副表面的機械混合層，阻止接觸副的直接接觸同時因機械混合層的低剪切強度降低摩擦系數. 從宏觀結構來看，在潤滑棒中間設置孔道并添加潤滑油脂與不作任何處理相比，潤滑油脂的添加能使得固體潤滑材料更好的附著在試樣表面，增加潤滑材料的黏附性和增強機械混合潤滑膜的延展性，提高固體潤滑膜在接觸表面的覆蓋率，因此3種潤滑棒有效利用了石墨-二硫化鉬的協同潤滑效果，同時設置毛細微孔填充潤滑脂的輪緣潤滑棒B更能降低車輪輪緣和鋼軌側接觸面的摩擦系數，降低試樣表面磨損和與接觸疲勞損傷.

2.4 實車試驗結果分析

為了驗證在基礎摩擦磨損試驗中輪緣潤滑棒的減摩效果分析，選擇在某貨運站場進行了為期2個月的現場運用跟蹤對比試驗，該貨運站場作業量大，曲線多且曲線半徑小(所選列車主要運行曲線半徑為400和300 m)，選取編號為0034的DF12內燃機車上進行試驗，在輪緣磨耗嚴重的第1軸輪對更換輪緣潤滑B，其余軸輪對的輪緣潤滑裝置保持輪緣潤滑棒C，如圖10所示. 在整個試驗過程中隔天檢查輪緣潤滑裝置的固定狀態，檢查恒力彈簧狀態保持正常，并每天記錄車輪廓形幾何形狀與輪緣厚度.

Fig. 10 Vehicle installation of wheel flange lubrication rod:(a) flange lubrication rod B; (b) flange lubrication rod C圖10 輪緣潤滑棒實車安裝：(a)輪緣潤滑棒B；(b)輪緣潤滑棒C

在工作人員日檢中看到輪緣潤滑棒C在潤滑過程中產生大量的碎屑，黏附性較差，而輪緣潤滑棒B不存在該問題，且輪緣潤滑棒B具有更好的黏附效果.

據前期調研結果顯示，第1、4軸輪對的輪緣磨耗情況相近且比其余軸輪對輪緣磨耗嚴重. 因此對現場運用跟蹤對比試驗期間第1軸輪對與第4軸輪對的輪緣磨耗數據進行計算與分析，結果列于表3中. 表3中記錄了第1、4軸輪對的輪緣磨耗情況，計算了7、8月份的輪緣最大磨耗量與日均輪緣磨耗量，其中2022年7月1日~8月7日兩軸輪對均使用輪緣潤滑棒C，8月8日第1軸輪對換裝輪緣潤滑棒B.

表3 試驗結果對比Table 3 Test results comparison

圖11 所示為DF12 0034機車2022年7月1日~9月8日期間第1軸輪對與第4軸輪對輪緣磨耗量對比. 可以看到，8月8日第1軸輪對換裝試驗潤滑棒后，磨耗量下降明顯(圖12). 換裝前第1軸輪對輪緣磨耗量大于第4軸輪對，磨耗比大于1，7月份第1、4軸輪對左輪磨耗比為1.10，第1、4軸輪對右輪磨耗比為1.34. 換裝試驗碳棒后，第1軸輪對輪緣磨耗量減少明顯，甚至低于四輪磨耗量，在更換輪緣潤滑棒B的一月中，第1、4軸輪對左輪磨耗比為0.58，相較七月下降47%，第1、4軸輪對右輪磨耗比為0.62，下降53%.

Fig. 11 Comparison of flange wear of 1st and 4th axle wheelset：(a) left; (b) right圖11 第1、4軸輪對輪緣磨耗對比：(a)左側；(b)右側

Fig. 12 Change of 1st axle wheelset left wheel flange：(a) wheel profiles; (b) flange wear圖12 第1軸輪對左輪緣變化：(a)輪對廓形；(b)輪緣磨耗

3 結論

a. 干態摩擦工況下輪箍材料試樣界面摩擦系數平均值為0.512 9，施加3種輪緣潤滑棒后輪箍材料試樣界面摩擦系數有顯著降低，摩擦系數平均值分別為0.354 8、0.198 9和0.341 8，試樣表面的疲勞損傷均有不同程度減輕，其中輪緣潤滑棒B減輕接觸疲勞損傷的效果最好. 施加3種輪軌潤滑棒后試樣磨損率分別下降17.21%、28.58%和20.50%.

b. 分析評定了3種輪緣潤滑棒的潤滑劑成分，包括二硫化鉬、石墨和石墨-二硫化鉬，試驗證明其均能在摩擦副表面形成固體潤滑膜改善接觸條件. 其中輪緣潤滑棒B中的石墨與二硫化鉬協同潤滑效果性能優于單一組成，潤滑膜覆蓋率高，成膜后隨材料塑性形變的延展性強，能起到很好的減摩效果.

c. 經現場在機車1軸輪對上運用及1、4軸輪緣磨耗跟蹤對比試驗，輪緣潤滑棒B在機車上減摩潤滑效果優秀，能有效減少車輪輪緣磨耗，1軸更換輪緣潤滑棒B后1、4軸磨耗比下降50%左右.