不同輪軌材料硬度匹配行為及其機制的初步研究*

(1.五邑大學軌道交通學院 廣東江門 529020; 2.西南交通大學機械工程學院摩擦學研究所 四川成都 610031)

輪軌系統是鐵路運輸工具的關鍵零件之一，列車牽引、運行和制動都必須通過輪軌間的滾動摩擦接觸來實現[1]。隨著列車運行速度、軸質量和運量的提高，輪軌服役工況變得更為嚴酷，導致輪軌出現的破壞現象越來越嚴重?，F場輪軌的典型損傷如圖1所示。

目前，鐵道部門一般是通過定期車輪鏇修和鋼軌打磨來改善現場輪軌的服役特性, 這些技術的合理使用能一定程度地控制輪軌損傷的惡化，保證列車運行的安全和穩定，但也使得運營成本居高不下，而不能從根源上減少輪軌損傷的產生。輪軌材料的服役行為涉及冶金學、材料學、摩擦學、動力學和固體力學等多學科交叉，具有強非線性耦合特性，十分復雜。為了從根源上減輕輪軌材料的損傷，各國研究人員開展了大量關于輪軌材質和硬度匹配的相關研究。

圖1 輪軌典型損傷狀態Fig 1 Typical damage state of rail(a)wheel polygon wear；(b)wheel tread peeling；(c)rail squat damage；(d)rail side wear

美國TTCI的研究人員開展了大量的輪軌材料對磨試驗，得出鋼軌材料硬度的升高使得鋼軌磨損量顯著降低，與之對磨的車輪磨損量逐漸增大。但當鋼軌硬度增大至超過車輪硬度，繼續增大使得鋼軌的磨損量持續減小，與之對磨的車輪磨損量變化不大，整個輪軌系統的磨損量逐漸降低[2]。MARKOV[3]利用不同的磨損試驗機開展了大量的研究，發現車輪硬度的增加，會使得車輪的磨耗減輕，然而鋼軌的磨耗卻增加得并不明顯，因此輪軌系統的總磨耗有所減輕。KOMAROVSKII和ZHAROW[4]則提出并不存在某一個確定的輪軌硬度比會使得輪軌系統磨耗最小。RAZHKOVSKI等[5]則通過試驗獲取輪軌材料的磨耗和損傷數據，建立相應的數學模型，得出輪軌材料硬度比的最佳范圍(0.91～0.97)∶1，或者接近1∶1。國際鐵路聯盟根據大量的研究，將輪軌磨耗分為3種模式，并且提出當輪軌發生嚴重磨耗時，提高硬度能顯著改善其磨耗，并且指出當軌輪硬度比在(0.7～1.6)∶1變化時，并不存在一個最佳的硬度比使得輪軌系統的磨耗最輕微[6]。在日本穩定運行的新干線上車輪材料是SSW-Q3R,鋼軌材料是60 kg/m鋼軌，車輪表面硬度始終高于鋼軌軌頭硬度，比值可達(1.2～1.3)∶1[7]。

我國的鐵路研究人員也對輪軌材料硬度匹配展開了一系列研究。研究人員多集中在兩個研究單位：中國鐵道科學研究院和西南交通大學。

中國鐵道科學研究院的研究人員多是總結現場輪軌硬度匹配經驗，提出輪軌硬度匹配的優化建議。如：丁韋等人[8]從車輪和鋼軌的顯微組織及機械性能出發，總結現場輪軌硬度匹配經驗，提出車輪輪輞的實際硬度應該大于HB300。周清躍等[9]歸納分析當時輪軌硬度匹配的現狀和存在的問題，結合國內輪軌材料的使用情況，初步提出不同運輸條件下(高速、重載等)輪軌硬度匹配的建議。張銀花等[10]針對我國高速鐵路出現的車輪磨耗相對較大的問題，分析了國內外關于高速鐵路輪軌硬度匹配的研究和應用現狀，在試驗室開展了9組輪軌材料試驗，建議動車組車輪與U71MnG鋼軌的硬度比控制在1∶1以上，以解決我國高速鐵路車輪磨耗較大的問題。

西南交通大學的研究人員多是在實驗室改變車輪和鋼軌材料組織，分析不同輪軌材料匹配時的摩擦磨損行為。如：曾東方等[11]通過提高碳的質量分數和調整合金成分獲得2種新型的車輪材料，并對其進行輪軌匹配試驗，結果表明：車輪材料初始硬度的高低是決定其耐磨性的關鍵因素，隨著車輪硬度的升高，鋼軌的磨損量近似呈現線性增大的趨勢。王文健等[12]開展了不同車輪材料與不同鋼軌材料的匹配試驗，發現隨著輪軌硬度比升高，輪軌系統總磨損量先減小后增大，從降低磨損的角度出發，應該選擇輪軌硬度比為1∶1。

綜上所述，輪軌材料硬度匹配可以從現場運營經驗總結、實驗室模擬試驗、數值仿真等多個方面開展研究。在實驗室模擬試驗方面由于試驗人員、試驗環境以及試驗技術手段的差異，對輪軌材料硬度匹配的研究結論存在一定的差異，而且對于輪軌材料硬度匹配的機制幾乎沒有展開探討。本文作者在實驗室模擬不同輪軌材料的輪軌匹配行為，通過分析不同輪軌材料匹配時的磨損機制初步分析其硬度匹配的機制。

1 試驗部分

試驗是在MMS-2A微機控制摩擦磨損試驗機上進行的，根據赫茲接觸理論，若要保證實驗室中模擬輪軌試件間的摩擦接觸條件與現場中的相似，必須保證實驗室中模擬輪軌試件間的最大接觸應力和接觸橢圓斑的長短半軸之比與實際工況下是相同的。即

(q0)lab=(q0)field

(1)

(a/b)lab=(a/b)field

(2)

式中：(q0)field和(q0)lab分別是現場和實驗室輪軌間的最大接觸應力；a和b分別表示輪軌接觸斑的長短半軸長；(a/b)field和(a/b)lab分別為現場和實驗室的輪軌接觸斑長短半軸之比。

最大接觸應力q0的計算方法如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

其中車輪和鋼軌材料的彈性模量E1=E2=210 GPa;泊松比μ1=μ2=0.3;Rw1、Rw2、Rr1、Rr2是輪軌接觸點處的主曲率半徑。實驗室中模擬普速線路輪軌接觸的直線工況，查證有關資料可以得出現場Rw1=420 mm，Rw2=Rr1=300 mm，Rr2=∞。試驗室中Rw1=Rr1=40 mm，Rr2=∞，計算得出Rw2=14 mm。輪軌試樣的取樣和接觸狀態如圖2所示。輪軌接觸斑大小和接觸載荷計算值如表1所示。試驗中上試樣為鋼軌，下試樣為車輪，車輪試樣轉速為400 r/min，相對滑差為2.38%(試驗機齒輪齒數決定)，鋼軌試樣轉速為390.48 r/min，試驗時間為24 h。

圖2 輪軌試樣取樣及接觸狀態Fig 2 Sampling and contact state of wheel-rail samples(a)sampling method;(b)wheel/rail specimen size(mm)

表1 不同軸質量下的輪軌接觸斑大小和接觸載荷計算值

2 結果與分析

2.1 輪軌材料特性分析

試驗采用了5種車輪材料和4種鋼軌材料，其成分如表2所示，其中CL60、U71Mn(熱軋)、U71Mn H(淬火)、U75V(熱軋)、U75V H(淬火)均為現場已投入使用的輪軌材料，1#-4#車輪為4種新型車輪材料。第一組是3種軸質量(16、19、25 t)下CL60車輪與不同鋼軌材料的硬度匹配試驗，試驗測得輪軌材料硬度值如圖3(a)所示；第二組為4種新型車輪材料與U71Mn熱軋鋼軌材料在16 t軸質量下的硬度匹配試驗，輪軌材料硬度值如圖3(b)所示；第三組為4種新型車輪材料與U75V熱軋鋼軌材料在25 t軸質量下的硬度匹配試驗，輪軌材料硬度值如圖3(c)所示。由測量結果可知：現場已投入使用的5種輪軌材料硬度值均落在相關技術標準[13-15]范圍內，第二組和第三組試驗測得的同種新型車輪材料硬度值差別不大，硬度測量結果是處于容許誤差范圍內的。定義輪軌硬度比為車輪試樣硬度與鋼軌試樣硬度之比。為了方便后期分析討論，將不同材料的輪軌匹配組分別作了定義，具體方法是在第一組試驗中定義CL60車輪與U71Mn熱軋鋼軌的匹配組為C1，隨著輪軌硬度比增加分別定義為C2、C3、C4。以此類推，第二組則定義為U1、U2、U3、U4，第三組定義為V1、V2、V3、V4。

圖3 輪軌試樣硬度值Fig 3 Hardness of wheel/rail samples(a)matching behavior between CL60 wheel and different rail materials; (b)matching behavior between hot-rolled U71Mn rail and different wheel materials; (c)matching behavior between hot-rolled U75V rail and different wheel materials

Table 2 Chemical composition of wheel-rail materials %

同時，利用SEM觀察每種輪軌材料的組織，如圖4所示：車輪材料中先共析鐵素體以網狀結構分布在珠光體晶粒周圍，并且車輪材料含碳量越低，車輪材料組織中先共析鐵素體(組織中的陰暗相)的體積分數越小(如1#車輪和CL60車輪)，而鋼軌材料中幾乎沒有可見的先共析鐵素體(如U71Mn熱軋和U75V淬火鋼軌)。在高倍SEM下觀察其珠光體組織結構，除4#車輪和CL60車輪珠光體組織中的滲碳體相(白亮相)厚度明顯更大而導致珠光體片層間距較大，其他材料的片層間距差別不大。在珠光體組織中，其基體是鐵素體，很軟、易變形，主要是通過滲碳體片分散其中的相界面強化機制來強化。滲碳體厚度越大，越不容易發生變形，而容易脆斷。而輪軌材料的硬度往往決定于先共析鐵素體的體積分數和珠光體的片層間距，因此1#車輪和CL60車輪表現出較小的硬度，4#車輪的硬度則較大，4種鋼軌材料的硬度也較大。

圖4 不同輪軌材料顯微組織Fig 4 Microstructures of different wheel and rail materials

2.2 不同輪軌材料硬度匹配時磨損分析

磨損試驗結束后，分別測定3組試驗中輪軌試樣的磨損量，如圖5所示。

圖5 輪軌總磨損量與輪軌硬度比關系Fig 5 The relationship between wear loss and hardness ratio of wheel/rail steels(a)matching behavior between CL60 wheel and different rail materials；(b)matching behavior between hot-rolled U71Mn rail and different wheel materials；(c)matching behavior between hot-rolled U75V rail and different wheel materials

由圖5(a)可知，在輪軌硬度比由0.723～0.866變化的過程中，輪軌系統的總磨損量逐漸降低。對輪軌系統總磨損量和輪軌硬度比間的關系進行線性擬合，擬合曲線能達到很高的線性擬合度(92%以上)。而且隨著軸質量的增加，輪軌總磨損量減小的速率迅速增大(斜率由-1.039 25到-3.820 4)。因此，適當增大車輪硬度可以降低輪軌系統的磨耗，而且在重載工況下尤為明顯。同時對圖5(b)中輪軌總磨損量與輪軌硬度比的關系進行線性擬合，線性擬合度是0.891 55，擬合直線的斜率是-1.393 92，這與圖5(a)中結果是一致的，即在16 t軸質量下，輪軌總磨損量隨輪軌硬度比增大而減小。然而，此時輪軌硬度比已經有出現大于1.0的情況，根據其他研究人員的成果[12]，可以嘗試對現有數據進行二次函數擬合，擬合度為0.880 36，輪軌總磨損量最小值大約出現在輪軌硬度比為1.12的位置。對25 t軸質量下4種車輪試樣與U75V熱軋鋼軌匹配時的總磨損量進行分析。由其圖像點分布位置可知，對其數據只能進行二次函數擬合，擬合度達到0.991 31，輪軌總磨損量最小值大約出現在輪軌硬度比為0.943的位置。此時最小值對應輪軌硬度比小于1.0，即隨著輪軌硬度比增大,輪軌系統總磨損量呈現先減小后增大的趨勢。

因此，從減輕整個輪軌系統磨損的角度來說，適當增大車輪硬度是合理的，而且對于重載工況效果更為明顯。同時，從減磨的角度可以考慮將車輪硬度控制接近鋼軌硬度，即輪軌硬度比接近1.0為宜。

2.3 輪軌材料硬度匹配磨損機制分析

在磨損過程中，輪軌材料受到正應力和摩擦力的作用，開始在接觸表面僅有極少數的微凸體接觸，此時應力很大，以致超過材料的屈服極限使微凸體發生塑性變形甚至斷裂，從而產生磨屑。磨屑對磨損過程的影響主要表現在3個方面[16]：一是磨屑完全從接觸表面移去，對磨損過程不產生影響；二是磨屑在接觸表面可作為自由運動的粒子，充當三體磨料導致接觸表面產生磨粒磨損或磨屑嵌入其中一個表面導致另一個表面的磨粒磨損；三是磨屑作為不可運動的粒子保留在接觸處的一個表面或者兩個表面，導致磨屑層的形成阻礙進一步的磨損。同時由于輪軌一般是曝露在空氣中，在輪軌對磨過程中，伴隨著輪軌摩擦副表面的溫升，摩擦界面中的Fe極有可能與空氣中的氧發生反應，形成鐵的氧化物[17]?？紤]到已經開展的輪軌材料硬度匹配試驗主要從變軸質量和變輪軌硬度比的角度開展，文中主要從低軸質量和高軸質量的角度討論輪軌硬度比對輪軌材料磨損機制的影響規律。

圖6是16 t軸質量下車輪試樣的表面損傷SEM圖。在16 t軸質量下，輪軌硬度比較低時(鋼軌硬度比車輪硬度大很多)，即圖6中的C4和U1輪軌匹配組，車輪試樣摩擦表面有明顯的犁溝，這是因為鋼軌表面的硬微凸體發生塑性變形甚至斷裂，從而產生磨屑，硬質磨屑作為可自由運動粒子導致接觸表面產生磨粒磨損，磨損發生后形成細碎的磨屑則進一步加劇輪軌材料的磨粒磨損，如圖7中C4組輪軌材料磨屑形貌。隨著輪軌材料硬度比升高，車輪試樣摩擦表面犁溝的深度和長度明顯減小，在第一組中材料剝落厚度有明顯減小的趨勢，正如圖7中，由C4→C3→C2→C1磨屑厚度明顯減小。在第二組中材料剝落的厚度則有增大的趨勢(U1→U2→U3→U4)。對比圖4分析：在U1組時車輪組織中含有大量先共析鐵素體，硬質的鋼軌材料導致磨粒磨損發生；隨著車輪硬度升高，U2組與U3組輪軌材料硬度接近則發生材料疲勞剝落，U4組中車輪先共析鐵素體相明顯減少，滲碳體片厚度明顯增大，車輪材料發生嚴重的疲勞剝落，這是需要避免的。因此，在輪軌硬度比較低時，輪軌之間磨損機制以磨粒磨損為主，隨著輪軌硬度比升高，輪軌間磨粒磨損顯著減輕，疲勞磨損加重。

圖6 16 t軸質量下車輪試樣表面損傷Fig 6 Surface damage of wheel samples under the axle load of 16 t(a)matching behavior between CL60 wheel and different rail materials;(b)matching behavior between hot-rolled U71Mn rail and different wheel materials

圖7 16 t軸質量下不同鋼軌組的磨屑Fig 7 Morphology of wear debris from different rail groups under the axle load of 16 t

圖8是25 t軸重下車輪試樣的表面損傷SEM圖。在25 t軸質量下，此時輪軌間的正應力和摩擦力都很大，相較于16 t軸質量下，輪軌試樣發生了更為嚴重的表面損傷，但輪軌試樣摩擦表面均沒有明顯的犁溝現象。在輪軌材料硬度比較低時，C1車輪試樣有明顯的深剝落坑，V1車輪試樣表面則有厚剝落掉塊，剝落面積較大。隨著輪軌硬度比升高，車輪試樣表面材料剝落厚度減小，剝落面積呈現明顯的增大趨勢。同時，觀察25 t軸質量下第一組輪軌材料磨屑形貌可知(如圖9所示)：在輪軌硬度比較低時(C4組)，磨屑呈球狀，較為細碎，由于此時輪軌之間摩擦力較大，磨屑形成以后會被迅速移去而不造成嚴重的磨粒磨損；隨著輪軌硬度比升高，磨屑形貌逐漸變成塊狀，最后變成片狀，疲勞剝落越來越輕微。因此，在輪軌硬度比較低時，輪軌之間磨損機制以深層剝落磨損為主，隨著輪軌硬度比升高，輪軌間轉變為淺層剝落磨損。

圖8 25 t軸質量下車輪試樣表面損傷Fig 8 Surface damage of wheel samples under the axle load of 25 t (a)matching behavior between CL60 wheel and different rail materials; (b)matching behavior between hot-rolled U75V rail and different wheel materials

圖9 25 t軸質量下不同鋼軌組的磨屑形貌Fig 9 Morphology of wear debris from different rail groups under the axle load of 25 t

鋼的磨損機制除了有疲勞磨損、黏著磨損和磨粒磨損，另外還有一種很重要的磨損機制就是氧化磨損[18]。在完成的對磨試驗后，采用如圖10所示的能譜分析方法，測定車輪試樣損傷表面的完全剝落區域(圖譜1)和未完全剝落區域(圖譜2)。對現有車輪磨痕表面進行能譜分析，結果表明：氧化伴隨整個輪軌對磨過程，在輪軌硬度比較低時，磨痕表面幾乎沒有明顯的氧化；隨著輪軌硬度比升高，磨痕表面氧化的程度越來越重，尤其是圖譜2位置(如圖10中所示)。關于鋼的氧化磨損，多數學者的看法是：當載荷和溫度均較低時，并且在亞表層材料塑性變形較輕微時，材料表面形成的氧化層能夠降低材料的磨耗，此時表現為氧化輕微磨損；另一方面，在高載荷和高溫條件下，材料亞表層塑性變形顯著加重，材料表面氧化層的生成速度遠小于其剝落速度，表現為氧化嚴重磨損[19-20]。一般情況下，如果摩擦表面存在一定量的氧化物能夠減少摩擦副之間的直接接觸，降低摩擦副的磨損[19]，對于輪軌在干態下的氧化均是輕微的，有利于減輕磨損。

由以上輪軌試樣摩擦表面的損傷分析可知：在所有輪軌試樣摩擦表面均發生了一定的材料剝落和表面氧化，即疲勞磨損和氧化磨損伴隨整個輪軌對磨過程。當鋼軌硬度遠大于車輪材料硬度時，鋼軌表面的硬微凸體以及形成的硬質磨屑容易造成車輪材料的磨粒磨損，應力集中使得亞表層微裂紋形成概率增大，微裂紋形成后迅速擴展造成材料剝落，發生嚴重磨損，即發生嚴重的磨粒磨損和疲勞磨損；隨著輪軌硬度比的升高，輪軌間磨粒磨損顯著減輕，疲勞磨損加重，輪軌間的氧化也明顯加重(仍然屬于輕微氧化)，因此其磨損顯著減輕。

圖10 車輪試樣表面EDS分析Fig 10 EDS analysis of the wear surface of wheel materials

3 結論與展望

從模擬試驗的角度分析了部分輪軌材料的硬度匹配機制，發現合理的輪軌材料硬度匹配能夠顯著改善輪軌的接觸環境，從而提高高速重載鐵路的運營安全。研究結果表明：

(1)適當增大車輪硬度能夠顯著改善輪軌磨耗，而且對于重載工況，效果更為明顯，建議控制車輪硬度使之接近鋼軌硬度。

(2)在車輪材料硬度遠低于鋼軌硬度時，輪軌材料間磨粒磨損較為嚴重，隨著輪軌硬度比升高，疲勞磨損和氧化磨損貢獻增大，輪軌材料的耐磨性顯著提高。

為進一步完善輪軌材料硬度匹配理論，更好地指導現場輪軌材料匹配，還需從以下幾個方面開展研究：

(1)輪軌材料硬度匹配的機制目前尚不完全明確，應開展更加廣泛的輪軌材料匹配試驗，如考慮不同工況(高速、重載、沖角等)，輔助更加豐富的測試分析手段，如各種摩擦化學分析(掃描電鏡SEM、能譜(EDS、EPMA)和元素成分及化學狀態(XRD、XPS)分析等)，重點關注輪軌材料耐損傷性能與其摩擦學機制的關系。

(2)盡管各國學者從模擬試驗的角度針對輪軌接觸行為展開了大量研究，但仍然無法完整描述現場的輪軌接觸狀態，因此借助于輪軌關系接觸理論方法來研究輪軌材料的硬度匹配行為是一種重要的手段。

(3)輪軌材料硬度匹配機制的研究目的是為了更好地指導鐵路現場輪軌材料的選擇。在輪軌材料匹配試驗的同時，應該持續跟蹤鐵路現場輪軌材料的服役狀態，探究降低鋼軌硬度和提高車輪硬度的可能性。從經濟效益角度完善輪軌材料的匹配機制，降低車輪璇修和鋼軌打磨成本。

(4)綜合考慮輪軌材料硬度匹配機制和現場相關因素，提出較為完整的理論、技術和標準體系，探索開發新的驗證方法和設備，指導鐵路現場輪軌材料的選擇。