轉向架關鍵部件螺紋連接界面微動磨損行為研究

吳向陽，張志毅，田仁勇，李亞南，胡華民，劉建華*,

轉向架關鍵部件螺紋連接界面微動磨損行為研究

吳向陽1,2，張志毅1,3，田仁勇1，李亞南1，胡華民1，劉建華*,1

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.山東大學 材料科學與工程學院，山東 濟南 250100；3.西南交通大學 摩擦學研究所，四川 成都 610031）

螺紋連接的可靠性對機車車輛的安全運行至關重要，而界面的微動行為（微動磨損和微觀滑移）是螺紋連接失效的重要原因之一。首先選取某高速列車轉向架關鍵部件螺紋連接材料制成直徑為10 mm的球試樣和10×10×20 mm的平面試驗，然后進行球/平面模型的切向微動磨損試驗，考察法向載荷、位移幅值和循環次數對材料損傷的影響規律，最后利用掃描電子顯微鏡和三維白光干涉形貌儀對平面試驗進行損傷形貌分，揭示其磨損機制。試驗結果表明：隨著法向載荷的增加，界面摩擦系數減小，磨損程度減輕；隨著位移幅值的增加，界面摩擦系數增大，磨損加??；隨著循環次數的增加，磨損寬度和深度增大，磨損越為嚴重；表面主要的磨損機制為疲勞磨損和磨粒磨損。

螺紋連接；微動磨損；摩擦系數；微觀形貌

微動是指機械構件在機械振動、疲勞載荷、電磁振動或熱循環等交變載荷作用下發生微小幅度的相對運動，是摩擦學領域的一種特殊現象[1]。磨損是指在機械部件在相對運動過程中接觸表面的物質不斷發生損耗的過程[2]。在實際工程中，各種工業裝備設施中由于微動磨損造成的損耗較大，嚴重影響了裝備的使用壽命。鄭健峰等[3]對LZ50車軸鋼的微動磨損行為進行研究，建立了LZ50車軸鋼的運行工況微動圖，為列車的安全運行提供了重要的理論依據。孫洪雨等[4]研究了不同環境溫度下的制動閘片和制動盤的微動磨損試驗，得到不同溫度下制動材料的磨損機理，為解決列車制動失效提供重要理論基礎。為了減少微動磨損，國內外研究人員進行了多方面的探索[5-14]。蔡振兵等[5]研究了鋼/鋼扭動微動磨損氧化行為，研究結果表明摩擦氧化在扭動微動接觸界面不僅增加了界面滑移，而且產生的氧化磨屑不易排出接觸區，有利于減少磨損。國內外學者開展了關于微動磨損影響因素的研究，如載荷[6]、化學元素[7]、水介質[8]、硬度[9]等。王達[12]、Liu等[13]開展了電接觸下界面的微動磨損研究，解釋了電流對微動磨損的影響規律。任萬濱等[15]對材料表面鍍層、微動幅值、接觸壓力、循環次數及接觸表面形貌等因素對微動磨損的影響進行研究。研究結果表明，通過對接觸表面進行熱處理可以改善微動磨損現象[16]。此外，航空航天工業所需的新型復合材料通過濕噴丸技術處理，可以強化接觸表面抗微動磨損性能[17]。

本文結合某高速列車轉向架制動吊座部分，對制動吊座螺紋接觸界面的微動磨損行為進行研究。根據轉向架螺紋連接的載荷譜，選取不同法向載荷、位移幅值和循環周次進行微動磨損試驗，分析材料的損傷行為。試驗結果對轉向架關鍵部位螺栓連接的可靠性具有一定的指導意義。

1 試驗方法

試驗是在PLINT微動磨損試驗機上進行，試驗機的加載位移范圍為10 mm、法向加載載荷范圍為1 kN。微動磨損試驗加載模型如圖1所示，平面試樣固定在試樣夾具上，對磨球試樣安裝在對磨副夾具中，其中：為法向加載力，由手輪驅動滑塊向下移動導致彈簧壓縮實現，為球試樣往復運動方向，由試驗機壓電陶瓷裝置驅動。安裝過程為：首先固定平面試樣，然后對球試樣施加法向力，并使其沿垂直于法線方向進行往復運動。

圖1 試驗加載模型

為了研究試驗參數對螺紋連接微動損傷的影響，采用以下試驗條件和步驟：

（1）試驗取樣：對制動吊座螺紋孔和定位臂座T型槽材料進行取樣，并將其加工成10×10×20 mm的平面試樣，用于微動磨損試驗。

（2）制備對磨試樣：根據ISO 4104，選取某型轉向架制動吊座所用螺栓材料40Cr，加工成直徑為10 mm的球試樣。

（3）確定試驗參數：根據螺紋連接受載工況，通過有限元計算確定試驗參數（表1）。

（4）微動磨損試驗：試驗前對試樣進行研磨、拋光，用酒精清洗吹干，干燥箱保存；然后設置試驗參數進行試驗；試驗結束后使用酒精清洗磨損試樣吹干，干燥箱保存試樣。

（5）微觀形貌分析：采用白光干涉儀（德國Bruker Contour GT）對磨痕的二維形貌進行觀察；并使用掃描電子顯微鏡（SEM，日本電子JSM-6610）分析磨痕形貌。

2 試驗結果

2.1 法向載荷的影響

如圖2所示，法向載荷為5 N、10 N、20 N時，試樣磨痕寬度分別為664.8 μm、612.7 μm、478.9 μm，可以看出，隨著載荷的增加，磨損寬度逐漸變小。此外，還可以明顯觀察到磨損區域均存在明顯得犁溝現象和剝落現象，說明在位移為45 μm時，球試樣和平面試樣得主要磨損機制為磨粒磨損和疲勞磨損。

表1 試驗參數表

圖2 不同法向載荷下試樣表面SEM形貌（Ad＝45 mm、N＝10000）

如圖3所示，法向載荷為5 N、10 N、20 N時，試樣磨痕深度分別為1.88 μm、2.64 μm和3.78 μm，可以看出，隨著載荷的增加，磨損深度逐漸增加。

圖3 不同法向載荷下試樣表面損傷二維輪廓

從圖4可以看出，在試驗開始階段，摩擦系數迅速升高并到達峰值；隨著循環次數的增加，摩擦系數略微減小，然后處于穩定階段。當法向載荷為5 N時，由于磨損較為嚴重，摩擦系數最大值與最小值之差最大；當法向載荷為20 N時，摩擦系數最大值與最小值之差為0.07，波動范圍最小。此外，隨著法向載荷的增加，摩擦系數減小。

圖4 不同法向載荷下摩擦系數變化曲線

2.2 位移幅值的影響

如圖5所示，微動位移幅值為15 μm、30 μm和45 μm時，磨損寬度分別為216.9 μm、476.1 μm和600.0 μm，可以看出，隨著位移幅值的增加，損傷區寬度明顯增加。此外，從圖5（a）中可以看出，表面存在明顯犁溝現象，所以微動位移為15 μm時，主要磨損機制為磨粒磨損。從圖5（b）和圖5（c）可以看出，接觸區域出現明顯的犁溝和剝落現象，所以當微動位移為30 μm和45 μm時，主要的磨損機制為磨粒磨損和疲勞磨損。因此，當微動位移變大時，接觸區域的磨損機制由磨粒磨損變為磨粒磨損和疲勞磨損，加大了磨損程度。

圖5 不同位移幅值下試樣表面SEM形貌（Fn＝10N、N＝10000）

如圖6所示，微動位移幅值為15 μm、30 μm和45 μm時，磨損深度分別為0.96 μm、1.77 μm和2.64 μm，可以看出，隨著位移幅值的增加，磨損深度明顯增加。如圖7所示，當位移幅值為15 μm時，試驗初始階段摩擦系數迅速上升，因為接觸區磨損較輕微，試驗后期摩擦系數變化很??；當位移幅值為45 μm時，摩擦系數在試驗初始階段迅速上升，然后逐漸降低，最終趨于平穩，其最大值與最小值之間的差值較大。此外，隨著位移幅值的增大，摩擦系數增大。

圖6 不同位移幅值試樣表面損傷二維輪廓

2.3 循環次數的影響

從圖8和圖9可以看出，循環次數為2000、5000和10000時，損傷區寬度分別為301.4 μm、483.1 μm和612.7 μm；磨損深度分別為隨著微動循環次數的增加，損傷區寬度不斷增加，同時磨損深度增加。

圖7 不同位移幅值下摩擦系數變化曲線

圖8 不同循環次數下試樣表面損傷二維輪廓

圖9 不同循環次數下試樣表面SEM形貌（Fn＝10 N、Ad＝45 mm）

3 結論

采用球/平面接觸模型，通過對螺紋連接接觸界面進行切向微動磨損試驗，分別改變法向載荷、位移幅值和循環次數，結合損傷形貌分析，研究以上參數對接觸界面微動損傷的影響，獲得的主要結論如下：

（1）隨著法向載荷增加，接觸區磨損寬度明顯減小，磨損深度略微增大，磨損程度減輕；接觸界面摩擦系數減小，且趨于穩定。且接觸區域的磨損機制主要為磨粒磨損和疲勞磨損。

（2）隨著位移幅值的增加，接觸區的磨損機制由磨粒磨損變成磨粒磨損和疲勞磨損，接觸區磨損寬度和深度明顯增加；接觸界面摩擦系數增大，且波動范圍增大。

（3）隨著循環次數的增加，接觸區磨損寬度和深度增大，磨損越為嚴重。

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Fretting Wear Behaviour of the Interface of Bogies’Key Bolted Joints

WU Xiangyang1,2，ZHANG Zhiyi1,3，TIAN Renyong1，LI Ya’nan1，HU Huamin1，LIU Jianhua1

( 1.CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111, China;2.School of Materials Science & Engineering, Shandong University, Ji'nan 250100, China; 3.Tribology Research Institute, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The reliability of bolted joints is very important for the safe operation of locomotives and vehicles. A leading cause of the failure of fastener joints is fretting behaviour (fretting wear and micro-slip) of the interface. This paper analyses the fretting wear behavior of the bolted joints on the key components of a high-speed train bogie. Tangential fretting wear tests were performed with both plane model and spherical model. The effects of normal load, displacement amplitude and loading cycles on the damage of the material were being investigated. The results show that the coefficient of friction and the degree of fretting wear decreases with the increasing normal loading, and intensifies while displacement amplitude increases. With the increase of the loading cycles, width and depth of the damaged area increase, and more serious damage occurs. The main wear mechanisms are fatigue wear and abrasive wear.

bolted joint；fretting wear；friction coefficient；micro-morphology

TH117.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.04.007

1006－0316 (2020) 04－0039－05

2019－08－26

國家自然科學基金青年基金（51705434）；四川省重點研發項目（2019YFG0290）

吳向陽（1983－），男，江蘇連云港人，碩士，主要研究方向為轉向架焊接自動化與工藝仿真。

劉建華（1987－），男，四川成都人，博士，主要研究方向為機械連接設計，jianhua-liu@swjtu.edu.cn。