時(shí)速250 km等級(jí)動(dòng)車組自主化車輪的耐磨性能試驗(yàn)研究

張關(guān)震，任瑞銘，叢　韜，張　弘，付秀琴

(1.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連　116028；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京　100081)

車輪是鐵路機(jī)車車輛的重要走行部件，其服役性能受到高度關(guān)注。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)鐵路高速、重載技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)鐵路車輪的整體技術(shù)水平已經(jīng)有了顯著提升，在車輪材料、生產(chǎn)工藝和綜合性能評(píng)價(jià)等方面的研究均取得了長(zhǎng)足進(jìn)步[1-2]。高速動(dòng)車組車輪是中國(guó)鐵路近年來(lái)大力推進(jìn)的研發(fā)項(xiàng)目，現(xiàn)已開發(fā)出時(shí)速250和350 km等級(jí)的高速動(dòng)車組自主化車輪，并正在開展小批量的運(yùn)用考核研究。伴隨著“走出去”和“一帶一路”國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，高速動(dòng)車組車輪的成功研制為中國(guó)鐵路高端車輪的自主化創(chuàng)新奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)促進(jìn)輪軸關(guān)鍵零部件產(chǎn)業(yè)發(fā)展、保障列車高效運(yùn)營(yíng)具有積極意義。

車輪的耐磨性是衡量車輪服役性能優(yōu)良的重要指標(biāo)之一[3]，本文以時(shí)速250 km等級(jí)的高速動(dòng)車組自主化車輪(牌號(hào)為D1)為研究對(duì)象，對(duì)其材料的磨損性能進(jìn)行研究，探討磨損機(jī)理；通過實(shí)物車輪的運(yùn)用考核，對(duì)其運(yùn)用中的磨損情況進(jìn)行跟蹤測(cè)量，并與相同運(yùn)用條件下的國(guó)外進(jìn)口車輪(牌號(hào)為ER8)進(jìn)行對(duì)比分析，旨在為充實(shí)和完善高速動(dòng)車組自主化車輪的服役性能評(píng)價(jià)體系提供數(shù)據(jù)支撐。

1　試驗(yàn)內(nèi)容及方法

1.1　試樣的制備及磨損量的測(cè)試

磨損試驗(yàn)中，車輪試樣取自車輪的輪輞部分，包括自主化D1車輪試樣和進(jìn)口ER8車輪試樣，兩車輪試樣的試驗(yàn)數(shù)量均為3個(gè)，從成品車輪踏面下10 mm處切?。讳撥壴嚇尤∽愿咚勹F路常用的U71MnG鋼軌，從成品鋼軌踏面下5 mm處切取，數(shù)量為6個(gè)，其中3個(gè)試樣與自主化D1車輪試樣組成摩擦副，另外3個(gè)試樣與進(jìn)口ER8車輪試樣組成摩擦副。車輪和鋼軌試樣的取樣位置分別如圖1和圖2所示，試樣的尺寸和形貌如圖3所示。

車輪和鋼軌試樣磨損面粗糙度的測(cè)試采用TR200粗糙度儀，測(cè)試結(jié)果見表1。

耐磨性能試驗(yàn)在Amsler磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，磨損試驗(yàn)的示意圖如圖4所示。

圖2　鋼軌試樣取樣位置示意圖(單位：mm)

試驗(yàn)中車輪和鋼軌試樣的轉(zhuǎn)速分別為200和180 r·min-1，滑差率為10%，磨損試驗(yàn)法向力為500 N。試樣的耐磨性通過其磨損后的失重量(取3個(gè)試樣磨損后失重量的平均值)衡量，且自主化D1車輪試樣耐磨性的優(yōu)劣通過與進(jìn)口ER8車輪試樣磨損失重量(簡(jiǎn)稱磨損量)的對(duì)比進(jìn)行評(píng)價(jià)，即為自主化D1車輪試樣的相對(duì)耐磨性。

圖3　車輪和鋼軌試樣的尺寸及形貌

表1　自主化D1車輪和進(jìn)口ER8車輪及U71MnG鋼軌的試樣試驗(yàn)面粗糙度的測(cè)試結(jié)果 μm

圖4　磨損試驗(yàn)示意圖(單位：mm)

車輪每磨損2萬(wàn)轉(zhuǎn)，對(duì)其進(jìn)行1次清洗稱重，磨損至20萬(wàn)轉(zhuǎn)時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。清洗試樣采用KQ-250TDV型數(shù)控高頻超聲波清洗儀，以去除摩擦副表面的油污和磨損碎屑。稱重試樣采用精度為0.1 mg的FA1004型電子天平。試驗(yàn)后車輪試樣磨損表面的微觀形貌分別采用LeicaDMI5000M型金相顯微鏡和Quanta 400掃描電子顯微鏡觀察。

1.2　實(shí)體車輪磨損量的測(cè)試

將自主化D1車輪裝配在太原南至永濟(jì)北區(qū)間往返運(yùn)行的動(dòng)車組上，開展運(yùn)用考核。為進(jìn)行比較分析，該動(dòng)車組半列裝配自主化D1車輪，半列裝配進(jìn)口ER8車輪。采用WS2005-1型踏面外形測(cè)量?jī)x對(duì)車輪每運(yùn)行5萬(wàn)km后的磨損情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，目前已累計(jì)記錄了20萬(wàn)km的磨損數(shù)據(jù)。通過計(jì)算車輪踏面廓形實(shí)測(cè)線與基準(zhǔn)線滾動(dòng)圓中心位置縱坐標(biāo)的差值，衡量車輪實(shí)際的磨損量，計(jì)算車輪實(shí)際磨損量的示意圖如圖5所示。

不同車輪的化學(xué)成分、主要性能和踏面粗糙度的測(cè)試結(jié)果分別見表2、表3和表4。

表2　自主化D1車輪和進(jìn)口ER8車輪的化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　%

表3　自主化D1車輪和進(jìn)口ER8車輪的主要性能測(cè)試結(jié)果

圖5　車輪磨損量測(cè)試示意圖

表4　自主化D1車輪和進(jìn)口ER8車輪踏面粗糙度測(cè)試結(jié)果 μm

2　試驗(yàn)結(jié)果的分析及討論

2.1　車輪試樣磨損量的測(cè)試

車輪試樣每旋轉(zhuǎn)2萬(wàn)轉(zhuǎn)時(shí)的磨損量如圖6所示。從圖6可以看出：在8萬(wàn)轉(zhuǎn)之前，自主化D1和進(jìn)口ER8車輪試樣的磨損量無(wú)顯著差別，曲線近乎重合；在8萬(wàn)轉(zhuǎn)之后，兩車輪試樣的磨損量逐漸增加，曲線的差別逐漸顯現(xiàn)，進(jìn)口ER8車輪試樣的曲線更為陡峭，曲線的斜率較大，而自主化D1車輪試樣的磨損曲線相對(duì)平緩，曲線的斜率較小。

第二，要讓企業(yè)審計(jì)人員積極學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)方面的知識(shí)和操作技能，學(xué)會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)途徑獲得更多的信息和數(shù)據(jù)分析辦法，從而提高自己的分析能力。

車輪試樣磨損失重率(每萬(wàn)轉(zhuǎn)的磨損量)如圖7所示。從圖7可以看出：車輪試樣的磨損過程分為2個(gè)階段，即磨損初期磨損失重率逐漸增加的跑合階段(8萬(wàn)轉(zhuǎn)之前)和磨損失重率趨向平緩的穩(wěn)定磨損階段(8萬(wàn)～20萬(wàn)轉(zhuǎn))；在磨損初期，摩擦副中兩試樣的接觸表面開始由光滑狀態(tài)向粗糙狀態(tài)轉(zhuǎn)變，表面質(zhì)量明顯下降，接觸間隙顯著增大，試樣的磨損失重率不斷增加；隨著磨損試驗(yàn)的進(jìn)行，摩擦副中兩試樣接觸面的表面狀態(tài)逐漸穩(wěn)定，磨損失重率不再增長(zhǎng)而是趨向平緩，試樣逐漸進(jìn)入到穩(wěn)定磨損階段。

圖6　不同車輪試樣的磨損量曲線

圖7　不同車輪試樣的磨損失重率曲線

經(jīng)過20萬(wàn)轉(zhuǎn)的磨損試驗(yàn)后，自主化D1車輪試樣的磨損失重量穩(wěn)定在1.85 g左右，與進(jìn)口ER8車輪試樣2.02 g的磨損失重量相比，自主化D1車輪試樣的相對(duì)耐磨性約為1.09，表明其耐磨性更為優(yōu)異。通常認(rèn)為金屬材料的耐磨性與H/E(其中H為材料硬度，E為彈性模量)成比例[4-5]，車輪鋼材料的E值一般在200 GPa左右，因此對(duì)于D1和ER8這2種車輪的材料來(lái)說，材料的耐磨損性能主要與其硬度有關(guān)。一般情況下材料的硬度越高，其抗磨性能越強(qiáng)。D1和ER8兩車輪試樣的相對(duì)耐磨性和硬度的對(duì)比結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出：較進(jìn)口ER8車輪試樣，硬度相對(duì)更高的自主化D1車輪試樣具有更為良好的耐磨性。

經(jīng)過20萬(wàn)轉(zhuǎn)磨損試驗(yàn)后，D1和ER8兩車輪試樣磨損表面的顯微組織如圖9所示。從圖9可以看出：兩車輪試樣的表層均可觀察到明顯的塑性變形特征，D1和ER8兩車輪試樣的表面塑性變形層平均深度分別約為20和30 μm；兩者相比較，進(jìn)口ER8車輪試樣表面的塑性變形程度更為嚴(yán)重，這一結(jié)果與兩車輪試樣的硬度和相對(duì)耐磨性有著較好的對(duì)應(yīng)性，即自主化D1車輪較高的硬度使其具有更好的耐磨性和抵抗塑性變形的能力。

圖8　自主化D1和進(jìn)口ER8車輪試樣硬度及相對(duì)耐磨性

圖9　不同車輪試樣磨損表面的顯微組織(×1 000倍)

經(jīng)過20萬(wàn)轉(zhuǎn)磨損試驗(yàn)后，D1和ER8兩車輪試樣磨損表面的掃描電鏡形貌如圖10所示。從圖10可以看出：兩車輪試樣的磨損形貌主要以塑性變形和裂紋擴(kuò)展為主，呈現(xiàn)出典型疲勞磨損的形貌特征；這主要是由于磨損過程中，摩擦副接觸表面承受了交變應(yīng)力(法向加載的壓應(yīng)力和滑動(dòng)方向的剪切應(yīng)力)的作用[6-7]，使接觸面局部微區(qū)發(fā)生塑性變形，當(dāng)塑性變形累積到一定程度超過材料的塑變極限后就會(huì)誘發(fā)疲勞裂紋，隨著磨損試驗(yàn)的進(jìn)行，在交變應(yīng)力的持續(xù)作用下，裂紋不斷擴(kuò)展并最終發(fā)展為剝離坑，且剝離掉塊在后續(xù)的磨損過程中逐漸研磨變細(xì)成為磨粒，又會(huì)產(chǎn)生磨粒磨損，使試樣表面形成深淺不一、寬窄不等的犁溝特征，因此，車輪試樣的磨損機(jī)理主要以疲勞磨損為主，同時(shí)伴有磨粒磨損的特征；進(jìn)口ER8車輪試樣的剝離程度相對(duì)嚴(yán)重，自主化D1車輪試樣的剝離程度相對(duì)較輕，這也與兩車輪試樣的磨損失重量有著較好的對(duì)應(yīng)性；結(jié)合以上的分析結(jié)果，兩車輪的磨損實(shí)際上是通過接觸疲勞實(shí)現(xiàn)的，因此可以通過磨損量量化剝離掉塊的多少。

圖10　不同車輪試樣磨損表面的掃描電鏡形貌

2.2　實(shí)體車輪磨損量的測(cè)試

安裝在動(dòng)車組上的自主化D1車輪的典型踏面廓形如圖11所示。從圖11可以看出：隨著運(yùn)行里程的增加，車輪的磨損量在逐漸增加。

圖11　典型車輪磨損情況的示意圖

表5自主化D1車輪和進(jìn)口ER8車輪的磨損量和平均磨損量

mm

根據(jù)表5中不同車輪每萬(wàn)km的平均磨損量繪制磨損曲線，結(jié)果如圖12所示。從圖12可以看出：在運(yùn)行達(dá)到10萬(wàn)km的過程中，車輪每萬(wàn)km的磨損量增長(zhǎng)明顯，曲線陡峭，斜率較大，且自主化D1車輪每萬(wàn)km的磨損量略高于進(jìn)口ER8車輪，這與車輪踏面的狀態(tài)有關(guān)，因?yàn)檫\(yùn)行初期車輪踏面較新，與鋼軌正處于磨合階段，該階段車輪的磨損明顯且磨損量存在波動(dòng)。隨著運(yùn)行里程增加，至10萬(wàn)km后，車輪每萬(wàn)km的磨損量呈減小趨勢(shì)，曲線變得相對(duì)平緩，斜率較小，輪軌之間的磨損趨向穩(wěn)定，這一趨勢(shì)與小試樣磨損試驗(yàn)中磨損過程出現(xiàn)的2個(gè)階段和磨損失重率曲線的變化規(guī)律有著較好的對(duì)應(yīng)性；運(yùn)行到20萬(wàn)km時(shí)，自主化D1車輪每萬(wàn)km的平均磨損量為0.041 mm，優(yōu)于進(jìn)口ER8車輪(其每萬(wàn)km磨損量為0.043 mm)，兩車輪的實(shí)際耐磨性也與小試樣的磨損試驗(yàn)結(jié)果相吻合。因此自主化D1車輪的耐磨性能更為優(yōu)異。

圖12　自主化D1和進(jìn)口ER8車輪每萬(wàn)km磨損量曲線

3　結(jié)　論

(1) 車輪試樣的磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過20萬(wàn)轉(zhuǎn)的磨損試驗(yàn)后，自主化D1車輪的相對(duì)耐磨性能約為進(jìn)口ER8車輪的1.09倍；車輪的磨損機(jī)制主要為疲勞磨損，同時(shí)伴有磨粒磨損的特征。

(2) 車輪的實(shí)際服役考核結(jié)果表明，車輪運(yùn)行里程達(dá)到10萬(wàn)km后，隨著運(yùn)行里程的增加，車輪每萬(wàn)km的平均磨損量逐漸減小，當(dāng)運(yùn)行里程達(dá)到20萬(wàn)km時(shí)，自主化D1車輪每萬(wàn)km的平均磨損量為0.041 mm，低于進(jìn)口ER8車輪，表明自主化車輪的耐磨性能較進(jìn)口車輪更為優(yōu)異。

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