一种轮轨材料滚动接触磨损试验方法

技术领域

本发明属于测试技术领域，具体涉及一种测定轮轨材料表面磨损的试验方法。

背景技术

磨损是两个物体表面相接触并作相对运动时，材料自该表面逐渐损失以致表面损伤的现象。磨损是制约铁路轮轨使用寿命最重要的伤损形式。列车运行时，轮轨界面间同时存在相对滚动和微小的滑动(称为蠕滑)。轮轨间的相对滚滑运动和摩擦接触是产生磨损的直接原因。而在不同的轴重、速度以及曲线半径条件下，轮轨间的接触应力和蠕滑率有很大差异；因而实际列车运行时，轮轨间的磨损现象是复杂、多变的。

针对轮轨材料的磨损特性，国内外也开展了大量的试验和仿真研究。采用现场试验和全尺寸轮轨试验台的试验成本高、周期长，且很难控制影响变量。而数值仿真手段虽然能够揭示不同工况下的轮轨磨损规律，但难以模拟复杂的接触条件和磨损演化过程。因而开发一种能够模拟轮轨接触工况、控制试验成本并易于观察磨损表面的小比例磨损试验方法具有重要意义。

现行的《金属材料磨损试验方法试环-试块滑动磨损试验》(GB/T12444-2006)中规定将测试的样品分别加工成规定形状和尺寸的圆环形磨损试样(“试环”)和块形磨损试样(“试块”)，然后将试块与规定转速的试环相接触，并承受一定试验力，经规定转数后，用磨痕宽度计算试块的体积磨损(磨损试验后试样失去的体积)，用称重法测定试环的质量磨损(磨损试验后试样失去的质量)。该试验方法中，“试环-试块”接触的磨损形式为纯滑动工况，不能模拟铁路车轮与钢轨相接触时的滚滑结合的接触形式。

已作废的《金属磨损试验方法MM型磨损试验》(GB/T 12444.1-1990)规定了测定滚动、滑动复合摩损的方法：将两个测试样品都分别加工成规定形状和尺寸的圆环形试样，将两个环状试样上下固定在试验机,均匀接触；上下试样通过轴带动而转动，下试样轴转速为(400±10)r/min或(200±10)r/min，上试样相应的轴转速为360r/min或180r/min。该试验方法在实际操作中存在的主要问题是：1.滑差率(下试样滚动速度与上试样滚动速度之差，与下试样滚动速度之比的百分率)和转速设置不匹配。该方法中固定滑差为10％，转速仅有高、低两档；在这一参数设置下，试样的滚滑接触条件受限，不能模拟中低滑差下轮轨的疲劳磨损行为。2.干态试验未做降温处理。轮轨试样间累积的摩擦热会对磨损过程产生不利影响：高温产生表面氧化物的聚集会改变接触条件和磨损机制，甚至使接触界面表面材料发生组织演变，进而影响试验结果。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种轮轨材料滚动接触磨损试验方法，从而能够在实验室模拟轮轨材料在滚滑接触工况下的磨损，进而能够对不同成分和工艺的轮轨材料的耐磨性进行研究和对比。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种轮轨材料滚动接触磨损试验方法，包括如下步骤：

(1)将待测试的车轮材料或钢轨材料加工成测试样，所述测试样具有环形的本体和沿所述本体外壁的轴向凸台；将与所述待测试的车轮材料或钢轨材料配合试验的材料加工成环形的陪试样，所述陪试样的轴向厚度大于所述测试样的轴向凸台的宽度；

(2)将所述测试样安装到试验机的主轴上，陪试样安装到试验机的从轴上，使所述测试样的凸台与所述陪试样接触；开机，施加径向压力，设置主轴和从轴的转速，其中主轴的转速大于或等于从轴的转速，且两者的滑差率为0～10％范围内的任意值，进行干态下的磨损试验；

(3)启动风扇或空气喷头，对摩擦界面进行吹风降温；

(4)观察试样间的实时摩擦系数，在摩擦系数稳定后，继续使试样转动至少5万转，然后停止试验；

(5)测定所述测试样质量，计算试验前后的质量磨损并进行表面观察。

所述测试样和陪试样的形状和相对位置在图1中示出。图中，标号为1的是所述测试样的本体，标号为2的是所述测试样的凸台；所述凸台2与所述陪试样3形成平行滚动接触。

当测试样为车轮时，陪试样可选择钢轨；反之亦然。另外，陪试样也可选择与测试样硬度相近的普通钢材，但须保证陪试样材质均匀一致。

优选地，步骤(1)中，测试样和陪试样应进行端面圆周的硬度测试，至少设置3个测点，硬度差不超过±2HRC，以保证试样的材质均匀性。

优选地，步骤(2)中，所述试验机为具备无级调速功能的双电机试验机。

步骤(2)中，所述滑差率根据试验模拟工况进行选择。当试验需模拟轮轨间黏着磨损与表面疲劳磨损复合的工况时，应选取0～2％的较低滑差率；需模拟表面疲劳磨损与磨粒磨损复合的工况时，可选取2～6％中间滑差率；需模拟以磨粒磨损为主的工况时，应选取6～10％的较高滑差率。在进行不同材质或工艺的对比、优选试验时，不同试验组中应保持滑差率确定且同一。

优选地，步骤(4)中，当实时观察到试样间摩擦系数跳动稳定在±0.05以内达1000转以上时，即判定摩擦系数达到稳定。

与现有技术相比，本发明方法的有益效果是：采用具备无级调速功能的双电机试验机，能够实现0～10％任意滑差配置，满足不同模拟工况要求。通过风扇或空气喷头吹风冷却，能够显著降低试样接触界面的温度，保持稳定的磨损状态，模拟效果更加贴近铁路车轮和钢轨的应用实际。

应用本发明可在实验室模拟轮轨材料在滚滑接触工况下的磨损，对不同成分和工艺的轮轨材料耐磨性进行对比试验，且试验结果更贴近铁路实际应用。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1是本发明所述测试样和陪试样的形状、尺寸和相对位置的示意图，图中的尺寸单位为mm。图中：

I：测试样；II：陪试样；1：测试样的本体；2：测试样的凸台。

图2是实施例1按照本发明的试验方法完成磨损试验后的测试样和陪试样的照片；其中：

A(左图)示出的是ER8车轮轮辋加工成的测试样试验后的照片；

B(右图)示出的是U71MnG钢轨轨头加工成的陪试样试验后的照片。

图3是实施例2按照本发明的试验方法完成磨损试验后的测试样和陪试样的照片；其中：

A(左图)示出的是ER8车轮轮辋加工成的测试样试验后的照片；

B(右图)示出的是U71MnG钢轨轨头加工成的陪试样试验后的照片。

图4是对比例1所述测试样和陪试样的形状、尺寸和相对位置的示意图，图中的尺寸单位为mm。图中：

I：测试样；II：陪试样；1：测试样的本体；2：测试样的凸台。

图5是对比例1磨损试验前后测试样的照片；其中：

A(左图)示出的是ER8车轮轮辋加工成的测试样试验前的照片；

B(右图)示出的是ER8车轮轮辋加工成的测试样试验后的照片。

图6示出的是实际轮轨磨损照片，其中：

A(左图)示出的是车轮的照片；

B(右图)示出的是钢轨的照片。

具体实施方式

以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的原料、试剂材料等，如无特殊说明，均为市售购买产品。其中，部分设备购买情况如下：

磨损试验机：济南益华摩擦学测试技术有限公司生产的GPM-30A型摩擦磨损试验机

实施例1模拟轮轨侧磨的磨粒磨损工况的轮轨材料滚动接触磨损试验

(1)选取ER8车轮轮辋加工成测试样，U71MnG钢轨轨头加工成陪试样，测试样和陪试样均为具有滚动接触圆柱面的环形试样，形状和尺寸见图1所示。具体尺寸为：外径60mm，内径30mm，厚度10mm，凸台宽度5mm，轮上轨下，见图1。对测试样和陪试样分别进行硬度均匀性测试，3个测试点得到的硬度结果满足±2HRC要求。分别对测试样和陪试样进行清洗，在干燥箱内烘干1小时以上后称重。

(2)采用具备无级调速功能的双电机试验机，将测试样和陪试样安装在两个转轴上，其中测试样固定在主轴上，配试样固定在从轴上，测试样在上，陪试样在下，使测试样的凸台与所述陪试样接触，使两个试样圆柱面形成平行滚动接触，将空气喷头固定对准试样接触界面。开机，由纯滚动工况开始，逐渐调整电机转速和径向压力，使主轴电机转速达到500r/min，从轴转速450r/min，控制滑差率为10％，径向载荷达到2000N。

(3)开启空气喷头对摩擦界面进行吹风降温。

(4)随着滚动循环的累积，摩擦系数逐渐增加并稳定在μ＝0.5±0.05达到1000转以上时，判定摩擦系数达到稳定；继续约10万转后(3小时)，停止试验。

(5)关闭试验机及喷风设备，卸下测试样和陪试样，再次清洗、在干燥箱内烘干1小时以上、称重和表面观察，计算质量磨损。测试样和陪试样试验后的照片图2。

另取ER8车轮轮辋和U71MnG钢轨轨头，重复上述操作两次。3组磨损结果见表1。

表1轮轨试样质量磨损结果

实施例2模拟表面疲劳磨损和磨粒磨损复合工况的轮轨材料滚动接触磨损试验

(1)试验材料、试验设备、试样尺寸、试验前的处理以及试验安装要求与实施例1中相同。

(2)由纯滚动工况开始，逐渐调整电机转速和径向压力，使主轴电机转速达到500r/min，从轴转速480r/min，控制滑差率为4％，径向载荷达到2000N。

(3)开启风扇对摩擦界面进行吹风降温。

(4)随着滚动循环的累积，摩擦系数逐渐增加并稳定在μ＝0.5±0.05达到1000转以上时，判定摩擦系数达到稳定；继续约10万转后(3小时)，停止试验。

(5)关闭试验机及风扇，卸下测试样和陪试样，再次清洗、在干燥箱内烘干1小时以上、称重和表面观察，计算质量磨损。测试样和陪试样试验后的照片见图3。

另取ER8车轮轮辋和U71MnG钢轨轨头，重复上述操作两次。3组磨损结果见表2.

表2轮轨试样质量磨损结果

对比例1

(1)试验材料、试验前的处理以及试验安装要求与实施例1、2中相同；

(2)试验设备为实施例中的同型号设备，但转轴夹具的设计有所不同，因此测试样和陪试样的尺寸略有不同，宽度为20mm，但是测试样和陪试样接触区域是相同的，具体见图4。

(3)由纯滚动工况开始，逐渐调整电机转速和径向压力，使主轴电机转速达到500r/min，从轴转速495r/min，控制滑差率为1％，垂向载荷达到2000N。

(4)试验中轮轨试样位于开放室温环境，不进行降温处理。

(5)随着滚动循环的累积，摩擦系数逐渐增加并稳定在μ＝0.5±0.05达到1000转以上时，判定摩擦系数达到稳定；继续约10万转后(3小时)，停止试验。

(6)关闭试验机，卸下轮轨试样再次清洗、在干燥箱内烘干1小时以上、称重和表面观察，计算质量磨损，测试样试验前后的照片见图5。

另取ER8车轮轮辋和U71MnG钢轨轨头，重复上述操作两次。3组磨损结果见表3。

表3轮轨试样质量磨损结果

将实施例1、2及对比例1中的测试样试验后的照片进行对比可知，实施例中采用风扇或压缩空气降温措施的试验中，轮轨试样表面呈现出犁沟状(图2)或表面剥离形貌(图3)，但均保持了银白色色泽，接触表面较为光洁。而对比例试验中未采取降温处理，车轮试样表面积累了大量黑褐色氧化产物，这与实际的轮轨磨损表面(见图6)有很大差异；氧化物引起的磨损模式变化引入不稳定因素，使得重复试验组中的被测车轮试样的磨损量差异较大(表3)，而实施例中三组试验磨损结果的重复性好，说明本发明的试验方法稳定，能够更好地模拟实际磨损情况，测试结果可信度高。