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，隨著國內(nèi)鐵路高速、重載技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，國內(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)工藝和綜合性能評價等方面的研究均取得了長足進步[1-2]。高速動車組車輪是中國鐵路近年來大力推進的研發(fā)項目，現(xiàn)已開發(fā)出時速250和350 km等級的高速動車組自主化車輪，并正在開展小批量的運用考核研究。伴隨著“走出去”和“一帶一路”國家發(fā)展戰(zhàn)略的實施，高速動車組車輪的成功研制為中國鐵路高端車輪的自主化創(chuàng)新奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，對促進輪軸關(guān)鍵零部件產(chǎn)業(yè)發(fā)展、保障列車高效運營具有積極意義。

車輪的耐磨性是衡量車輪服役性能優(yōu)良的重要指標之一[3]，本文以時速250 km等級的高速動車組自主化車輪(牌號為D1)為研究對象，對其材料的磨損性能進行研究，探討磨損機理；通過實物車輪的運用考核，對其運用中的磨損情況進行跟蹤測量，并與相同運用條件下的國外進口車輪(牌號為ER8)進行對比分析，旨在為充實和完善高速動車組自主化車輪的服役性能評價體系提供數(shù)據(jù)支撐。

1　試驗內(nèi)容及方法

1.1　試樣的制備及磨損量的測試

磨損試驗中，車輪試樣取自車輪的輪輞部分，包括自主化D1車輪試樣和進口ER8車輪試樣，兩車輪試樣的試驗數(shù)量均為3個，從成品車輪踏面下10 mm處切??；鋼軌試樣取自高速鐵路常用的U71MnG鋼軌，從成品鋼軌踏面下5 mm處切取，數(shù)量為6個，其中3個試樣與自主化D1車輪試樣組成摩擦副，另外3個試樣與進口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試采用TR200粗糙度儀，測試結(jié)果見表1。

耐磨性能試驗在Amsler磨損試驗機上進行，磨損試驗的示意圖如圖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)劣通過與進口ER8車輪試樣磨損失重量(簡稱磨損量)的對比進行評價，即為自主化D1車輪試樣的相對耐磨性。

圖3　車輪和鋼軌試樣的尺寸及形貌

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

圖4　磨損試驗示意圖(單位：mm)

車輪每磨損2萬轉(zhuǎn)，對其進行1次清洗稱重，磨損至20萬轉(zhuǎn)時試驗結(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　實體車輪磨損量的測試

將自主化D1車輪裝配在太原南至永濟北區(qū)間往返運行的動車組上，開展運用考核。為進行比較分析，該動車組半列裝配自主化D1車輪，半列裝配進口ER8車輪。采用WS2005-1型踏面外形測量儀對車輪每運行5萬km后的磨損情況進行跟蹤監(jiān)測，目前已累計記錄了20萬km的磨損數(shù)據(jù)。通過計算車輪踏面廓形實測線與基準線滾動圓中心位置縱坐標的差值，衡量車輪實際的磨損量，計算車輪實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試結(jié)果分別見表2、表3和表4。

表2　自主化D1車輪和進口ER8車輪的化學(xué)成分測試結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))　%

表3　自主化D1車輪和進口ER8車輪的主要性能測試結(jié)果

圖5　車輪磨損量測試示意圖

表4　自主化D1車輪和進口ER8車輪踏面粗糙度測試結(jié)果 μm

2　試驗結(jié)果的分析及討論

2.1　車輪試樣磨損量的測試

車輪試樣每旋轉(zhuǎn)2萬轉(zhuǎn)時的磨損量如圖6所示。從圖6可以看出：在8萬轉(zhuǎn)之前，自主化D1和進口ER8車輪試樣的磨損量無顯著差別，曲線近乎重合；在8萬轉(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平緩，曲線的斜率較小。

第二，要讓企業(yè)審計人員積極學(xué)習(xí)計算機方面的知識和操作技能，學(xué)會通過網(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個階段，即磨損初期磨損失重率逐漸增加的跑合階段(8萬轉(zhuǎn)之前)和磨損失重率趨向平緩的穩(wěn)定磨損階段(8萬～20萬轉(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；隨著磨損試驗的進行，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而是趨向平緩，試樣逐漸進入到穩(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20萬轉(zhuǎn)的磨損試驗后，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車輪試樣的相對耐磨性約為1.09，表明其耐磨性更為優(yōu)異。通常認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，因此對于D1和ER8這2種車輪的材料來說，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。D1和ER8兩車輪試樣的相對耐磨性和硬度的對比結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出：較進口ER8車輪試樣，硬度相對更高的自主化D1車輪試樣具有更為良好的耐磨性。

經(jīng)過20萬轉(zhuǎn)磨損試驗后，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，進口ER8車輪試樣表面的塑性變形程度更為嚴重，這一結(jié)果與兩車輪試樣的硬度和相對耐磨性有著較好的對應(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和進口ER8車輪試樣硬度及相對耐磨性

圖9　不同車輪試樣磨損表面的顯微組織(×1 000倍)

經(jīng)過20萬轉(zhuǎn)磨損試驗后，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誘發(fā)疲勞裂紋，隨著磨損試驗的進行，在交變應(yīng)力的持續(xù)作用下，裂紋不斷擴展并最終發(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成為磨粒，又會產(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，車輪試樣的磨損機理主要以疲勞磨損為主，同時伴有磨粒磨損的特征；進口ER8車輪試樣的剝離程度相對嚴重，自主化D1車輪試樣的剝離程度相對較輕，這也與兩車輪試樣的磨損失重量有著較好的對應(yīng)性；結(jié)合以上的分析結(jié)果，兩車輪的磨損實際上是通過接觸疲勞實現(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　實體車輪磨損量的測試

安裝在動車組上的自主化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：在運行達到10萬km的過程中，車輪每萬km的磨損量增長明顯，曲線陡峭，斜率較大，且自主化D1車輪每萬km的磨損量略高于進口ER8車輪，這與車輪踏面的狀態(tài)有關(guān)，因為運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。隨著運行里程增加，至10萬km后，車輪每萬km的磨損量呈減小趨勢，曲線變得相對平緩，斜率較小，輪軌之間的磨損趨向穩(wěn)定，這一趨勢與小試樣磨損試驗中磨損過程出現(xiàn)的2個階段和磨損失重率曲線的變化規(guī)律有著較好的對應(yīng)性；運行到20萬km時，自主化D1車輪每萬km的平均磨損量為0.041 mm，優(yōu)于進口ER8車輪(其每萬km磨損量為0.043 mm)，兩車輪的實際耐磨性也與小試樣的磨損試驗結(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和進口ER8車輪每萬km磨損量曲線

3　結(jié)　論

(1) 車輪試樣的磨損試驗結(jié)果表明，經(jīng)過20萬轉(zhuǎn)的磨損試驗后，自主化D1車輪的相對耐磨性能約為進口ER8車輪的1.09倍；車輪的磨損機制主要為疲勞磨損，同時伴有磨粒磨損的特征。

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

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