常崇义，李　果，张银花，周邵博

(1.中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心，北京　100081；2.中国铁道科学研究院 高速轮轨关系试验室，北京　100081；3.中国铁道科学研究院 金属及化学研究所，北京　100081)

近年来，我国高速动车组车轮踏面周向不同程度地出现多边形磨耗现象。高速运营条件下，车轮高阶多边形磨耗会引发轮轨之间产生强烈振动，导致车辆和轨道的关键零部件过早疲劳失效，直接威胁行车安全。车轮高阶多边形磨耗造成较高的轮轨激励频率，会对振动噪声有很大影响，高速动车组以300 km·h-1速度等级运行时，车轮20 阶多边形磨耗造成的噪声相比正常车轮偏大9 dBA 左右，振动偏大12 dB左右[1]。目前对于车轮多边形磨耗的形成机理还没有清楚的认识，针对我国目前高速动车组高阶多边形磨耗形成机理及缓解措施进行全面深入地研究，意义重大。

虽然到目前为止对车轮多边形磨耗机理的研究较少，但是对钢轨波磨产生的机理研究较多，车轮多边形磨耗机理的研究可以借鉴大量的钢轨波磨研究成果。文献[2]利用小比例轮轨模拟试验机进行实验室钢轨波形磨损再现试验研究，发现垂向载荷的波动是实验室再现波磨的重要条件之一，而取决于纵向蠕滑率的车轮制动力是导致钢轨波形磨损的决定性因素。文献[3]认为轮对黏滑振动是波磨的成因，但波磨的形成和发展却表现为钢轨不均匀磨损或不均匀塑性变形的逐步累积。文献[4]提出增加钢轨耐磨性是减缓钢轨波磨最主要的措施之一，钢轨耐磨性能的提高能够减缓轨头磨损和塑性变形，从而能延缓波磨的形成与发展过程。文献[5]在实验室内采用Amsler磨损试验机对D1和ER8车轮材料进行耐磨性能试验，从试样磨损后表面的扫描电镜形貌发现车轮试样的磨损形貌主要以塑性变形和裂纹扩展为主，呈现出典型疲劳磨损的形貌特征。文献[6]在实验室采用Amsler磨损试验机进行3种硬度车轮与3种硬度钢轨的对磨试验，对比分析硬度不同的车轮与钢轨材料对磨时的磨损、变形和接触疲劳伤损等。通常认为金属材料的耐磨性与H/E(H为材料硬度，E为弹性模量)成正比[7]，相同组织类型钢轨材料的耐磨性主要与其硬度有关，一般情况下材料的硬度越高，其抗磨性能越强。因此，研究增加车轮材料硬度对减缓多边形磨耗有怎样的效果也非常有意义。

本文利用Amsler磨损试验机开展干燥条件下轮轨材料不同硬度匹配时的滚动接触磨损试验，发现不同硬度匹配下车轮材料的小轮试样出现多边形磨耗的程度截然不同，通过试验室试验寻找哪种硬度轮轨材料匹配能抵抗多边形的磨耗，同时探讨车轮多边形磨耗的形成条件。

1　试验方法

1.1　试样

为探究不同硬度比下轮轨材料的多边形磨耗的差异，从硬度比梯度设置和实际使用的角度出发，选取低、中、高各3个硬度等级的车轮材料(或其替代材料)和钢轨材料在实验室进行小试样滚动接触摩擦磨损试验。目前，应用比较普遍的是低硬度高速车轮材料ER8，中硬度车轮材料ER8C和高硬度车轮材料SSW-Q3R。由于在试样的选取和制作过程未能及时找到ER8C和SSW-Q3R车轮材料，考虑到它们实际的车轮材质均为珠光体类型组织(或珠光体+铁素体组织)，为使磨损和塑性变形机制相近，因此分别采用了含碳量较高、组织相同的某整体淬火轮箍材料(简称LG)和U71Mn热处理钢轨的高碳钢材料(简称U71MnH)作为中、高硬度车轮的替代材料，其硬度分别与ER8C和SSW-Q3R的相当。钢轨试样则取自3种不同的钢轨：U74热轧钢轨和我国高速铁路广泛铺用的U71MnG和U75VG热轧钢轨。车轮和钢轨材料的实测化学成分和平均硬度见表1。

表1　车轮、钢轨材料的实测化学成分和平均硬度

车轮试样取自车轮轮辋部位(靠近踏面)，钢轨试样取自钢轨轨头部位，车轮和钢轨材料的取样位置分别如图1和图2所示。摩擦磨损试验所用试样为内径16 mm、外径40 mm、厚度10 mm的环形试样。车轮和钢轨试样的加工尺寸和粗糙度要求如图3所示，加工完成后的试样实物如图4所示。

图1　车轮试样取样位置示意图(单位:mm)

图2　钢轨试样取样位置示意图(单位:mm)

图3　轮轨摩擦副试样的尺寸(单位：mm)

图4　试样实物图

1.2　试验设备

试验在Amsler磨损试验机上进行，该试验机的结构如图5所示。该试验机的工作原理：驱动电机通过斜齿轮1驱动车轮材料试样旋转，同时通过斜齿轮2、传动轴、斜齿轮3、斜齿轮4将驱动电机的旋转动力传递给钢轨试样，通过转速传递使车轮试样转速比钢轨试样转速快10%(相当于车轮处于牵引状态)；固定于传动轴上的锥齿轮1驱动锥齿轮2等速旋转，从而带动激振偏心轮旋转，该偏心轮通过适配架和压杆可实现加载弹簧的压缩量周期性调整；加载弹簧施加的压力通过压杆作用于适配架，实现钢轨和车轮材料试样间垂向作用力的加载。

图5　Amsler磨损试验机

1.3　试验方法

3种车轮试样分别与3种钢轨试样进行9种轮轨材料匹配下的磨耗试验，轮轨硬度比范围为0.80～1.48，车轮、钢轨材料试样的硬度比见表2。

表2　不同轮轨材料匹配时的硬度比

对我国高速铁路上运行的CRH3C，CRH380B和CRH380BL型动车组动车、拖车车轮出现的高阶多边形磨耗(车轮高阶多边形粗糙度≥20 dB)比例进行了调查，发现出现多边形磨耗比较严重的车轮主要集中在动车车轮上，动车车轮和拖车车轮在运行中的主要差异是动车车轮通过轮轨纵向蠕滑产生牵引力。为了反映动车车轮的受力特点，试验中在Amsler磨损试验机的下轴安装车轮试样、转速为200 r·min-1，上轴安装钢轨试样、转速180 r·min-1，纵向蠕滑率为10%，激振偏心轮转速为232 r·min-1，试验垂向载荷为490 N。

在试验每进行1万r时卸下试样，用毛刷清理其表面磨屑后，浸入装有丙酮溶液的超声波清洗器中清洗2 min，更换丙酮溶液后再重复清洗1次；在试验每进行2万r时，利用自行开发的小轮多边形磨耗测量设备测量试样的多边形磨耗，该设备如图6所示。由图6看出：测试设备由低速直流电机驱动转轴匀速旋转，被测试样固定于转轴上，千分表的测量头与试样接触面厚度方向的中心接触，千分表连续记录旋转试样的径向尺寸变化；为了保证测试数据的可比性，测试前在试样端面中间位置做1个起始测量标记点，之后每次测试后的数据将以此点作为基准进行比对；旋转轴的回转精度为2 μm，千分表测量精度为5 μm。

图6　小轮多边形磨耗测量设备

2　试验结果及分析

在9种轮轨材料硬度匹配方式下的小试样磨耗试验过程中，发现一部分车轮试样磨耗在4万r以内时多边形磨耗发展较为缓慢,达到6万r时沿圆周方向容易出现明显的多边形磨耗，另一部分车轮试样在6万r以后，由于其多边形磨耗导致试验台设备振动较大，无法继续试验，因此以车轮试样6万r出现的多边形情况进行对比分析。

轮轨试样在试验转数为6万r时多边形磨耗后的外形如图7—图15所示。从图7—图15看出：轮轨材料硬度比在0.8～1.05范围内，车轮试样在6万r时都出现了明显的多边形磨耗；轮轨材料硬度比为1.15时， U71MnH车轮与U75VG钢轨匹配时车轮试样在6万r时出现了明显的多边形磨耗，而LG轮车与U74钢轨匹配时车轮试样在6万r时并没有出现明显的多边形磨耗；随着轮轨材料硬度比的提高，在硬度比为1.36和1.48时车轮材料试样在6万r时并没有出现明显的多边形磨耗；

图7ER8-U75VG匹配时轮轨试样圆周外形(硬度比0.80)

图8LG-U75VG匹配时轮轨试样圆周外形(硬度比0.89)

图9ER8-U71MnG匹配时轮轨试样圆周外形(硬度比0.95)

另外，轮轨硬度比在0.80～1.48范围内钢轨试样都没有出现明显的多边形磨耗。试验结果表明：轮轨材料硬度比小于1.05时，车轮材样容易发生多边形磨耗；轮轨材料硬度比大于1.36时，车轮试样不易发生多边形磨耗。

图10ER8-U74匹配时轮轨试样圆周外形(硬度比1.03)

图11LG-U71MnG匹配时轮轨试样圆周外形(硬度比1.05)

图12U71MnH-U75VG匹配时轮轨试样圆周外形(硬度比1.15)

图13LG-U74匹配时轮轨试样圆周外形(硬度比1.15)

图14U71MnH-U71MnG匹配时轮轨试样圆周外形(硬度比1.36)

图15U71MnH-U74匹配时轮轨试样圆周外形(硬度比1.48)

9种轮轨材料硬度匹配下车轮试样在6万r时多边形磨耗后的表面粗糙度和频谱分析如图16—图24所示。从图16—图24看出：轮轨材料硬度比在0.80～1.05范围内，车轮试样的表面粗糙度在16阶处达到20 dB左右，从频谱特性看车轮试样的多边形磨耗在16阶时幅值最高，说明车轮试样发生了16阶多边形磨耗，试验中车轮试样的转速为200 r·min-1，可以推算出其耦合振动频率为53.3 Hz，多边形磨耗的波长约为7.8 mm；轮轨材料硬度比为1.15时，U71MnH车轮与U75VG钢轨匹配时车轮试样在6万r时表面粗糙度达到了18 dB左右，频谱幅值为7.5 μm左右，可以认为车轮试样出现了明显的多边形磨耗，而LG车轮与U74钢轨匹配时车轮试样在6万r时的表面粗糙度不超过5 dB，频谱幅值仅为1.5 μm左右(设备的测量误差为3 μm)，因此可以认为车轮试样并没有出现明显的多边形磨耗；随着轮轨材料硬度比的提高，在硬度比为1.36和1.48时车轮试样在6万r时的表面粗糙平不超过3 dB，频谱幅值不超过1.3 μm，由此可以认为硬度比大于1.36时车轮材料试样并没有出现明显的多边形磨耗。

图16　ER8-U75VG匹配时(硬度比0.80)

图17　LG-U75VG匹配时(硬度比0.89)

图18　ER8-U71MnG匹配时(硬度比0.95)

图19　ER8-U74匹配时(硬度比1.03)

图20　LG-U71MnG匹配时(硬度比1.05)

图21　U71MnH-U75VG匹配时(硬度比1.15)

图22　LG-U74匹配时(硬度比1.15)

图23　U71MnH-U71MnG匹配时(硬度比1.36)

图24　U71MnH-U74匹配时(硬度比1.48)

9种轮轨材料硬度匹配下车轮试样在6万r时多边形磨耗的径跳平均值随轮轨材料硬度比的变化规律如图25所示。从图25可以看出：轮轨材料硬度比在0.80～1.05范围内，车轮试样多边形磨耗的径跳平均值随轮轨材料硬度比的提高逐渐降低；轮轨材料硬度比为1.15时，U71MnH车轮与U75VG钢轨匹配时车轮试样在6万r时多边形磨耗的径跳平均值达到30 μm左右，而LG车轮与U74钢轨匹配时只有8 μm左右；随着轮轨材料硬度比的提高，在其为1.36和1.48时车轮试样在6万r时多边形磨耗的径跳平均值不超过6 μm；车轮试样径跳值随轮轨材料硬度比的变化规律趋势看出轮轨材料硬度比1.15处于车轮试样出现明显多边形磨耗的临界点附近。

图25车轮材料试样多边形磨耗径跳平均值随硬度比变化规律

3　讨　论

U71MnH车轮与U75VG钢轨、LG车轮与U74钢轨匹配时，虽然轮轨材料硬度比都是1.15，在6万r时前者车轮试样的多边形磨耗明显，而后者车轮试样的多边形磨耗不明显。可能的原因是：由于轮轨材料硬度比1.15是处于车轮试样出现明显多边形磨耗的临界点附近，硬度比对多边形磨耗的影响具有一定的不确定性；U71MnH车轮与U75VG钢轨的实测平均布氏硬度分别为328与290 HB，LG车轮与U74钢轨的实测平均布氏硬度分别为266与245 HB，前一对摩擦副和后一对摩擦副相比材料硬度较高，导致接触表面粗糙度较低，因此摩擦副之间的摩擦系数低，在轮轨试样的滚动接触磨损试验中容易产生试样间的黏滑现象，从而导致多边形磨耗的产生。因此，轮轨材料硬度比在车轮试样出现多边形磨耗的临界点附近时，材料表面的粗糙度引起的摩擦系数不同可能影响车轮材料试样的多边形磨耗。

4　结　论

(1)轮轨材料硬度比小于1.05时，车轮试样容易发生多边形磨耗；当轮轨材料硬度比大于1.36时，车轮试样几乎不发生多边形磨耗；轮轨材料硬度比在0.80～1.48范围内，钢轨试样均没有出现明显的多边形磨耗。

(2)轮轨材料硬度比在0.80～1.05范围内，车轮试样产生了明显的16阶多边形磨耗，其与钢轨试样耦合振动频率均为53.3 Hz。

(3)轮轨材料硬度比在0.80～1.05范围内，车轮试样多边形磨耗的径跳随轮轨材料硬度比的提高逐渐降低。

(4)轮轨材料硬度比在车轮试样出现多边形磨耗的临界点附近时，材料的表面粗糙度引起的摩擦系数不同可能影响车轮试样的多边形磨耗。

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