随着铁路向高速化和重载化方向发展，轮轨系统磨损和滚动接触疲劳损伤现象日益严重^[1-2]. 特别是小半径曲线线路上轮轨磨损(钢轨波磨、车轮多边形磨损和钢轨侧磨等)与噪声严重，不仅降低乘坐舒适性，还会影响轮轨服役寿命与运行安全^[3]. 因此，铁路现场需对轮轨界面进行减摩调控以降低轮轨黏着、磨损、损伤和噪声^[4-5]. 目前轮轨界面减摩调控技术主要包括轮缘/轨侧润滑和踏面/轨顶黏着调控. 轮缘/轨侧润滑主要用于曲线线路^[6]，降低轮缘/轨侧黏着系数，从而减轻轮缘与轨侧磨耗. 经过几十年的发展，轮缘/轨侧润滑技术已相对成熟. 然而，在车轮踏面/轨顶界面上，黏着系数过低将导致车轮打滑或空转，使列车牵引力不足或制动距离过长. 因此，车轮踏面/轨顶界面黏着系数应保持在适中范围^[7]. 目前，主要利用各类摩擦改性剂(Friction Modifier，FM)，也称摩擦调节剂，将轮轨界面黏着系数调控至0.2~0.4的适中水平. 常见摩擦改性剂包括固体FM、油基FM和水基FM.

早在90年代初期，温哥华铁路运输系统便已经开始使用摩擦改性剂^[8]. 此后，国内外学者对摩擦改性剂的使用性能进行了实验室和现场试验研究^[9]. 于水波等^[10]通过现场试验发现利用摩擦调控技术可以有效减缓钢轨波磨，降低脱轨系数. 李珂等^[11]制备了固体FM，研究发现使用固体FM时摩擦系数可调节至0.3~0.4水平. Galas等^[12]研究发现油基FM具有调控轮轨界面黏着和减少轮轨磨损的能力，油基FM调控黏着的能力很大程度上取决于所施加的量，而金属颗粒的含量是控制磨损的关键因素. Meehan等^[13]利用理论模型研究了油基FM对车轮振动和噪声的影响，定量解释了油基FM作用下产生噪声的原因. Matsumoto等^[14]在试验室研究了水基FM对轮轨横向和纵向牵引曲线特性的影响，发现水基FM可以有效避免轮轨横向和纵向牵引曲线的负摩擦特性. Lu等^[15]分别研究了氧化铁、钙基轮缘润滑脂对水基FM(Keltrack™)的影响，结果表明加入氧化铁可以明显提高轮轨的黏着系数，油脂会降低水基FM的附着能力和轮轨第三介质层的剪切强度. Arias-Cuevas等^[16]研究了两种水基FM对轮轨黏着和损伤性能的影响，结果表明含有坚硬固体颗粒的水基FM介质下轮轨界面的黏着系数更高，但容易造成轮轨损伤. Eadie等^[17]通过现场研究发现水基FM可以有效预防钢轨波磨的形成，同时能够降低噪声3~5 dB. 然而，当水基FM用量选择不当时，会引起轮轨低黏着效应^[18]，也容易引发轮轨“油楔效应”，加剧轮轨疲劳损伤. 但是，目前针对水基FM最佳涂敷量的研究较少，水基FM作用下轮轨损伤行为的研究也很缺乏.

本文中利用MJP-30A滚动磨损与接触疲劳试验机首先研究了两种水基FM(分别记为FM1和FM2)不同涂敷量下轮轨界面黏着行为，确定了FM1和FM2的最佳涂敷量. 然后研究了FM1和FM2最佳涂敷量下对轮轨磨损和损伤性能的影响. 研究结果可为轮轨界面摩擦调控应用及优化提供理论与技术指导.

1.   试验材料及方法

轮轨滚动模拟试验在MJP-30A滚动磨损与接触疲劳试验机上进行^[19]，如图1(a)所示. 车轮试样和钢轨试样分别安装在试验机的上、下主轴上，并分别由两台独立的伺服电机驱动，通过调节轮轨试样的转速可以精确控制轮轨蠕滑率. 轮轨试样取样位置与尺寸如图1(b)所示，轮轨接触方式为线接触^[20]，接触宽度为5 mm. 车轮材料为C级车轮(硬度约为HV_0.5346)，钢轨材料为U75V热轧钢轨(硬度约为HV_0.5315). 滚动试验过程中，轮轨之间的法向载荷通过液压加载，并由压力传感器进行实时监测，通过安装在下主轴上的扭矩传感器可测得钢轨试样所受扭矩，除以钢轨试样半径后可得到轮轨界面切向力，通过轮轨界面切向力和法向力可得到轮轨黏着系数(切向力/法向力). 试验参数：法向载荷为2 350 N，通过赫兹模拟准则计算得到轮轨最大接触应力为1 100 MPa，对应列车轴重约14 t^[21]，车轮试样转速为495 r/min，钢轨试样转速为500 r/min，轮轨滑差率为1%.

图  1  (a) MJP-30A滚动磨损与接触疲劳试验机；(b) 轮轨试样取样位置及尺寸

Figure  1.  (a) MJP-30A rolling wear and contact fatigue test rig；(b) sampling position and size of wheel/rail specimens

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试验所使用的两种水基FM主要成分列于表1中. 为了研究两种水基FM的机械稳定性能，将制备好的水基FM1和FM2装入试管中，密封静置并记录分层现象随时间的变化，结果列于表2中. 静置5~10 d后，水基FM1和FM2均未出现分层；静置20 d后，水基FM2出现轻微分层，而水基FM1仍无分层现象；随着静置时间增加，水基FM2分层现象越来越明显并伴有颗粒沉淀，而水基FM1只出现轻微分层现象；水基FM1的机械稳定性能较FM2好，主要是因为FM1中的保持剂比FM2中的高导致.

表  1  水基FM组成成分(w)

Table  1.  Compositions of water-based FMs (w)

FM	Water	Retention agent	Rheology modifier	Solid particles	Antifreeze	Surfactant
FM1	45%	8%	14%	10%	12%	11%
FM2	55%	6%	8%	10%	12%	9%

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表  2  水基FM分层现象

Table  2.  Layering of water-based FMs

Standing time	5 days	10 days	20 days	30 days
FM1	No layering	No layering	No layering	Slight layering
FM2	No layering	No layering	Slight layering	Obvious layering and sedimentation

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图2为水基FM1和FM2静置10 d后涂敷在钢轨试样表面的形貌. 可以看出：水基FM1在钢轨试样表面形成了1层光滑、均匀的薄膜；而水基FM2形成的薄膜表面相对粗糙且均匀性较差，说明FM1具有更好的涂敷性能，主要是因为FM1成分中具有更高的流变调节剂. 此外，观察两种FM发现，FM1较为黏稠而FM2较为稀松，主要是因为FM2中水含量较大导致.

图  2  水基摩擦改性剂在钢轨试样表面的额涂敷照片

Figure  2.  Images of FMs coated on rail samples

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(1) 水基FM不同涂敷量下的黏着试验

用移液器添加水基FM(精度可达1 μl，图1(b))，两种水基FM的单次涂敷量为2、4、6、8、10、12、14、16、18和20 μl，在每个涂敷量下测量轮轨黏着系数、作用转数和最佳作用转数(黏着系数保持在0.25~0.35的转数，即列车运行最佳黏着水平^[22])，从而确定两种水基FM1和FM2的最佳涂敷量.

(2) 水基FM最佳涂敷量下轮轨摩擦磨损试验

轮轨试样首先在干态下跑合5 000 r，然后以最佳涂敷量添加水基FM，每当黏着系数恢复至0.4时再添加1次，直至循环次数达到60 000 r. 为保证试验结果可靠性，所有试验均重复2次.

试验前后使用无水乙醇在超声波清洗仪中清洗试样10 min并干燥处理，利用电子分析天平(JA4103±0.1 mg)对试验前后的试样称重10次取平均值，并计算试样的磨损率；利用维氏硬度仪(MVK-H21，Japan)测量轮轨试样试验前的表面硬度和试验后剖面硬度；利用轮廓仪测量试验后轮轨试样的表面粗糙度；利用光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)观察试验后轮轨试样表面及剖面损伤.

2.   结果与讨论

2.1   水基摩擦改性剂介质下轮轨黏着行为

图3给出了FM1和FM2在不同涂敷量下轮轨间的黏着系数曲线. 干态下轮轨黏着系数维持在0.35~0.45左右，加入摩擦改性剂后，轮轨黏着系数迅速降低至0.1左右，随着循环次数的增加，黏着系数以不同的变化趋势逐渐增加，最终恢复至干态水平. 涂敷量较少时，如2~6 μl，进入轮轨界面的摩擦改性剂较少，黏着系数随循环次数几乎呈线性增加至干态水平. 涂敷量较大时，黏着系数随循环次数的增长趋势不同. 涂敷FM1后，轮轨黏着系数小于0.2时增长速度快，在0.2~0.3范围内增长速度逐渐降低，在0.3~0.4范围内增长速度较慢；随单次涂敷量增加，轮轨黏着系数维持在0.2~0.4范围内的作用转数明显增加[见图3(a)]. 涂敷FM2后，轮轨黏着系数小于0.2时增长速度较慢，在0.2~0.3范围和0.3~0.4范围内增长速度较快；随单次涂敷量增加，黏着系数低于0.2的作用转数却逐渐增大，而黏着系数维持在0.2~0.4范围内的作用转数增加不明显[见图3(b)]. 可以看出：干态下涂敷摩擦改性剂后，轮轨黏着系数可从0.3~0.5的较高范围调节至0.2~0.3范围和0.3~0.4范围，摩擦改性剂种类和涂敷量对其摩擦调节性能有明显影响. FM1在用量较大时(大于8 μl)，黏着系数能较长时间保持在0.2~0.3水平，可以更好地满足列车牵引和制动所需要的黏着水平^[23]；而FM2在单次涂敷量较大时(大于10 μl)，容易造成低黏着现象(黏着系数小于0.2).

图  3  水基摩擦改性剂不同涂敷量下轮轨间黏着系数

Figure  3.  Adhesion coefficients between wheel and rail under different dropping amounts of two FMs

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为了确定FM1和FM2的最佳涂敷量，分别统计了FM1和FM2不同涂敷量下的作用转数(施加摩擦改性剂至黏着系数恢复至0.4之间的转数)和最佳作用转数(黏着系数介于0.25~0.35之间的转数)，如图4所示. 随涂敷量的增加，FM1和FM2的作用转数呈增长趋势. 其中，FM1的作用转数增长趋势较为稳定[见图4(a)]；FM2则为先缓慢增长，然后快速增长[见图4(b)]. FM1最佳作用转数与作用转数随涂敷量增加的变化趋势几乎相同；而FM2的最佳作用转数在涂敷量较小时，如2~8 μl呈缓慢增长，当单次涂敷量达到10 μl后增长趋势不明显.

图  4  水基摩擦改性剂不同涂敷量下的作用转数和最佳作用转数

Figure  4.  Water-based friction modifiers’ action cycles and optimal action cycles under different coating amounts

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图5为水基摩擦改性剂不同涂敷量下的最佳作用转数占比(最佳作用转数/作用转数). 可以发现：FM1的最佳作用转数占比均比FM2大，说明FM1比FM2具有更优的将黏着系数维持在0.25~0.35的能力. 随着涂敷量的增加，FM1的最佳作用转数占比先减小后增大，后逐渐趋于平稳，在单次涂敷量为14 μl时最佳作用转数占比达到最大，约为65%；随涂敷量增加，FM2的最佳作用转数占比先保持稳定，再增至峰值，然后逐渐下降，最后趋于平稳，在单次涂敷量为8 μl时最佳作用转数占比达到最大，约为39%. 因此，FM1的单次最佳涂敷量为14 μl，FM2的单次最佳涂敷量为8 μl.

图  5  水基摩擦改性剂最佳作用转数占比

Figure  5.  Proportion of optimal action of water-based friction modifiers

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2.2   水基摩擦改性剂介质下轮轨磨损与损伤性能

2.2.1   磨损率

轮轨试样在干态下跑合5 000 r，然后以最佳涂敷量添加水基FM(FM1的最佳涂敷量为14 μl，FM2的最佳涂敷量为8 μl.)，当黏着系数恢复至0.4时再次添加，直至循环次数达到60 000 r. 图6给出了水基FM最佳涂敷量下轮轨试样的磨损率，可以发现：干态下轮轨试样磨损率较大，分别为31.78和43.92 μg/m，这是因为干态下轮轨间黏着系数较高(0.4以上)，轮轨间的切向力较大导致的. FM1介质下轮轨的磨损率明显降低，分别为干态下的23%和41%. 而FM2介质下钢轨试样的磨损率为干态下的64%，但车轮试样的磨损率比干态下略高，这是由于FM2介质下轮轨试样存在表层材料破碎脱落现象，进而加剧轮轨磨损. 以上结果表明，FM1比FM2具有更优的减磨效果.

图  6  轮轨试样的磨损率

Figure  6.  Wear rates of wheel and rail specimens

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2.2.2   表面损伤行为

图7为试验后轮轨试样表面损伤的OM照片. 可以发现：干态下车轮试样表面出现起皮和材料剥落现象，钢轨试样也伴有起皮和小的剥落坑[见图7(a)]. FM1介质下轮轨试样表面损伤较干态轻微，车轮试样表面以轻微起皮和犁沟为主，钢轨试样表面则以点蚀和犁沟为主[见图7(b)]. 这是因为FM1改善了轮轨界面的黏着环境，有效减缓了轮轨试样表面的磨损和损伤. FM2介质下，车轮试样表面出现明显的剥落坑、起皮和犁沟，钢轨试样表面也出现犁沟和明显的剥落坑[见图7(c)].

图  7  轮轨试样表面损伤OM图片

Figure  7.  OM micrographs of surface damages of wheel and rail specimens

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图8为轮轨试样表面损伤形貌的SEM照片. 可以发现：干态下轮轨试样磨损表面出现明显的接触疲劳裂纹[见图8(a)]，FM1介质下轮轨试样表面仅出现表面微裂纹[见图8(b)]，而FM2作用下车轮试样表面出现了明显的疲劳裂纹和大面积起皮，钢轨试样表面也出现大面积起皮[见图8(c)]. 结合表面损伤形貌(图7和图8)发现：水基FM1可有效减缓轮轨试样表面损伤，而水基FM2对表面损伤的抑制作用较差.

图  8  轮轨试样表面损伤形貌的SEM照片

Figure  8.  SEM micrographs of wheel and rail specimen surface damages

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图9为轮轨试样试验后的表面粗糙度. 干态下，轮轨试样的表面粗糙度分别为0.54和0.59 μm，FM1介质下轮轨试样的表面粗糙度较干态下小，分别为0.28和0.42 μm；而FM2介质下，轮轨试样的表面损伤严重，车轮表面粗糙度大于干态工况，钢轨表面粗糙度略低于干态工况.

图  9  轮轨试样的表面粗糙度

Figure  9.  Surface roughness of wheel and rail specimens

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2.2.3   塑性变形

图10给出了轮轨试样塑性变形层OM图片. 干态下轮轨间切向力较大，轮轨表面材料发生严重塑性形变，因此轮轨试样塑性变形层厚度最大，分别约为213和230 μm[见图10(a)]；在水基摩擦改性剂作用下，轮轨试样塑性变形层厚度均比干态下小，这是因为水基摩擦改性剂介质下轮轨界面黏着系数较干态下低，使得轮轨接触界面的切向力减小，进而减缓了轮轨材料的塑性变形，轮轨试样的塑性变形层厚度介于130~160 μm之间.

图  10  轮轨试样剖面塑性变形

Figure  10.  Plastic deformation on cross sections of wheel and rail specimens

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2.2.4   裂纹扩展行为

图11给出了试验后轮轨试样沿滚动方向剖面形貌的SEM照片. 可以发现：干态下轮轨试样剖面出现了明显的多层裂纹和支裂纹[图11(a)]，在塑性变形层内支裂纹相互交织、不断扩展并相互贯穿至试样表面，破碎脱落形成剥落坑[图7(a)]；水基FM1可有效抑制轮轨试样裂纹扩展，轮轨试样剖面仅出现少量的单层微裂纹[图11(b)]). 水基FM2作用下，轮轨试样剖面出现明显的多层裂纹和支裂纹[图11(c)]，特别是车轮试样多层裂纹长度较长，这是因为FM2较FM1流动性更好，FM2容易沿着车轮表面疲劳裂纹的开口进入裂纹内部，在循环应力的作用下，发生“油楔效应”，加速疲劳裂纹扩展.

图  11  轮轨试样剖面形貌的SEM照片

Figure  11.  SEM micrographs of cross sections of wheel and rail specimens

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图12为车轮试样疲劳裂纹的扩展长度和深度的统计结果. 可以发现：干态下车轮试样裂纹平均扩展长度和深度最大，FM1、FM2作用下车轮试样裂纹的平均扩展长度和深度均低于干态下，裂纹平均扩展长度为干态工况的54.5%和80.3%，裂纹平均扩展深度为干态下的60.7%和87.2%. 裂纹长度和深度统计结果与轮轨磨损与损伤规律一致.

图  12  车轮试样裂纹扩展长度和深度

Figure  12.  Crack growth length and depth of wheel specimen

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综上所述：水基摩擦改性剂中的水、流变调节剂和表面活性剂等介质起到减摩作用，而固体颗粒起到增摩作用(增加黏着系数)，由于FM2中的水含量明显高于FM1，因此，FM2会导致较低的黏着系数(图3). 此外，由于FM2中的保持剂和流变调节剂较少，其机械稳定性和涂敷性较差(图2)，在周期性垂向与切向力作用下，涂敷在钢轨试样表面的FM2容易被破坏，从而导致轮轨较大的磨损与损伤(图6和图8). 同时，由于FM2中水含量较高，较为稀疏，容易进入轮轨试样已有的疲劳裂纹中，引发“油楔效应”，加速裂纹扩展，进而导致较严重的滚动接触疲劳损伤(图11). 而FM1机械稳定性能和涂敷性能均较好，能有效改善轮轨黏着系数，同时轮轨材料磨损和损伤也较轻微.

干态下未使用摩擦改性剂时，轮轨黏着(摩擦)系数维持在0.35~0.45之间；使用摩擦改性剂时，黏着系数可调节至0.2~0.3范围内，其中，FM1在用量较大时(大于8 μl)，黏着系数能较长时间保持在0.2~0.3水平. 干态下未使用摩擦改性剂时，轨磨损率为31.78和43.92 μg/m，轮轨表面形成明显的疲劳裂纹损伤；使用摩擦改性剂后，轮轨磨损率明显减小，其中，FM1在最佳用量下(14 μl)可使轮轨磨损率降低至未使用时的23%和41%，轮轨表面损伤轻微，仅出现轻微裂纹，裂纹长度和深度明显减小.

3.   结论

a. 加入水基FM后轮轨黏着系数由干态下0.35~0.45迅速下降至0.1左右，随循环次数的增加，黏着系数逐渐增加至干态水平；随涂敷量增加，水基FM的作用转数和最佳作用转数均呈现增加趋势，水基FM1最佳作用转数占比大于水基FM2，水基FM1和FM2最佳单次涂敷量为14和8 μl.

b. 干态下轮轨试样磨损率分别为31.78和43.92 μg/m，水基FM1介质下轮轨试样的磨损率明显降低，仅为干态下的23%和41%；水基FM2介质下车轮试样的磨损率略高于干态，钢轨试样的磨损率为干态下的64%.

c. 干态下轮轨试样出现起皮、剥落坑和多层裂纹；水基FM1介质下轮轨试样损伤最为轻微，出现微裂纹和点蚀；水基FM2介质下轮轨试样出现大面积起皮、剥落坑和多层裂纹. 相比水基FM2，水基FM1作用下轮轨黏着水平更优、轮轨磨损与损伤更加轻微.