皮國瑞，張曉軍，崔 蕾，于 磊，蘇 鵬，劉 冬

25K型普通鐵路客車裝用的CW-2、SW-160和209HS三種轉(zhuǎn)向架均采用全旁承支重結(jié)構(gòu)，部分城市軌道列車有的也采用旁承支重結(jié)構(gòu)。承載摩擦副的性能直接影響列車蛇形失穩(wěn)臨界速度及車輛曲線通過性能。承載摩擦副性能的最重要指標(biāo)是摩擦系數(shù)，同時(shí)還應(yīng)兼顧耐磨性、自潤滑性、高可靠性。通過車輛動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算分析，承載摩擦副摩擦系數(shù)與車輛蛇形失穩(wěn)臨界速度相對(duì)關(guān)系如圖1所示。

圖1 摩擦系數(shù)對(duì)臨界速度的影響

產(chǎn)品摩擦系數(shù)不是材料的固有屬性，它與產(chǎn)品本身特性、產(chǎn)品表面形狀等都有很大關(guān)系。因此，在實(shí)際條件下直接進(jìn)行摩擦系數(shù)測試非常重要。

出口土耳其伊茲密爾的輕軌列車采用旁承支重結(jié)構(gòu)，承載摩擦副下旁承選用含油鑄型尼龍材料，其具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能、自潤滑性能、耐磨、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。上旁承選用不銹鋼材質(zhì)，具有良好的抗氧化性、耐腐蝕性能和防銹性能。

本文介紹對(duì)承載摩擦副進(jìn)行摩擦系數(shù)測試，最終確定車輛蛇形失穩(wěn)臨界速度的方法。

1 試驗(yàn)裝置

摩擦系數(shù)試驗(yàn)裝置選用軌道車輛空氣彈簧綜合性能試驗(yàn)臺(tái)，機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。試驗(yàn)臺(tái)采用多軸協(xié)同加載系統(tǒng)控制作動(dòng)器可對(duì)試件進(jìn)行協(xié)同加載，準(zhǔn)確模擬和實(shí)現(xiàn)試件在各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，準(zhǔn)確模擬車輛工況。

圖2 摩擦系數(shù)測試試驗(yàn)臺(tái)

2 測試方法

TB/T3270-2011《鐵道貨車心盤磨耗盤》及TB/T2841-2010《鐵道車輛空氣彈簧》對(duì)摩擦系數(shù)測試的條件分別規(guī)定了不同的試驗(yàn)方法，循環(huán)次數(shù)、載荷條件、試驗(yàn)振幅及試驗(yàn)速度均不相同。兩個(gè)鐵路標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)振幅、試驗(yàn)速度及載荷與車輛實(shí)際工況也不相同。為準(zhǔn)確測試承載摩擦副摩擦系數(shù)，將試驗(yàn)載荷、循環(huán)次數(shù)、試驗(yàn)振幅、試驗(yàn)速度、水平定位剛度等因素分別作為單一變量測試，以確定最終測試方法。

2.1 垂向試驗(yàn)載荷摩擦系數(shù)試驗(yàn)臺(tái)僅可模擬每臺(tái)轉(zhuǎn)向架一組摩擦副進(jìn)行摩擦系數(shù)測試試驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算，承載摩擦副的靜態(tài)垂向載荷見表1。

表1 車輛靜態(tài)載荷表

分別選用37.3kN作為AW0試驗(yàn)載荷，71.5kN作為AW3試驗(yàn)載荷。在速度2.3mm/s、振幅±15mm、水平剛度4kN/mm的試驗(yàn)條件下進(jìn)行不同垂向試驗(yàn)載荷的摩擦系數(shù)對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 垂向載荷對(duì)摩擦系數(shù)影響

隨著垂向載荷增加，承載摩擦副的摩擦系數(shù)呈降低趨勢。垂向載荷不同，承載摩擦副產(chǎn)生的塑性變形量也不同，隨垂向載荷增加，承載摩擦副接觸面積會(huì)相對(duì)增大，其產(chǎn)生的壓應(yīng)力變化與垂向載荷非正比關(guān)系，垂向載荷與水平力對(duì)比折線圖如圖4所示。由于垂向載荷會(huì)影響承載摩擦副的摩擦系數(shù)，空、重車載荷均需進(jìn)行測試。

圖4 垂向載荷與水平力對(duì)比折線圖

2.2 循環(huán)次數(shù)TB/T2841-2010《鐵道車輛空氣彈簧》對(duì)循環(huán)次數(shù)規(guī)定“先進(jìn)行10個(gè)周期的預(yù)循環(huán)，記錄第11個(gè)循環(huán)的載荷位移數(shù)據(jù)?！保籘B/T3270-2011《鐵道貨車心盤磨耗盤》對(duì)循環(huán)次數(shù)規(guī)定“試件預(yù)磨300次（每個(gè)循環(huán)為一次），再循環(huán)運(yùn)行20此后，方可正式測試摩擦系數(shù)?！痹囼?yàn)振幅為±15mm，試驗(yàn)速度按2.3mm/s，試驗(yàn)載荷為車輛重車載荷，水平剛度4kN/mm，不同循環(huán)次數(shù)條件下，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)對(duì)比表

摩擦系數(shù)變化幅值為0.0084，隨著試驗(yàn)次數(shù)每增加100次，摩擦系數(shù)僅變化0.0081，試驗(yàn)次數(shù)對(duì)摩擦系數(shù)影響不大。為節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間，確定每次摩擦系數(shù)測試試驗(yàn)的預(yù)摩擦試驗(yàn)次數(shù)為100次。

2.3 試驗(yàn)振幅TB/T3270-2011規(guī)定試驗(yàn)振幅為±15mm，TB/T2841-2010規(guī)定試驗(yàn)振幅為±10mm，車輛在最小水平曲線狀態(tài)下振幅為±5.6mm。試驗(yàn)速度按2.3mm/s，試驗(yàn)載荷為車輛重車載荷，水平剛度4kN/mm，經(jīng)過100次預(yù)循環(huán)后，通過測試，在不同試驗(yàn)振幅條件下，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同試驗(yàn)振幅對(duì)比表

不同試驗(yàn)振幅條件下，摩擦系數(shù)變化幅值為0.0039，為達(dá)到更好的預(yù)磨效果，確定試驗(yàn)振幅為±15mm。

2.4 試驗(yàn)速度TB/T3270-2011規(guī)定試驗(yàn)速度為12mm/s，TB/T2841-2010規(guī)定試驗(yàn)速度為5mm/s，車輛在通過曲線狀態(tài)下的摩擦副相對(duì)旋轉(zhuǎn)速度為2.3mm/s。試驗(yàn)振幅按±15mm，水平剛度4kN/mm，試驗(yàn)載荷為車輛重車載荷，經(jīng)過100次預(yù)循環(huán)后，通過測試，在不同試驗(yàn)速度條件下得到的試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同試驗(yàn)速度對(duì)比表

摩擦系數(shù)變化幅值為0.0159，由于列車通過曲線時(shí)，承載摩擦副相對(duì)移動(dòng)速度為2.3mm/s,為更貼合車輛實(shí)際情況，確定試驗(yàn)速度為2.3mm/s。

2.5 水平定位剛度承載摩擦副下部使用剛性支承和圓錐橡膠彈簧支承進(jìn)行對(duì)比測試，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同水平定位方式對(duì)比表

圓錐橡膠彈簧支承與車輛結(jié)構(gòu)類似，均采用彈性定位，但圓錐橡膠彈簧的水平剛度（4kN/mm）要遠(yuǎn)小于車輛水平定位剛度（50kN/mm）。通過測試，在不同水平剛度定位條件下，摩擦系數(shù)最大變化值為0.0169，根據(jù)車輛結(jié)構(gòu)情況，確定試驗(yàn)方案選用剛性支承。

3 摩擦系數(shù)測試

根據(jù)上述影響試驗(yàn)條件進(jìn)行驗(yàn)證，確定最終摩擦系數(shù)測試試驗(yàn)方法為：在剛性支承試驗(yàn)?zāi)Σ粮钡臈l件下，分別施加空、重車載荷，以2.3mm/s的速度和±15mm的振幅，經(jīng)過100次預(yù)循環(huán)后，正式測試摩擦系數(shù)，對(duì)兩個(gè)方向的水平力值取絕對(duì)值后平均，得到的平均值與垂向載荷的比值即為摩擦系數(shù)?？?、重車載荷狀態(tài)下摩擦系數(shù)測試結(jié)果分別見圖5和圖6。

圖5 空車載荷測試結(jié)果示意

圖6 重車載荷測試結(jié)果示意

4 結(jié)束語

軌道車輛承載摩擦副在上、下旁承表面狀態(tài)已確定的情況下，準(zhǔn)確測定摩擦系數(shù)對(duì)上、下旁承材質(zhì)選取至關(guān)重要。通過對(duì)試驗(yàn)臺(tái)影響因素的分別比較，試驗(yàn)振幅、循環(huán)次數(shù)、試驗(yàn)速度對(duì)承載摩擦副摩擦系數(shù)測試基本無影響，試驗(yàn)?zāi)Σ粮钡乃蕉ㄎ粍偠?，需根?jù)車輛具體情況進(jìn)行真實(shí)模擬。通過對(duì)含油鑄型尼龍與不銹鋼材質(zhì)鋼板組成的摩擦副進(jìn)行試驗(yàn)，測得空車載荷摩擦系數(shù)為0.1813，重車載荷下摩擦系數(shù)為0.1678，進(jìn)一步推算出車輛的蛇形失穩(wěn)臨界速度為180kM/h，承載摩擦副的摩擦系數(shù)符合材料的性能要求及車輛的運(yùn)用要求。