周渝鈞，區(qū)俊杰，鄭潤(rùn)婷，歐洋婷，劉吉華，何成剛，林群煦

（1.五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院，廣東 江門 529020；2.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

地鐵作為綠色、環(huán)保、高效的交通工具，是未來城市軌道交通的發(fā)展趨勢(shì). 由于城市地理環(huán)境復(fù)雜，使得在地鐵線路的設(shè)計(jì)中不得不采用數(shù)量眾多的小半徑曲線，這造成輪軌材料產(chǎn)生了不同程度的輪緣磨耗和鋼軌側(cè)磨[1]. 結(jié)合長(zhǎng)期地鐵現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)積累的經(jīng)驗(yàn)，以及各個(gè)城市和不同地鐵路段的不同情況，我國(guó)學(xué)者對(duì)改善輪緣磨耗給出了相應(yīng)的建議：如制定車輪定期掉頭運(yùn)行機(jī)制[2]、控制小半徑曲線列車速度[3]，對(duì)于已經(jīng)發(fā)生輪緣異常磨耗的車輪通過鏇修的方式恢復(fù)車輪至設(shè)計(jì)外形[4-5]，在運(yùn)行過程中通過使用輪緣/鋼軌軌距角潤(rùn)滑系統(tǒng)來改善輪緣和軌距角的接觸狀態(tài)[6-7]. 國(guó)外輪軌關(guān)系研究學(xué)者針對(duì)輪緣潤(rùn)滑開展了大量的探索與研究. 美國(guó)聯(lián)合鐵路公司的Thelen等[8]早在1996年就基于全尺寸試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)輪軌表面粗糙度、輪軌型面尺寸等參數(shù)對(duì)輪緣潤(rùn)滑效率的影響規(guī)律. 巴西圣埃斯皮里圖聯(lián)邦大學(xué)的Almeida等[9]利用銷盤試驗(yàn)機(jī)研究了不同車輪材料的輪緣與鋼軌軌距角的滑動(dòng)摩擦行為. 國(guó)內(nèi)金泰木等[10]探究了輪緣潤(rùn)滑對(duì)重載列車曲線通過性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)車通過小半徑曲線且處于輪緣潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)，輪對(duì)的導(dǎo)向性能將減弱. 西南交通大學(xué)溫邦等[11]探究地鐵車輛輪緣潤(rùn)滑對(duì)車輪磨耗的影響，建議在正線中、在潤(rùn)滑狀態(tài)下給列車整車安裝輪緣潤(rùn)滑器.

對(duì)于輪緣磨耗，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的Fukagai和Lewis教授[12]提出在車輪和鋼軌表面引入表面紋理，以此降低車輛爬坡脫軌風(fēng)險(xiǎn). 研究表明，在某些接觸表面進(jìn)行相應(yīng)的凹坑設(shè)計(jì)可以起到儲(chǔ)油與減磨的作用[13-14]. 激光表面微織構(gòu)能夠儲(chǔ)存潤(rùn)滑介質(zhì)，使得接觸界面形成動(dòng)壓效應(yīng)，進(jìn)而改善摩擦副間的接觸狀態(tài)，已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于機(jī)械行業(yè)摩擦表面，如汽車內(nèi)燃機(jī)中的密封環(huán)、氣缸、止推軸承、機(jī)床導(dǎo)軌以及頻繁啟停的部件[15-16]. 本文擬將激光微織構(gòu)應(yīng)用于輪緣和鋼軌軌距角的接觸界面，利用大滑差線接觸狀態(tài)模擬地鐵車輛通過小曲線半徑類曲線路段，探討不同激光微織構(gòu)參數(shù)（形貌、分布率）及試驗(yàn)過程噴涂油量對(duì)輪緣/軌距角潤(rùn)滑效率的影響規(guī)律，旨在提高地鐵車輛輪緣/軌旁潤(rùn)滑系統(tǒng)的潤(rùn)滑效率，緩解地鐵車輛通過小曲線半徑路段輪軌材料的損傷.

1 試驗(yàn)部分

1.1 激光表面微造型試驗(yàn)

用光纖激光打標(biāo)機(jī)對(duì)鋼軌試樣表面進(jìn)行表面微造型打標(biāo). 光纖打標(biāo)機(jī)的主要參數(shù)包括：激光功率、激光頻率、旋轉(zhuǎn)軸速度以及打標(biāo)次數(shù)，通過調(diào)節(jié)上述參數(shù)可以改變微造型的形貌. 對(duì)比分析不同激光功率與激光頻率下凹坑三維形貌圖發(fā)現(xiàn)：35 kHz、18 W 時(shí)所制備的凹坑深度、直徑及外觀形貌較為規(guī)律，且分布均勻.

由于地鐵車輛通過小半徑曲線路段時(shí)輪軌之間的接觸應(yīng)力很大（最高能達(dá)到1 600 MPa），若采用微米級(jí)的小凹坑很容易在試驗(yàn)過程中被磨除，所以本研究擬在規(guī)則的宏觀形貌下填充微米級(jí)的凹坑，從而保證微造型凹坑不容易磨除. 本文設(shè)計(jì)了矩形、圓形與菱形的激光微造型，并以50 μm 的微小圓形進(jìn)行陣排列，具體如圖1-a所示，進(jìn)而得到鋼軌試樣表面的激光微造型，如圖1-b所示. 通過NaoMap-D型三維形貌儀對(duì)微造型形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)制備的微造型中凹坑陣列形式明顯、凹坑整體形貌規(guī)則有序，如圖1-c所示.

圖1 不同激光微造型的分布、形狀及局部形貌圖

在鋼軌試樣表面制備矩形、圓形及菱形形貌，在各個(gè)宏觀微造型內(nèi)以小凹坑進(jìn)行陣列填充，且保持各個(gè)宏觀微造型面積均為 2 mm2，即矩形尺寸為1 mm ×2 mm，圓形直徑為1.8 mm，菱形邊長(zhǎng)約為1.52 mm. 根據(jù)宏觀微造型形貌面積及鋼軌試樣表面面積，對(duì)微造型分布率進(jìn)行推導(dǎo)：

式中，n為凹坑個(gè)數(shù)；r為內(nèi)部填充凹坑的半徑，約20 μm；S為單個(gè)微造型面積；m為單個(gè)微造型個(gè)數(shù)；l為鋼軌試樣表面寬度；R為鋼軌試樣半徑，20 mm.

1.2 輪緣潤(rùn)滑試驗(yàn)

本研究涉及微造型分布率、噴涂油量及微造型形貌三組試驗(yàn)水平變量，為優(yōu)化試驗(yàn)引入正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，其具體因素水平如表1所示，得到的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示.

表1 因素水平表

表2 三種變量下的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探討多因素水平對(duì)輪緣潤(rùn)滑的影響，本研究擬在MMS-2A磨損試驗(yàn)機(jī)上開展輪緣潤(rùn)滑饑餓試驗(yàn)[17]. 輪軌試樣尺寸如圖2-b所示，下試樣為車輪試樣，上下試樣均為圓環(huán)形狀，采用線接觸形式.兩試樣內(nèi)、外徑分別為16 mm 和40 mm，輪軌試樣接觸寬度為5 mm. 根據(jù)赫茲接觸模擬準(zhǔn)則，實(shí)驗(yàn)室模擬輪軌間最大接觸應(yīng)力為400 MPa，輪軌間滑差率為10%，車輪轉(zhuǎn)速為200 r/min. 經(jīng)計(jì)算上試樣轉(zhuǎn)速為180 r/min，輪軌間垂向試驗(yàn)力為230 N. 本文擬通過輪緣潤(rùn)滑饑餓試驗(yàn)考察三種變量對(duì)輪軌潤(rùn)滑效率的影響，通過分析輪軌間摩擦系數(shù)變化規(guī)律得出潤(rùn)滑性能最優(yōu)的方案. 考慮到試驗(yàn)過程中較大油量（如0.3 mL）的潤(rùn)滑持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于較小油量（如0.1 mL）的，為保證后期正交試驗(yàn)分析的準(zhǔn)確性，本文以潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)間與總時(shí)間的比值作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，即通過時(shí)間比來判斷潤(rùn)滑性能的優(yōu)劣.

圖2 取樣圖及輪軌試樣尺寸

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 輪緣潤(rùn)滑試驗(yàn)結(jié)果

按表2設(shè)計(jì)進(jìn)行輪緣潤(rùn)滑饑餓試驗(yàn)，依次將鋼軌試樣與車輪試樣安裝到試驗(yàn)臺(tái)，并設(shè)置轉(zhuǎn)速、試驗(yàn)力等具體參數(shù). 試驗(yàn)初期，輪軌之間進(jìn)行干摩擦，摩擦系數(shù)隨時(shí)間不斷上升，當(dāng)摩擦系數(shù)達(dá)到0.35左右并穩(wěn)定后利用注射器從法向方向噴涂預(yù)先設(shè)計(jì)的油量，摩擦系數(shù)驟降，達(dá)到0.23左右維持穩(wěn)定，輪緣潤(rùn)滑實(shí)物圖如圖3所示. 隨著時(shí)間的推移，輪軌間的摩擦系數(shù)逐漸升高，最終再次維持在0.35左右，隨后重復(fù)噴涂潤(rùn)滑油.

圖3 潤(rùn)滑狀態(tài)下的運(yùn)行工況圖

輪緣潤(rùn)滑饑餓試驗(yàn)后對(duì)輪軌摩擦系數(shù)進(jìn)行歸類分析，具體結(jié)果如圖4所示：

圖4 三組形貌對(duì)應(yīng)的時(shí)間-摩擦系數(shù)圖

1）圖4-a圓形形貌對(duì)應(yīng)的三組試驗(yàn)，其潤(rùn)滑效率規(guī)律隨機(jī)性較大，該形貌的潤(rùn)滑持續(xù)時(shí)間與未進(jìn)行激光微造型處理的鋼軌試樣沒有太大的區(qū)別. 在試驗(yàn)過程中，隨著潤(rùn)滑脂的不斷堆積，在輪軌潤(rùn)滑界面中出現(xiàn)了“二次潤(rùn)滑現(xiàn)象”[18]，這導(dǎo)致了摩擦系數(shù)的波動(dòng).

2）矩形形貌的部分曲線可以總結(jié)出一定的潤(rùn)滑特性規(guī)律，但仍然受“二次潤(rùn)滑現(xiàn)象”的干擾，如圖4-b所示. 值得注意的是在試驗(yàn)初期，由于還沒有產(chǎn)生大量的潤(rùn)滑脂堆積，所以在第一個(gè)潤(rùn)滑周期內(nèi)，摩擦系數(shù)極少出現(xiàn)再次潤(rùn)滑現(xiàn)象，但隨著時(shí)間的推移，“二次潤(rùn)滑現(xiàn)象”更加明顯. 在黑線（矩形、分布率2.50%和用油量0.3 mL）中，由于0.3 mL 自身的一次性噴涂量較大，在第一次噴涂后就造成了鋼軌試樣兩側(cè)大量的潤(rùn)滑油堆積，進(jìn)而在第一個(gè)潤(rùn)滑周期內(nèi)出現(xiàn)了3次“二次潤(rùn)滑現(xiàn)象”，其余兩組試驗(yàn)均是在試驗(yàn)中后期出現(xiàn)二次潤(rùn)滑的現(xiàn)象. “二次潤(rùn)滑現(xiàn)象”在試驗(yàn)中有效提高了潤(rùn)滑時(shí)間與總時(shí)間的比值，從理論上看能夠起到更好的潤(rùn)滑維持性能，但在未來的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，這種現(xiàn)象存在明顯弊端，如在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過程中很難隨時(shí)把控其自身潤(rùn)滑規(guī)律，需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)調(diào)研和統(tǒng)計(jì)，才能大致推算出其潤(rùn)滑規(guī)律來指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用.

3）圖4-c為菱形形貌的時(shí)間-摩擦系數(shù)圖，其在磨損試驗(yàn)初期均未出現(xiàn)“二次潤(rùn)滑現(xiàn)象”，其中黑線（菱形、分布率2.50%和用油量0.1 mL）與藍(lán)線（菱形、分布率7.75%和用油量0.3 mL）的前4個(gè)潤(rùn)滑周期規(guī)律相似，且潤(rùn)滑持續(xù)時(shí)間相近，紅線（菱形、分布率5.25%和用油量0.2 mL）工況下潤(rùn)滑持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且在該狀態(tài)下并未出現(xiàn)“二次潤(rùn)滑現(xiàn)象”.

4）圖4-a中的黑線（圓形、分布率2.50%和用油量0.2 mL）與圖4-c的紅線（菱形、分布率5.25%和用油量為0.2 mL）在潤(rùn)滑狀態(tài)下的持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)，顯然與傳統(tǒng)潤(rùn)滑的觀點(diǎn)“所噴涂的潤(rùn)滑脂越多，其潤(rùn)滑時(shí)間就越久”[19-20]不相符，也證明了微造型對(duì)潤(rùn)滑有很大影響.

2.2 正交試驗(yàn)分析

本研究中數(shù)據(jù)組為3因素3水平的正交試驗(yàn) L9(34)以及每一次實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的潤(rùn)滑時(shí)分比H（潤(rùn)滑維持時(shí)間∶總時(shí)間），結(jié)果列于表3，加油時(shí)間點(diǎn)的選取、加油位置、加油速度、輪軌安裝位置等條件一致. 從表3可以看出潤(rùn)滑時(shí)分比的范圍為4.9%～78.59%，其中水平組合A2B1C2（菱形、分布率5.25%和噴涂油量0.2 mL）的潤(rùn)滑時(shí)分比H最高（78.59%）.

表3 正交試驗(yàn)分配表

三組水平變量試驗(yàn)所涉及的試驗(yàn)共有27組，而現(xiàn)根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)只完成了其中最具代表性的9組試驗(yàn). 由于這9組實(shí)驗(yàn)中最好的結(jié)果不一定是整個(gè)27組試驗(yàn)中最好的，故需要進(jìn)一步利用正交試驗(yàn)進(jìn)行分析. 本文采用正交試驗(yàn)的直觀分析法來分析輪軌潤(rùn)滑效果的最優(yōu)水平組合. 一般定義Tij為表3第j列中與水平i相對(duì)應(yīng)的各次實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和（i=1,2,3;j=1,2,3）；記T為9次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總和，Rj為第j列的3個(gè)Tij的極差（極差越大對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越大）. 按該方法，對(duì)因素A在每一水平下所做試驗(yàn)的H值進(jìn)行加和、取極差，結(jié)果如表4所示.

表4 T 值計(jì)算結(jié)果

表4中因素A的Rj計(jì)算值最大，其9次試驗(yàn)結(jié)果的總和為379.73，四因素極差大小的順序?yàn)锳,B,C,D. 由此可以看出：要使?jié)櫥瑫r(shí)分比H最優(yōu)，需要優(yōu)先控制好因素A（噴涂油量）和C（分布率），其次是要考慮因素B（微造型形貌）和D（空列）. 為方便計(jì)算. 引入空列D作為數(shù)據(jù)組，在表4一列中選取最大的T21（即取水平A2），同理可選出最好的因素水平搭配是A2B1C2D1，即輪緣涂油量選用0.2 mL、激光微織構(gòu)形貌為菱形形貌，分布率為5.25%時(shí)，這一組的時(shí)分比H最優(yōu)，輪軌潤(rùn)滑效果最好. 直觀分析法雖然直觀、簡(jiǎn)單和便捷，但未考慮誤差對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，極大降低了試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，可采用方差分析來確認(rèn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性. 方差分析又稱“變異數(shù)分析”，它通過公式計(jì)算推導(dǎo)出各數(shù)據(jù)之間的差異是否顯著，并以此確定多個(gè)因素的主效應(yīng)和數(shù)據(jù)之間相互的交互作用[21-23]. 以上3種因素對(duì)H影響的顯著性以及整個(gè)正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)置信度的方差分析結(jié)果如表5所示.

表5 方差分析表

表5結(jié)果表明：三個(gè)因素對(duì)時(shí)間比H的影響都不顯著，究其原因是本例試驗(yàn)誤差大且誤差自由度小，使檢驗(yàn)的靈敏度低，從而掩蓋了考察因素的顯著性. 由于各因素對(duì)摩擦系數(shù)影響都不顯著，故不必再進(jìn)行各因素水平間的多重比較. 此時(shí)，可從表4中選擇平均數(shù)大的水平A2B1C2（菱形、分布率5.25%和用油量0.2 mL）組合為最優(yōu)水平.

3 結(jié)論

為解決輪緣/軌矩角潤(rùn)滑容易造成軌道污染和潤(rùn)滑脂大量浪費(fèi)的問題，創(chuàng)新性地在鋼軌軌矩角表面制備具備儲(chǔ)油功能的激光微織構(gòu)，利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)試驗(yàn)和結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）在時(shí)間-摩擦系數(shù)曲線中，干態(tài)下摩擦系數(shù)始終維持在 0.35 左右，潤(rùn)滑狀態(tài)下維持在 0.23左右，改變微造型形貌、分布率及潤(rùn)滑脂的噴涂量時(shí)，摩擦系數(shù)的大小均未出現(xiàn)明顯的變化. 所以，在潤(rùn)滑狀態(tài)下摩擦系數(shù)的大小只與潤(rùn)滑脂的自身性能有關(guān)，與激光微造型的形貌等因素?zé)o關(guān). 對(duì)比菱形、矩形和圓形三組形貌的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以清晰看到部分用油量大的試驗(yàn)組，其潤(rùn)滑性能并非全部?jī)?yōu)于用油量少的試驗(yàn)組，這打破了傳統(tǒng)潤(rùn)滑“噴涂潤(rùn)滑介質(zhì)越多，潤(rùn)滑狀態(tài)保持時(shí)間越久，潤(rùn)滑性能越優(yōu)異”的觀點(diǎn). 進(jìn)一步試驗(yàn)證明，激光微造型形貌的種類與分布率在輪緣潤(rùn)滑過程中起著至關(guān)重要的作用，故將激光微造型技術(shù)引入到輪軌潤(rùn)滑界面十分必要.

2）通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)出9組試驗(yàn)，并根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析得出最優(yōu)的方案為 A2B1C2D1（菱形形貌、分布率5.25%和用油量0.2 mL，D為空列）. 三種水平變量（微造型形貌、分布率和噴涂油量）對(duì)輪緣潤(rùn)滑性能的影響中，潤(rùn)滑脂的噴涂油量與激光微造型的分布率起著主要影響因素，微造型形貌種類為次要因素. 這一結(jié)論為日后進(jìn)一步開展相應(yīng)課題研究提供了方向.