李圣鑫,李佳强,刘 林,刘少鹏,皇甫立志,熊光耀,沈明学*
(1.华东交通大学轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室,江西南昌 330013;2.大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室,湖南株洲 412001)
近年来，我国铁路行业迅速发展，铁路网络布局日趋完善，与此同时铁路安全运行所面临的挑战也在不断增大.以正在建设的超级工程―川藏铁路为例，全线海拔差近3 800米，沿线温度差极大，最低气温在−30 ℃以下，最高气温超过40℃，并且隧道众多，隧道内的相对湿度在80%以上[1].列车在驶入隧道时，接近外界环境温度的高速车轮滚动体表面将遭遇隧道内的高湿气流，环境温湿度的剧烈变化必然对轮轨摩擦副的接触行为产生显著影响.文献[2-3]报道，澳大利亚某铁路隧道内存在因环境潮湿引起钢轨异常的表面裂纹和疲劳剥落.
目前，国内外学者通过各种试验手段对不同温度下轮轨接触过程中的黏着、损伤行为及机理开展了大量研究，证明了环境温度对轮轨的疲劳断裂[4]、应力应变[5]和组织转变[6-7]等均有显著影响.Hossrin等[8]研究指出温度是引起应力和应变发生改变的重要因素之一，也是诱发材料相变的主因.在环境温度与其他因素耦合作用下，轮轨间的黏着与损伤也变得更加复杂.Lyu等[9-10]利用销盘试验机研究了不同温度下未氧化和氧化两种不同轮轨摩擦副的磨损行为，发现未被氧化的轮轨材料在室温条件下以黏着磨损为主，在低温下黏着磨损加剧，磨损增加；
而被氧化的轮轨材料则以磨粒磨损为主，随着温度的下降，大量的磨损碎片被剪切下来变成第三体颗粒，加剧了轮轨材料的磨耗.其还研究了不同温度下积雪对轮轨黏着与损伤的影响，发现当接触表面有积雪存在时，在摩擦热和剪切力的作用下，积雪会转变为液态水，这些液态水促进了氧化磨损的发生，氧化层可以显著降低摩擦系数和表面磨损；
当无积雪存在时，随着温度的降低，轮轨材料逐渐变脆，大量磨屑剥落形成第三体颗粒，增加了摩擦系数和磨损[11].Zhu等[12]研究了不同温度下氧化铁、树叶和乙二醇/水混合物对轮轨黏着的影响，发现在低温环境下，轮轨表面的铁氧化物可以有效抑制摩擦磨损，另外温度对乙二醇/水混合物的使用性能也具有重要影响.综上可以得出，环境温度的变化会显著影响第三体介质的效应，目前的研究涉及到氧化物、雨雪和树叶等第三体介质，但关于暖湿气流对轮轨界面影响的相关研究未见报道.
本文中针对列车驶入高湿隧道时轮轨界面遭遇暖湿气流所面临的潜在危险，模拟不同环境温度下，轮轨滚动界面遭遇高湿度气流的摩擦磨损行为，以期为实际列车轮轨的安全可靠服役提供理论参考.
1.1 试验设备及材料
图1所示为试验采用的低温环境轮轨磨损试验装置示意图.试验装置主要由JD-DRCF/M型双驱式滚动接触疲劳/磨损试验台和DLSD0L超低温制冷循环系统组成.包括(a)轮轨滚动磨损实验装置，(b)数据采集控制系统，(c)湿度发生装置，(d)低温腔体装置和(e)温度控制模块5个模块.轮轨滚动磨损试验装置(a)中通过1个加载电机对两滚轮之间进行法向力的加载，通过从动轴上的扭矩传感器来计算轮轨接触区域的切向力.在整个试验过程中，轮轨滚轮间的法向力和切向力被数据采集控制系统自动实时地测量和记录.低温腔体装置(d)由紫铜中空上腔体和紫铜中空下腔体组成，中空结构可流通载冷剂，载冷剂的循环受可编程逻辑控制器(PLC,Programmable logic controller)系统闭环控制，通过环境加热/冷却方式能够精确实现不同温度的复杂环境模拟，可变温度范围为±60℃，配有温度传感器实时检测温度，并连接系统自动反馈控制温度，控制精度在±1℃.
Fig.1 Schematic of environment-controlled wheel/rail rolling contact fatigue/wear testing apparatus图1环境可控轮轨滚动接触疲劳/磨损试验台结构示意图
1.2 试验方法
本试验在轮轨滚动接触试验台上通过等比例小尺寸试样模拟车轮与钢轨滚动接触，车轮试样材料选用现役中高速列车常用的ER8车轮踏面，钢轨试样材料选用与车轮适配的U75VG钢轨轨头，轮轨材料化学成分列于表1中，轮轨试样的取样和加工尺寸如图2所示，试样被加工成外径40 mm，内径16 mm的滚轮，与轮轨滚动试验台相适配.试验前，车轮钢轨试样表面均经过预打磨和抛光，轮轨试样的表面粗糙度控制在0.16μm左右.
根据赫兹接触准则，为模拟现场15 t左右轴重对应的轮轨间接触应力值约620 MPa，本文中轮轨试样间施加的法向载荷取560 N；
车轮试样转速为515 r/min，钢轨试样转速为500 r/min，对应蠕滑率为3%.在不同环境温度(−55～60℃)下，分别进行了6组试验，试验参数列于表2中，通入暖湿气流的温度为常温，湿度为99%，每次通入暖湿气流的时间为5 s，气流速度为3 L/min，每两次相邻通气间隔时间为3 min.
表2 试验参数表Table 2 Experimental parameter table
试样试验前后均超声清洗处理并冷风干燥，用电子天平对试样的质量进行称重，每个参数反复测量5次，去掉最值后取平均值，以此得到磨损量数据.磨损测试后利用冷场发射扫描电子显微镜(SEM，SU8010，Hitachi，Japan)观察车轮试样磨痕表面形貌，利用光学显微镜(OM，Olympus，BX53M，Japan)观察磨损截面金相显微组织、疲劳裂纹及塑性变形等情况.
2.1 轮轨界面黏着响应
图3所示为高湿度暖湿气流作用下不同环境温度对应的黏着系数时变曲线.从图3中可以看出，不同环境温度下，轮轨界面黏着系数遭遇暖湿气流后的响应行为存在着明显的区别.在低温环境(−55～−20℃)下，轮轨界面每遭遇1次暖湿气流都会引起黏着系数的瞬时下降，并且，在遭遇暖湿气流后总体黏着系数会有1个明显的攀升(图3中圈示)，升高后的总体黏着系数在整个试验过程中均较为稳定，没有再下降到原先阶段.但是，在高温环境(40～60℃)下，轮轨界面在遭遇暖湿气流后并没有出现瞬时的下降，反而会有1个小幅度的提升，在遭遇暖湿气流后，总体黏着系数也没有变化，还是处于平稳状态.根据有关学者在低温湿度方面的研究[13-15]，在−55～−20℃的低温环境下，低温钢轨遭遇室温的高湿气流，这种温度湿度变化将引起钢轨表面凝水甚至结霜成冰.根据Liew[16]和Lyu等[9]的研究，在高湿度环境下，轮轨表面易形成由水、磨屑和氧化物组成的第三体水合物，导致黏着系数显著降低，这可能是低温环境下每次遭遇暖湿气流后黏着系数显著下降的主要原因.而高温环境不同于低温环境，高湿度暖湿气流的介入并不会冷凝成水，形成第三体介质，所以黏着系数不会大幅度骤降，但由于暖湿气流的温度(室温)比轮轨滚动的环境温度(40、60℃)要低，并且其湿度也较高(99%)，所以当这种高湿度暖湿气流吹向轮轨表面，对轮轨表面起到了一定的降温作用.大量研究证实[6,17]：随着环境温度的降低，黏着系数上升.因此，当高湿度暖湿气流吹向轮轨表面，轮轨间黏着系数有小幅度的提升.
表 1车轮/钢轨试样的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical compositionsof wheel-rail materials (mass fraction)
Fig.2 Diagrammatic drawing of sample图2试样示意图
Fig.3 Changing curvesof wheel-rail adhesion coefficientsunder different ambient temperatures图3不同环境温度下轮轨间黏着系数变化曲线
为了深入研究不同环境温度下暖湿气流对轮轨界面黏着的影响，图4(a)所示为不同环境温度下单次暖湿气流进入轮轨界面引起黏着系数的响应，将黏着系数的变化量记为△f，将黏着系数从开始下降到恢复至原始水平的时长记为恢复时长t，图4(b)所示为所有温度环境下受高湿度暖湿气流影响黏着系数的变化量△f和恢复时长t.可以看出：与低温工况下相比，高温工况下轮轨间黏着系数对暖湿气流的响应明显更弱，表现为黏着系数受单次暖湿气流影响下的变化幅度更小，恢复时间也更短，黏着系数上升幅值仅为0.05左右，恢复时长在12 s左右；
在低温工况下，随着温度的升高，黏着系数的变化幅值减小，表明温度越高，暖湿气流的影响越小.
Fig.4(a)adhesion response of single warm and humid airflow;(b)response statistics of adhesion coefficients to warm and humid airflows under different ambient temperatures图4(a)单次暖湿气流的黏着系数响应；
(b)不同温度环境下黏着系数对暖湿气流的响应统计
2.2 车轮磨耗响应
Fig.5 Wear lossof wheel samplesunder different ambient temperaturesand high-humidity warm and humid airflows图5不同温度环境与高湿度暖湿气流作用下车轮钢轨的磨损量
图5 所示为不同环境温度高湿度暖湿气流作用下轮轨试样的磨损量.可以发现环境温度对车轮的磨损具有明显的影响，但对钢轨的影响则较小，不同环境温度和暖湿气流耦合作用下，钢轨材料的磨损基本保持稳定，保持在0.11g左右.而车轮材料的磨损在−20 ℃处有1个明显的界限，当温度低于−20℃时，车轮材料的磨损急剧增大.这是由于高速列车用的车轮材料的韧脆转变温度在−20℃左右[18]，大量研究已表明[19-21]：韧脆转变温度前后因材料自身性能迥异导致摩擦学行为发生显著变化.其原因主要可能有以下两个方面：首先，从材料组织性能的方向来看，低温环境下车轮材料的脆性明显比高温环境下更大，因此车轮材料更容易发生疲劳断裂.并且，由于间歇性高湿度暖湿气流的作用，低温环境下轮轨滚动过程中表面的剪切力呈现先急剧减小后急剧增大的规律性变化，应力更容易积累，进一步促进轮轨表面材料的剥落；
其次，从轮轨表面接触状态的角度来看，高温高湿环境相较于低温低湿环境更容易发生氧化作用，轮轨表面生成的氧化物对轮轨接触界面的摩擦起到一定润滑和保护作用.
2.3 车轮疲劳损伤响应
图6所示为不同环境温度作用下试验后车轮试样剖面损伤照片，从图6中可以看出，不同温度环境下遭遇暖湿气流，车轮材料剖面损伤形貌存在着明显的差异，低温工况下的剖面疲劳损伤明显更为严重.在低温(T＜−20℃)工况下，车轮材料的塑性变形层更厚，剖面裂纹在延伸一段距离后会转向表面伸展从而造成材料的剥落，并且出现了多层裂纹[图6(a～b)]；
而随着温度的升高，塑性变形层厚度减小，在次表层区域未发现明显的裂纹，裂纹多为几乎与表面平行的表层裂纹，但是分布更为密集.剖面损伤的试验结果与磨损量的结果相一致，进一步说明韧脆转变温度对轮轨材料的损伤具有显著影响.
众所周知，塑性变形行为与表面应力息息相关，当材料的表面应力不断积累超过了材料的屈服强度，就会发现塑性变形行为[22].因此低温下的塑性变形层厚度更厚的主要原因在于受到暖湿气流作用，轮轨界面的剪切力呈现周期性的先急剧减小再急剧增大恢复的变化规律[图4(a)]，应力不断积累导致出现了相比于高温工况更为严重的塑性变形和裂纹损伤.
Fig.6 OM and SEM micrographsof section damagesof wheel under the action of different ambient temperature and high humidity warm and humid airflow:(a)−55℃;(b)−40℃;(c)−20℃;(d)0℃;(e)40℃;(f)60℃图6不同环境温度与高湿度暖湿气流作用下车轮试验剖面损伤形貌的OM和SEM照片(a)−55℃；
(b)−40℃；
(c)−20℃；
(d)0℃；
(e)40℃；
(f)60℃
Fig.7 3D surface contouring of wheel surfaces at different ambient temperatures and high humidity warm and humid airflows:(a)−40℃;(b)0℃;(c)40℃图7不同环境温度与高湿度暖湿气流作用下车轮试样三维轮廓图：(a)−40℃；
(b)0℃；
(c)40℃
图7 所示为试验后车轮表面三维形貌图，可以发现低温工况下车轮表面出现了明显的大而深的剥落坑，温度低于−40 ℃时，大剥落坑的长宽均超过了150 μm，深度超过了10μm.与之相反的是，高温工况下的车轮表面则明显更为平整，表面剥落坑的深度和面积也更小，但是分布更加密集，这与图6所示的车轮剖面损伤图相一致.图8所示为不同服役温度下试验后车轮表面的算术平均粗糙度Sa和均方根粗糙度Sq，可以发现：两种粗糙度变化与磨损量的变化呈现出相似的变化趋势，低温-40℃时车轮表面最为粗糙(Sa=3.078μm)，随时环境温度的升高，磨损表面粗糙值显著下降，在服役温度到60℃时车轮表面粗糙度值较小，Sa仅为1.009μm.
Fig.8 Surface roughness of wheel under different ambient temperatures and high humidity warm and humid airflows 图8不同温度环境与高湿度暖湿气流作用下车轮表面粗糙度
图9 所示为试验后车轮试样磨损表面扫描电镜照片，可以发现：在低温工况下，车轮表面的疲劳损伤明显，存在较深的表面疲劳裂纹和剥落坑，这些剥落坑就是与图7中所对应的氧化特征明显，有磨屑堆积在车轮试样表面形成的第三体层[图9(c)].当环境温度为−55℃时，磨损表面存在剥落坑，磨损表面存在的磨屑导致磨损表面擦伤，出现不明显的犁沟.这正是由于在极端低温环境下材料的脆性增加，疲劳剥落形成的磨屑颗粒保持在轮轨滚滑界面上，在对磨副表面犁削形成“砂轮效应”造成的[23].在不同环境温度下，车轮磨损表面均发现了氧化磨损的特征，但不同的是，在低温环境下，氧化区域呈现大片区域聚集，而高温环境下，氧化区域是以小面积的斑点形式存在的.这可能是由于在低温环境工况下，遭遇高湿度暖湿气流，在轮轨表面冷凝形成了水膜，有水聚集的区域更容易氧化，水是诱导氧化的主要因素，因此在低温环境下才会存在大面积区域的氧化.而高温环境下，遭遇暖湿气流不会凝结成水，因此水不是诱导氧化的主要因素，高温高湿环境才是，所以在高温环境下的氧化区域更为分散，呈现斑点形.
随着环境温度的升高，高温工况下的车轮表面疲劳磨损有所减缓，表面的裂纹和剥落坑减少，所以平整.高温和低温环境下遭遇高湿度暖湿气流时，车轮磨损表面出现了迥异的疲劳特征，这与图5所示的磨损趋势相对应.
Fig.10 SEM micrographsof thewheel worn surfacesunder different ambient temperaturesand high humidity warm and humid airflows:(a)−55℃;(b)−40℃;(c)−20℃;(d)0℃;(e)40℃;(f)60℃图10不同环境温度与高湿度暖湿气流作用下轮轨界面磨屑SEM照片：(a)−55℃；
(b)−40℃；
(c)−20℃；
(d)0℃；
(e)40℃；
(f)60℃
图10 所示为不同环境温度下轮轨滚动界面产生的磨屑照片，从图10中可以看出环境温度对轮轨的磨屑尺寸具有明显影响，低温环境下的磨屑尺寸明显比高温下要大，在低温环境下，磨屑主要由片状和颗粒状组成，而在高温环境下，磨屑则呈现小的颗粒状.该结果与磨损区域三维形貌的结果相吻合(图7)，进一步证明了在高温环境和低温环境遭遇暖湿气流时磨损机制存在差异.
a.高湿度暖湿气流作用下，服役温度对轮轨界面的黏着存在显著影响，低温环境下，遭遇高湿度暖湿气流会导致轮轨间黏着系数瞬时下降，但在高温环境下，在遭遇高湿度暖湿气流后，黏着系数会出现轻微的上升.温度越高，暖湿气流对黏着系数的影响越小.
b.低温环境下遭遇暖湿气流的车轮表面，塑性变形与表面裂纹相比于高温环境明显更为严重.
c.低温环境下车轮的磨损机制主要为疲劳磨损、氧化磨损和磨粒磨损；
高温下则为疲劳磨损、氧化磨损和黏着磨损.