不同固体润滑剂对地铁轮轨磨损的实验研究

作     者：孙培文 

作者单位：北京建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱爱华

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：磨损实验 固体润滑剂 磨耗量 表面硬化 表面疲劳损伤 

摘      要：随着地铁运行速度和客流量的不断增加,轮轨磨损问题日益严重,润滑是最有效的减磨方法之一。相比润滑油,固体润滑剂具有效果好、价格低和应用方便的优点,且不会引起油楔效应。本文以二硫化钼和两种石墨基的3种不同固体润滑剂为研究对象,使用GPM-60摩擦磨损实验机对新型CL60钢车轮和原CL60钢车轮及与其对磨的U75V钢轨试样组进行了摩擦磨损实验,以研究不同的固体润滑剂对降低轮轨磨损的影响。分析了4种不同润滑工况对轮轨试样的磨耗、表面硬化、疲劳损伤的影响规律。本文的主要内容和创新点如下:（1）介绍了实验所需的轮轨材料和3种固体润滑剂的成分;根据润滑材料及轮轨试样,设计了8组不同实验工况;依据赫兹准则,模拟实际地铁14t轴重、70km/h的典型工况,计算了轮轨试样的几何尺寸、模拟实验速度和实验载荷等参数;改装了润滑装置及对应的固定支架。（2）研究了干态和3种不同固体润滑剂对轮轨试样的磨耗量、磨耗率、轮轨总磨耗的影响。结果表明:固体润滑剂的使用明显降低了轮轨试样的磨耗,相比干态工况,Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型固体润滑剂作用下,新型CL60-U75V和CL60-U75V轮轨总磨耗量分别降低了94.25%和95.07%、80.01%和82.15%、78.10%和81.31%。Ⅰ型固体润滑剂的减磨效果最好,Ⅱ型固体润滑剂次之,Ⅲ型固体润滑剂相对较差。（3）研究了不同固体润滑剂对轮轨表面硬度的影响规律,并进一步分析了轮轨表面硬度对磨耗的影响。结果表明:随着运转次数的增加,4种工况下的轮轨试样表面均发生了不同程度的硬化现象;与干态工况相比,Ⅱ型和Ⅲ型两种固体润滑剂的使用降低了2组轮轨试样的表面硬化率。在磨合阶段,轮轨表面硬度和车轮磨耗率均呈现出快速增加的趋势;在磨合期后,车轮磨耗率会随着表面硬度的增长而下降,而钢轨磨耗率和表面硬度则趋于相对稳定。（4）从轮轨试样表面宏观形貌、微观形貌、塑性变形以及横截面裂纹等方面,研究了不同固体润滑剂对轮轨表面疲劳损伤的影响。研究表明:固体润滑剂的使用明显降低了轮轨表面宏观磨痕宽度,但加重了试样表面的疲劳损伤和裂纹现象;Ⅰ型固体润滑剂减小了新型CL60钢车轮表面塑性变形层的厚度,增加了CL60轮试样的变形层的厚度,同时均减轻了车轮试样表面的裂纹损伤;Ⅱ型固体润滑剂同时提高了两种车轮材料的表面塑性变形层厚度,加重了车轮试样表面的裂纹现象;Ⅲ型固体润滑剂则同时降低了两种车轮材料的表面塑性变形层厚度,加重了车轮试样表面的裂纹现象;同时,固体润滑剂的使用均使钢轨表面的裂纹损伤更为明显。研究不同固体润滑剂作用下的地铁轮轨磨损规律,对进一步降低轮轨磨耗,减少接触面疲劳损伤,延长轮轨寿命,提高车辆安全性具有一定的指导意义。