（光学工程专业论文）铁道车辆斜楔减震器摩擦副摩擦磨损性能研究.pdf

中文摘要 摘要：为了适应社会和经济发展的需要，我国于2 0 0 7 年4 月1 8 日零点起正 式付诸实施第六次大提速。这次提速调货运输能力将再增加1 2 以上，大面积开 行5 0 0 0 吨级货物列车。货车运行速度和载重量的不断增加，对列车装备提出了更 高的要求。 减振器的性能直接影响列车的动力学特性，甚至关系到行车安全。斜楔式摩 擦减震器是当前货车转向架最常用的减振元件，近几年为适用铁路运输发展的要 求，有关单位相继研制开发了一些新的减振器摩擦副材料，部分新开发的摩擦副 材料由于投入运营的时间不长，对它们的摩擦磨损特性了解不多。使用中发现因 转向架摩擦减震装置相对摩擦因数过大而影响车辆垂直振动的情况。因此，有必 要采用实验室加速试验的方法，探讨和研究摩擦副材料的摩擦磨损性能。 本文通过对部分新的减振器摩擦副进行摩擦磨损试验，并与传统的减振器摩 擦材料对比，研究了不同摩擦副材料的摩擦系数和磨损性能特点。 研究表明：在1 m p a 压力和3 7 0 r p m 转速试验条件下，各摩擦副的平均摩擦 系数由小到大的顺序为：t 1 0 高分子材料、t 1 0 针状铸铁、少合金a d i a d i 、高硬 度4 7 m n a d i 、4 5 钢a d i 、t 1 0 a d i ，低硬度4 7 m n a d i 。各摩擦副的总体积磨损 量的由小到大的顺序为：t 1 0 与高分子材料、低硬度4 7 m n 与a d i 、t 1 0 与针状 铸铁、高硬度4 7 m n 与a d i 、t 1 0 与a d i 、少合金a d i 与a d i 、4 5 钢与a d i 。 本试验条件下影响各摩擦副摩擦系数的主要因素是摩擦速度或摩擦材料的表面温 度、材料的导热和蓄热能力、摩擦表面的状况或减摩效果、摩擦副材料的相溶性 等。影响摩擦副磨损性能的主要因素有：表面相对硬度、组织结构的相溶性或粘 着倾向性、摩擦表面减摩情况等。为开发和选用减振器摩擦副材料提供依据。 关键词：铁道货车；减振器材料；摩擦系数；磨损特性；加速试验： 分类号：u 2 6 0 a b s t r a c t a b s i r a c i 。： t h es i x - r o u n ds p e e du pi sa p p l i e do na p r i l18 ，2 0 0 7t om e e tt h er e q u i r e m e n to f s o c i a la n de c o n o m i cd e v e l o p m e n ti nc h i n a i tw i l lr i s eo v e r12 o ft h ec a p a b i l i t yo f r a i l w a yf r e i g h tt r a i n 5 0 0 0t o nc l a s sf r e i g h tt r a i nw i l l b ew i d e l ya p p l i e d w i t ht h e i n c r e a s eo fv e l o c i t ya n dd e a d w e i g h to ft h et r a i n ，m o r er i g o r o u sc a p a b i l i t yw i l lb e r e q u i r e dt oi m p r o v ev e h i c l ee q u i p m e n t t h ep r o p e r t yo fd a m p e ra f f e c td y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i co ft h ef r e i g h tt r a i nd i r e c t l y , e v e nr e l a t e dt os a f e t y s l a n t i n gw e d g ed a m p e ri st h em o s tc o m m o nc o m p o n e n tr e d u c i n g f l a p r e c e n ty e a r s ，t oa d a p tt h ed e v e l o p m e n to f t h er a i l r o a dt r a n s p o r t s ，s o m en e wk i n d s o fm a t e r i a l so fd a m p e rp a i r sw e r es t u d i e d f r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o ro fs o m en e w k i n d so fm a t e r i a l sa r en o tw e l lk n o w ns i n c em e ya r en o tu s e dl o n ge n o u g h i tw a sf o u n d t h a tv e h i c l ep e r p e n d i c u l a r i t yv i b r a t i o ng e tw o r s ed u et of r i c t i o nf a c t o ro v e rn o r m a l r a n g e i ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t ea n ds t u d yf r i c t i o na n dw e a rb e h a v i o ro fd a m p e rp a i r m a t e r i a l sb ya c c e l e r a t e dt e s ti nl a b o r a t o r y i nt h i sp a p e r , f r i c t i o ne x p e r i m e n t sw e r em a d ew i t hs o m en e wk i n d so fm a t e r i a l so f d a m p e r , a n dc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lo n e s f r i c t i o np r o p e r t yo fd i f f e r e n tk i n d so f m a t e r i a l sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r so ff r i c t i o nc o e f f i c i e n ti nt h i se x p e r i m e n tw e r es t u d i e d i ti sf o u n dt h a t ，w h e nt h ep r e s s u r ei s1m p aa n dt h er o t a t i o n a ls p e e di s3 7 0 r p m ，t h e o r d e ro ft h ea v e r a g ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tf r o mi st 10 h i l g hp o l y m e rm a t e r i a l ，t 10 a c i c u l a ri r o n , l o wa l l o ya d f a d i ，h i g h - h a r d n e s s4 7 m n a d i ，4 5 # s t e l l a d i ，tio a d i ， l o w - h a r d n e s s4 7 m n a d i t h eo r d e ro fw e a rw e i g h ti st io h i g hp o l y m e rm a t e r i a l ， l o w - h a r d n e s s4 7 m n a d i ，t io a c i c u l a ri r o n , h i g h - h a r d n e s s4 7 m n a d i ，t 10 a d i ，l o w a l l o ya d f a d i ，4 5 # s t e l l a d i t h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r so ff r i c t i o nc o e f f i c i e n t i n c l u d et h a tf r i c t i o nv e l o c i t yo rs u r f a c et e m p e r a t u r ea n df r i c t i o ns u r f a c ec o n d i t i o no ft h e f r i c t i o np a i r , h e a tc o n d u c t i o na n ds t o r a g ep r o p e r t i e sa n df r i c t i o nc o m p a t i b i l i t yo ft h e m a t e r i a l s n em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r so fw e a rp r o p e r t yi n c l u d er e l a t i v eh a r d n e s so ft h e s u r f a c e ，s t r u c t u r ea n dr e d u c i n gf r i c t i o nc o n d i t i o no nt h es u r f a c e t h i sp r o v i d e sap r o o f t od e v e l o pa n dc h o o s em a t e r i a lf o rd a m p e r k e yw o r d s ： r a i l w a yf r e i g h tt r a i n ；d a m p e rm a t e r i a l ；f r i c t i o nc o e f f i d e n t ；w e a r p r o p e r t y ；a c c d c r a t e dt e s t c l a s sn o ：u 2 6 0 n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 日 签字日期：年月日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 年月日 致谢 本论文是在导师韩建民教授的悉心指导下完成的。在研究生学习期间，韩老 师渊博的学识、严谨的治学态度、耐心的指导都给我留下了深刻的印象。巍巍师 恩，无以言表，在此只能向韩建民教授致以最衷心的感谢和敬意! 本课题的顺利完成与王金华教授和李卫京老师对课题工作的热心指导和无私 帮助是分不开的，李老师和王老师认真负责的工作态度值得我很好的学习，在此 也向二位老师表示衷心的感谢与敬意! 在实验室工作及撰写论文期间，得到了杨智勇博士，陈跃博士和戎文娟硕士 的大力支持与热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 最后，真诚地感谢在我硕士学习期间给予我无私关怀的各位领导、老师、同 学及亲属，感谢你们提供的一切便利条件和帮助。 第一章绪论 摩擦导致大量机械能量损耗，磨损是相互接触的物体在相对运动中表层材料 不断损伤的过程，它是伴随摩擦而产生的必然结果，是机械零件失效的一个重要 原因。据统计，工业化国家能源的3 0 0 消耗于摩擦。对一个高度工业化的国家， 每年因摩擦磨损所造成的经济损失几乎占国民经济年产值的l - - 2 。另据统计， 机械零件的失效形式主要有磨损、断裂和腐蚀三种方式，而磨损失效却占6 0 - - 8 0 。由于磨损所造成的损失十分惊人，磨损问题引起人们极大的重视。研究磨损 机理和提高耐磨性的措施，将有效地节约材料和能量，提高机械装备的使用性能 和寿命，减少维修费用，因此，摩擦与磨损的研究是一个有重大社会经济效益的 课题。 。 由于科学技术的迅速发展，2 0 世纪3 0 年代以后，磨损问题已成为保证机械装 备正常工作的薄弱环节。特别是在高速、重载、精密和特殊工况下工作的机械， 对磨损研究提出了迫切的要求。 从铁路运输的实际工况来看，近些年大秦线开行的重载运煤列车吨位不断增 加，据有关资料介绍，大秦线在2 0 0 4 年前开行的货运列车吨位尾4 - - 5 千吨，2 0 0 5 年增到l 万吨级。今年开通了2 万吨级重载货车，并将逐渐增加日开行对数，相 比之下，两年内列车载重量增加了4 倍，这使转向架摩擦减震装置所承受的各种 载荷随之增加，摩擦副的服役环境日益变化。 1 1 摩擦、磨损的基本概念及磨损的分类 摩擦是相互接触的物体在外力的作用下，有相对运动的趋势或作相对运动时， 在接触面上产生阻碍相对运动的作用力的现象。而磨损则是相互接触的物体在相 对运动中，由于机械作用而造成的表面材料不断损失的过程，是伴随摩擦而产生 的必然结果。 目前人们公认的最重要的四种基本磨损类型是：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳 磨损和腐蚀磨损。 磨粒磨损是由外界硬颗粒或对磨表面上的硬凸起物或粗糙峰引起的摩擦表面 破坏，能分离出磨屑或形成划伤的过程。可分为二体磨粒磨损和三体磨粒磨损。 磨粒磨损的机理主要有微观切削( 犁沟作用) 、挤压剥落和疲劳破坏。 粘着磨损是当摩擦副发生相对运动时，由于粘着效应所形成的粘着结点被剪 断，被剪断的材料从摩擦副一方转移到另一方，或形成松脱的磨屑。粘着磨损按 照摩擦表面损伤程度可划分为：轻微磨损、一般粘着磨损、擦伤和咬合。其机理 是粘着、剪切破坏、再粘着的交替进行。 疲劳磨损是由于摩擦副表面微凸体之间的反复作用，材料受循环接触应力， 导致裂纹的产生和扩展，脱落出片状磨屑并形成凹坑。按应力分为热疲劳和机械 疲劳磨损；按裂纹发生源可分为表层萌生和表面萌生疲劳磨损；按磨屑和疲劳坑 形状可分为鳞剥和点蚀磨损。 腐蚀磨损是在摩擦促进作用下，摩擦副的一方或双方与中间物质或环境介质 中的某些成分发生化学或电化学反应而产生的表面损伤。可进一步将其区分为氧 化磨损与电化学腐蚀磨损两种基本类型。氧化磨损是当金属摩擦副在氧化性介质 中工作时，表面所生成的氧化膜被磨掉以后，又很快形成新的氧化膜，所以氧化 磨损是化学氧化和机械磨损两种作用相继进行的过程【i j 。 此外s u b 提出了金属剥层磨损理论【2 】。剥层磨损理论是以位错理论以及靠近表 面金属的断裂和塑性变形为基础来解释片状磨屑的形成机理。其基本论点是：当 摩擦副相对滑动时，软表面的粗糙峰容易变形，同时在循环载荷作用下软粗糙峰 首先断裂，从而形成较光滑的表面。这样，接触状态由峰对峰变成峰对面。硬表 面粗糙峰在软表面上滑动时，软表面上各点经受循环载荷，在表层产生剪切塑性 变形并不断积累，这就在金属表层内出现周期的位错。由于映像力的作用，距离 表面深度约为几十微米的亚表层位错消失。这样靠近表面的位错密度小于内部的 位错密度，即最大剪切变形发生在亚表层。在摩擦过程中，剪切变形不断积累， 使亚表层出现位错塞积，进而导致形成裂纹或空穴，空穴汇合引起平行于表面的 裂纹。当裂纹在亚表层形成后，根据应力场分析，平行表面的正应力阻止裂纹向 深度方向扩展，所以裂纹在亚表层沿平行于表面的方向延伸。当裂纹扩展到某一 临界长度时，在裂纹与表面之间的材料将以片状磨屑的形式剥落下来。 1 2 摩擦减振器 车辆上采用减振器和弹簧一起构成弹簧减振装置。弹簧主要起缓冲作用，缓 和来自轨道的冲击和振动的扰动，减振器则减小振动。它的作用力方向总是与运 动的方向相反，起着阻止振动的作用。减振器有变机械能为热能的功能，减振阻 力的方式和数值不同直接影响到列车的振动性能。 摩擦减振器结构简单、成本低，制造维修比较方便，广泛应用在货车转向架 上。缺点是摩擦力随摩擦面的状态改变而变化，且可能出现当振幅小时，摩擦阻 力可能过大而形成对车体的硬性冲击；当振幅大时，摩擦阻力不足不能使振动迅 2 速衰减。铁路车辆采用的减振器按阻力特性可分为常阻力和变阻力两种减振器。 ( 1 ) 变摩擦楔块式减振器【3 】 图l 变摩擦装置是减振器弹簧与载荷弹簧组都位于斜 楔和侧架弹簧座之间，见图1 1 ，如北美铁路的b a r b e r 型、苏联的u h h h x 3 0 型和我国铁路转8 a ( 滚) 型转 向架上的摩擦减振器。在摇枕向下或向上运动时，减 振器弹簧相应地压缩和松弛，摩擦面静正压力成正比 例增加或减少，即所谓载荷敏感减振装置。 桕它具有变摩擦力的特点，摩擦楔块的一边为4 5 。 f i g 1 一lv a r i a b l ef r i c t i o nf o r c ed a m p e r 角，该斜边嵌入摇 枕端部的楔形槽中，另一边与铅垂线的夹角为2 。3 0 7 ，压紧在侧架立柱的磨耗板上。每台转向架摇枕的 两端各有左右两个摩擦楔块，每个楔块坐落在双卷螺旋弹簧上。各摩擦面上的摩 擦力与摇枕上的载荷有关，载荷大，摩擦力也大，即减振阻力也大，反之亦然。 所以空重车时减振阻力不同，故称为变摩擦力减振器。其在水平方向也有减振作 用。 ( 2 ) 常摩擦楔块式减振器【l 如北美铁路控制型( r i d ec o n t r o i ) 转向架采用这种减振器。该减振器由一个中间 挖空的外形特殊的斜楔和一个控制弹簧组成，见图1 2 。最终的装配效果使得控制 图l - 2 常摩擦力减振器 f i g 1 - 2c o n s t a n tf r i c t i o nf o r c ed a m p e r 1 斜楔2 侧架3 摇枕 弹簧的变形量始终维持为预 压缩量而不发生变化。因此， 弹簧给楔块的作用力、楔块与 摇枕斜面之间、楔块与立柱磨 耗板之间的作用力维持不变。 在转向架振动过程中楔块主 摩擦面与侧架立柱磨耗板之 间的摩擦阻力不随转向架的 簧上载荷变化而维持为一常 数。这种减振器楔块较宽，磨 耗面积大，加强了转向架侧架 和摇枕之间的联系，提高转向 架的蛇形运动稳定性。常摩擦 力的另一意义，是该装置减振弹簧可根据所要求的摩擦力值设计，减振器主、副 摩擦面可设计成较宽、面积较大，摩擦副单位压力较小，能够较长期地保持摩擦 力为常数。 ( 3 ) 利诺尔减振器【蜘 应用在法国的y 2 5 型转向架上。当转向架构架连同导框一起向下运动时，导 3 框右侧前、后有两个、凸销，通过拉环斜拉弹簧盖，见图1 3 。拉环拉力的水平分 力即作用于摩擦块的正压力。导框、拉环及弹簧盖都是簧上部分，在弹簧受力变 形的过程中拉环的倾斜角度不会改变。由于摩擦块向左压紧轴箱，使导框的左侧 也紧贴轴箱，因此轴箱两侧都产生了摩擦力。利诺尔减振器对垂直和横向振动都 有衰减作用，它的性能稳定，摩擦力受外界气候条件及磨耗状态的影响较小，磨 耗面平易于修复。 5 4 弓 2 f 图l - 3 利诺尔减振器 f i g 1 - 3c o n n o r 8d a m p e r 1 轴箱2 内卷弹簧3 夕h 卷弹簧4 导框5 构架6 摩 擦块7 弹簧盖8 拉环 我国主要货车转向架的斜楔结构： 转8 a g 、转8 g 型斜楔相同，斜楔主摩擦面的角度为2 0 3 0 ，副摩擦面的角度 4 5 0 ，并在原4 5 0 面设置了r 2 0 0 0 m m 的圆弧面，改善了主摩擦面的密贴程度，对 4 5 0 斜面为平面的原结构允许与圆弧面结构并存；转k l 型斜楔主摩擦面的角度为 l o ，副摩擦面的角度为4 0 0 ；转k 2 型整体式斜楔主摩擦面的角度为o o ，副摩擦面 的角度为3 2 0 ，主摩擦面设有磨耗限度标记。 转k 3 型斜楔采用了轴箱单侧斜楔式结构，由斜楔体和斜楔磨耗板等组成。斜 楔的对面导框座内设有橡胶块，提供弹性定位。斜楔体由b 级钢铸造，斜楔主摩 擦板为高分子复合材料制造，斜楔副摩擦板用钢铜一塑料复合板组成。带储油坑的 塑料面为工作面，该工作面应向上安装，与斜楔座接触。 转k 4 转向架斜楔采用了组合式斜楔结构，斜楔本体材质为针状铸铁或贝氏体 球墨铸铁，斜楔主摩擦板为高分子复合材料制造。主摩擦板背面铸有圆柱形凸台， 与斜楔本体安装面的孔形成间隙配合，装配后加装垫圈和开口销【引。 4 斜楔检修和更换时有下列4 项要求： ( 1 ) 斜楔体裂损时更换新品。 ( 2 ) 斜楔体或摩擦板磨耗超限时更换新品，磨耗限度规定如下： 1 ) 转8 a 、转8 a g 、转8 g 、控制型斜楔主摩擦面或副摩擦面磨耗不大于3 m m 。 2 ) 转k 1 型斜楔主摩擦面磨耗不大于6 m m 或副摩擦面磨耗不大于2 m m 。 3 ) 转k 2 型斜楔主摩擦面磨耗不大于6 4 m m 或副摩擦面磨耗不大于2 m m 。 4 ) 转k 3 型斜楔主摩擦面磨耗不大于3 m m 时更换新品。 5 ) 转k 4 型斜楔体副摩擦面磨耗大于2 m m 时更换斜楔体。斜楔主摩擦板磨耗 大于3 m m 时更换主摩擦板；主摩擦板四角断裂区域限度为3 5m m x 3 5 嘞，两角断 裂区域限度为6 0m m x6 0i l g l l ，断裂区域超限或缺损面积之和大于总面积的1 5 时 更换主摩擦板。 6 ) 不得使用铸钢斜楔或修理铸钢斜楔。 ( 3 ) 同一车辆斜楔型式和材质须分别一致。 常见的斜楔材料如下【州3 】： 转8 a 、转8 a g 、转8 g 型斜楔材质为贝氏体球墨铸铁( a d i ) ；转k 2 型斜楔 材质为针状马氏体铸铁或贝氏体球墨铸铁；转k 3 型斜楔体为b 级钢铸造，斜楔主 摩擦板材质为高分子复合材料，斜楔副摩擦板材质为钢铜塑料复合板；转k 4 型 主摩擦板材质为高分子材料，斜楔体为针状马氏体铸铁或贝氏体球墨铸铁。 常见的磨耗板材质为【1 4 】： 转8 a 为4 5 钢；转8 a g 、转8 g 型为4 7 m n 2 s i 2 t i b ；转k 1 型材质为t 1 0 ，转 k 2 、转k 6 型材质为t 1 0 ( c a 楔材质为针状马氏体铸铁) 或4 7 m n 2 s i 2 t i b ( c a 楔材 质为针状贝氏体球墨铸铁) ；转k 4 、转k 5 型为4 5 钢( c a 楔材质为针状马氏体铸 铁) 或4 7 m n 2 s i 2 t i b ( 斜楔材质为针状贝氏体球墨铸铁) 。 “针状贝氏体斜楔 铸件是一种合金铸铁件，它的特点是铸态下硬度高、韧 性高、耐磨性好，无需像a d i 斜楔那样进行热处理就可装车使用，不仅可大大地 降低生产成本，而且其使用寿命也高于a d i 斜楔铸件【b 】。 摩擦磨损的研究现状： 自大秦线投入运行以来，车辆周转速度不断加快。据统计，斜楔主磨面每月平 均磨耗量达0 4 6 r a m ，最高达0 7 2 r a m 。铁道部车辆检修规程规定斜楔厂修磨耗限 度为3 m m ，段修为4 m m 。据铁道部1 9 8 4 年6 月“运煤车辆研制可行性报告”的 设想，大秦线运煤车辆的厂修期由5 a 延长至1 0 a ，段修由一年一次延长至两年一 次。可见，大秦线运煤车辆用铸钢斜楔的主磨面实际磨耗量已远远超过规定值。 由此提出铸钢斜楔不耐磨的问题，并由戚墅堰机车车辆工艺研究所研制开发成功 了等温淬火球墨铸铁( a d i ) 斜楔。齐齐哈尔车辆厂于1 9 9 7 年5 月开始正式生产【1 6 】。 5 研究人员采用a m s l e r 型磨损实验法及激励释放震动衰减法，对贝氏体球墨 铸铁( a d i ) 的耐磨性及抗震机理进行了对比研究，通过实验获得的a d i 和 z g 2 3 0 _ 4 5 0 与4 5 # 钢对磨的磨损结果。结论是用a d i 代替z g 2 3 0 - 4 5 0 生产斜楔， 可使斜楔使用寿命提高1 0 倍以上，而且不会加大磨耗板的磨损7 j 。 研究证实设计带有聚合物贴面b a r b 盯t w m g u a r d 的斜楔可以防止摇枕座磨耗 和防止与其他塑料里衬摩擦楔相联系的运行不稳定性。这是通过摇枕座内产生横 向斜楔力的6 块双折角结构来实现的。由于t w i n g u a r d 的横向楔力作用，自然抵消 了转向架菱形力。横向力由一块延伸到摇枕座侧壁的2 个对称双面聚合物贴面的 摩擦铸造斜楔产生。聚合物贴面及其作用在其上的作用力，在摇枕和侧壁之间比 一块斜楔产生了更高的转动阻力，见图l _ 4 、图1 5 。因此，与标准斜楔、塑料贴 面或铸铁斜楔相比，保持转向架稳定的关键菱形阻力明显地提高了，同时聚合物 贴面极大地防止了摇枕座的磨耗【1 ”。 “穗 图1 - 4 合成斜楔 f i g1 4s y n m e s i sw e d g e 泠；瞳 图1 5 新型加宽斜楔的比较 f i g1 5n e w 羽a n t i n g w e d g ec o m p a r i s o n 俄罗斯曾对所有带试验用铸铁斜楔的敞车试验均在牵引定数1 1 万t 直达列车 和以7 0k m h 运行速度下进行试验。车辆轴重为2 7 仃。当运行里程接近2 万k m 、 4 万k m 、5 万k m 、和l o 万k m 时，分别进行铸铁斜楔磨耗量的测定。在每个表面 上取6 个一8 个测点。根据相应的走行里程下新的和以前的测示值的差值确定每一 测点的磨耗量，再确定每个表面所有测点的平均磨耗量。 运行试验表明，在型号1 8 1 0 0 号转向架上安装c q 2 0 号铸铁摩擦斜楔，代替 典型的钢摩擦斜楔，降低了摇枕斜面和侧架磨耗板的磨耗量6 7 。同时，铸铁斜 楔本身的磨耗量实际上增加了，和典型的钢斜楔相比，垂直表面增加了4 5 倍；斜 面增加了2 5 倍。新造敞车上的铸铁斜楔在环行试验线上的使用寿命为7 5 万k m ， 磨耗板的使用寿命为5 5 万k m , - 6 5 万k m 。按等磨耗量条件折算，使用寿命不超过 1 年9 个月，即敞车从制成到进入段修期的使用寿命较短。同样两个段修期间的使 用期也较短。因此，建议对库皮扬斯克铸造厂生产的c q 2 0 号铸铁斜楔不得安装在 车辆上【1 9 1 。 有研究表明转8 a 型转向架的减振斜楔不耐磨，减振性能不稳定，当斜楔和与 其配合的磨耗板磨耗到接近段修限度时，减振装置便丧失了减振作用；与车体之 间的回转阻力矩较小，导致车体的低速摇头运动不能得到有效抑制，使车辆的动 力学性能变差。由于本身的结构因素，斜楔会产生偏磨，影响到斜楔工作的稳定 性及斜楔下弹簧的寿命【2 旧。 1 3 选题的背景和意义 目前，全世界1 1 7 个国家和地区拥有铁路约1 2 0 余万公里，其中美国铁路2 0 多万公里，俄罗斯铁路1 0 多万公里，中国铁路突破7 万公里，印度、加拿大的铁 路6 万多公里。 铁路作为陆上运输的主力军，在长达一个多世纪的时间里居于垄断地位。但 是自本世纪以来，随着汽车、航空和管道运输的迅速发展，铁路不断受到新的浪 潮的冲击。为了适应社会和经济发展的需要，适应货主和旅客安全、准确、 快速、方便、舒适的要求。各国铁路纷纷进行大规模的现代化技术改造，同时改 革运输组织工作，积极采用高新技术，在重载、高速运输和信息技术方面取得了 新的突破，再加之现代管理和优质服务以及铁路的区域联网、洲际联网，使铁路 增添了新的活力，在陆上运输中仍继续发挥着骨干作用，在现代化运输方式中占 着重要的地位 在货物运输方面，集中化、单元化和大宗货物运输重载化是各国铁路发展的 共同趋势。重载单元列车是用同型车辆，固定编组、定点定线循环运转，首先用 7 于煤炭运输，后来扩展到其他散装货物，对提高运能，减少燃油消耗，节省运营 车、会让站、乘务人员等都有显著效果，经济上受益很大，如美国铁路货运量有 6 0 是由单元列车这种方式完成的。俄罗斯曾试验开行了重量为4 3 4 0 7 吨的超长 重载列车，列车由4 4 0 辆车组成，全长6 5 公里，由4 台电力机车牵引，情景十 分壮观。 2 0 0 5 年1 月7 日，温家宝主持召开国务院常务会议，讨论并原则通过了中 长期铁路网规划，明确了我国铁路网中长期建设目标：到2 0 2 0 年，全国铁路营 业里程达到1 0 万公里，主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电气化率分别达到 5 0 ，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进 水平。铁道部部长刘志军1 月1 2 日表示，大规模铁路建设已经拉开序幕，建设总 投资规模将达5 0 0 0 多亿元。 2 0 0 7 年4 月1 8 日零点起正式付诸实施第六次大提速。这次提速调图客货运输 能力将分别再增加1 8 和1 2 以上，特别是在主要干线开行时速2 0 0 公里及以上 动车组、大面积开行5 0 0 0 吨级货物列车和一大批先进技术装备投入运用。 货物列车载重量和运行速度的不断提升，要实现列车平稳安全运行，对减振 元件提出了更高的要求，必须研发性能良好的减振器。 斜楔式摩擦减震器是当前货车转向架最常用的减振元件，由于摇枕和楔块间 的斜面作用，会使得楔块与侧架的磨耗板之间存在压力进而产生摩擦力。斜楔与 磨耗板是组成交叉支撑转向架摩擦减振装置的主摩擦副【2 2 1 ，使用中发现因转向架 摩擦减震装置相对摩擦因数过大而影响车辆垂直振动的情况【2 3 1 。2 0 0 3 年1 1 月在北 京铁道科学院环形试验线进行货车1 2 0 k m h 可靠性试验时，对被试车辆转向架相 对摩擦因数进行了测试，发现c 6 4 k 型敞车，p 6 4 g k 型棚车、g 7 0 k 型罐车即 n x l 7 b k 型平车装用的转k 2 型转向架实测相对摩擦因数过大；2 0 0 3 年1 2 月在京 广线对x 2 k 型双层集装箱平车进行平推试样时，也发现了因转k 6 型转向架摩擦 减震装置相对摩擦因数过大而影响车辆垂直振动的情况。此外，近几年为适用铁 路运输发展的要求，有关单位相继研制开发了一些新的减振器摩擦副材料，部分 新开发的摩擦副材料由于投入运营的时间不长，对它们的摩擦磨损特性了解不多 【2 4 1 。因此，有必要采用实验室加速试验的方法，探讨和研究摩擦副材料的摩擦磨 损性能。 1 4 主要研究内容 本文通过对部分新的减振器摩擦副材料在高转速( 3 7 0 r p m ) 和低转速( 1 4 r p m ) 进行摩擦磨损试验，并与传统的减振器摩擦材料对比。试验材料按摩擦副配对共 8 j 匕塞交通叁堂王程硒堂僮论塞簋二重绪i 金 分为7 组，分别是：t 1 0 高分子材料、t 1 0 针状铸铁、少合金a d i a d i 、高硬度 4 7 m n a d i 、4 5 钢a d i 、t 1 0 a d i ，低硬度4 7 m n a d i 。通过分析试验中获得的各 组摩擦副的摩擦系数、表面地硬度和粗糙度、表面组织和形貌，研究了不同摩擦 副材料的摩擦系数和磨损性能特点。分析了本试验条件下表面粗糙度、硬度、材 料组织和性能、表面减磨材料，摩擦温度和压力对摩擦系数和磨损性能的影响规 律。为开发和选用减振器摩擦副材料提供依据。 9 第二章试验方法及试验参数 摩擦磨损实验在大气和室温下m p x 2 0 0 0 型磨损试验机上进行，采用环一环对 磨的方式。实验前上、下试样均用8 0 0 撑砂纸细磨。实验前后，各试样用丙酮配合 超声波清洗，放入烘箱烘干，采用精度0 1 m g 的f a 2 1 0 4 型电子分析天平称量磨损 前后试样的重量，以确定磨损失重。通过记录磨损实验过程中的摩擦力矩来计算 摩擦系数，计算公式为：l x = m ( f x r ) ，式中p 为摩擦系数，m 为摩擦力矩，f 为 载荷，r 为试样摩擦半径。 本章将介绍试验方案的制定、试验原料的选择及试验方法等内容。 2 1 试验材料 选用的试验材料及摩擦副配对情况如表2 1 所示。其中a d i 、t 1 0 和针状铸铁 试样由齐齐哈尔车辆厂从斜楔和磨耗板实物上制取，其它试样由生产厂家提供。 表2 - 1 摩擦副材料及配对情况 t a b l e2 - 1m a t e r i a l so ff r i c t i o nc o u p l e s 注：第二组的4 7 m n 2 s i 2 t i b 以下简称低硬度4 7 m n ；第三组的4 7 m n 2 s i 2 t i b 以下简称高硬度4 7 m n 。 除高分子材料外，采用瑞士产的光谱仪分析摩擦副材料的化学成分，不同组 的同种材料的化学成分基本相同，各试样的化学成分分析结果见表2 2 。 l o 表2 2 摩擦副材料化学成分分析结果 ! 型! ! ：! 婴! 里! ! ! ! ! 竺巴! ! ! 罂匹堑! ! ! 婴p ! 坚 试样材料 cs im npsc rn i c um o m g 低硬度4 7 m n o4 5 4 i4 5 6 16 9 400 2 20 0 1 40 1 1 4 t i ：0 0 9 8 b ：无标样来测 2 2 试验设备及试验参数 2 2 1 试验设备 采用m p x 2 0 0 0 型摩擦磨损试验机进行摩擦试验，如图2 1 所示，摩擦试样及 对磨示意图见图2 - 2 。上试样以一定的速度转动，下试样静止币动，上下试样之问 施加4 0 0 n 的载荷，摩擦时间为2 0 r a i n 。测量并记录前4 2 0 秒的摩擦系数和摩擦2 0 分钟时上下试样的磨损量。 圈 2 2 2 试验参数选择 图2 - 2 摩擦磨损试样示意图 f i 9 2 - 2f d c t i o n w a 他s a m p l e 本试验中确定试验参数的原则是在加速试验的条件下，尽可能地模拟货车减 振器摩擦副的实际使用工况，选择试验参数所考虑的因素如下： 1 、根据斜楔与磨耗板的相对运动特点，将斜楔试样作为转动的上试样，磨耗 板作为静止不动的下试样。 2 、为模拟车辆运行时摩擦副之间约1 m p a 的摩擦压力，经过计算确定e 下试 样之间的载荷为4 0 0 n 。 3 、为尽可能减少摩擦升温对摩擦过程的影响，在摩擦试验过程中采用强制通 肝l 方式，保证试样外表面温度不大于7 0 。 4 、采用两种转速进行试验： a ) 以m p x 2 0 0 0 摩擦试验机最低的3 7 0 n o m 转 速试验，测量前4 2 0 秒的摩擦系数和摩擦2 0 分钟时的磨损量。通过对各试样的预 磨试验表明，进行4 2 0 秒摩擦试验，各试样的摩擦系数可以达到稳定的数值，因 此取摩擦试验前4 2 0 秒的摩擦系数基本可以反应各摩擦副的摩擦系数。另外，预 磨试验还表明各试样进行2 0 分钟的摩擦试验，可以测量出明显的磨损量。b ) 采 用变频电机改造试验机，使转速接近斜楔与磨耗板的实际摩擦速度，在这种低转 速下测量前4 2 0 秒的摩擦系数，以验证3 7 0 r p m 转速试验条件下各摩擦副的摩擦 系数变化规律，客观了解摩擦副的摩擦磨损特性。 样叠。卜一 硪 匡m 匝 觥拇当卜艇 矧1 寻 样 芷一万慵 卜一 试 旷i ， 而一 上r i l 百一 1 1 l j 七一 卫l_j竺一 翌剐引醇斗陛一一鲤 2 2 3 试样准备、清理和组织检测方法 摩擦试验前，所有试样进行消磁处理，各试样的剩磁控制在0 0 5 m t 之内；采 用h r u 一1 5 0 a t 型光学洛氏硬度计测定试样背面的硬度，取三点的测试平均值， 只有试样硬度达到表一的硬度范围内，该试样才能作为正式摩擦试验用试样。 摩擦试验后，采用j s m 5 8 0 0 型扫描电子显微镜和带有自动图像处理软件的 b x 5 1 m 型普通光学显微镜分析各摩擦试样的显微组织及摩擦表面形貌；采用h x 一5 0 0 型显微硬度计测定摩擦表面的硬度，取三次测试的平均值；检测各试样的剩 磁量是否都小于0 0 5 m t 。 摩擦试验前后，采用t a l y s u r f 5 6 0 粗糙度轮廓仪测量摩擦磨损试验前后试样的 表面粗糙度；各试样用丙酮进行超声波清洗1 0 分钟，放入烘箱烘干，采用精度0 1 m g 的f a 2 1 0 4 型电子分析天平称量摩擦前后试样的重量。 1 3 第三章摩擦试验结果 本章主要对试验的测试内容进行了整理和汇总，主要包括不同转速下的摩擦 试验结果、磨损量测试结果、粗糙度和硬度测试数据及组织和表面形貌观测结果。 3 1 转速3 7 0 r m p 时摩擦试验结果 每组摩擦副进行三次摩擦试验，测量摩擦前后各试样的重量和摩擦试验过程 中的摩擦系数，摩擦系数取三次试验的平均值，测试结果的均值汇总于表3 1 。 表3 1 磨损量和摩擦系数测试结果 t a b l e3 1r e s u l t so fw e a rl o s sa n df r i c t i o nc o e f f i c i e n t 磨损量总磨损量体积磨损量 总体积磨损量 组号材料摩擦系数 ( m g )( m g )( r a g )( m g ) a d i91 2 8 第l 组 3 3 74 4 50 6 7 4 5 # 2 4 7 3 1 7 a d i9 11 3 第2 组2 2 9 73 0 80 8 4 7 m n 2 s i 2 t i b1 3 8 7 1 7 8 a d l7 61 0 9 第3 组2 4 63 2 70 6 7 4 7 m n 2 s i 2 t i b1 7 2 1 8 针状铸铁 1 4 72 1 第4 组2 2 83 1 30 6 t 1 08 11 0 3 a d il o 71 5 3 第5 组3 0 24 3 20 6 3 少合金a d i1 9 52 7 9 高分子 1 9 7o 6 2 第6 组2 6o 70 3 4 t 1 00 6 30 0 8 a d i1 4 92 1 2 第7 组 2 4 3 3 3 30 7 3 t 1 09 41 2 1 备注：l 本表中摩擦系数取前七分钟( 基本达到稳定) 的平均值。 2 体积磨损量计算时铸铁密度取7 9 e r a 3 ，钢取7 8 9 c m 3 ，高分子复合材料取 2 1 5g c m 3 。 图1 ( a ) ( 1 9 l 所示为各组摩擦副材料的摩擦系数曲线见图3 1 。 1 4 韭瘟蛮盟_ 厶堂1 一攫亟堂垃盐奎亟三童度握煞墅结星 图3 - 1 摩擦副系数与时间的关系 f i g3lf r i c t i o n t o e f i i c i e n t t i m e c u r v e s 将图3 1 中各摩擦副的平均摩擦系数曲线汇总在一起，可以清楚地了解各摩擦 副的摩擦系数差异，七组摩擦剐各组的平均摩擦系数随时问的变化曲线见图3 - 2 。 鼎 1 蟮 氅 跹 时问，秒 图3 也转速为3 7 0r p m 时平均摩擦系数随时问的变化 f i g3 2 c m o f a v e r a g e f r i c t i o n a lc o e f f i c i e n t w h e n m t a f i o n a ls d d i s3 7 0 r p m 由图3 - 2 可知： l 、t 1 0 与高分子材料摩擦副的摩擦系数很快达到稳定值，且稳定后数值最 低，约为03 2 ； 2 、开始阶段t 1 0 与针状铸铁摩擦副的摩擦系数随时间而增长的速度最慢； 3 、4 5 钢与a d i 、少合金a d i 与a d i 和高硬度4 7 m n 与a d i 这三组摩擦副 的摩擦系数随时间的变化特性很类似，即它们的摩擦系数随时间而增大的速度较 低，且在2 4 0 秒左右趋于稳定，其中少合金a d i 与a d l 摩擦副的摩擦系数随时 问而增大的速度最慢。 4 、低硬度4 7 m n 与a d i 和t 1 0 与a d i 摩擦副的摩擦特性也很类似，它们的 摩擦系数随时间而增大的速度快，短时间内分别达到o5 7 和o 7 ，在1 8 0 秒左右 就基本稳定在07 5 08 之日j 。 在4 2 0 秒的摩擦时间内，各摩擦副的平均摩擦系数如图3 _ 3 所示。 凹3 - 34 2 0 秒朦攘时间内眷摩擦副的平均摩擦系数直方图 f i g3 - 3 a v e r a g e f r i c t i o nc o e f i q c i e n t h i s t o g r a mo f t h ec o u p l e s i n4 2 0 s j e 壶至盟友堂工狸亟堂焦监塞 差三童壁攫试蛩结星 由图3 - 3 可以看出，平均摩擦系数由小到大的顺序为：f ( t 1 0 与高分子材料) = o3 4 ，f ( t 1 0 与针状铸铁) = o6 ，f ( 少台金a d i 与a d i ) = o6 3 ，f ( 4 5 钢与 a d i ) = o 6 7 ，f ( 高硬度4 7 m n 与a d i ) = 06 7 ，f ( t 1 0 与a d i ) = 07 3 ，f ( 低硬 度4 7 m n 与a d l ) = o8 。 综合以上摩擦系数测试结果可以得出：在4 2 0 的摩擦时间内，平均摩擦系数 比传统的4 5 钢与a d i 摩擦副的摩擦系数小的摩擦副为：t 1 0 与高分子材料，t 1 0 与针状铸铁和少合金a d i 与a d l 。 根据表3 1 的摩擦试验结果，将各组摩擦副在3 7 0r p m 摩擦速度下的平均磨 损量汇总于图3 4和图3 5 。 图3 4 平均重量磨损昔 f i g3 4 a v “g e m l o s s h i s t o g r a mo f t h e c o u p