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2023 年 11 月（总第 445 期）33第 51 卷Vol.51第 11 期No.11铁 道 技 术 监 督RAILWAY QUALITY CONTROL检验与认证INSPECTION AND CERTIFICATION收稿日期：2023-08-24基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目（N2022J038）作者简介：吉媛，助理研究员；裴顶峰，研究员；党佳，副研究员；陈传志，副研究员；牛思仝，助理工程师；贺春江，副研究员1概述目前，机车车辆使用的闸瓦主要有铸铁闸瓦、合成闸瓦和粉末冶金闸瓦等。车轮和闸瓦是机车车辆制动系统中关键的一对摩擦副。车轮和闸瓦磨损量关系到铁路运输安全及运营成本。车轮的磨耗来源于车轮与闸瓦、车轮与钢轨间的摩擦。针对车轮摩擦磨损性能的研究多集中在测试条件、配方组成、摩擦机理等方面。针对不同材质车轮与钢轨研究，主要集中于车轮与钢轨的匹配特性和磨耗量。针对闸瓦与车轮的摩擦性研究主要如下。不同材质闸瓦和车轮滑动摩擦磨损试验及其结果分析吉媛1，裴顶峰1，党佳2，陈传志2，牛思仝3，贺春江1（1.中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京 100081，2.中国铁道科学研究院集团有限公司标准计量研究所，北京 100081，3.中航铁服人力资源（北京）有限公司，北京 100089）摘要：为了研究不同材质闸瓦和车轮滑动摩擦磨损性能，采用 M2000 型摩擦磨损试验机，针对 4 种材质闸瓦摩擦块与车轮钢摩擦环摩擦副，开展滑动摩擦磨损试验，试验结果表明，4 种材质闸瓦摩擦块对车轮钢的体积磨损量由大到小对应的材质依次为钢轨钢、粉末冶金闸瓦、合成闸瓦、铸铁闸瓦。用扫描电镜观察 4 种材质闸瓦摩擦块和车轮钢摩擦环摩擦磨损试验后的摩擦环表面形貌，结果显示，摩擦环表面均出现磨粒磨损和疲劳磨损，LH2 型高摩擦系数合成闸瓦和 QU70 型钢轨钢对车轮钢的磨损以磨粒磨损为主，高磷铸铁闸瓦和 M 型粉末冶金闸瓦对车轮钢的磨损以疲劳磨损为主。用能谱仪测试 4 种材质闸瓦摩擦块和车轮钢摩擦环摩擦磨损试验后的摩擦环表面元素，结果显示，摩擦环表面均发生氧化反应，出现闸瓦材料向车轮钢转移现象。关键词：车轮；合成闸瓦；粉末冶金闸瓦；铸铁闸瓦；钢轨钢；滑动摩擦；磨损试验中图分类号：U260.351文献标识码：B文章编号：1006-9178（2023）11-0033-05Abrtract：In order to study wear performance during friction by sliding of brake shoes and wheels of different materials,M2000 machine for testing friction and wear was used to carry out the wear tests with the friction pair composed offriction blocks made of brake shoes of four kinds of material and friction rings made of wheel,during sliding friction.The results show that the volume wear of different materials of brake shoe on wheel steel from large to small corresponding materials are rail steel,powder metallurgy brake shoe,synthetic brake shoe and cast iron brake shoe.The surfacemorphology of the friction rings after the wear test of friction block samples of brake shoe made of four kinds of materialand friction ring sample of wheel steel were obeserved by scanning electron microscope,the results show that abrasivewear and fatigue wear appear on the surface of friction ring.The wear of the LH2 high friction coefficient compositebrake shoe on the wheel steel and the QU70 rail steel on the wheel steel were mainly abrasive wear.The wear of highphosphorus cast iron brake shoe and M type powder metallurgy brake shoe on wheel steel is mainly fatigue wear.Thesurface elements of the friction ring after the wear test of friction block samples of brake shoe made from four kinds ofmaterial and friction ring sample of wheel steel were measured by energy spectrum,the results show that oxidation reaction occured on the surface of friction ring,and the materials for brake shoe are transferred to the surface of the frictionring made of wheel steel.Keywords：Wheel;Composite Brake Shoe;Powder Metallurgy Brake Shoe;Cast Iron Brake Shoe;Rail Steel;SlidingFriction;Wear Test34不同材质闸瓦和车轮滑动摩擦磨损试验及其结果分析检验与认证.等研究了铁道车辆在制动时铸铁闸瓦对车轮轮缘和踏面造成的磨损。李新宇研究了粉末冶金闸瓦和合成闸瓦对车轮踏面的影响。梁爽等使用 MM-1000 型摩擦试验机，在不同压力和速度下，利用 2 种高磷铸铁材料闸瓦和 2 种高分子树脂复合材料闸瓦与车轮钢进行摩擦性能试验。试验结果表明：2 种高磷铸铁材料闸瓦的摩擦因数不够稳定，在制动过程中出现较大波动，而且易受制动压力和速度的影响；2 种高分子树脂复合材料闸瓦的摩擦因数较稳定，受制动速度的影响较小，受压力的影响较大。上述不同材质闸瓦和车轮之间磨损研究的内容主要侧重闸瓦性能，而不同材质闸瓦与车轮间滑动摩擦过程中的磨损性能相关研究鲜见文献报道。为此，从 CL65 车轮成品取样制作摩擦环试样，分别从合成闸瓦、钢轨钢、铸铁闸瓦、粉末冶金闸瓦上取样制作摩擦块试样，利用M2000 型环块摩擦磨损试验机，开展磨损试验，以研究不同材质闸瓦对车轮的磨损特性。2试验准备和过程依据 GB/T 39602016塑料滑动摩擦磨损试验方法，采用 M2000 型环块摩擦磨损试验机，在压力为 196 N205 N、速度为 200 r/min210 r/min条件下，开展不同材质闸瓦摩擦块与车轮钢摩擦环间的摩擦磨损试验。M2000 型环块摩擦磨损试验机转速为 60 r/min3 600 r/min，最大负荷为 2 000 N，精度为2%；里氏硬度计型号为 MH660，测量范围为 170HL960HL，示值误差为6HL；扫描电镜型号为 QUANTA400 型，电压为 20 kV。2.1试验准备从 CL65 车轮取样，制作 8 个摩擦环。摩擦环编号均为 0#，规格尺寸相同，外径为 40 mm0.04 mm，内径为 16 mm0.04 mm，宽度为 10 mm0.04 mm。分别从不同材质闸瓦中取样，制作摩擦块。摩 擦 块 长 度 为 30 mm0.04 mm，宽度为 7 mm0.04 mm，厚度为 7 mm0.04 mm。其中，自 LH2型高摩擦系数合成闸瓦取样，制作的摩擦块编号为1#；自 QU70 型钢轨（材质为 U71Mn）取样，制作的摩擦块编号为 2#；自高磷铸铁闸瓦取样，制作的摩擦块编号为 3#；自 M 型粉末冶金闸瓦取样，制作的摩擦块编号为 4#。摩擦环 0#和摩擦块 1#4#分别组成摩擦副试样，4 种摩擦副试样均制作 2 对。2.2试验过程首先，取 1 对摩擦副试样，并将摩擦环和摩擦块安装在 M-2000 型环块摩擦磨损试验机上。之后，在压力为 196 N205 N、速度为 200 r/min210 r/min 条件下，预磨 30 min 后，取下摩擦环，用分析天平称量并记录质量，即摩擦试验前摩擦环的质量。再后，开始正式试验，在压力为 196 N205 N、速度为 200 r/min210 r/min 条件下摩擦 180 min 后，取下摩擦环，称量摩擦环质量，即摩擦试验后摩擦环的质量。计算摩擦环质量磨损量，即摩擦试验前后摩擦环质量之差。利用排水法测得摩擦环试样密度值，经计算将质量磨损量换算为体积磨损量。完成同一种摩擦副试样 2 对摩擦环和摩擦块对磨试验后，取 2 次磨损量的平均值作为试验结果。3试验结果及其分析3.1摩擦环和摩擦块试样硬度结果及其分析经测试得到摩擦环 0#试样和摩擦块 1#4#试样的硬度。摩擦环试样和摩擦块试样的硬度见表 1。表 1摩擦环试样和摩擦块试样的硬度试样摩擦环 0#（CL65 车轮钢）摩擦块 1#（LH2 型高摩擦系数合成闸瓦）摩擦块 2#（U71Mn 钢轨钢）摩擦块 3#（高磷铸铁闸瓦）摩擦块 4#（M 型粉末冶金闸瓦）里氏硬度/HL392377549241345由表 1 可知，硬度由高到低的 5 种试样顺序分别是摩擦块 2#、摩擦环 0#、摩擦块 1#、摩擦块 4#和摩擦块 3#，即 U71Mn 钢轨钢、CL65 车轮钢、LH2型高摩擦系数合成闸瓦、M 型粉末冶金闸瓦、高磷铸铁闸瓦的硬度依次降低。3.2摩擦环体积磨损量及其分析利用摩擦磨损试验，测得摩擦环体积磨损量，计算摩擦环体积磨损量平均值，得到与不同材质摩擦块对磨后摩擦环体积磨损量，见表 2。表 2与不同材质摩擦块对磨后摩擦环体积磨损量摩擦副CL65 车轮钢和 LH2 型高摩擦系数合成闸瓦CL65 车轮钢和 U71Mn 钢轨钢CL65 车轮钢和高磷铸铁闸瓦CL65 车轮钢和 M 型粉末冶金闸瓦摩擦环体积磨损量/cm30.003 9190.009 2010.000 4540.005 12635铁道技术监督第 51 卷第 11 期由表 2 可知，CL65 车轮钢摩擦环分别与U71Mn 钢轨钢摩擦块、M 型粉末冶金闸瓦摩擦块、LH2 型高摩擦系数合成闸瓦摩擦块、高磷铸铁闸瓦摩擦块组成的 4 组摩擦副摩擦后，车轮钢摩擦环体积磨损量依次呈减小趋势。综合分析 4 种材质闸瓦摩擦块的硬度，以及 4种材质闸瓦摩擦块与 CL65 车轮钢摩擦环组成的摩擦副经摩擦磨损试验后摩擦环体积磨损量测量结果可知，在金属摩擦块中，U71Mn 钢轨钢硬度最高，里氏硬度达到 549HL，与 U71Mn 钢轨钢摩擦块对磨的摩擦环体积磨损量最大，为 0.009 201 cm3；M型粉末冶金闸瓦硬度次之，里氏硬度为 345HL，与 M 型粉末冶金闸瓦摩擦块对磨的摩擦环体积磨损量次之，为 0.005 126 cm3；高磷铸铁闸瓦硬度最小，里氏硬度为 241HL，与高磷铸铁闸瓦摩擦块对磨的摩擦环体积磨损量最小，为 0.000 454 cm3。因此，摩擦块为金属材质时，摩擦环体积磨损量和摩擦块的硬度正相关，即摩擦块的硬度越大，摩擦环磨损量越大。LH2 型高摩擦系数合成闸瓦里氏硬度为 377HL，摩擦磨损试验中，对应摩擦环的体积磨损量为0.003 919 cm3。这个规律与 3 种金属材质不同。经分析认为，LH2 型高摩擦系数合成闸瓦采用高分子粘合剂与无机填料组成的复合材料制成。其中，高分子粘合剂为连续相，填料为分散相。复合材料的性能受连续相的性能影响很大。在摩擦过程中，高分子粘合剂存在较大的弹性变形，会减小填料对摩擦环的磨损。因此，尽管 LH2 型高摩擦系数合成闸瓦里氏硬度比粉末冶金闸瓦高，但与 LH2 型高摩擦系数合成闸瓦摩擦块对磨的摩擦环体积磨损量却较小。3.3摩擦环表面形貌及其分析完成 4 种材质摩擦块和摩擦环的摩擦磨损试验后，用扫描电镜观察摩擦环表面形貌。摩擦磨损试验后摩擦环表面形貌如图 1 所示。图 1摩擦磨损试验后摩擦环表面形貌（c）CL65 车轮钢和高磷铸铁闸瓦摩擦副（d）CL65 车轮钢和 M 型粉末冶金闸瓦摩擦副（a）CL65 车轮钢和 LH2 型高摩擦系数合成闸瓦摩擦副（b）CL65 车轮钢和 U71Mn 钢轨钢摩擦副分析图 1 可知，摩擦块材质不同，与其对磨的摩擦环表面形貌也显著不同。与 LH2 型高摩擦系数合成闸瓦摩擦块、U71Mn 钢轨钢摩擦块对磨的摩擦环表面，比与其他摩擦块对磨的摩擦环表面平36不同材质闸瓦和车轮滑动摩擦磨损试验及其结果分析检验与认证试样空白样（未与摩擦块对磨的摩擦环）与 LH2 型高摩擦系数合成闸瓦对磨的摩擦环与 U71Mn 钢轨钢对磨的摩擦环与高磷铸铁闸瓦对磨的摩擦环与 M 型粉末冶金闸瓦对磨的摩擦环Fe98.486.390.478.574.5O3.28.011.614.4Si0.81.00.91.60.9Mn0.80.80.70.80.6Ca0.10.10.1C8.56.3S0.10.1P0.9Cu8.7Ti0.1Cr0.8表 3摩擦环表面元素质量分数%分析表 3 可知，和空白样相比，与 LH2 型高摩擦系数合成闸瓦对磨的摩擦环、与 U71Mn 钢轨钢对磨的摩擦环、与高磷铸铁闸瓦对磨的摩擦环、与 M 型粉末冶金闸瓦对磨的摩擦环表面元素均发生了变化，氧元素不同程度增多。这说明摩擦过程中，发生了氧化反应。摩擦环表面有来自摩擦块的元素，如与 M 型粉末冶金闸瓦摩擦块对磨后，摩擦环表面出现铜；与高磷铸铁闸瓦摩擦块对磨后，摩擦环表面出现磷；与 U71Mn 钢轨钢摩擦块对磨后，摩擦环表面所含硅、锰元素比例发生变化；与LH2 型高摩擦系数合成闸瓦摩擦块对磨后，摩擦环表面出现钙、铝、碳等元素。采用能谱仪，扫描摩擦磨损试验后的摩擦环表面，分析氧元素分布，得到摩擦磨损试验后摩擦环表面氧元素分布，如图 2 所示。（a）CL65 车轮钢空白样表面（b）与 LH2 型高摩擦系数合成闸瓦摩擦块对磨的摩擦环表面（c）与 U71Mn 钢轨钢摩擦块对磨的摩擦环表面（d）与高磷铸铁闸瓦摩擦块对磨的摩擦环表面（e）与 M 型粉末冶金闸瓦摩擦块对磨的摩擦环表面图 2摩擦磨损试验后摩擦环表面氧元素分布坦，表面划痕较浅，以磨粒磨损为主。与高磷铸铁闸瓦摩擦块、M 型粉末冶金闸瓦摩擦块对磨的摩擦环表面，呈现鳞片状剥离坑，以疲劳磨损为主。3.4摩擦环表面元素质量分数及其分析采用能谱仪，检测摩擦磨损试验完成后的摩擦环表面元素，得到摩擦环表面元素质量分数，见表 3。37铁道技术监督第 51 卷第 11 期由图 2 可得，摩擦磨损试验前的摩擦环（空白样）表面未见氧元素（图 2（a）。经过摩擦磨损试验后的摩擦环表面均出现氧元素（图 2（b）（e），摩擦环表面出现剥落的位置，颜色发黑，即氧浓度显著降低，接近本体的状态。经进一步分析可知，不同材质的摩擦块和摩擦环对磨后，摩擦环表面发生氧化反应，形成第三体。由于第三体含氧较高，其硬度等性能和摩擦环本体存在差异，导致疲劳后更容易剥落，剥落位置摩擦环本体外露。摩擦过程中，由于机械力和氧化反应等作用，在摩擦界面不断形成第三体，第三体不断剥落，从而造成磨损。4结论通过分析 4 种材质闸瓦摩擦块和车轮钢摩擦环间的摩擦磨损试验结果，得出如下结论：（1）对车轮磨损量由大到小顺序的 4 种材质闸瓦为 U71Mn 钢轨钢、M 型粉末冶金闸瓦、LH2型高摩擦系数合成闸瓦、高磷铸铁闸瓦。（2）开展 4 种材质闸瓦摩擦块和车轮钢摩擦环摩擦磨损试验后，摩擦环表面均出现磨粒磨损和疲劳磨损。其中，LH2 型高摩擦系数合成闸瓦对车轮钢的磨损、U71Mn 钢轨钢对车轮钢的磨损以磨粒磨损为主，高磷铸铁闸瓦和 M 型粉末冶金闸瓦对车轮钢的磨损以疲劳磨损为主。（3）开展 4 种材质闸瓦摩擦块和车轮钢摩擦环摩擦磨损试验后，摩擦环表面均发生氧化反应，摩擦块中元素均出现向摩擦环转移现象。参考文献1 田建忠HXD2 型大功率机车合成闸瓦的研制J 铁道机车车辆，2017，37（3）：45-49，572 裴顶峰，张国文，党佳，等和谐型大功率内燃机车高摩合成闸瓦的研制 J 中国铁道科学，2012，33（3）：135-1393 王璞，王树国复杂运营条件下重载货车车轮磨耗发展的数值预测J 同济大学学报（自然科学版），2019，47（1）：71-784 李和平，严霄70 年来我国铁路机车车辆制动技术的发展历程J 铁道机车车辆，2019，39（5）：25-355 周韶博，张银花，张关震，等高速车轮材料与 U71MnG 钢轨材料的摩擦磨损试验 J 铁道建筑，2017，57（9）：128-1316 钟雯，董霖，陈朴，等高速铁路轮/轨材料匹配性能研究J 润滑与密封，2014，39（10）：33-367 黄洁，周琰，彭金方，等高转速、不同法向载荷条件下车轮与钢轨间的滚动摩擦磨损及损伤行为J 机械工程材料，2016，40（6）：88-928 丁昊昊，付志凯，郭火明，等三种钢轨材料与车轮匹配时滚动磨损与损伤行为 J 摩擦学学报，2014，34（3）：233-2399 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谢梦龙，叶新宇，张升，等LASSO 算法及其在边坡稳定性分析中的应用J 岩土工程学报，2021，43（9）：1724-17299 崔琨鹏基于 Lasso 的变量选择方法及其在贝叶斯网络中的应用D 济南：山东师范大学，2019（编辑牛建利）（上接第 32 页）