利用新型粘附增强颗粒通过打磨来恢复轮轨粘附力的研究

《Powder Technology》：Study on wheel-rail adhesion restoration effect by sanding using novel adhesion-enhancement particles

轮轨粘着性能优化研究中开发了新型粘着增强颗粒，通过单轴压缩试验测定其破碎应力（20-68 MPa），发现粘着系数随破碎应力增至68 MPa后趋于稳定。新型颗粒相比硅砂、氧化铝等传统材料具有更优粘着恢复效果与更低轮轨磨损损伤，提出未烧结颗粒（20 MPa）适用于低粘着增强需求，烧结颗粒（68 MPa）则适用于高要求场景。

　　在列车运行过程中，轮轨之间的摩擦力是确保列车安全与高效运行的关键因素之一。然而，由于轮轨系统所处的开放环境，如雨水、油污以及落叶等污染物的存在，可能会导致轮轨摩擦力下降，从而引发列车延误、轮轨磨损甚至碰撞等安全隐患。为了解决这一问题，近年来研究人员广泛探索了多种提高轮轨摩擦力的方法，其中撒砂是最常见且有效的方式之一。然而，撒砂虽然能够提升摩擦力，但同时也伴随着轮轨的损伤，这在实际应用中引发了对替代材料的持续研究。

本研究旨在开发一种新型的轮轨摩擦力增强材料，该材料能够在不显著增加轮轨损伤的前提下，实现与传统材料（如石英砂、氧化铝等）相似甚至更好的摩擦力恢复效果。通过调整制备参数，研究者制备了不同特性的新型摩擦力增强颗粒，并在单轴压缩装置上测试了其破碎应力。同时，为了进一步评估新型颗粒的摩擦力增强效果，研究者在双盘轮轨试验机上模拟了油污条件下的轮轨摩擦力恢复过程。实验结果显示，当新型颗粒的破碎应力从20 MPa提升至68 MPa时，轮轨摩擦系数随之增加，而当破碎应力超过68 MPa后，摩擦系数趋于稳定。这表明，新型颗粒的破碎应力在一定程度上影响了其在轮轨系统中的摩擦力恢复能力。

相较于传统材料，新型摩擦力增强颗粒在提高轮轨摩擦力方面表现出更优的性能。研究者从摩擦系数、磨损程度以及轮轨损伤等多个维度对新型颗粒进行了综合评估。结果显示，破碎应力较低的新型未烧结颗粒（20 MPa）在对摩擦力增强要求较低的条件下，可以作为石英砂的替代品，实现良好的摩擦力恢复效果。而破碎应力较高的新型烧结颗粒（68 MPa）则更适合在对摩擦力增强要求较高的条件下使用，表现出最佳的摩擦力恢复性能。这一结论为新型材料在实际轮轨系统中的应用提供了重要的参考依据。

在轮轨摩擦力恢复过程中，颗粒的破碎行为是一个不可忽视的因素。颗粒在通过轮轨界面时会发生破碎，而破碎的程度和方式直接影响轮轨的摩擦力恢复效果以及表面损伤情况。因此，研究颗粒的破碎应力对于优化其性能具有重要意义。已有研究表明，颗粒的破碎应力是影响其破碎行为的关键参数之一。例如，在欧洲铁路砂的破碎应力研究中，发现颗粒在实际轮轨载荷下容易形成固化的碎屑团块。而砂和氧化铝的破碎应力则随着颗粒尺寸的变化而变化，且破碎后的极限颗粒尺寸也受到颗粒尺寸的影响。这些研究提示，颗粒的破碎应力不仅决定了其在轮轨系统中的表现，还可能对轮轨摩擦力恢复效果产生重要影响。

此外，颗粒的材料特性也对轮轨摩擦力恢复效果和轮轨损伤产生显著影响。例如，研究者发现，在油污条件下，硬度较高的颗粒表现出更好的摩擦力恢复效果。然而，这种效果是否完全归因于颗粒本身的硬度，还是与颗粒的使用方式有关，仍然存在争议。在日本，陶瓷颗粒被广泛用于替代砂，以提高轮轨摩擦力，并取得了良好的效果。但陶瓷颗粒通常具有较小的颗粒尺寸，因此在实际应用中需要采用更高的颗粒利用率，这使得难以判断其摩擦力恢复效果是否完全来自于颗粒材料本身。

进一步的研究表明，氧化铝在油污和潮湿条件下比砂表现出更好的摩擦力恢复效果。然而，氧化铝的使用也会导致轮轨磨损率增加和损伤加剧。相比之下，砂则被认为是更合适的摩擦力增强材料。虽然氧化铝在提高轮轨摩擦力方面具有一定优势，但其对轮轨的负面影响也不容忽视。因此，如何在提高摩擦力的同时减少轮轨损伤，成为材料研发的重要课题。

基于以上研究背景，本研究首次制备了具有不同制备参数的新型摩擦力增强颗粒，并利用单轴压缩装置对其破碎行为进行了系统研究。随后，研究者通过双盘轮轨试验机，模拟了油污条件下的轮轨摩擦力恢复过程，以评估新型颗粒的性能。研究结果表明，颗粒的破碎应力是影响其摩擦力恢复效果的关键因素之一。通过调整制备参数，研究者能够有效控制颗粒的破碎行为，从而优化其在轮轨系统中的应用效果。

研究还发现，颗粒的破碎应力随着制备参数的变化而变化。例如，提高烧结温度能够显著增加颗粒的破碎应力，而延长烧结时间则可能导致破碎应力先增加后下降。此外，添加粘结剂能够降低颗粒的破碎应力，但粘结剂的含量增加也会导致破碎应力的变化。这些发现表明，颗粒的破碎应力不仅与材料本身的特性有关，还受到制备过程中多种参数的影响。因此，在开发新型摩擦力增强颗粒时，需要综合考虑这些参数，以实现最佳的摩擦力恢复效果。

在实际应用中，颗粒的破碎行为不仅影响其摩擦力恢复效果，还可能对轮轨表面造成损伤。因此，研究颗粒的破碎应力对于优化其性能具有重要意义。通过实验，研究者发现，当颗粒的破碎应力较低时，其在轮轨系统中的摩擦力恢复效果较为稳定，但可能无法满足高要求的摩擦力增强需求。而当颗粒的破碎应力较高时，其在轮轨系统中的摩擦力恢复效果更加显著，但同时也伴随着更高的磨损率和损伤程度。因此，在实际应用中，需要根据轮轨系统的具体需求，选择适合的颗粒破碎应力水平。

此外，研究者还发现，颗粒的破碎行为可能受到轮轨运行条件的影响。例如，在低滑移比和低轮轨运行速度条件下，颗粒的破碎行为可能较为轻微，而在高滑移比和高轮轨运行速度条件下，颗粒的破碎行为可能更加显著。因此，在实际应用中，需要考虑轮轨运行条件对颗粒破碎行为的影响，以优化其性能。

综上所述，本研究通过调整制备参数，开发了一种新型的摩擦力增强颗粒，并对其破碎行为和摩擦力恢复效果进行了系统研究。研究结果表明，颗粒的破碎应力是影响其摩擦力恢复效果的关键因素之一。通过优化破碎应力水平，研究者能够有效提高轮轨摩擦力，同时减少轮轨损伤。这一研究为新型摩擦力增强材料的开发和应用提供了重要的理论依据和实践指导。