Применение наноматериалов и нанофункциональных присадок в перспективных технологиях лубрикации контакта гребня колеса с боковой поверхностью головки рельса

Важнейшие задачи ОАО «РЖД» - повышение эффективности работы на основе оптимизации взаимодействия служб пути и подвижного состава, освоение перспективного поездопотока при гарантированной безопасности движения. В последние годы в виду осложнения экономической ситуации в отрасли возникла ситуация, когда общая изношенность железнодорожной техники достигла угрожающих масштабов. Наличие трущихся узлов и прямая связь эффективности их работы с безопасностью подвижного состава делает весьма актуальным устранение проблем по увеличению эксплуатационного ресурса основных элементов механической части вагонов, мотор-вагонного подвижного состава и локомотивов.
Колесные пары являются наиболее ответственными и нагруженными элементами ходовой части экипажа, от которых зависит безопасность движения и эксплуатационная эффективность железнодорожной техники. Во время движения подвижного состава в области контакта с боковыми гранями рельсов происходит трение гребней бандажей колесных пар. Этот процесс порождает интенсивный износ рельсов и гребней, увеличивает сопротивление движению и энергозатраты на тягу, благодаря чему растут эксплуатационные расходы, вызывает угрозу безопасности движения.

Одним из вопросов этой проблемы есть взаимодействие рельса и колеса, это составляет физическую основу движения поездов по железным дорогам. Именно оно в целом определяет безопасность, а также такие важнейшие технико-экономические показатели, как скорость движения поездов, их масса и объемы расходов на эксплуатацию.
В сегодняшнее время, ресурс бандажей колесных пар ниже нормативных значений, а боковой износ рельсов лимитирует их срок эксплуатации и это не несмотря на то, что в сети предприятий ОАО «РЖД» активно ведутся мероприятия по ресурсо- и энергосбережению на железнодорожном транспорте. Исследование эксплуатационных данных выявило, что главными причинами отбраковки тягового подвижного состава являются возникновение остроконечного наката подрез и износ гребня. Быстрота изнашивания поверхностей в области касания колесо – рельс зависит от целого ряда факторов, среди оных: скорости относительного проскальзывания колеса (определяемые углами набегания колесных пар на рельсы), нагруженность зоны контакта, режим и вид движения локомотива, температурные условия эксплуатации, физико-химические модификации поверхностей в процессе трения, пагубные воздействия окружающей среды. Решающее значение оказывают: метод смазывания, материалы трущихся сопряжений, приповерхностных слоев, реологические и физико-химические свойства смазочного материала. В виду этих факторов лубрикация боковой поверхности головки рельсов является первоочередной и самой быстро реализуемой мерой в борьбе с интенсивным износом.

Мировая практика доказывает, наиболее лучший способ защиты от повышенного износа гребней колес и боковых поверхностей головок рельсов –это применение смазочных материалов. Благодаря уменьшению сил сопротивления движению экипажа по рельсам, лубрикация, увеличивает ресурс рельсов и колес, уменьшает расход топливно-энергических ресурсов на тягу, снижает вероятность вкатывания колеса на головку рельса, улучшает экологические показатели, как пример, снижает шум на железной дороге.
С этой целью используют такие технические средства как: бортовые гребнесмазыватели; стационарные путевые рельсосмазыватели и гребнесмазыватели; передвижные и бортовые рельсосмазыватели. Оснащение такими машинами даёт:
–снижение на 34 % сопротивления движению;
–уменьшение на 82 % износа колес и рельсов;
– резко сократилось число схода с рельсов;
–улучшилась плавность хода;
– за счет более легкого вписывания тележек подвижного состава в криволинейные участки пути произошло частичное снижение затрат энергии (на 5 – 8 %).
Основная задача смазывающего устройства состоит в том, чтобы во время движения поезда в результате точного нанесения в контакт гребень колеса – боковая поверхность рельса дозированного количества смазочного материала был достигнут желаемый эффект снижения трения и износа без ухудшения условий тяги или торможения, а также без загрязнения смазочным материалом элементов ходовой части подвижного состава и пути. Это может быть обеспечено лишь правильным выбором смазывающего устройства.
Качество смазочного материала оказывает решающее влияние на эффективность смазывающих устройств. Оно, в конечном счете, определяет условия трения в контакте, износ и уровень генерируемого шума. Специфика условий эксплуатации подвижного состава, а также конструкции систем лубрикации определяют ряд требований к смазочным материалам, предназначенным для смазывания фрикционного контакта гребня колеса с боковой поверхностью головки рельса. Согласно техническим нормам ОАО «РЖД» смазочные материалы для лубрикации области контакта рельса с колесом должны не разбрызгиваться, не крошиться, не скалываться и удерживаться на боковой грани головки рельса (на гребне колесной пары локомотива), легко наноситься, при:

– скоростях движения передвижного рельсосмазывателя (локомотива) от 3 км/ч до 140 км/ч;
–диапазон рабочего давления до 3 Гпа в системе;
– температуре атмосферного воздуха от минус 45°С до плюс 50°С даже в условиях 100%влажности;
–нормированном расходе смазочного материала.
Вдобавок сохранять смазочные свойства после разового нанесения значительное время (ресурс смазочного материала после разового нанесения), иметь достаточную вязкость и адгезию с металлом (способность к переносу).Нанесенный на гребень колеса смазочный материал должен быть стабильным по состоянию и составу при применении и хранении, не должен смываться атмосферными осадками.

Состав смазочных материалов очень сложный. В контакте колесо – рельс используют лубрикационные материалы, агрегатное состояние которых меняется от жидкого к твердому. Кроме углеводородов, ибо они содержат специальные полимерные добавки, металлические мыла, коллоидные суспензии, пластичные смазочные материалы и другие компоненты. При оценке смазочных свойств этих материалов надо учитывать множество параметров и, ко всему прочему, иметь в виду способ нанесения материала, коллоидные суспензии, состояние поверхности рельсов, воздействие окружающей среды и ряд прочих факторов.
Применение научно-обоснованного типа смазочных материалов лежит в основе любой технологии смазывания, которая обеспечивает на оптимальном уровне получение заданных выходных параметров трибосистемы.
В наши дни на сети железных дорог применяют различные смазочные материалы и способы их нанесения. Вот наиболее известные представители смазочных материалов, которые используются в системах гребне- и рельсосмазывания: СС-1, Пума-МГ, Пума-МЛ, Пума-МР, РС-6 «В», СРК, РС-6 «Ву», РАПС-2, СПЛ, СС-1, КР-400. Эффективность этих смазочных материалов не велика в виду того, что их применение не дает достигнуть желаемого результата уменьшения износа и трения, и не обеспечивает нужную долговечность рельсов и гребней колесных пар подвижного состава.
Руководство ОАО «РЖД» многочисленными постановлениями продолжает добиваться увеличения ресурса колесных пар подвижного состава и общей эффективности эксплуатации железнодорожного транспорта. И ставит следующие требования:

– снижение удельного расхода топлива и электроэнергии на тягу поездов на 10-15%;

-увеличение ресурса бандажей колесных пар локомотивов не менее чем до 1,0 млн. км;

-увеличение ресурса вагонных колес до 1,3 млн. км;

-увеличение межремонтного тоннажа верхнего строения пути до 1 млрд.т.

Поэтому довольно таки важным видится поиск инновационных путей улучшения системы колесо-рельс.

Совершенно неизученные перспективы в этом пути несут применение нанофункциональных присадок с развитой удельной поверхностью (до 600 м2/г) и ненормально большой дисперсностью (1-100 нм) и наноматериалов. Как видно из исследований, проводившихся продолжительное время в ультрадисперсных материалах, включающих или состоящих из сверхмалых морфологических элементов – зерен, пор, кристаллов, дисперсных включений, состоящих в термодинамически неравновесном состоянии, могут быть получены повышенные, недостижимые традиционными методами уникальные и новые свойства.

Изучение таких систем дает понять, что можно более плодотворно управлять качеством работы этих трибосопряжений. Путем изменения состава и концентрации малых частиц, применяя химически-активные и поверхностно-активные вещества, можно реализовать весь спектр задач, имеющих отношение к минимизации износа и трения в контакте гребень колеса - боковая поверхность рельса, в трибологических системах. Присутствие сверхмалых частиц в большом объеме меняет характер взаимодействия поверхностей и свойства пленки, которая смазывает.

Далее, получившаяся из наночастиц пленка пропитывается смазочным материалом, который выдавить с поверхности не представляется возможным. Характер работ трибосопряжений терпит большие изменения при участии нанофункциональных присадок и нанокомпонентов в составе смазочных материалов.

При помощи автоматизированной системы регистрации и обработки экспериментальных данных,которая состоит из многоканальных усилителей были получены результаты лабораторных испытаний, которая состоит из ПЭВМ типа IBM/PC, многоканальных усилителей вибродатчиков с каналами синхронизации, усилителя сигнала датчиков машины трения 2070 СМТ-1, тензоусилителя, платы цифровой обработки сигналов с 9-ти канальным АЦП, соединительных кабелей, источника питания, пакета специализированного программного обеспечения.
Эффективность применения наноматериалов и нанофункциональных присадок в составе смазочных материалов была подтверждена результатами проведенных исследований, которые показали следующие значения:
- снижение коэффициента трения на 20-30%;
- снижение износа в 1,3 - 3 раза;

-увеличение ресурса смазочного материала после разового нанесения на 20-30 %.

Несмотря на многолетние опыты, тема износа колесных пар далека от завершения. Ученые уже выявили огромное число параметров этого пагубного явления. Это – повышение горизонтальной и вертикальной жесткости пути, введение электрического торможения с «головы» состава, замена буксовых подшипников скольжения на роликовые подшипники, сужение колеи, а также повышение продольных нагрузок в составе и повышение весов поезда, что ведет к созданию дополнительных сил трения.

Во всем мире большую тревожность создает интенсивный износ колесных пар. Но пока нет единого метода чтобы этот сложный процесс был устранен. На сегодня у нас эта проблема решается, в первую очередь, путем применения лубрикации (смазывание рельс). Широкомасштабные международные исследования доказали целесообразность использования стационарных и передвижных рельсосмазывателей и гребнесмазывателейразных конструкций. В кривых участках колеи смазочный эффект проявляется гораздо эффективнее. Благодаря этому износ бандажей колесных пар уменьшился примерно в два раза. Итоговая миссия применения технологии смазывания - это выход на постоянно нормируемый показатель удельного износа, продлевающий срок службы локомотивных колес, минимум как 750 тыс. км пробега. Однако, надо иметь в виду, что неумелое применение лубрикации, большое ее количество способно в некоторых условиях вызвать такие плохие явления как увеличение времени торможения, сходы подвижного состава, боксовка при трогании.

По всему миру используются средства лубрикации. Десять рельсосмазывателей переделанных на базе локомотивов было изготовлено в АО «Локомотив». Работа этих машин позволяет значительно поддерживать уровень износа гребней бандажей колесных пар в определенных пределах, рекомендуемых инженерами ВНИИЖТа (Всероссийского научно-исследовательского института инженеров транспорта), уменьшить темп роста износа в сравнении с 90-ми годами. Четыре локомотива переделанных под рельсосмазыватели на основе электровоза ВЛ60, у них есть система бесконтактного смазывания и шесть рельсосмазывателей переделанных на базе тепловозов серии 2ТЭ10Л (В) с наличием специальной лыжи, то есть контактное нанесение смазки производится на рельс.

На участках железных дорог, где идет интенсивный износ гребней колесных пар работают рельсосмазыватели. Эксплуатируют их и обслуживают обученные и подготовленные локомотивные бригады. Есть утвержденный и установленный график, по которому ведутся работы. Смазывание гребней колесных пар тоже проходит в рамках осуществления лубрикации. Ради этого по настоянию и разработке сотрудников АО «Локомотив» на 440 локомотивов были поставлены специальные устройства, которые с применением твердых (графитных) стержней смазывают гребни колесных пар. Перед этим 140 единиц техники было оснащено гребнесмазывателями с применением жидкой смазки. По прогнозам использование твердых смазок является наиболее перспективным, исходя из этого в дальнейшем мы планируем использовать только их.[12]

Дата добавления: 2015-06-29