СТРЕЛОЧНЫЙ ПЕРЕВОД С ПОНИЖЕННЫМ ИЗНОСОМ РАМНОГО РЕЛЬСА И ОСТРЯКОВ

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта, в частности, к устройствам для снижения износа рамного рельса и остряков.
Известен способ энергосбережения на железнодорожном транспорте путем снижения потерь на преодоление трения в системе колесо - рельс, обеспечиваемого подачей в зону их контакта смазочно-охлаждающего средства, использующий для этого техническое средство в виде напорной газодинамической установки, при этом подачу смазочно-охлаждающего средства осуществляют в зону контакта с рельсом каждой колесной пары в составе поезда путем нагнетания его в виде тумана, представляющего собой мелкодисперсную газожидкостную смесь, в пространство, ограниченное железнодорожным полотном, дисками колес и днищами вагонов; при этом регулировкой производительности напорной установки обеспечивают возможность эффективного торможения на последнем вагоне состава поезда и мгновенной вентиляции подвагонного пространства прекращением подачи смазочно-охлаждающего агента в зону напорного течения воздуха. (Патент на изобретение №2407665, заявка №2009117992 от 12.05.2009 г. МПК B61K 3/00).
Недостатком данного технического решения является сложность осуществления способа, требующего оснащения сложным оборудованием, для хранения, подачи газожидкостной смеси на множестве поездов.
2
Известен способ снижения интенсивности износа в системе колесо-рельс железнодорожного транспортного средства, заключающийся в подаче при помощи управляемых механических средств на боковую поверхность рельса и/или на гребень колеса, углекислого газ (CO), а подачу газа производят на подвижных устройствах, в период торможения-разгона - на локомотивах, в период торможения - на вагонах, в периоды прохождения железнодорожным составом стрелочных переводов и кривунов, при этом подача газа при прохождении стрелочных переводов и кривунов производится с интенсивностью не более 2-4 л/мин на одно управляемое механическое средство подачи газа, а в периоды торможения и разгона - не менее 6-8 л/мин на одно управляемое механическое средство подачи газа, установленное на локомотиве, расход реагента задают избыточным давлением газа на выходе из сопла механического средства. Управляемые механические средства устанавливают на локомотиве и вагонах, на стрелочных переводах и в кривунах. (Патент на изобретение №2522478, заявка 2013103840 от 30.01.2013 г. МПК B61K 3/00)
Недостатком данного технического решения заключается в сложности реализации способа и его размещения на подвижном составе.
2
Известен ресурсосберегающий стрелочный перевод, характеризующимся тем, что содержит рамные рельсы и остряки с установленными на них управляемыми устройствами подачи газа в зону контакта колесо-рельс и датчиками контроля положения колесной пары подвижного состава. Кроме этого, устройство подачи газа закреплено на основании остряка, устройство подачи газа состоит из форсунок, трубчатого элемента, защитного кожуха, сенсорные датчики контроля установлены перед устройством подачи газа по ходу движений подвижного состава, подачу газа производят в периоды прохождения железнодорожным составом стрелочных переводов с интенсивностью не более 2-4 л/мин на одно управляемое включение, расход газа задают избыточным давлением на выходе из форсунок, в качестве газа используется углекислый газ (СО). (Патент на полезную модель №176705, заявка 2017113528, 19.04.2017 г. МПК B61L 1/00).
Недостатком данного технического решения является не оптимальные технические решения устройства подачи газа в область контакта колесо-рельс, что приводит к снижению эффективности использования газа для снижения износа рамных рельсов и остряков стрелочного перевода, и его увеличенному расходу.
Задачей заявляемого технического решения является обеспечение бесперебойной и безопасной работы стрелочного перевода при движении подвижных составов.
Технический результат заключается в создание в зоне контакта колесо-рельс защитной газовой среды с минимальным содержанием кислорода окружающей среды, и как следствие снижении износа остряков стрелочного перевода, в снижении расхода защитной газовой среды.
2
Технический результат достигается стрелочным перевод с пониженным износом рамного рельса и остряков, содержащий рамные рельсы и остряки с установленными на них устройствами подачи в зону контакта колесо-рельс защитной газообразной среды (ЗГС), датчики контроля положения колесной пары подвижного состава, расположенные перед устройствами подачи ЗГС по ходу движения подвижного состава, при этом устройствами подачи ЗГС автоматически управляет регулирующее устройство, состоящее из расходной газовой рампы с регулятором давления, установленной на баллонах с ЗГС и соединенной трубопроводами с ресивером и блоком электрических клапанов, которые управляются программируемым контроллером, с подключенными к нему бесконтактными датчиками (сенсорами) положения остряков и положения колесной пары, а устройство подачи ЗГС выполнено в виде блока газовых форсунок (коллектора), исполненного в виде трубчатого элемента, заглушенного с одной стороны и имеющего с другой стороны штуцер для присоединения через трубопровод к электрическому клапану, с равноудаленно расположенными на нем форсунками, формирующими газовый факел и направляющими его в область контакта колесо-рельс, и закрытого защитным кожухом. Кроме этого регулирующее устройство расположено в шкафу, блок электрических клапанов расположен на верхнем строении пути, бесконтактные датчики (сенсоры) для определения положения остряков и положения колесной пары установлены на рамных рельсах перед стрелками по ходу движений подвижного состава, подачу ЗГС производят в периоды прохождения железнодорожным составом стрелочного переводов с интенсивностью 1-30 л/мин на каждую форсунку, в качестве ЗГТС используется углекислый газ (CO), аргон, эндогаз или их смесь.
Предложено техническое решение по снижению износа контактных поверхностей рамных рельсов и остряков при прохождении по переводу транспортного средства. Снижение износа в зоне контакта колесо-рельс основано на реализации комбинации трибологических эффектов и условий, позволяющих снизить износ. Из работы проф. Б.И. Костецкого известно, что в условиях высоких контактных нагрузок, когда происходит пластическая деформация и относительное проскальзывание контактируемых поверхностей, присутствует явление структурной приспособляемости (Костецкий, Б.И. Трение, смазка и износ в машинах / Б.И. Костецкий. - Киев:  1970. -396 с.). В зоне контактных поверхностей, постоянно находящиеся в окислительных средах, износ поверхностей происходит в стационарном режиме нормального окислительного трения (НОТ) - наиболее характерного для большинства трибосопряжений. Профессор Б.И. Костецкий на основе НОТ выдвинул положение об «универсальном явлении структурной приспособляемости», как способности материалов перестраивать структуру поверхностного слоя, чтобы лучше сопротивляться износу.
Исследования, проведенные авторами показали, что в зонах контакта колесо-рельс, находящихся в окислительных средах, где должен реализоваться стационарный режим нормального окислительного трения (НОТ), происходит очень быстро, структура поверхностного слоя материала перестраивается в виде образования пленок оксидов (при НОТ), так и защитных структур другого типа, обладающих высокой твердостью и хрупкостью. Механизм разрушения таких соединений, как пленок оксидов, происходит по механизму зарождения и развития микротрещин, вызывающих отслаивание микроскопических участков материала. Трещины зарождаются вследствие высоких контактных нагрузок и высоких температур в поверхностном слое. Первоначально появляются точечные дефекты по границам деформированных зерен. В дальнейшем происходит их слияние и образование волосовин, которые при дальнейшей деформации материала колеса прорастают на поверхность. (Диссертация Шакиной А.А. стр. 68 Ресурс в интернете (https://sovet.knastu.ru/media/file/u1NfL7.pdf).
Снижение трения, следовательно, уменьшение пластической деформации зоны контакта и как следствие износа в целом, осуществляется с помощью фрикционных покрытий и специальных металлоплакирующих присадок, образующих на поверхности защитные вторичные структуры. Такой метод снижения износа контактной зоны реализуется на железнодорожном транспорте с помощью лубрикации, боковой поверхности головки рельсов, а также гребней колес. В стационарном исполнении задача лубрикации реализована в многочисленных конструкциях путевых устройств, для стрелочных переводов и кривых участков пути в пределах станционных путей, которые помимо известных достоинств обладают и рядом недостатков.
Основной недостаток это то, что контактная зона является открытой системой со свободным доступом не только кислорода (атмосферного воздуха), но и пыли с абразивными частицами. Кроме этого лубрикация имеет ряд и других существенных недостатков:
- это сложная многокомпонентная система (бак, насос, питатели, шланги), следовательно, велика вероятность выхода из строя отдельных компонентов;
- высокие требования к квалификации обслуживающего персонала, к качеству проводимых работ по ремонту или обслуживанию системы;
- попадание смазки на дорожку качения, что в отдельных случаях вызывает попадание в контакт абразивных частиц, которые интенсифицируют износ;
- необходимость коррекции состава смазки и режимов работы рельсосмазывателей в зависимости от температуры эксплуатации (существенная зависимость вязкости смазки от температуры)
- экологические загрязнения окружающей среды.
Предлагаемое техническое решение позволяет снизить окислительные процессы в зоне контакта за счет подачи в зону защитной газообразной среды (ЗГС). В качестве защитной газообразной среды (ЗГС) могут выступать углекислый газ, аргон, эндогаз или их смеси в различных соотношениях.
Авторами были проведены исследования износа в системе контакта образцов при скольжении на машине трения в лабораторных условиях. Образцы изготавливали материал колеса и материал рельса, при этом зона контакта защищалась от воздействия кислорода окружающей среды ЗГС. Оценивалась интенсивность износа контактных поверхностей (изменение массы образцов) и изменение коэффициента трения. Снижение окислительных процессов, происходящих в процессе пластической деформации в зоне контакта, достигалось путем подачи в контактную зону ЗГС в виде инертного газа (аргона, углекислого газа, эндогаза).
В результате экспериментальных исследований установлено, что коэффициент трения и интенсивность износа в фрикционном контакте, в период приработки и на установившемся режиме, в среде углекислого газа в 3 раза меньше в сравнении с коэффициентом трения, полученным в среде атмосферного воздуха, фис 9. Аналогичные данные были получены по показателям интенсивности массового износа образцов, фиг. 10. При анализе изображения поверхностей, полученных в ходе испытаний в среде углекислого газа, характер износа указывал на преимущественно пластическую деформацию, локализованную в тонком поверхностном слое. Поверхностный рельеф был не высокий, сглаженный.
Полученные экспериментальные данные показывают, что защита зоны контакта трущихся поверхностей ЗГС позволяет снизить коэффициент трения и уменьшить износ.
Применение в стрелочном переводе устройств подачи ЗГС автоматически управляемых регулирующим устройством с программируемым контроллером (с установленным программным обеспечением) получающим информацию от бесконтактных датчиков положения остряков, датчиков положения колесной пары и управляющим блоком электрических клапанов, расходной газовой рампой с регулятором давления и ресивером, соединенным с помощью трубопроводов с блоком электрических клапанов и конструктивное выполнение блока газовых форсунок (коллектора), в виде трубчатого элемента заглушенного с одной стороны и имеющего с другой стороны штуцер для присоединения через трубопровод к электрическому клапану, с равноудаленно расположенными на нем форсунками, позволяют сформировать газовый факел ЗГС и направить и его в область контакта колесо-рельс, создав, таким образом зону с минимальным содержанием кислорода окружающей среды в момент прохождения колесной пары железнодорожного транспортного средства.
Предлагаемое техническое решение, позволяющее защитить зону контакта колесо-рельс обладает следующими основными преимуществами:
- автоматическая подача ЗГС в область контакта колесо-остряк в момент прохождения колесной пары железнодорожного транспортного средства;
- отсутствует сложная многокомпонентная система подачи смазки;
- относительно низкая стоимость ЗГС, может использоваться углекислый газ, аргон, эндогаз.
- отсутствует смешивание ЗГС с продуктами загрязнения в виде пыли (нет усиления абразивного износа), защитная газовая среда под избыточным давлением подается в зону контакта;
- отсутствие зависимости от температуры эксплуатации
- экологическая безопасность.
Данное техническое решение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид стрелочного перевода пониженным износом, вид сверху, на фиг. 2 показано регулирующие устройство (в шкафу), на фиг. 3 показан вид по стрелке А фиг. 1, фрагмент соединение трубопровода ресивера с блоком электрических клапанов, на фиг. 4 показано сечение по Б-Б фиг. 1 блок газовых форсунок (коллектор) закрепленный на остряке с фрагментом трубопровода и бесконтактный датчик положения остряка, фиг. 5 бесконтактный датчик положения колесной пары, фиг. 6 блок газовых форсунок (коллектор) вид сверху, фиг. 7 стрелочный перевод сечение В-В фиг. 1 соединение трубопроводами блока электрических клапанов и блоков газовых форсунок (коллектор) закрепленных на остряке, фиг. 8 сечение Г-Г по фиг. 7 расположение трубопроводов в стрелочном переводе и блок электрических клапанов, фиг. 9 зависимость коэффициента трения от времени приработки и состава окружающей атмосферы, фиг. 10 массовый износ образцов из рельсовой и колесной стали.
Стрелочный перевод с пониженным износом рамного рельса и остряков, содержит рамные рельсы 1 и остряки 2, устройство подачи ЗГС 3, шкаф 4 в котором расположено регулирующее устройство, блок электрических клапанов 5, бесконтактные датчики контроля положения колесной пары подвижного состава 6, бесконтактные датчики положения остряков 7, трубопровод 8.
Регулирующие устройство, состоит из находящейся в шкафу 4 расходной газовой рампы 4.1 с регулятором давления 4.2, установленной на баллонах 4.3 со сжатым газом и соединенной трубопроводами 4.4 с ресивером 4.5 и программируемого контроллера 4.6. Устройство подачи 3 газа выполнено в виде блока газовых форсунок (коллектора), исполненного в виде трубчатого элемента 3.1 с равноудаленно расположенными на нем форсунками 3.2, заглушенного с одной стороны и имеющего с другой стороны штуцер 3.3 для присоединения через трубопровод 7 к блоку электрических клапанов и закрытому защитным кожухом 3.4.
Стрелочный перевод с пониженным износом рамного рельса и остряков работает следующим образом. При приближении железнодорожного состава устройство получает сигнал от бесконтактных датчиков контроля положения колесной пары подвижного состава 6, (по ходу движения состава их два). По полученным данным от датчиков 6 определяется скорость состава, время подхода обода колеса к месту установки первой форсунки, по ходу движения состава, блока форсунок 3.2, длительность подачи форсунками ЗГС в зону контакта и интервал между очередной подачей ЗГС. Устройства подачи ЗГС выдает сигнал на срабатывание форсунок с заданной периодичностью в моменты прохождения ободом колеса места установки первой форсунки, по ходу движения состава, блока форсунок 3.2. Такой цикл подачи ЗГС проводится для каждой вагонной пары колес. ЗГС подается в область контакта колесо-рельс на один остряк, прижатый к рамному рельсу. Переключение подачи ЗГС между правым и левым остряком происходит синхронно, с переводом стрелки, в соответствии с фактическим положением по датчику положения остряка. Соединение устройства подачи ЗГС с рампой 4.1 обеспечивается трубопроводами 8.
Подготовлена техническая документация, изготовлен опытный образец устройства подачи ЗГС стрелочного перевода в зону контакта колесо-рельс.