СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗНОСА В СИСТЕМЕ "КОЛЕСО-РЕЛЬС" ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
METHOD FOR WEAR RATE LOWERING IN "WHEEL-RAIL" SYSTEM OF RAILWAY VEHICLE

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а именно способам снижения интенсивности износа рельсов и колес железнодорожного транспорта.
Известен способ энергосбережения на железнодорожном транспорте, обеспечивающий снижение потерь на преодоление трения в паре колесо-рельс при использовании смазочно-охлаждающего средства, подаваемого одновременно в зону контакта с рельсом всех колес состава поезда. Средством подачи смазочно-охлаждающего средства служит напорная газодинамическая установка (Патент №2407665).
Известен способ энергосбережения на железнодорожном транспорте, обеспечивающий снижение потерь на преодоление трения в паре колесо-рельс. Способ определяется возможностью обеспечения направленного течения жидкостной фракции тумана, состоящего из распыленного в воздухе тонкодиспергированного смазочно-охлаждающего агента, поступающего от направляющего диффузора устройства, вырабатывающего туман, в зону взаимодействия колеса и рельса (Патент №2429984).
К недостаткам указанных технических решений следует отнести сложность реализации способов, не ясна природа снижения потерь на преодоление трения в паре колесо-рельс, не определено воздействие на экологию смазочно-охлаждающего средства.
Известен способ уменьшения износа боковой поверхности рельсов и гребней колес железнодорожного транспортного средства, заключающийся в подаче при помощи управляемых механических средств химического агента на боковую поверхность рельса или на гребень колеса для снижения коэффициента трения в их контакте, при этом контактирующие поверхности рельса и колеса вначале подвергают воздействию магнитного поля, затем механической очистке, после чего на них подается охлаждающий химический агент, обеспечивающий оседание влаги из воздуха в виде изморози как смазки на контактирующих поверхностях колеса и рельса. В качестве охлаждающего химического агента может применяться жидкий азот (Патент №2142890). Принят в качестве прототипа.
Недостаток данного технического решения заключается в сложности реализации способа. Кроме наличия механической системы для подачи химического агента, необходимо иметь магнитную систему для размагничивания и механическую для очистки колес. Опыт авторов по вопросу применения магнитов на железной дороге показывает, что их использование создает множество проблем для цепей систем централизации и блокировки.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эксплуатационных качеств железнодорожных транспортных средств.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в снижении интенсивности износа колес и рельсов в кривунах и стрелочных переводах, в снижении образования ползунов и наваров на колесах при торможении и разгоне локомотивов, в улучшении экологической обстановки в зонах использования смазки.
2
Технический результат достигается предлагаемым способом снижения интенсивности износа в системе «колесо-рельс» железнодорожного транспортного средства, заключающийся в подаче при помощи управляемых механических средств химического реагента на боковую поверхность рельса и/или на гребень колеса, при этом управляемые механические средства устанавливают на локомотиве и вагонах и на стрелочных переводах и в кривунах, в качестве химического реагента используют углекислый 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 химического реагента, а в периоды торможения и разгона не менее 6-8 л/мин на одно управляемое механическое средство подачи реагента, установленное на локомотиве, расход реагента задают избыточным давлением газа на выходе из сопла управляемого средства.
Колесо является основным элементом ходовой части железнодорожного состава, реализующего следующие функции:
- перемещения вагонов относительно рельсов с восприятием колесом значительных статических и динамических нагрузок с продольным и поперечным проскальзыванием относительно поверхности рельса в условиях контактных давлений, превосходящих предел текучести колесной стали;
- выполнение поверхностью катания колеса роли «тормозного барабана», воспринимающего нагрев и охлаждение с высокой скоростью, а также высокие напряжения сдвига и сжатия при значительном разогреве металла обода колеса.
01
Качение колеса по рельсу с проскальзыванием (от 0 до 10%) вызывает в основном два процесса разрушения: объемную пластическую деформацию и абразивный износ. Объемная пластическая деформация неравномерна по глубине от поверхности катания, достигает наибольших величин непосредственно у поверхности и уменьшается по мере удаления от нее. Давление в контакте «колесо-рельс» в реальных условиях эксплуатации изменяется от 1,7 до 3 и более предела текучести колесной и рельсовой стали. Поверхностный слой в трибосистеме «колесо-рельс» в реальных условиях эксплуатации, в особенности гребни и боковые поверхности рельса, упрочняется. Причем глубина фрикционного слоя достигает 0,01-0,03 мм, а приращение твердости на поверхности - от 220 до 1200 HV (нижний индекс - нагрузка на индентор, кгс). По мнению авторов (Жаров И.А. Проверка адекватности моделей трения и изнашивания на пятнах контакта колес и рельсов. Трение и износ. Т.22, 2001. №5. с.487-495), механизм упрочнения фрикционного слоя более сложный, чем просто его наклеп или закалка с фазовыми превращениями, хотя высокие контактные нагрузки до 1000-1500 МПа и высокие температуры до 1000 C существуют в малых объемах фактического контакта «колесо-рельс». Однако они существуют в течение тысячных долей секунды. Поэтому правильнее говорить не о нагреве или наклепе поверхностного слоя, а о его высокой энергонасыщенности. При такой плотности энергии металл в слое сдвига течет аморфно, как жидкое стекло. Этот механизм деформирования, по мнению Жарова И.А., можно определить как бездифузионный недислакационный высокоэнергетический аморфный сдвиг. После выхода из зоны трения металл в полосе скольжения мгновенно охлаждается, сохраняя при этом аморфную структуру металлического стекла с твердостью 800 HV и более.
Механическая активация контактной поверхности в виде пластической деформации сопровождается образованием ювинильных поверхностей с образование активных центров, возникающих в результате разрыва химических связей и образования дефектов кристаллической решетки, как двух путей релаксации механических напряжений. Несмотря на сильное изменение структуры поверхностного слоя, повышение твердости и охрупчивание, деформация в контакте колесо-рельс продолжаются непрерывно вплоть до отделения образовавшихся пленок аморфного металла с поверхности в виде чешуек износа. Интенсивность износа, по мнению авторов, определяется степенью аморфизации металла в зоне контакта. Чтобы уменьшить износ контактируемых поверхностей, необходимо уменьшить степень аморфизации контактной поверхности или повысить пластичность зерен металла за счет взаимодействия с окружающей средой. Это возможно за счет изменения среды, в которой происходит аморфизация поверхности. Известно (Калинкин A.M. Механосорбция диоксида углерода перовкситом, структурно-химическиие изменения. Журнал физической химии, 2008, том 82, с.331-336), что воздушная среда по сравнению со средой углекислого газа при пластической деформации, высоком давлении и температуре приводит к снижению диспергирования частиц в несколько раз, при этом среда углекислого газа дополнительно увеличивает пластичность зерен.
Анализ литературных источников, показывающих увеличение пластичности при механической активации (давление, температура, пластическая деформация) частиц в среде углекислого газа и проведенные исследования авторами данного технического решения, контактных поверхностей, полученных на машине трения на образцах, вырезанных из рельсовой и колесной вагонной стали, в среде углекислого газа, в воздушной среде и в среде азота, позволил установить значительное различие в механизмах износа контактных поверхностей в различных средах. Различие в механизмах износа отразилось на величине и характере износа в системе колесо-рельс. В среде углекислого газа практически отсутствуют адгезионные явления и абразивный износ.
Предлагаемый способ поясняется фотографиями контактных поверхностей, полученных при различном увеличении. На фиг.1 показана контактная зона, полученная в воздушной среде, на фиг.2 - то же, в среде углекислого газа, на фиг.3. и 4 - образование контактных площадок с участками аморфной структуры на образцах, испытанных в воздушной среде. Способ реализуется следующим образом.
Источником углекислого газа в системе является стандартный газовый баллон, заправленный углекислым газом. Газ из баллона через регулятор давления, который редуцирует его, направляется к электропневматическому клапану форсунки. Смазка из баллона под давлением постоянно поступает через трубопровод в форсунку. При прохождении железнодорожного состава на кривых участках или стрелочных переводах подаются сигнал на открытие электропневматических клапанов. В зависимости от заданного режима формируется расход форсунки, форсунка производит выброс газа на верхнюю боковую поверхность головки рельса в зону контакта колеса с рельсом.