СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ СЦЕПЛЕНИЯ КОЛЕС ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С РЕЛЬСАМИ
METHOD TO INCREASE ADHESION BETWEEN ROLLING STOCK WHEELS AND RAILS

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а именно к способам повышения стабильности сцепления колес транспортного средства с рельсами, и может быть использовано на магистральном железнодорожном и промышленном транспорте, на метрополитене и трамвае.
Известен способ активного воздействия на процессы сцепления колес локомотива с рельсами, использующий электроискровую обработку поверхности колеса и рельса [1]. Этот способ недостаточно эффективно воздействует на сцепление колес с рельсами, разрушает материал трущихся тел и не обеспечивает высокую стабильность сцепления, зависящего от погодных условий.
Известен способ увеличения сцепления между колесом и рельсом, основанный на нагреве поверхностных загрязнений колес и рельсов низкотемпературной плазмой перед прохождением поезда [2]. Однако данный способ не позволяет получать стабильные величины коэффициента сцепления из-за неустойчивости плазмы. Недостатком плазменного способа является и высокая сложность всей системы воздействия. Плазменное воздействие имеет еще и такие недостатки: ограниченная регулировка мощности, необходимость ввода в горелку газа, необходимость водяного охлаждения системы.
Известны химические, физические и электрические (электроискровые и плазменные) способы [3, 4] воздействия на поверхности трения колес и рельсов. Однако в данных способах воздействуют химическими и тепловыми реакциями на механические свойства металлов, ухудшая их фрикционные возможности. Ввиду их малой стабильности они не нашли пока широкого применения на железнодорожном и других видах транспорта.
В качестве прототипа принят способ [5] повышения сцепления колес железнодорожного транспортного средства с рельсами, заключающийся в нагреве поверхностных загрязнений колес и рельсов. В данном способе воздействуют на поверхностные загрязнения колес и рельсов регулируемым сверхвысокочастотным электромагнитным полем. Однако в данном способе не обеспечивается возможность плавного регулирования теплового потока.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение экономичности, эффективности, снижение износа колес и рельсов за счет концентрации всего теплового потока преимущественно на поверхностных загрязнениях.
Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что в способе повышения сцепления колес транспортного средства с рельсами, заключающемся в нагреве поверхностных загрязнений колес и рельсов, на поверхностные загрязнения воздействуют высокочастотным электромагнитным полем, энергию которого направляют на поверхности трения колес и рельсов, при этом мощность излучения высокочастотного электромагнитного поля определяют на основе исходного коэффициента трения, исходной температуры и влажности в зоне трения колеса с рельсом и скорости движения транспортного средства.
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, где
на фиг.1 представлен график зависимости коэффициента сцепления в эксплуатационных условиях от влажности и график зависимости расчетного коэффициента сцепления от скорости движения транспортного средства (электровоза);
на фиг.2 представлен график зависимости мощности излучения высокочастотного электромагнитного поля от скорости движения локомотива и температуры окружающей среды.
Тепловой поток, подаваемый на поверхности трения колес и рельсов, создают регулируемым сверхвысокочастотным (СВЧ) электромагнитным полем, воздействующим на структурно-реологические свойства поверхностных загрязнений.
Нагрев поверхностных загрязнений энергией волн СВЧ, подводимой к дорожкам трения колес и рельсов от генератора СВЧ, приводит к повышению механических свойств поверхностных загрязнений, улучшающих фрикционные характеристики колес и рельсов. Результаты испытаний показали возможность увеличения коэффициента сцепления до 0,2-0,65.
В поверхностном загрязнении дорожек катания колес и рельсов есть жидкие компоненты. Это, прежде всего, вода и органические смазки. Их совокупность - жидкая фаза - сильно влияет на фрикционные характеристики. Под фрикционными характеристиками в данном случае подразумевается коэффициент трения колес по рельсам, коэффициент сцепления колес с рельсами.
Далее приведена зависимость мощности излучения высокочастотного электромагнитного поля от исходного коэффициента трения, исходной температуры и влажности в зоне трения колеса с рельсом.
При некоторых степенях увлажнения рельсов режимы трения характеризуются коэффициентом трения ниже расчетного. Степень увлажнения рельсов во многом определяется погодными условиями.
На основании выявленных процессов, происходящих на поверхностях трения, можно вывести классификацию увлажнения рельсов, отражающую закономерности изменения фрикционных характеристик дорожек трения колес и рельсов. Согласно этой классификации, при положительных температурах воздуха установлены четыре принципиально отличные зоны увлажнения рельсов с характерными фрикционными особенностями дорожки катания колеса по рельсу (фиг.1).
Здесь зона I - область, предшествующая появлению капиллярной конденсации влаги в поверхностном загрязнении; зона II - с момента появления капиллярной конденсации и до закрытия пор водой в поверхностном загрязнении (до точки росы); зона III - от точки росы и до образования такого количества воды на поверхностях трения, которое соответствует толщине слоя 0,12 мм; зона IV - при большем увлажнении поверхности трения.
В зонах I и IV реализуются средние, в зоне II - повышенные и в зоне III - пониженные фрикционные характеристики. Повышение коэффициента сцепления вызвано сильным проявлением структурно-реологических свойств слоя поверхностных загрязнений в результате действия капиллярных сил, его упрочнением и ростом адгезии к поверхности металла, а понижение - реализацией квазигидродинамического режима трения. При отрицательных температурах имеются еще две характерные зоны (фиг.1). Зона V характеризуется средним коэффициентом сцепления, не зависящим от температуры воздуха; она встречается тогда, когда в контакте колес с рельсами отсутствует лед и реализуется граничный режим трения. Зона VI характеризуется низким коэффициентом сцепления. Она встречается при появлении в контакте колеса с рельсом льда. С понижением температуры шестая зона увеличивается в сторону меньшего количества льда. В зонах I, II, IV и V реализуется граничный режим трения, а в зонах III и VI - неустойчивый квазигидродинамический режим трения.
Таким образом, коэффициенты сцепления ниже расчетных (≈0,3) реализуются в зонах III и VI. Можно стабилизировать коэффициент сцепления на уровне выше расчетного, воздействуя тепловым методом на фрикционные поверхности. Для улучшения фрикционных характеристик в случае зоны III нужно испарить воду. В случае шестой зоны при нагревании и расплавлении льда фрикционные характеристики перейдут в зоны III и IV соответственно. Если таким образом реализуется зона IV, то дальнейшего воздействия на поверхностные слои не требуется, так как коэффициент сцепления уже стал выше расчетного, а если зона III, то необходимо далее нагреть и испарить воду для перехода фрикционных характеристик в зону I или II. Так работают тепловые способы стабилизации фрикционных характеристик.
Выявлять такие режимы следует при помощи специального прибора - трибометра. На этих режимах следует проводить обработку волнами СВЧ, в отличие от режимов, на которых естественным образом реализуется коэффициент сцепления выше расчетного и соответственно не требуется обработка, повышающая коэффициент сцепления.
Несложно рассчитать мощность, которая потребуется для стабилизации фрикционных свойств путем теплового воздействия на воду и органические вещества тонких поверхностных пленок.
В общем случае теплота, необходимая для испарения вещества, расходуется на нагревание твердого тела до температуры плавления, плавление вещества, нагревание жидкости до температуры кипения, испарение жидкости. Если воздействие производится на несколько различных веществ, то общие затраты энергии будут равны сумме затрат энергии, расходуемых на отдельные компоненты. Мощность нагревания равна отношению теплоты ко времени, в течение которого эта теплота была израсходована:
р
где n - количество рельсов;
V - скорость движения транспортного средства, м/с;
а - ширина дорожки катания, м;
n - общее количество компонентов, подвергаемых нагреванию;
i - номер данного компонента;
i
2
α - количество i-го компонента на единице площади, кг/м;
TTi
c - удельная теплоемкость твердой фазы i-го вещества, ;
плавi
Т - температура плавления i-го вещества, К;
о
Т - температура поверхностной пленки до обработки, К;
i
λ - удельная теплота плавления i-го вещества,
жi
c - удельная теплоемкость жидкой фазы i-го вещества, ;
Ki
Т - температура кипения i-го вещества, К;
оЖi
Т - исходная температура, К;
i
r - удельная теплота парообразования,
Рассчитаем в качестве примера мощность, которая необходима для высушивания рельсов, увлажненных водой. Степень увлажнения примем
,
р
так как это правая граница III зоны (см. фиг.2). Эта степень увлажнения соответствует максимальным затратам энергии. Обработка производится при движении локомотива со скоростью 20 м/с (72 км/ч) при температуре -10°С. В расчетах примем, что ширина дорожки катания а=10 мм, число рельсов n=2, удельная теплоемкость льда
,
плaв
температура плавления льда T=0°C, удельная теплота плавления льда
,
удельная теплоемкость воды
,
удельная теплота парообразования
Как видно из формулы, мощность, которая необходима для обработки рельса, зависит не только от исходной температуры и влажности, но и от скорости движения. Проиллюстрируем эту зависимость (фиг.2), оставив значение остальных параметров как в вышеприведенном примере расчета.
График на фиг.2 показывает, что мощность сильно увеличивается с увеличением скорости и может достигать 25 кВт. От температуры до начала обработки затрачиваемая мощность зависит мало. Это объясняется тем, что для воды основная часть энергии тратится на испарение жидкости и не меняется, а зависящая от начальной температуры энергия, которая расходуется на нагревание и плавление вещества, составляет небольшую долю в общих энергозатратах. Действие системы стабилизации сцепление направлено на борьбу с избыточным скольжением, а соответственно приведет к экономии энергии, которая сегодня расходуется на избыточное скольжение. Сегодня мощность, расходуемая на скольжение, составляет десятки киловатт на каждое колесо локомотива [2]. Весь локомотив может тратить на скольжение сотни киловатт. Таким образом, с энергетической точки зрения тепловая обработка фрикционных поверхностей не только оправдана, но и дает значительную экономию энергии. Это в дополнение к основным функциям обработки - обеспечению высоких тяговых сил и снижению интенсивности изнашивания колес и рельсов.
Использование предлагаемого способа повышения сцепления колес с рельсами обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
- возможность достижения плавного регулирования теплового потока;
-3
- быстродействие (τ<10с), позволяющее реагировать на меняющиеся исходные фрикционные свойства, что особенно важно в условиях работы современного железнодорожного и промышленного транспорта, метрополитенов и трамваев;
- надежное сохранение структуры и свойств материалов поверхностей трения колес и рельсов;
- устойчивость реализации расчетных коэффициентов сцепления колес подвижного состава с увлажненными рельсами; рельсами, покрытыми льдом; замасленных рельсах.
К тому же предлагаемый способ более экономичен по сравнению с другими известными способами.
Список использованной литературы
1. Бюллетень технико-экономической информации МПС, М., «Транспорт», 1961, №7, с.35.
2. Патент Великобритании GB 1265979, В61С 15/08, 1972.
3. Лазерная очистка рельсов. Путь и путевое хозяйство, №5, 2005.
4. С.И.Косиков «Фрикционные свойства железнодорожных рельсов», глава «Методы химического и электрохимического воздействия на поверхности трения железнодорожных рельсов», изд-во «Наука», 1967 г.
5. Авторское свидетельство SU 732155 А1, 05.05.1980.