АКТИВИЗАТОР ТРЕНИЯ-СЦЕПЛЕНИЯ
FRICTION AND ADHESION ACTIVATOR

Изобретение относится к материалам, которые используются для активизации трения - сцепления в контактной зоне «колесо-рельс» при реализации тягового усилия железнодорожным тяговым подвижным составом.
Сцепление колес с рельсами во многом зависит от структурно-реологических свойств поверхностных загрязнений (Исаев И.П., Лужнов Ю.М. Проблемы сцепления колес локомотива с рельсами. М.: Машиностроение, 1985, - 238 с.).
В эксплуатационных условиях в связи с различным состоянием контактных поверхностей колес и рельсов вследствие изменения влажности, температуры, состава поверхностных загрязнений, наличия смазки, воды, снега и льда в зоне их фрикционного контакта наблюдается разброс значений коэффициента сцепления в пределах 0,1-0,6 (Исаев И.П. Случайные факторы и коэффициенты сцепления. - М.: Транспорт, 1970, 184 с.).
Наибольшее распространение в этой связи получили различные способы очистки взаимодействующих поверхностей, ни один из которых не смог решить вопрос стабильной реализации высоких значений коэффициента сцепления. Ввиду низкой эффективности не получили широкого распространения механические способы очистки рельсов (щетками, скребками), паром и водой, а также способы химической очистки поверхностей рельсов.
На железных дорогах России абсолютное распространение получила система повышения коэффициента сцепления путем ввода песка в контакт колеса с рельсом. Из-за низкой стоимости и экологической безопасности песок является основным материалом, применяемым для повышения трения в контакте колеса и рельса. Но при этом он сильно засоряет балласт, имеет отрицательную фрикционную характеристику.
Одним из современных способов регулирования трения и сцепления в системе колесо-рельс является модификация их контактных поверхностей с использованием специальных материалов, активизирующих процесс сцепления за счет изменения характеристик трения (повышение и стабилизация коэффициента трения).
В работе (Майба И.А. Теоретические предпосылки регулирования трения и сцепления в системе «колесо-рельс». Вестник РГУПС, Ростов-на-Дону, РГУПС, 1999) теоретически был обоснован механизм модификации поверхностей трения с использованием силикатосодержащих материалов. Увеличение молекулярной и механической составляющей коэффициента трения достигается за счет создания условий для протекания процессов в зоне контакта по схеме: очистка - химическая модификация - абразивное воздействие. Анализ предложенного механизма модификации позволил обосновать состав твердых модификаторов трения, содержащих силикатные компоненты, способных активизировать сцепление колеса с рельсом.
Из уровня техники известен «Рельсовый модификатор трения" (Патент РФ №2170756 С1, С10М 169/04, 20.07.2001), представляющий собой смазочную композицию из ряда веществ, позволяющих применять ее для фрикционных узлов. Недостатком рельсового модификатора трения является низкая область применения, например невозможность нанесения на рабочую поверхность бандажей колесных пар локомотивов и рельсов из-за низкого уровня коэффициента сцепления, недостаточного для реализации локомотивом высоких тяговых усилий.
Известен модификатор трения, где в качестве фрикционного материала используется стекло в любой форме (Патент США №4182437, 08.01.1980), недостатком которого являются низкие характеристики очистки фрикционных поверхностей от загрязнений.
Также известен "Модификатор трения" (Патент РФ №2238304 С1, С10М 169/04, 2004.10.20). Состав модификатора трения, мас.%:
Битум 0,5-50
Перманганат калия 1-20
Графит 0-30
Дисульфид молибдена 0,5-30
Песок 0-75
Порошок меди 0,5-30
Стекло 2-30
Полиэтилен 0,5-30
Цемент 3-25
Глицерин 0,5-23
Углеводородный растворитель Остальное
Недостатком данного модификатора трения является низкий коэффициент сцепления в сложных условиях движения (затяжные подъемы, повышенная загрязненность рельсов), слабые очистительные свойства и низкие экологические свойства ввиду наличия в составе углеводородных продуктов.
Изобретением решается задача снижения экологического загрязнения окружающей среды и повышения эффективности использования модификаторов трения в сложных условиях эксплуатации тягового подвижного состава. Задача достигается применением экологически чистого неорганического материала и реализацией процессов активной очистки контактирующих поверхностей от загрязнений, модификацией фрикционных поверхностей, активизацией сцепления за счет попадания мягких абразивных частиц пеностекла в зону контакта с общим эффектом увеличения коэффициента трения-сцепления.
Задача решается введением в контакт колеса с рельсом активизатора трения-сцепления, представляющим собой пеностекло при соотношении компонентов, мас.%: пеностекло - 100.
Активизатор трения-сцепления в виде брикетированного пеностекла получают путем выпиливания брусков, например, прямоугольной формы размером 100×100×100 мм. Бруски выпиливают из плит пеностекла марки «Неопорм» ТУ5914-001-43189350-2004 или его зарубежных аналогов «FOAMGLAS».
Снижение экологического загрязнения окружающей среды - железнодорожного пути и прилегающих к нему участков обусловлено составом пеностекла, которое является полностью неорганическим материалом. В результате применения активизатора трения-сцепления в окружающую среду попадает пыль, состоящая из частиц пеностекла, образующаяся при трении о бандаж колеса брикета материала и последующим размалыванием частиц пеностекла под колесами локомотива. Химический состав пыли пеностекла на 100% совпадает с химическим составом классического стекла и включает в себя оксиды кремния, кальция, натрия, магния, алюминия, которые не представляют угрозы окружающей среды.
Процесс активизации сцепления колес локомотива с рельсами при использовании пеностекла достигается путем последовательного нанесения брикетов активизатора трения-сцепления на бандаж колеса посредством фрикционного натирания. Получение эффекта активизации сцепления достигается за счет уникального сочетания свойств пеностекла и по схеме, реализующей теорию активизации сцепления силикатными пористыми материалами (очистка - химическая модификация - абразивное воздействие).
Ячеистая природа пеностекла и водонепроницаемость позволяет достичь эффективной очистки поверхности колеса при его фрикционном натирании на бандаж с регулируемым усилием. Свойство пеностекла не впитывать влагу и не пропускать ее повышает эффективность очистки водных и масляных загрязнений с поверхности бандажа локомотивного колеса. Закрытая структура ячеек пеностекла гарантирует отсутствие фитильного эффекта при изнашивании брикета пеностекла.
Способность пеностекла к физико-химической модификации поверхностей трения с образованием граничных слоев в виде силикатов железа различной структуры, которые имеют отличные от исходных трибохарактеристики, позволяет активизировать процессы трения при снижении износа контактирующих поверхностей. В ходе экспериментальных исследований (Майба И.А. Теоретические предпосылки регулирования трения и сцепления в системе «колесо-рельс». Вестник РГУПС, Ростов-на-Дону, РГУПС, 1999) было показано, что явление роста коэффициента трения-сцепления происходит при возникновении высоких температур на участках фрикционных связей, вследствие проскальзывания колеса по рельсу. То есть обязательным условием реализации данного свойства пеностекла является наличие температурных вспышек в зоне фрикционного контакта, что характерно для буксующего по рельсу локомотивного колеса.
В процессе истирания брикета пеностекла о бандаж колеса образуются частицы стекла, которые оказывают мягкое абразивное воздействие на фрикционный контакт колеса с рельсом. Результатом такого воздействия «мягкого» абразива является увеличение механической составляющей коэффициента трения-сцепления и реализация принципа активизации сцепления, аналогичного подаче песка, но с качественно другим результатом (меньшее повреждение поверхностей и снижение износа колес и рельсов).
Суммарное проявление эффекта вышеуказанных свойств пеностекла применительно к рассматриваемому фрикционному контакту «колесо-рельс» выражается в увеличении коэффициента трения-сцепления и соответствующем повышении эффективности использования модификаторов трения в сложных условиях эксплуатации тягового подвижного состава при соблюдении экологической чистоты.
Согласно молекулярно-механическим представлениям о внешнем трении [Крагельский И.В. Молекулярно-механическая теория трения. Трение и износ в машинах. Труды второй Всесоюзной конференции по трению и износу в машинах, АН СССР, т.III, 1949] коэффициент трения, реализуемый в контакте твердых тел, равен сумме молекулярной и механической его составляющих.
Применительно к фрикционному контакту «колесо-рельс» при определении требуемого тягового усилия локомотивов рассчитывается коэффициент сцепления, физическая природа которого аналогична коэффициенту трения. Различие между силой тяги и силой трения обусловлено в основном действием неучитываемых проскальзываний, которые возникают при движении локомотива по рельсовому пути, и которых нет при стационарном режиме трения.
В нашем случае показатель (термин) «коэффициент трения-сцепления» указывает на то, что заявляемый материал позволяет с одной стороны воздействовать на физическую природу трения, обусловленную изменением коэффициента трения вследствие коррекции физико-химического состояния поверхностей трения, а с другой стороны активно влиять на характеристики фрикционного контакта «колесо-рельс» при движении локомотива по рельсовому пути и, следовательно, регулировать коэффициент сцепления. Это достигается при использовании заявляемых свойств пеностекла. То есть в заявляемом решении пеностекло используется не только как модификатор трения, но и как активизатор сцепления колес тягового подвижного состава с рельсами в реальных условиях эксплуатации.
Для оценки эффективности заявляемого решения проводились испытания по оценке способности к очистке поверхностей трения активизатора трения-сцепления, представляющего собой пеностекло, а также его фрикционные свойства при работе в режиме трения-качения с проскальзыванием. Испытания проводились на машине трения СМТ-1. Испытуемые образцы - ролики изготавливались из стали, по химическому составу близкой к бандажной и рельсовой стали: колесный ролик - из стали 60Г, ГОСТ 1050-74; нижний (рельсовый) - из стали 70Г, ГОСТ 1050-74.
Испытания проводились на режимах, соответствующих реальным при качении колеса по рельсу, контактном давлении 500 МПа, скорости скольжения 0,05 м/с и 10% проскальзывании. В процессе испытаний при комнатной температуре эти факторы оставались постоянными. Испытания по оценке способности к очистке поверхностных загрязнений проводились при исходном 100% загрязнении поверхностей образцов. Для чего на образцы наносился тонкий слой отработки пластичной рельсовой смазки СПЛ ТУ 32 ЦТ 2186-93, которая используется для контакта гребень колеса-рельс. В процессе испытаний путем взвешивания образцов до и после испытаний фиксировалось изменение весового соотношения смазки СПЛ, нанесенной на поверхность образцов.
Степень очистки СО, % определялась по формуле
где M1 - масса смазки, нанесенной на образцы до испытаний;
М2 - масса смазки, оставшаяся на образцах после испытаний;
Испытания по оценке фрикционных свойств пеностекла проводились при полностью сухих образцах. В ходе испытаний непрерывно велась запись момента трения, времени испытаний и определялся минимальный и максимальный коэффициент трения. Разброс данных получен по результатам трехкратного повторения опытов.
Результаты испытаний, представленные в таблице 1, показывают, что способность заявляемого активизатора трения-сцепления к очистке поверхностей трения характерными загрязнениями превосходит прототип на 30-40%.
Фрикционные характеристики заявляемого активизатора трения-сцепления на 20-25% выше прототипа в условиях сухого контакта. Результаты испытаний представлены в таблице 2. Суммарный эффект от использования свойств заявляемого активизатора трения-сцепления, представляющего собой пеностекло, заключается в реализации более высоких тяговых усилий тяговым подвижным составом в сложных условиях движения.
Таблица 1
Характеристики очистки
№ п/п
Наименование
Состав
Степень очистки, %
Минимальная
Максимальная
1
Активизатор трения- сцепления - заявляемое решение
Пеностекло
45
60
3
Модификатор трения
Патент РФ №2238304 С1
15
20
Таблица 2
Фрикционные характеристики
№ п/п
Наименование
Состав
Коэффициент трения, f
Минимальный
Максимальный
1
Активизатор трения- сцепления - заявляемое решение
Пеностекло
0,25
0,55
3
Модификатор трения
Патент РФ №2238304 С1
0,15
0,53