СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ СИСТЕМ ТЕРМОПЛАКИРОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ
METHOD FOR MODIFYING THERMAL CLADDING SYSTEMS FOR STEEL FRICTION SURFACES

Развитие технологий ротапринтно-контактной лубрикации представляет научный и практический интерес. Системный подход к анализу трибосопряжения колесо-рельс ставит целью разработку экологически безопасных гребнерельсосмазывателей (ГРС) стержневого типа предназначенных для работы в открытых тяжлонагруженных узлах трения, обеспечивающих точное и качественное нанесение нужного количества термометаллоплакирующих материалов в контакт бандажа колеса локомотива с рельсом, устойчиво воспринимающих динамические нагрузки, сохраняющие работоспособность при температурах -50…+130 и имеющие существенные преимущества перед форсуночными, а также способных работать в ограниченном пространстве.
Настоящее изобретение используется в машиностроении и относится к способам модифицирования систем лубрикации, основанных нанесении на фрикционные и антифрикционные узлы различных механизмов, работающих в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды (+50: -70°C), полифазных твердопластичных смазочных фрикционных и антифрикционных веществ в виде термоплакирующих брикетов. Система модифицирования поверхностей трения содержит корпус 1, привод подачи смазочного стержня 2, термометаллоплакирующий брикет с присадками, например, графит, графен и др. в отношении: мягкий металл - 5-100%; экологически чистый термопласт-адгезив - 0-95%; экологически чистые функциональные присадки: 0-60% (Фиг. 1).
Известен способ контактно-ротапринтного гребнесмазывания с конструкцией ГРС 20.07 - система, работающая с использованием смазочного материала в виде смазочных стержней. Система ГРС 20.07 предназначена для дозированного нанесения смазочного материала на гребни колесной пары локомотивов ряда серий. Недостатком этой конструкции является то, что в зимний период при минусовых температурах на выходном канале образуется наледь, что приводит к нарушению работоспособности, а в дальнейшем выхода ее из строя.
В качестве прототипа выбран способ для смазывания гребня колеса железнодорожного подвижного состава посредством устройства, описанного в патенте №2157771 [1]. Устройство содержит закрепленную на кронштейне гильзу с выходным отверстием на одном конце и съемной торцевой крышкой на другом конце и смазывающий стержень, размещенный в гильзе с возможностью продольного перемещения посредством подающей пружины сжатия. Недостатком этой системы является то, что сила прижатия (или рабочее усилие прижатия) смазывающего стержня не постоянна из-за подающей пружины сжатия, что приводит к передозировке или масленому голоданию граничного режима трения.
Технический результат предлагаемого изобретения - повышение тягового усилия локомотива в процессе его движения. На поверхность гребня колеса наносится противоизносный слой материала, твердость которого ниже твердости материала гребня колеса, например, железо, сталь, алюминий, либо их сплавы.
Таким образом защитив от износа рабочие поверхности бандажа (поверхности круга катания и гребня колеса контактирующие с рельсом) материалом с фрикционными свойствами достигается эффект повышения силы тяги на 15-20% по сравнению с защитой от износа гребня путем его смазки антифрикционными смазочными материалами.
Использование технологии контактно-ротапринтного плакирования поверхностей трения колеса и рельса при учете специфики эксплуатации открытых узлов трения является наиболее рациональным способом лубрикации системы «колесо-рельс». Одной из наиболее распространенных на сети дорог ОАО «РЖД» технологий ротапринтно-контактной лубрикации является технология гребне-рельсосмазывания (плакирования) поверхностей термопластом адгезивом разового нанесения (ГРС-РАПС).
Одним из элементов технологии ГРС-РАПС, определяющим ее эффективность, является привод подачи (прижатия) 2 (Фиг. 1) термометаллоплакирующих брикетов к рабочей поверхности бандажа колеса. Как известно, процесс плакирования (фрикционного натирания) основан на активизации адгезионных связей до уровня:
aд
ког
где F и F - силы адгезионного и когезионного взаимодействия во фрикционном контакте.
Одним из ведущих факторов реализации процесса образования пленки-покрытия с заданными функциональными свойствами является уровень температур вспышки во фрикционном контакте.
Сила трения между элементами трибосопряжения определяется как:
где N- сила давления;
ƒ - коэффициент трения.
Разработан алгоритм динамического мониторинга максимальных контактных температур, позволяющий на базе интегральных оценок диссипации трибосистемы и взаимной корреляционной функции момента трения и температуры идентифицировать режимы накопления пластических деформаций, термического и атермического схватывания поверхностей трения.
Определение значений температуры во фрикционном контакте выполнялось по методике определения объемной температуры фрикционного контакта [2].
Для определения температуры вспышки на микронеровности в контакте «колесо-рельс» воспользуемся выражением (2)
1всп
где θ(0,τ) - соотношение между температурой вспышки и объемной температурой;
1всп
ϑ (0, τ) - температура вспышки;
- объемная температура.
1всп
1всп
Приведем необходимые заданные величины для расчета θ (0, τ): ϑ (0, τ):
P=125000H.
Фактическая площадь касания постоянно изменяется, в связи с десятками параметров окружающей среды. Исходя из этого, некоторые величины носят экспериментальный характер. Поэтому требуются комплексные испытания и последующие им исследования полученных результатов.
Подставляя соответствующие значения параметров, входящих в формулы, получаем:
Таким образом, получаем:
1всп
а
та
Так как температура вспышки, ϑ (0, τ) кже соотношение между
1всп
температурой вспышки и объемной температурой θ (0, τ) даются как функции текущего времени процесса торможения.
Все расчетные формулы являются эмпирическими и имеют весьма узкий диапазон применимости. Расчет проводился для режима торможения нового колеса вагона по новому рельсу. Решение изложенной термодинамической задачи методом расчета несет в себе некоторые трудности.
Окончательное определение условий термодинамики контактирования выполнялось на базе метода физико-математического моделирования [3].
Таким образом условия реализации процесса плакирования поверхностей трения определяется управляемым параметром Р (термометаллоплакирующим брикетом на рабочую поверхность гребня колеса) (Фиг. 1). В настоящее время в серийно выпускаемых гребнерельсосмазывателях ГРС 40.01 используется консервативный привод с цилиндрической пружиной сжатия у которой давление F в данном приводе меняется от 20,8 Н до 2,6 Н. Данное положение не только резко снижает эффективность работы привода, но и создает условия в зоне миграции смазочного материала на тяговою поверхность колеса в случае применения несертифицированных пластичных или жидких смазочных материалов.
С целью повышения эффективности технологии ГРС-РАПС были проведены работы по оптимизации параметров консервативного привода ГРС. В частности, был разработан консервативный привод в виде витой цилиндрической пружины из стальной ленты переменной жесткости (Фиг. 2) где 4 - внутренний виток, 5 - внешний виток.
Применительно к трибологии системный подход к анализу трибосистем изложен в работе [4], а к анализу технологических процессов в работе [5].
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что необходимая величина управляемого параметра (давление стержня на рабочую поверхность Р), может быть обеспечена путем модифицирования консервативного привода. Так в любых геометрических габаритах существует возможность соединения нескольких пластинчатых пружин переменной жесткости за счет переменного сечения (Фиг. 3), что приводит к более эффективному использованию пространства механизма лубрикации с целью повышение тягового усилия локомотива в процессе его движения.
При эксплуатации трибосистемы колесо-рельс с использованием гребнерельсосмазывателей на контактирующих поверхностях формируются многослойные пленки из фрактальных кластеров и их лигандных оболочек в результате физической или химической адсорбции фрактальных структур. В контакте трибосистемы рельс-колесо многослойные пленки непрерывно разрушаются и восстанавливаются, то есть создаются условия для реализации нормального процесса износа контактирующих элементов трибосистемы.
Таким образом, в результате модельной оптимизации технологического оборудования для плакирования рабочей поверхности гребня колеса создан компактный, надежный и эффективный консервативный привод.
При использовании пластинчатых пружин возрастает эффективность не только механизма, но и плакирующего брикета, в составе механизма.
Создание нового консервативного привода, жесткость которого прямо пропорциональна изменению плеча приложения усилия на термометаллоплакирующий брикет позволило обеспечить постоянство оптимального усилия прижатия брикета к поверхности гребня колеса.
Изобретение обеспечивает необходимую силу прижатия плакирующего брикета в течение всего времени эксплуатации, для реализации технологии термометаллоплакирования, в результате которой на рабочих поверхностях бандажа колес локомотива образуется защитный слой металла позволяет повысить тяговое усилие локомотива при его движении.
Литература
1. Патент РФ №2157771 кл. В61К 3/00, 2000
2. Озябкин А.Л. Динамический мониторинг триботермодинамики фрикционных мобильных систем // Вестник ДГТУ. 2011. Т. 11. №5. С. 644-654.
3. Патент РФ №2343450, кл. G01N 3/56, 2006
4. Чихос К. Системный анализ в трибонике. - М.: Мир, 1982. - 351 с.
5. Шульга Г.И. Функциональные водорастворимые технологические смазочные средства для обработки материалов. - Ростов н/Д: Ред. ж. «Изв. вузов. Сев-Кавк. регион», 2004. - 212 с