ТВЕРДОСМАЗОЧНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ СТЕРЖЕНЬ ДЛЯ ГРЕБНЕЙ РЕЛЬСОВЫХ КОЛЕС
COMPOSITE SOLID GREASER FOR RAIL WHEEL FLANGES

Изобретение относится к эксплуатации железнодорожного транспорта и кранового хозяйства, в частности к твердосмазочным композиционным материалам, и может быть использовано для смазки поверхности трения пары «гребень колеса - рельс».
6
10
8
6
10
8
6
10
8
6
10
8
Одной из современных тенденций в разработке твердосмазочных материалов для реборд рельсовых колес является создание таких композиций, которые при подаче в зону трения колесной пары обеспечивают формирование пленки, снижающей износ трущихся поверхностей. Для этих целей известна смазочная стержень-композиция (RU 2370390, публ. 20.10.2009 г.). Композиция представляет собой оболочку состава, в масс.%: серпентинит Mg{SiO}OH - 1,0-2,0, модифицированная сажа - углерод технический печной электропроводный - 0,1-0,2, политетрафторэтилен в виде порошка фторопласта марки Ф-4 - 0,2-0,4, эпоксидный клей марки ЭДП - остальное, наполненную композицией состава, масс.%: серпентинит Mg{SiO}OH - 1,0-2,0, термолизный углерод - 0,1-0,2, консистентная смазка марки Литол-24 - остальное. Используемые в известной смазочной композиции серпентинит Mg{SiO}OH и углеродосодержащие добавки, присутствующие в одинаковом процентном соотношении, как в материале оболочки стержня, так и в материале наполнителя, обеспечивают оптимальный массоперенос гидратов, входящих в серпентинит Mg{SiO}OH металлов Fe, Mg, Al, и их эффективное взаимодействие с поверхностью трения в местах высоких удельных нагрузок, результатом чего является формирование сервовидной пленки. Остальные компоненты композиции обеспечивают ей при этом адгезионные, антифрикционные, механические, противоизносные и противозадирные свойства.
Использование эпоксидной смолы в оболочке известной композиции придает ей прочность, однако независимо от наличия в составе оболочки присадок - серпентинита, модифицированной сажи и политетрафторэтилена в виде порошка фторопласта марки Ф-4, сообщает ей хрупкость. Возможно, это приемлемо при эксплуатации крановых колес, которые перемещаются только в прямом направлении и работают в основном в положительном температурном диапазоне в условиях запыленности помещений. Для железнодорожного транспорта применение хрупкой оболочки недопустимо. Железнодорожные пути промышленных предприятий имеют большое количество «кривых» (т.е. поворотов с минимально допустимыми радиусами). Кроме того, состояние путей на промышленных предприятиях, особенно в карьерах и на временных путях, сильно отличается от состояния постоянных путей. Что в свою очередь увеличивает нагрузку на место контакта колеса и рельса в процессе движения от постоянно перемещения колесной пары как по горизонтали, так и по вертикали. Кроме того, колеса железнодорожного транспорта в течение года работают в диапазоне температур от глубокого минуса до высоких положительных температур в условиях не только запыленности, но и часто под воздействием агрессивных сред. В этих условиях хрупкая оболочка композиционного стержня будет подвергаться разрушению. Задача настоящего изобретения заключается в создании твердосмазочного композиционного стержня для гребня реборд рельсовых колес, эксплуатирующихся в широком температурном диапазоне в условиях запыленности и вероятности воздействия агрессивных сред.
Для решения поставленной задачи твердосмазочный композиционный стержень для гребней рельсовых колес содержит оболочку, заполненную композицией, состоящей из консистентной смазки Литол-24 и добавок, при этом оболочка стержня выполнена из графита марки МГ-1, заполнена смазочной композицией, содержащей цинковый порошок с размером частиц 0,3-0,5 мкм, графитовый порошок, присадку противозадирную, серосодержащую СОЭ, парафин - в качестве связующего, при следующем соотношении компонентов, масс.%:
литол-24
42,3±1,5
цинковый порошок
33,3±1,5
графитовый порошок
3,0±1,0
присадка СОЭ
1,6±1,0
парафин
остальное
Помещенная в графитовую оболочку смазочная композиция представляет собой консистентную смазку марки Литол-24 с введенными в нее тонкодисперсными добавками - цинковым и графитовым порошками, присадкой СОЭ и парафином - в качестве связующего. Присутствующий в составе смазочной композиции тонко измельченный цинковый порошок обладает способностью внедряться в микротрещины гребня колеса и, вступая в реакцию с противозадирной серосодержащей присадкой СОЭ, формирует на гребне защитное металлосодержащее покрытие. Графитовый порошок улучшает смазочные и антифрикционные свойства композиции Литол-24. Парафин формирует необходимую консистенцию смазки, позволяя не затвердевать и сохранять необходимую пластичность смазки при низких температурах, а при повышенных температурах - сохранять необходимую вязкость, предотвращая смазку от «вытекания». Использование графита марки МГ-1 с уменьшенной зольностью и дисперсностью позволяет сохранять конструктивную прочность оболочки. Кроме того, графитовая оболочка заявленного твердосмазочного композиционного стержня образует в контакте «колесо-рельс» смазочный слой адсорбированных молекул, которые действуют аналогично молекулам присадки, и совместно с находящейся внутри смазочной композицией ускоряет приработку поверхностей трения. Улучшается также качество поверхностей после обработки. Материал быстро покрывает обнажающиеся в процессе приработки участки трения, образуя слой твердого смазочного материала. Это предотвращает непосредственный контакт металлов, наступающий обычно в первые минуты работы пары трения (при трогании локомотива с места или торможении), когда и происходит наибольшее повреждение поверхностей бандажей колесных пар и рельсов. При попадании частиц смазочной композиции на поверхность гребня бандажа и в углубления микрорельефа, путем механического вытеснения загрязнений, они распределяются по поверхности, заполняя микронеровности структуры поверхностного слоя бандажа, что способствует прочному сцеплению защитного слоя с материалом бандажа. Использование описанной смазочной композиции приводит к формированию на поверхности узлов трения тонкой (от десятков ангстрем до 1-2 мкм), практически не окисляющейся защитной металлосодержащей пленки. В этом тонком поверхностном слое реализуется пластическая деформация, что приводит к значительному уменьшению глубины деформированного зерна металла основы и, в конечном итоге, существенному уменьшению износа пары трения и снижению коэффициента трения. В результате трения, благодаря цинку, стальная поверхность становится оцинкованной. Образовавшийся слой осуществляет защиту стали от коррозии, предохраняет поверхность от возникновения задиров.
Заявляемый твердосмазочный композиционный стержень относится к твердым смазочным материалам, который может обеспечить режим трения, исключающий непосредственный контакт поверхностей и их взаимное внедрение. Содержание специальных добавок обеспечивает высокий уровень смазочной способности при высоких удельных нагрузках, предотвращающих микросхватывание металла при локальном и кратковременном подъеме температуры до 1000°C. При температуре до +75°C материал находится и удерживается на вертикальных поверхностях в стеклообразном состоянии, обладает достаточно высокой антифрикционной способностью. Легко наносится и разносится в широком диапазоне температур окружающей среды по поверхности трения, в том числе в условиях повышенной и пониженной влажности, при этом не смывается атмосферными осадками. На смазочный материал после его нанесения на поверхность трения не налипает песок, материал не оказывает вредного воздействия на обслуживающий персонал, окружающую среду и является пожаробезопасным. Экологически безвреден, работает только там, где выделяется энергия, то есть только на поверхностях трения. С маслами и другими носителями в реакции не вступает. Создает защитный слой, компенсирующий износ поверхностей трения «колесо-рельс» в условиях их реальной эксплуатации. Защитный слой по своим физико-механическим свойствам более стоек к износу и коррозии, чем металлы, на которых он образуется, и имеет более низкий коэффициент трения. В силу перечисленных достоинств заявляемый стержень можно использовать для реборд рельсовых колес искривленных, перемещающихся как по горизонтали, так и по вертикали, в диапазоне температур от глубокого минуса до высоких положительных температур в условиях запыленности и вероятности воздействия агрессивных сред. Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в снижении коэффициента трения и износа колесных пар, защите стали от коррозии, ускорении приработки поверхностей трения при сохранении конструктивной прочности оболочки стержня.
Пример. Твердосмазочный стержень имеет диаметр - ⌀ 19 мм, длину 125 мм или 250 мм и массу - 60±5 или 120±5 грамм. Представляет собой трубку из графита марки МГ-1 (ТУ 48-4802-86-97), которая наполнена пластичным материалом, содержащим смазку Литол-24 (ГОСТ 21150-87) - 43 масс.%, цинковый порошок с размером частиц 0,3-0,5 мкм (ТУ 1721-002-12288779-2006) - 33 масс.%, графитовый порошок (ТУ 48-20-54-84) - 3 масс.%, присадку противозадирную, серусодержащую СОЭ, (ТУ 0257-001-12697213-2001) - 1 масс.%, парафин марки Т-1 (ГОСТ 23683-89) - 20%.
Принцип действия заявленного композиционного стержня заключается в формировании на поверхностях трения послойного покрытия. Каждый слой характеризуется циклом, состоящим из нескольких этапов, при этом каждый цикл полностью завершается за один полный оборот колесной пары. Вначале посредством стержня наносят находящуюся в его оболочке смазочную композицию на поверхность гребня колеса. В месте контакта стержня с поверхностью колеса происходит процесс трения, выделяемое от этого тепло расплавляет парафин и приводит к попаданию триботехнического состава композиции на поверхность гребня бандажа колесной пары электровоза. Частицы триботехнического состава попадают в зону трения. Вращающееся колесо переносит на поверхности катания частицы композиции к месту взаимодействия поверхностей колеса и рельса, где происходит создание металлосодержащего покрытия и начинается процесс «залечивания» выщербин гребня бандажа колесной пары.
M
M
M
При проведении стендовых испытаний на машине трения УМТ-1 в паре «вал-втулка» без и с применением смазочной композиции при нагрузке 500 Н коэффициент трения уменьшился с 0,24 до 0,02. Под действием испытуемого графитового стержня с наполнителем - смазочной композицией на рабочей поверхности гребня бандажа колесной пары электровоза ПЭ2 приписки ОАО «Ураласбест» образуется металлосодержащее покрытие толщиной 0,1-0,2 мм. Диффузия триботехнического состава в структуру металла происходит до 5 мкм, упрочняя и «залечивая» поверхностные дефекты после обточки. Ресурс бандажей колесных пар после обработки увеличился с 3,8 до 7,2 мес. То есть в 1,9 раза. Средняя интенсивность износа гребней колесных пар электровозов ПЭ2 снизилась уже через два месяца с 2,30 до 1,15 мм/мес. Композиция внедряется также и в металл рельсов. В результате этого, по расчетным данным, боковой износ рельсов снижается до 40%. Долговечность бандажей до и после обработки гребней колесных пар изучалась на электровозе ПЭ2 №31. Ресурс до обточки по минимальной толщине гребня после обработки бандажей смазочной композицией других электровозов может отличаться на ± (15-20%) и составлять, соответственно, 6-8,6 месяцев. При этом увеличение ресурса бандажей колесных пар после обработки гребней электровозов композицией - 1,57-2,26 раз.