КРИТИЧЕСКОЕ ОТНОСИТЕЛЬНОЕ СКОЛЬЖЕНИЕ КОЛЕС
ЛОКОМОТИВОВ, ВЫШЕ КОТОРОГО РАЗВИВАЕТСЯ
ИНТЕНСИВНЫЙ ИЗНОС ТРУЩИХСЯ ТЕЛ
Лужнов Ю.М., Чичинадзе А.В. (АИТ, г.Москва, РФ)
The value of critical relative sliding of sprockets of locomotives with rails falls with increase of their running speed up to 100 km/h from 40 up to 3%. The losses powers for achievement it are increased from 25 up to 50 kW/sprockets.
Проблема сцепления колес с рельсами и особенно в плохих погодных условиях всегда волновала специалистов по тяге поездов (Н.П.Петрова, А.М.Бабичкого, Д.К.Минова, И.П.Исаева и др.).
Долгое время при ограниченности мощности тяговых средств считалось, что скольжение колес локомотива после срыва их сцепления неминуемо ведет к непроизводительным потерям мощности локомотивов и резкому увеличению износа колес и рельсов. А поэтому тяговые и тормозные усилия транспортных средств стремились реализовывать на грани срыва сцепления колес с рельсами. При этом скольжение колес с рельсами обычно не превышало 1,5-2,0 % от скорости движения локомотива при трогании с места и на руководящем подъеме. Для реализации сцепления колес локомотивов с рельсами на необходимом уровне добивались поддержания средств тяги и пути на должном техническом уровне и осуществляли нормированную ограниченную подачу кварцевого песка в зону трения колес с рельсами. Важный вклад внесли работы Н.Н.Каменева и др. позволившие определить наиболее эффективные нормы подачи и методы доставки песка на рельсы. Это позволяло при минимальном росте сопротивления качению колес по рельсам и потерях мощности локомотивов на скольжение колес, достигать необходимого для нормального движения поездов коэффициента сцепления колес локомотивов с рельсами.
Произведенное в семидесятых-восьмидесятых годах на дорогах России сужение рельсовой колеи с 1524 до 1520 мм привело к сдвигу дорожек катания колес по рельсам в сторону осевой линии железнодорожного пути и к худшему использованию естественных фрикционных свойств трущихся тел. А происходящее значительное увеличение удельной мощности и тяговых свойств локомотивов позволило компенсировать происходящее ухудшение сцепления дополнительными затратами части мощности локомотива, направляемой уже на повышение скольжения колес по рельсам и за счет тепла генерируемого в зоне их трения изменять фрикционные свойства поверхностных слоев трущихся тел.
Энергетическая и экономическая целесообразность используемого сейчас данного метода повышения сцепления колес локомотивов с рельсами с имеющимися другими факторами еще не получила своей оценки. Имеются только факты, свидетельствующие о возможности управления сцеплением этой пары трения и различные не совпадающие между собой рекомендации об эффективном скольжении колес по рельсам (начиная от 1 до 10 км/час для диапазона движения поезда 10-100 км/час) Дополнительно к этому в ряде случаев даются и рекомендации по повышенной подаче песка на рельсы существенно увеличивающей толщину промежуточного слоя между колесом и рельсом, способную менять и сам механизм фрикционного взаимодействия между этими трущимися телами. Период введения этого нового метода управления сцеплением колес локомотивов с рельсами совпал (возможно и не только от этого) с резким увеличением интенсивности износа колес и рельсов (как по подрезам гребней, так и по выкрашиванию дорожек их катания) с интенсивным внедрением рельсосмазывания и с нарастающими требованиями экономии энергоресурсов. Проблема эта становится в ряды актуальных еще и по причине наблюдающегося роста объема перевозочной работы, ожидаемого увеличения скоростей движения и массы поездов на железных дорогах России.
Дополнительные сведения на стоящие вопросы позволяет получить трибология и триботехника и тепловая динамика трения, а также наши специальные исследования по выявлению природы фрикционного взаимодействия колес с рельсами. Они показали, что определяющим на изменение сил трения колес с рельсами во многом являются свойства поверхностных диссипативных слоев и плотность тепловой энергии, выделяющейся в зоне трения. Устойчивые и максимальные значения коэффициентов трения (до уровня 0,4-0,45) наблюдаются на поверхностях трения при температуре 450-500 градусов Цельсия. До этих температур сдвиговые напряжения реализуются непосредственно в дисперсном слое а свыше - в слое металла. Поэтому температуру в 450 градусов Цельсия в зоне контакта колеса с рельсом можно рассматривать как некоторую критическую величину, выше которой наступают условия для интенсивного износа материала колес и рельсов. В диссертационной работе О.А.Говоркова показано, что на величину температуры и мощности реализуемой в зоне трения оказывают превалирующее влияние исходное фрикционное состояние дорожек трения колес и рельсов, скорость движения локомотива и относительная скорость скольжения его колес. Исследования также показали, что с увеличением скорости движения локомотива до 100 км/час критическая относительная скорость скольжения его колес падает ориентировочно с 40 до 3%, а мощность, затрачиваемая одним колесом на это увеличивается с 25 до 50 кВт/колесо. Было также показано, что увеличение толщины слоя дисперсного загрязнения, связанного, например, с повышенной подачей песка на рельсы, приводит к изменению распределения тепловых потоков и росту температуры в зоне трения и к снижению критической относительной скорости скольжения колес.