ПРИНЦИПИАЛЬНО НОВАЯ СИСТЕМА ЛУБРИКАЦИИ ПУТЕМ НАНЕСЕНИЯ НА БОКОВУЮ ГРАНЬ ГОЛОВКИ РЕЛЬСА АНТИФРИКЦИОННОГО НАНОМАТЕРИАЛА, ОБЛАДАЮЩЕГО СВОЙСТВАМИ БЛОКИРОВКИ СЕГРЕГАЦИОННЫХ ЯВЛЕНИЙ В МЕТАЛЛЕ КОЛЕСА И РЕЛЬСА
Колесников В.И., Кармазин П.А., Жукова Ю.В., Василькова Е.А.
(РГУПС, г.Ростов-на-Дону, РФ)
The results of researches in making principally new system of lubrication by putting antifriction nanomaterial on the lateral face of rail head having the properties of blocking segregation phenomena in metal of rail and wheel are presented in this paper.
Основной задачей, определяемой стратегией развития железнодорожного транспорта, является создание пути, обладающего высокой стабильностью и не требующего значительных затрат на его техническое обслуживание в течение межремонтных сроков. Исследования с использованием тончайших аналитических методов показали, что одной из причин износа трибосистемы «колесо-рельс» являются процессы сегрегации – изменение элементного состава слоев межкристаллитных границ [1, 2]. В рамках проведения НИР по теме «Подготовка ТЭО на принципиально новую систему лубрикации путём нанесения на боковую грань головки рельса антифрикционного наноматериала, обладающего свойствами блокировки сегрегационных явлений в металле колеса и рельса» была предложена новая система лубрикации системы «колесо-рельс». Эта система лубрикации заключается в нанесении на боковую грань головки рельса многослойного наномодифицированного антифрикционного покрытия, состоящего из основного материала (силового каркаса) и антифрикционного слоя (рис. 1).
Рисунок 1 – Рельс с нанесенным многослойным покрытием
К достоинствам этой системы относится то, что существенно увеличивается долговечность покрытия и сокращается количество повторных нанесений материала. Кроме того, объем и масса наносимого материала значительно меньше, чем в случае пластичной смазки. Благодаря всему этому: уменьшается количество технологических «окон» в графике движения поездов, предназначенных для выполнения операции лубрикации передвижными рельсосмазывателями; уменьшается общий объем работы по нанесению покрытия и высвобождается часть работников, занятых этой операцией; устраняется загрязнение окружающей среды нефтепродуктами.
На первом этапе исследований были проведены лабораторные трибологические испытания образцов. Испытания проводились на машине трения СМТ-1 по схеме «ролик – ролик» при 100%-ом проскальзывании [2]. На поверхность ролика, моделирующего рельс, наносилось многослойное покрытие. В результате было выявлено, что для обеспечения надежной адгезии нанесенного на боковую грань головки рельса покрытия с основным металлом рельсов (значение предела прочности на сдвиг не менее 51 МПа) необходимо, чтобы измененный поверхностный слой (ИПС) имел толщину до 200 мкм. На поверхности модельных образцов были сформированы новые слои ИПС толщинами от 50 до 100 мкм. Материалы подложки и покрытия достаточно глубоко (от 6 мкм до 25 мкм) взаимно диффундируют друг в друга, создавая достаточно прочный переходной слой. Износостойкость полученных ИПС выше, чем основного покрытия. Значения коэффициентов трения при фрикционном взаимодействии образцов из колесной стали с образцами из рельсовой стали с различными антифрикционными покрытиями 10000 оборотов образца из рельсовой стали составляли 0,12 – 0,14. Проведенные исследования позволили выделить наиболее стойкие антифрикционные покрытия [4].
Наномодифицированные добавки, которые содержит антифрикционная компонента покрытия, блокируют негативные сегрегационные явления в металле и повышают эксплуатационную стойкость узла трения, что приводит к экономии материальных ресурсов и уменьшению объема ремонтных работ. При эксплуатации узлов трения с применением таких покрытий антифрикционного назначения обеспечивается повышение срока службы не менее чем в два раза, а также транспортная безопасность, надежность, долговечность.
На следующем этапе исследований были проведены натурные испытания. Объектом испытаний выбраны четыре новых рельса Р65, длиной по 12,5 метра с нанесённым (заблаговременно до их укладки в путь) на боковую грань головки рельса многослойным наномодифицированным антифрикционным покрытием, обладающим свойствами блокировки сегрегационных явлений в металле колеса и рельса. Они были уложены на участки с наиболее интенсивным боковым износом на ст. Лихая (СКЖД) – ПД-6, ПД-7, ПД-8.
Интенсивность износа боковой поверхности головки рельса рассчитывалась на 1 млн.т. брутто пропущенного груза, в соответствии с нормативно-техническим документом Департамента пути и сооружений №ЦПТ-48/24 от 21.05.2009г. Для расчёта износа использовались данные о пропущенном тоннаже от Дирекции управления движением ст. Лихая СКЖД. Учёт количества пропущенного тоннажа брутто и проследовавших осей подвижного состава определялся статистически.
По материалам, полученным при поведении испытаний в объёме, предусмотренном утвержденной программой, оценена интенсивность износа боковой грани головки опытных рельсов с принципиально новой системой лубрикации и контрольных рельсов (рис. 2).
Рисунок 2 – Интенсивность изнашивания опытных и контрольных рельсов
Интенсивность изнашивания принята как основа для подготовки технико-экономического обоснования на принципиально новую систему лубрикации путём нанесения на боковую грань головки рельса многослойного наномодифицированного антифрикционного покрытия, обладающего свойствами блокировки сегрегационных явлений в металле колеса и рельса.
Расчёт ТЭО показал, что средний срок службы опытных рельсов в млн.т.брутто пропущенного тоннажа в 3,34 раза больше контрольных. Средний срок службы опытных рельсов до замены в месяцах (достижение бокового износа 15 мм) в 3,12 больше контрольных. Сравнительные испытания подтвердили положительное влияние многослойного наномодифицированного антифрикционного покрытия на снижение интенсивности изнашивания боковой поверхности головки рельса в кривых, оценена правильность выбранного технического решения.
Для уточнения отдельных характеристик планируется провести более основательные испытания рельсов и элементов стрелочных переводов с нанесенным многослойным наномодифицированным антифрикционным покрытием в сравнении как с обычными рельсами и элементами стрелочных переводов, так и с защищенными от бокового износа лубрикацией (передвижными или стационарными путевыми лубрикаторами), разработать и изготовить экспериментальный образец оборудования и инструмента для нанесения покрытия в стационарных производственных условиях.
Литература
1. Колесников В.И., Мигаль Ю.Ф., Мижирицкая С.Н., Доронькин В.Н. Квантово-химическое исследование влияния зернограничной сегрегации на износостойкость стали //Трение и износ. 2008. Т 29, №2. С.134-143.
2. Колесников В.И., Булгаревич С.Б., Бойко М.В., Сидашов А.В., Сычев А.П.. Разрушение поверхности катания железнодорожного колеса, инициированное трением и силовыми нагрузками // Трение и смазка в машинах и механизмах. -2010.- №11.- С.31-37.
3. Трение, изнашивание и смазка. Справочник в 2 книгах/ Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. - М.: Машиностроение, 1978. Кн.1. 1978.-400 с. Кн.2 1979.-358с.
4. Иваночкин П.Г., Сычев А.А., Кравченко Ю.В., Бецофен С.Я., Ашмарин А.А. Исследование модифицированной поверхности железнодорожных рельсов //Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике: материалы IX междунар. науч.-практ. конф., ЮРГТУ (НПИ), Новочеркасск, 2010, С. 61-67.