СЦЕПЛЕНИЕ КОЛЁС ЛОКОМОТИВА С РЕЛЬСАМИ В УСЛОВИЯХ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО И АТМОСФЕРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
Лужнов Ю.М., Чичинадзе А.В., Говорков О.А.
(МАДИ (ТУ), ИМАШ РАН, г.Москва, Россия)
Heat dynamics of friction and physical-chemical concepts of solid interactions are discussed as applied to the wear in the wheel-rail system.
Работа трения, возникающая между колесом и рельсом, расходуется на изменение внутренней энергии фрикционной системы (преимущественно в виде тепла) и на изменение свободной поверхностной энергии трущихся тел. Критерием оценки энергетических процессов в элементах пары трения может служить температура фрикционного контакта. К решению данной фрикционной задачи позволяет подойти теория тепловой динамики трения и изнашивания, разработанная А.В.Чичинадзе.
Теплообразование при трении происходит на
пятнах фактического касания поверхностей, которые в процессе трения и износа
изменяются и перемещаются по поверхности контурного и номинального контактов.
Максимальную температуру на фактическом пятне можно представить в следующем
виде:
,
где: 
- исходная
температура элемента пары трения, обычно она равна температуре окружающей среды
(воздуха); 
-
объёмная температура элемента. Здесь учитывается температура материала перед
фрикционным взаимодействием; 
- средняя температура номинальной (или
контурной) поверхности трения; 
- температурная вспышка на
фактическом пятне касания.
Расчёты производятся для единичной номинальной
площадки контакта 
.
Во время движения поезда она периодически нагревается и охлаждается
конвекционными потоками воздуха. При расчёте размеров этой площадки необходимо
учитывать механические свойства как материалов колёс и рельсов, так и
дисперсных слоёв (песка, окислов железа, алюминия и магния, влаги, смазки и
др.), находящихся на поверхностях бандажа колеса и головки рельса. Эти
загрязнения в зависимости от степени увлажнения (из окружающей среды) способны
менять свои структурно-реологические свойства в пределах от свойств, присущих
твёрдым телам, минуя пастообразное состояние и вплоть до жидкого (с различной
степенью вязкости). Благодаря этому сильно меняется и режим трения между
колесом и рельсом - от граничного до квазигидродинамического с коэффициентами
трения (
) от
0,15 до 0,5.
Импульсный разогрев тонкого полидисперсного поверхностного слоя до нескольких сотен градусов приводит к появлению в нём значительных градиентов температур. Вследствии этого возникают температурные напряжения и активизируются диффузионные процессы. В зависимости от тепловых потоков распространяющихся в металл и в коллоидный слой существенно (и по разным законам) будут меняться и их механические и теплофизические свойства. Это, в свою очередь, сказывается как на объёмных механических свойствах в зоне контакта, так и на фрикционно-износных характеристиках материалов колеса и рельса. По мере достижения, в процессе трения колеса о рельс, средней температуры поверхности порядка 600 – 800оС, прочность на срез металла резко падает, а прочность поверхностного дисперсного слоя повышается. Постепенно прочность поверхностного дисперсного слоя превысит прочность металла, и материал поверхностного слоя начинает играть роль абразива. В результате этого интенсивность изнашивания разогретых поверхностей колеса и рельса может резко возрасти.