Исследование основных факторов, влияющих на повышение коэффициента трения взаимодействующих поверхностей рельсовых транспортных средств

Full Text

В настоящее время не существует единой общепринятой теории трения взаимодействующих поверхностей [1, 2]. Это связано в первую очередь со сложностью самого явления и неоднозначностью его механизмов при различных условиях протекания фрикционного процесса.

Первые исследования явления трения были проведены Леонардо да Винчи, результаты которых, впоследствии, были подтверждены Амонтоном. В этих исследованиях преобладали чисто механические представления о процессе внешнего трения. В основу изучения трения было положено рассмотрение взаимодействия поверхностей твердых (абсолютно жестких) тел [1, 2].

Основываясь на имеющиеся результаты исследований, современная классическая механика утверждает, что сила трения двух взаимодействующих тел в достаточно широких пределах не зависит от площади соприкасающихся тел [3]. Это утверждение является следствием того, что в классической механике, основанной на законах Кулона–Амонтона (а точнее, Леонардо да Винчи–Амонтона) принято считать взаимодействующие тела абсолютно гладкими, т. е. лишенными каких-либо шероховатостей.

Современная теория контактного взаимодействия соприкасающихся тел, являющаяся предметом изучения науки, именуемой ТРИБОЛОГИЯ, получившая развитие в работах И. В. Крагельского, Н. Б. Демкина, А. В. Чичинадзе, Ю. М. Лужнова и их учеников, считает контакт взаимодействующих тел дискретным, т. е. точечным, и состоящим из множества точечных контактов, обусловленных взаимодействием выступов микрошероховатостей площадок контакта взаимодействующих тел [2, 4–6].

В машиностроении при проектировании узлов трения для уменьшения износа и увеличения долговечности, например – подшипников скольжения, основным критерием является минимизация коэффициента трения. Это диктуется необходимостью уменьшения контактных напряжений в зоне трения взаимодействующих поверхностей, что подтверждено многими теоретическими и практическими исследованиями. Также, многочисленными исследованиями установлено, что по окончании приработки (при неизменных условиях работы) на взаимодействующих поверхностях устанавливается одинаковая, равновесная, шероховатость, не зависящая от величины и характера первоначальной, а зависящая от условий изнашивания [7].

Для пар трения, каковыми являются системы “колесо–рельс” рельсового транспорта, основным критерием эффективного функционирования является, пропорциональный коэффициенту трения, коэффициент сцепления. Следовательно, для обеспечения нормальных условий работы необходимо установить для взаимодействующих поверхностей такую шероховатость, при которой будет обеспечиваться основная функция системы “колесо–рельс”, т. е. передача вращающего момента от колеса к рельсу и обеспечение соответствующего тягового усилия локомотива.

Многочисленными исследованиями установлено, что контакт реальных шероховатых поверхностей носит дискретный характер, обусловленный взаимодействием отдельных выступов микронеровностей. Силу трения на каждом выступе контактирующих профилей согласно [4, 8] можно представить в виде двух слагаемых

$F = F_{мол} + F_{мех}$                                                                                                      (1)

где F_мол – молекулярная составляющая силы трения; F_мех – механическая составляющая силы трения.

Эта формула выражает один из основных трибологических законов. Согласно молекулярно-механической теории И. В. Крагельского при взаимодействии поверхностей с низкой шероховатостью (“чистых” поверхностей) доминирующим фактором является молекулярная составляющая силы трения, для грубо обработанных поверхностей превалирующим является механическая составляющая силы трения.

В работе [9] установлено, что рациональной шероховатостью пар трения типа “колесо–рельс” является шероховатость R_z 20–40 мкм. При случайном расположении шероховатостей на поверхностях контактирующих тел контактное сближение этих тел под действием внешней нагрузки определяет фактическую площадь соприкосновения, определяемую геометрией контактирующих поверхностей.

Взаимный контакт деталей первоначально происходит по выступам поверхностей на высотах, образованных микронеровностями (рис. 1).

 

Рис. 1. Схема реального контакта твердых деталей и схема образования реального значения силы трения в пятне контакта.

 

Таким образом, суммарная сила трения зависит от фактической площади касания контактирующих поверхностей, что является важным фактором повышения силы трения и, как следствие, увеличения коэффициента трения контактирующих поверхностей системы “колесо–рельс” [5, 10].

При трении двух тел (например, при качении колеса по рельсу) неровности одного тела неоднократно деформируют поверхностный слой другого тела. При этом одни и те же точки на поверхностях трения испытывают микродеформации типа растяжение–сжатие с различными амплитудами и частотами. При этом качение практически всегда сопровождается скольжением, при этом скорость скольжения (пробуксовки) колес по рельсам оказывает существенное влияние на износ системы колесо–рельс. Достаточно сказать, что увеличение скорости скольжения колес с 0.8 до 2.0% вызывает увеличение износа рельсов в 2, 3 раза. В связи с этим в зоне контакта взаимодействующих тел повышается температура взаимодействующих поверхностей.

Как следует из молекулярно-механической теории внешнего трения и усталости теории изнашивания твердых тел, фрикционно-износные характеристики и механические свойства материалов пар трения находятся в различных нелинейных функциональных зависимостях. При этом эти зависимости могут существенно меняться от режима трения и, в первую очередь, от теплового и температурного режимов [4, 11, 12]. Это иллюстрируется графиками, приведенными на рис. 2 [2].

Зависимости коэффициента трения f и интенсивности износа I_и от температуры поверхности трения нелинейны (рис. 2).

 

Рис. 2. Зависимость коэффициента трения 1 и интенсивности износа 2 от температуры поверхности трения при трении колесной стали в паре с легированным чугуном ЧНМХ при вертикальной нагрузке 1.5 МПа [2].

 

Сравнительный анализ графиков на рис. 2 показывает, что при повышении температуры в зоне контакта коэффициент трения падает и достигает минимального значения при температуре около 500°С. При дальнейшем повышении температуры коэффициент трения начинает увеличиваться, однако при этом ухудшаются физико-механические (прочностные) свойства взаимодействующих поверхностей. Примерно по такой зависимости изменяется интенсивность изнашивания I_и. Однако минимальное значение интенсивность износа достигает при температуре около 300°С.

Анализ зависимостей по графикам 1, 2 (рис. 2) показывает, что исходя из условий обеспечения критерия предела прочности и улучшения тяговой способности локомотивов, следует ограничить температуру в зоне контакта рабочих поверхностей колеса и рельса в пределах 300°С. Таким образом, следующим, не менее важным фактором повышения коэффициента трения взаимодействующих поверхностей тяговых транспортных средств является температура в зоне контакта взаимодействующих тел.

Проведенные теоретические исследования, подтвержденные экспериментально, позволили найти запатентованный способ обнаружения и устранения скольжения колес относительно рельсов в течение неограниченного времени (рис. 3) [9].

 

Рис. 3. Блок-схема измерений проскальзывания колес локомотивов: 1 – тахогенератор эталонной оси; 2 – тахогенератор измеряемой оси; 3 – компьютерный осциллограф-приставка; 4 – интерфейс USB; 5 – РС (ноутбук).

 

Устройство, блок-схема которого представлена на рис. 3, состоит из двух тахогенераторов ТГ-30П 1 и 2, смонтированных на осях колесных пар локомотива, причем один из тахогенераторов был подключен к оси одной из неприводных колесных пар локомотивосостава и был принят в качестве эталонного [13]. Напряжения тахогенераторов поступали на вход приставки-осциллографа (рис. 3) и с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в виде двоичных данных хранились в памяти компьютера. Поэтому здесь также имелась информация о величине проскальзывания каждой из приводных колесных пар локомотива в виде разности соответствующих данных для любого момента времени. Такой метод измерения разности напряжений называется компенсационным [14]. Далее, после получения информации о буксующей колесной пары машинист включает систему подачи песка и под буксующую пару подается необходимое количество сухого кварцевого песка.

Можно сделать вывод, что подсыпка песка под каждую колесную пару позволит существенно повысить коэффициент сцепления (до 50%), однако подачу песка необходимо проводить избирательно, т. е. именно под ту пару, уровень буксования которой выше допустимого предела, контролируемого запатентованным нами устройством.

Здесь можно сделать вывод, что регулирование проскальзывания (пробуксовки) тяговых колес рельсовых транспортных средств создает реальные предпосылки для снижения одного из факторов, способствующих снижению температуры в зоне контакта взаимодействующих поверхностей системы “колесо–рельс”.

Заключение. Анализ результатов расчета максимальных значений коэффициентов трения показал, что при профилировке рельсов с обеспечением шероховатости R_z 20 мкм расчетный коэффициент трения можно повысить до 12% и, следовательно, коэффициент сцепления пары “колесо–рельс” также может быть повышен.

В исследованиях [6] отмечено, что при взаимодействии приработанных поверхностей профилей колеса и рельса, что характеризуется увеличенной шириной дорожек катания на рельсах, коэффициент трения увеличивается до 9.0%.

Анализ проведенных исследований в области влияния скорости скольжения (пробуксовки) на температуру в зоне контакта взаимодействующих поверхностей системы “колесо–рельс” позволяет обеспечить снижение температуры до 300°С и уменьшить износ рабочих поверхностей колесно-рельсовой системы.

Реализация предлагаемых технических решений с применением трибологических методов исследований позволит обеспечить возможность повышения коэффициента трения системы “колесо–рельс” до 27%.

Финансирование. Данная работа финансировалась за счет средств бюджета Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН. Никаких дополнительных грантов на проведение или руководство данным конкретным исследованием получено не было.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

About the authors

A. M. Керопян

Московский научно-исследовательский проектно-изыскательский институт технологий и инноваций

Email: albagachiev@yandex.ru
Russian Federation, Москва

A. Ю. Албагачиев

Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН

Author for correspondence.
Email: albagachiev@yandex.ru
Russian Federation, Москва

References

Supplementary files