автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повышение эксплуатационной эффективности фрикционных систем железнодорожного подвижного состава

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РФ

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи ------------------------------УДК 621.891/629.4.027

кандидат технических наук Майба Игорь Альбертович

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФРИКЦИОННЫХ СИСТЕМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО подвижного

СОСТАВА

Специальность: 05.22.07- Подвижной состав железных дорог и

тяга поездов 05.02.04-Трение и износ в машинах

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

Ростов-на-Дону-1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ .....5

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

1.1. Анализ способов улучшения реализации тягового усилия локомотивов активным воздействием на физико-химические свойства контактных поверхностей колеса и рельса-------------------------------------------------------11

1.2. Оценка роли смазки в обеспечении работоспособности фрикционных узлов железнодорожной техники ... .21

1.3. Анализ эффективности современных технологий смазывания фрикционных систем железнодорожного подвижного состава ....29

1.4. Анализ эффективности смазочных материалов, используемых в узлах трения железнодорожного подвижного состава .....42

1.5. Особенности процессов трения и изнашивания фрикционных узлов железнодорожной техники .....49

1.6. Цель и задачи исследований .....64

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ УЗЛОВ ТРЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

2.1. Лабораторная база и методики проведения исследований .....67

2.2. Методика физического моделирования ударно-усталостного изнашивания .....88

2.3. Методика физического моделирования процесса изнашивания смазываемого фрикционного контакта (на примере фрикционного взаимодействия гребня колеса с рельсом) .....95

2.4. Методика проведения исследований по раскрытию механизма сма зочного действия новых смазочных материалов для подвижного со става .....108

2.5. Выводы .....111

3. РАЗРАБОТКА СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

3.1. Разработка дисперсионной основы новых силикатных смазок.....112

3.2. Разработка рабочей жидкости для гидросистем подвижного состава .....123

3.3. Разработка трансмиссионного масла для подвижного состава .....126

3.4. Разработка пластичных смазок для подвижного состава .....131

3.5. Выводы .....141

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СМАЗЫВАНИЯ ФРИКЦИОННЫХ УЗЛОВ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

4.1. Теоретическое обоснование состава и природы смазочного действия полифазных силикатных смазок ......143

4.2. Результаты экспериментальных исследований по раскрытию механизма смазочного действия полифазных силикатных смазок ......154

4.3. Исследование влияния смазывания на механизм ударно-усталостного изнашивания узлов трения железнодорожной техники ......168

4.4. Выводы .....178

5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ЛОКОМОТИВА В КРИВОМ УЧАСТКЕ ПУТИ В УСЛОВИЯХ СМАЗЫВАНИЯ КОНТАКТА КОЛЕСА С РЕЛЬСОМ

5.1. Методика оценки безопасности вписывания в кривую пути и снижения сопротивления движения локомотивов в условиях смазывания фрикционного контакта колесо-рельс .....179

5.2. Результаты теоретических расчётов и экспериментальных исследований по оценке снижения сопротивления движению локомотивов и безопасности вписывания в кривой пути малого радиуса .....196

5.3.Теоретические предпосылки регулирования трения и сцепления в системе колесо-рельс модификацией контактных поверхностей .....212

5.4. Выводы .....229

6. ТЕХНОЛОГИИ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

6.1. Технология лубрикации системы гребень колеса-рельс ......231

6.2. Технология лубрикации опорных фрикционных узлов подвижного состава ......242

6.3. Технология смазывания скользящих электрических контактов электроподвижного состава .....249

6.4. Выводы ......257

7. ВНЕДРЕНИЕ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ЛУБРИКАЦИИ И СМАЗОК ФРИКЦИОННЫХ УЗЛОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ТЕХНИКИ

7.1. Результаты внедрения технологии гребнерельсосмазывания (ГРС-

РАПС) .....259

7.2. Результаты внедрения силикатной смазки для стационарных путевых рельсосмазывателей .....271

7.3. Результаты эксплуатационных испытаний систем смазки опор скольжения вагонов и покрытий типа РАПС .....280

7.4. Выводы .....283

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ......285

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ......289

ПРИЛОЖЕНИЕ ......314

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Перспективы развития современного железнодорожного транспорта таковы, что его нормальное развитие невозможно без решения вопросов обеспечения эффективного и безопасного перевозочного процесса, основой которого является надежное функционирование основных систем железнодорожного подвижного состава (ПС), уровень технико-экономических показателей которых определяет текущие затраты и рентабельность перевозок.

В последнее десятилетие в связи с общим ухудшением экономического состояния отрасли и отсутствием возможности своевременного внедрения эффективных ресурсосберегающих технологий взамен морально и физически устаревших, а также в связи с невозможностью просто своевременной замены выработавших ресурс деталей и узлов железнодорожной техники сложилась ситуация, когда общая изношенность железнодорожной техники достигла критических значений и составляет в среднем по сети дорог МПС более 60%. Так, в частности, срок службы автосцепных приборов на пассажирских и грузовых поездах сократился до одного года при росте числа отказов на 42%. Детали гасителей колебаний вагонных тележек, подпятники и скользуны подрессорных балок, втулки тормозных передач служат один - два года вместо 6...7 лет по норме [56]. Срок службы тяговой передачи и опорно-осевого подвешивания двигателей локомотивов составляет 1/2... 1/3 пробега между капитальными ремонтами. На тяговые двигатели электровозов постоянного тока приходится до 40% всех внеплановых ремонтов, из них 80% отказов - на скользящие контакты коллекторно-щеточного узла; более 30% на дизели тепловозов, из них 85% на фрикционные детали (кольца, подшипники и т.д.) [56].

Одним из аспектов этой проблемы -является взаимодействие подвижного состава и пути. Колесные пары ПС являются одними из наиболее нагруженных и ответственных элементов ходовой части экипажа. Они выполняют функции передачи силы тяги, опирания и направления ПС при движении по рельсовому пути, а также обеспечения требуемого уровня ускорения при разгоне и замедления при торможении. Все эти вышеперечисленные функции реализуются в зоне комбинированного фрикционно-антифрикционного контакта колеса с рельсом и оказывают существенное влияние как на работу всего локомотива, так и на безопасность движения в целом. В связи с этим одной из важнейших народнохозяйственных задач является увеличение ресурса работы колесных пар ПС.

В настоящее время практически нет сдвигов в сторону увеличения ресурса бандажей колесных пар, несмотря на то, что наблюдается снижение интенсивности изнашивания гребней колёсных пар магистральных локомотивов и мотор-вагонного ПС за счет проведения комплекса мероприятий по программе "Колесо-рельс" и насыщения сети железных дорог РФ средствами лубрикации. Это связано с рядом причин, в том числе и с неэффективностью применяемых технологий гребне- и рельсо-смазывания. Кроме того, всестороннее изучение различных аспектов технологического метода, имеющего более чем столетнюю историю применения песка в целях повышения сцепления колеса с рельсом показало, что на сегодняшний день не существует как единой точки зрения на механизм трения и сцепления при наличии твердых частиц (в том числе и песка) в зоне контакта колеса и рельса, так и отвечающей современному уровню эксплуатации локомотивов технологии регулирования процесса сцепления.

Учитывая вышесказанное, актуальной проблемой является увеличение ресурса подверженных интенсивному изнашиванию фрикционных

систем ПС, а также регулирование процессов трения и сцепления в системе колесо-рельс. Очевидно, что решение этих проблем должно основываться на внедрении наукоемких технологий. Так, одним из способов повышения эксплуатационной эффективности фрикционных систем ПС является регулирование и оптимизация характеристик фрикционного контакта за счет использования новых технологий лубрикации и модификаторов трения с повышенным ресурсом смазывания.

Несмотря на обширные исследования, проводимые в этой области, у специалистов нет единого мнения о том, какие виды смазочных материалов, системы смазки, технологические способы смазывания наиболее эффективно использовать в тех или иных условиях эксплуатации подвижного состава.

В связи с этим серьезной научной проблемой является разработка научно-обоснованных теоретических положений повышения эксплуатационной эффективности фрикционных систем железнодорожного ПС путем создания и применения современных технологий лубрикации узлов трения ПС и материалов повышенного ресурса смазочного действия.

Целью работы является повышение эффективности работы фрикционных систем железнодорожного подвижного состава в результате разработки научно-обоснованных теоретических положений регулирования процессов трения и сцепления на основе создания принципиально новых технологий лубрикации и применения полифазных модификаторов трения с повышенным ресурсом смазывания, образующих трибоза-щитные пленки на контактных поверхностях деталей.

Проведение исследований, с целью решения поставленной проблемы, осуществлено на основе теории физического подобия и моделирования сложных механических систем (метод анализа размерностей), метода математического описания объектов исследований с помощью планов

второго порядка, математического моделирования и метода численного интегрирования Рунге-Кутта-Фильберга.

В результате проведенных исследований решены теоретические вопросы обоснования состава и структуры экологически чистых силикатных смазок, раскрыт механизм формирования из них функциональных защитных пленок повышенного ресурса смазочного действия; создания научно-обоснованных положений регулирования процесса трения сцепления и изнашивания в системе колесо-рельс на основе применения современной технологии лубрикации с использованием твердых полифазных модификаторов трения антифрикционного и фрикционного назначения, снижающих фактор паразитного трения гребня колеса о рельс и улучшающих реализацию процесса сцепления колеса с рельсом; разработки теоретических предпосылок уменьшения сопротивления движению локомотивов при вписывании в кривой участок пути и нелинейной характеристики коэффициента трения, обусловленной смазыванием контакта набегающего на рельс колеса; разработки научных основ аккуму-лятивно-ротапринтного способа формирования защитных смазочных пленок из твердых полифазных смазок.

Практическая ценность работы заключается в реализации мероприятий по снижению сопротивления движению локомотивов и износа фрикционных деталей ПС на основе внедрения комплексной технологии текущего обслуживания (лубрикации) гребней колесных пар и рельсов в кривых пути, открытых и закрытых узлов трения ПС; разработке принципиально новых силикатосодержащих жидких и пластичных смазочных материалов, а также твердых полифазных модификаторов трения для фрикционных узлов ПС и аккумулятивно-ротапринтного способа их нанесения на рабочие поверхности деталей; разработке технологии приготовления и опытно-промышленного производства экологически чистых полифазных смазок и твердых модификаторов трения нового поколения;

разработке методики расчета снижения сопротивления движению локомотивов в зависимости от состояния фрикционного контакта колеса с рельсом; внедрение результатов работы на сети дорог РФ.

Реализация работы. Основные положения теоретических и экспериментальных исследований, рекомендации, изложенные в диссертации, использованы на Северо-Кавказской железной дороге при создании технологии гребнерельсосмазывания (ГРС) на базе электропоездов.

За период с 1987 по 1999 год при непосредственном участии автора серийно освоен выпуск полифазных смазок типа РАПС, систем их подачи в узлы трения ПС, созданные при выполнении 17 НИОКР. В 1996 году закончены эксплуатационные испытания технологии лубрикации колес и рельсов с использованием систем подачи твердой смазки в виде смазочных стежней. Закончена разработка и организация серийного производства конструкций ГРС и смазочных стержней РАПС (разовое антифрикционное покрытие-смазка). Экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы на СКжд и внедрения патентов и изобретений составил более 100 млн. руб. в ценах 1998 года.

Основные положения, выносимые на защиту:

1 .Теоретические положения регулирования процессов трения и сцепления в системе колесо-рельс (улучшения реализации процесса сцепления и снижение потерь на трение в кривых участках пути) в результате использования современной технологии лубрикации с применением твердых полифазных модификаторов трения.

2. Теоретические исследования снижения сопротивления движения локомотивов в условиях смазывания контакта гребня колеса с рельсом и нелинейной характеристики изменения коэффициента трения.

3.Теоретические основы аккумулятивно-ротапринтного способа формирования защитных смазочных пленок на контактных поверхностях фрикционных деталей ПС из твердых полифазных смазок.

4.Теоретическое обоснование структуры и состава, новых экологически чистых силикатных смазок и полифазных модификаторов трения, а также научные основы механизма формирования из них функциональных защитных пленок антифрикционного и фрикционного назначения.

5. Результаты экспериментальных и теоретических исследований по разработке силикатосодержащих жидких, пластичных смазок и твердых полифазных модификаторов трения с повышенным ресурсом смазочного действия, сравнительной оценки их физико-химических и трибо-технических характеристик.

6. Результаты внедрения и оценки эффективности разработанных мероприятий.

Диссертационная работа является частью комплекса научно- исследовательских и опытно- конструкторских работ, выполняемых в соответствии с постановлением Правительства РФ №1087 от 2.11.1995 г. и программ МПС "О первоочередных мерах по реализации потенциала энергосбережения на железнодорожном транспорте в 1996-2000 годах", "Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте".

Публикации. По тематике диссертации опубликовано 59 работ, в том числе: одна монография; 27 статей, 16 тезисов докладов, 15 патентов РФ и одно авторское свидетельство СССР.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из 7 глав, изложенных на 314 страницах, содержит 39 таблиц, 125 рисунков, библиографию в количестве 293 наименований, общих выводов и 10 приложений на 25 страницах.

Автор выражает благодарность научному консультанту доктору технических наук, профессору Евдокимову Ю.А., докторам технических наук, профессорам Шаповалову В.В, Балону JI.B., Кашникову В.Н., Козубенко В.Г., Зарифьяну A.A., Кужарову A.C., Ахвердиеву К.С., Рубанову В.В., Ко-хановскому В.А., Гребенюку П.Т., кандидату технических наук Щербаку П.Н., чьи полезные советы способствовали выполнению работы.

и

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

1.1. Анализ способов улучшения реализации тягового усилия локомотивов активным воздействием на физико-химические свойства контактных поверхностей колеса и рельса

Исследование условий наиболее полной реализации силы сцепления колес с рельсами и мероприятий, обеспечивающих эти условия, имеет значительный практический интерес, так как технико-экономическая эффективность локомотива во многом определяется сцепными возможностями тяговых поверхностей колеса и рельса.

Согласно основному закону локомотивной тяги [70]^ касательная сила тяги ¥к на ободе колеса не должна превышать силу сцепления в контакте колеса с рельсом, определяемую как произведение коэффициента сцепления ¥Сц на нормальную нагрузку РК

Яь^.А (1.1)

Анализ выражения (1.1) показывает, что повышение реализуемой силы тяги может быть достигнуто в результате наращивания мощности тягового двигателя, увеличения осевой нагрузки, что сопряжено с совершенствованием конструкции локомотива, а также вследствие увеличения как величины, так и стабильности коэффициента сцепления колеса с рельсом.

От величины и стабильности значений коэффициента сцепления зависят такие важные показатели эффективности локомотивной тяги, как вес и скорость перевозимых грузов, то есть коэффициент сцепления является показателем функциональной эффективности локомотива как тягового транспортного средства. Формирование нормативов по этим показателям в основном строится на значениях коэффициента сцепления, получаемых методом.усреднения ряда опытных поездок локомотивов дан-

ной серии при различных состояниях поверхностей рельсов. Значения коэффициента сцепления, лежащие в