Применение наноматериалов и нанофункциональных присадок в перспективных технологиях лубрикации контакта гребня колеса с боковой поверхностью головки рельса

Важнейшие приоритеты ОАО «РЖД» освоение перспективного поездопотока при гарантированной безопасности движения и повышение эффективности работы на основе оптимизации взаимодействия служб пути и подвижного состава. В последнее десятилетие в связи с ухудшением экономического состояния в отрасли сложилась ситуация, когда общая изношенность железнодорожной техники достигла критических значений. Обилие трущихся узлов и прямая связь эффективности их работы с безопасностью подвижного состава делает весьма актуальным решение вопросов по увеличению эксплуатационного ресурса основных элементов механической части локомотивов, вагонов и мотор-вагонного подвижного состава.

Одним из аспектов этой проблемы является взаимодействие колеса и рельса, которое составляет физическую основу движения поездов по железным дорогам. Именно оно во многом определяет безопасность, а также такие важнейшие технико-экономические показатели, как масса поездов, скорость их движения и уровень эксплуатационных расходов.

Колесные пары считаются наиболее нагруженными и ответственными элементами ходовой части экипажа, от которых зависит эксплуатационная эффективность железнодорожной техники и безопасность движения. Движение подвижного состава сопровождается трением гребней бандажей колесных пар в точке контакта с боковыми гранями рельсов. Это трение вызывает интенсивный износ гребней и рельсов, что создает угрозу безопасности движения, увеличивает сопротивление движению и энергозатраты на тягу, вследствие чего растут эксплуатационные расходы.

В настоящее время, несмотря на то, что в системе предприятий ОАО «РЖД» активно проводятся мероприятия по ресурсои энергосбережению на железнодорожном транспорте, ресурс бандажей колесных пар ниже нормативных значений, а боковой износ рельсов лимитирует их срок эксплуатации. Изучение эксплуатационных данных показало, что основными причинами отбраковки тягового подвижного состава являются износ и подрез гребня, а также возникновение остроконечного наката. Скорость изнашивания поверхностей в зоне контакта колесо — рельс зависит от целого ряда факторов, среди них: нагруженность зоны контакта, скорости относительного проскальзывания колеса (определяемые углами набегания колесных пар на рельсы), температурные условия эксплуатации, вид и режим движения локомотива, агрессивное воздействия окружающей среды, физико-химические модификации поверхностей в процессе трения. Решающее значение имеют материалы трущихся сопряжений, приповерхностных слоев, реологические и физико-химические свойства смазочного материала, метод смазывания. Именно поэтому в качестве первоочередной и наиболее быстро реализуемой меры борьбы с интенсивным износом является лубрикация боковой поверхности головки рельсов.

Мировой опыт показывает, что применение смазочных материалов — наиболее эффективный способ защиты от повышенного износа гребней колес и боковых поверхностей головок рельсов. За счет уменьшения сил сопротивления движению экипажа по рельсам лубрикация снижает расход топливно-энергических ресурсов на тягу, повышает ресурс колес и рельсов, снижает вероятность вкатывания колеса на головку рельса, улучшает экологические показатели, в частности, уменьшает шум на железной дороге.

С этой целью применяются следующие технические средства: стационарные путевые рельсосмазыватели и гребнесмазыватели; передвижные и бортовые рельсосмазыватели; бортовые гребнесмазыватели. Оснащение этими устройствами обеспечивает:

• — уменьшение на 80% износа колес и рельсов;
• — снижение на 30% сопротивления движению;
• — резкое сокращение числа сходов с рельсов;
• — частичное снижение затрат энергии (на 6 — 10%) за счет более легкого вписывания тележек подвижного состава в криволинейные участки пути;
• — улучшение плавности хода.

Основное назначение смазывающего устройства состоит в том, чтобы во время движения поезда в результате точного нанесения в контакт гребень колеса — боковая поверхность рельса дозированного количества смазочного материала был достигнут желаемый эффект снижения трения и износа без ухудшения условий тяги или торможения, а также без загрязнения смазочным материалом элементов ходовой части подвижного состава и пути. Это может быть обеспечено лишь правильным выбором смазывающего устройства. смазочный колесо рельс лубрикация наноматериал Качество смазочного материала оказывает решающее влияние на эффективность смазывающих устройств. Оно, в конечном счете, определяет условия трения в контакте, износ и уровень генерируемого шума. Специфика условий эксплуатации подвижного состава, а также конструкции систем лубрикации определяют ряд требований к смазочным материалам, предназначенным для смазывания фрикционного контакта гребня колеса с боковой поверхностью головки рельса. Согласно техническим требованиям ОАО «РЖД» смазочные материалы для лубрикации зоны контакта колес и рельсов должны легко наноситься, не разбрызгиваться, не крошиться, не скалываться и удерживаться на боковой грани головки рельса (на гребне колесной пары локомотива) при:

• — скоростях движения передвижного рельсосмазывателя (локомотива) от 3 км/ч до 140 км/ч;
• — рабочем давлении в системе до 3 ГПа;
• — нормированном расходе смазочного материала;
• — температуре атмосферного воздуха от минус 45С до плюс 50С, в том числе в условиях 100% влажности.

А также обладать достаточной вязкостью и адгезией с металлом (способность к переносу), сохранять смазочные свойства после разового нанесения значительное время (ресурс смазочного материала после разового нанесения). Нанесенный на гребень колеса смазочный материал не должен смываться атмосферными осадками, должен быть стабильным по составу и состоянию при хранении и применении.

В контакте колесо — рельс применяют смазочные материалы, агрегатное состояние которых меняется от жидкого до твердого. Состав лубрикационных смазочных материалов очень сложный. Кроме углеводородов, они содержат металлические мыла, специальные полимерные добавки, пластичные смазочные материалы, коллоидные суспензии и другие компоненты. При оценке лубрикационных свойств этих материалов надо определять множество параметров и, кроме того, учитывать влияние окружающей среды, способ нанесения материала, состояние поверхности рельсов и ряд других факторов.

В основе любой технологии лубрикации лежит применение научно-обоснованного типа смазочного материала, обеспечивающего получение на оптимальном уровне заданных выходных параметров трибосистемы.

В настоящее время на сети железных дорог используются различные смазочные материалы и способы их нанесения. Наибольшее распространение получили следующие смазочные материалы, применяемые в системах гребнеи рельсосмазывания: КР-400, Пума-МР, Пума-МГ, Пума-МЛ, СРК, РС-6 «В», РС-6 «Ву», СПЛ, СС-1, РАПС-2. Однако эффективность этих смазочных материалов не значительна, так как их применение не позволяет достигнуть желаемого эффекта снижения трения и износа и не обеспечивает требуемую долговечность гребней бандажей колесных пар и рельсов.

Руководство ОАО «РЖД» многочисленными постановлениями продолжает добиваться увеличения ресурса колесных пар подвижного состава и общей эффективности эксплуатации железнодорожного транспорта. И ставит следующие требования:

• — увеличение межремонтного тоннажа верхнего строения пути до 1 млрд. т;
• — увеличение ресурса вагонных колес до 1,3 млн. км;
• — увеличение ресурса бандажей колесных пар локомотивов не менее чем до 1,0 млн. км;
• — снижение удельного расхода топлива и электроэнергии на тягу поездов на 10−15%.

Поэтому весьма важным представляется поиск новых путей оптимизации работы трибосистемы колесо — рельс.

Принципиально новые возможности в данном направлении предопределяются применением наноматериалов и нанофункциональных присадок с аномально высокой дисперсностью (1−100 нм) и развитой удельной поверхностью (до 600 м2/г). Как показывают многочисленные исследования в ультрадисперсных материалах, включающих или состоящих из сверхмалых морфологических элементов — кристаллов, зерен, пор, дисперсных включений, находящихся в термодинамически неравновесном состоянии, могут быть получены повышенные, новые или уникальные свойства, недостижимые традиционными методами.

Характер работ трибосопряжений претерпевает существенные изменения при добавлении нанокомпонентов и нанофункциональных присадок в состав смазочных материалов. Наличие большого количества сверхмалых частиц изменяет свойства смазочной пленки и характер взаимодействия поверхностей трения.

Наличие наночастиц в контакте приводит к заполнению ими микроуглублений и микровпадин рельефа, образованию замкнутых жидких линз, шаржированию и упрочнению поверхностного слоя, что играет особо активную роль в процессе приработки и «залечивания» микродефектов сопрягаемых поверхностей. За счет природной сильнейшей поляризации наномолекул на поверхностях трения образуется самоорганизующаяся пленка достаточной толщины (40 — 80 нм) и оптимальной геометрии, что увеличивает несущую способность сопряжений. Происходит надежное разделение поверхностей трения, практически исчезают адгезионные явления, тем самым компенсируется износ деталей и повышается прецизионность кинематических пар.

В дальнейшем, образованная пленка из наночастиц пропитывается смазочным материалом, который просто невозможно выдавить с поверхности.

Анализ подобных систем показывает, что возможно более активное управление качеством работы таких трибосопряжений. Изменяя концентрацию малых частиц и их состав, используя поверхностно-активные и химически-активные вещества, можно решать весь спектр задач, связанных с минимизацией трения и износа в трибологических системах, в том числе и в контакте гребень колеса — боковая поверхность рельса.

В данный момент в Ростовском государственном университете путей сообщения идет разработка нового перспективного полифазного термопластичного смазочного материала для лубрикации гребней колесных пар с применением наноматериалов и нанофункциональных присадок.

Сравнительные экспериментальные исследования опытных образцов смазочных материалов были проведены на машине трения 2070 СМТ-1 по схеме качения с проскальзыванием пары трения «ролик-ролик». Нагрузочно-скоростные параметры задавались согласно проведенному физико-математическому моделированию и соответствовали реальной трибосистеме гребень колеса — боковая поверхность рельса.

Результаты лабораторных испытаний были получены при помощи автоматизированной системы регистрации и обработки экспериментальных данных, которая состоит из ПЭВМ типа IBM/PC, многоканальных усилителей вибродатчиков с каналами синхронизации, усилителя сигнала датчиков машины трения 2070 СМТ-1, тензоусилителя, платы цифровой обработки сигналов с 9-ти канальным АЦП, соединительных кабелей, источника питания, пакета специализированного программного обеспечения.

Эффективность применения наноматериалов и нанофункциональных присадок в составе смазочных материалов была подтверждена результатами проведенных исследований, которые показали следующие значения:

• — снижение коэффициента трения на 20−30%;
• — снижение износа в 1,3 — 3 раза;
• — увеличение ресурса смазочного материала после разового нанесения на 20−30%.

• 1. Распоряжение ОАО «РЖД» «О порядке допуска горюче-смазочных материалов к применению» от 19 августа 2009 г. № 1735р. Москва.
• 2. Технические требования ОАО «РЖД» «Смазочные материалы для лубрикации зоны контакта колес и рельсов» от 5 ноября 2009 г.
• 3. Распоряжение ОАО «РЖД» «О применении смазочных материалов для контакта „колесо-рельс“ в 2010 году» от 30 декабря 2009 г. № 2749р. Москва.
• 4. Стратегические направления научно-технического развития ОАО «РЖД» на период до 2015 г. «Белая книга».
• 5. Мантурова Е. А. Концепция гребнерельсосмазывания / Е. А. Мантурова, С. А. Вялов, А. А. Александров, Т. А. Лесовых / Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта: сборник научных трудов молодых ученых, аспирантов и докторантов, 2009.