Теоретическое обоснование механизма смешанной (полужидкостной) смазки в контакте «твердый оболочечный смазочный стержень-колесо-рельс»

Аннотация

И.А. Майба, Д.В. Глазунов

Предложено теоретическое обоснование механизма смешанной (полужидкостной) смазки при взаимодействии твердых оболочечных смазочных стержней с контактом «колесо-рельс». Разработаны методики определения среднего нормативного ресурса смазки твердых оболочечных смазочных стержней и среднего износа оболочки твердых оболочечных смазочных стержней в различном сочетании оболочек при различных диапазонах температур. Разработан принципиально новый способ трибологических исследований твердых оболочечных смазочных стержней «держатель оболочки – ролик». Определен на основании лабораторных исследований новый состав смазочных стержней, обладающий хорошей смазочной способностью увеличенным ресурсом и меньшим расходом смазки при повышенных температурах контакта по сравнению с типовым образцом смазочных стержней.
Ключевые слова: Смешанная смазка, твердые оболочечные смазочные стержни, контакт «колесо-рельс», средний нормативный ресурс смазки, средний износ оболочки, новый способ трибологических исследований «держатель оболочки – ролик».

Ключевые слова:

05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

Один из наиболее распространенных режимов смазки, при взаимодействие твердых оболочечных смазочных стержней с контактом «твердый оболочечный смазочный стержень-колесо-рельс» является режим смешанного смазывания. Смазывание твердыми оболочечными смазочными стержнями колес электровоза и последующим переносом смазки на рельс осуществляется при помощи аккумулятивно – ротапринтного способа смазывания. Суть способа заключается в том, что при движении электровоза, оснащенного бесприводными гребнерельсосмазывателями и контактировании стержня с колесом электровоза смазка стержней нагревается и становится полужидкой. В результате чего на колесе электровоза и рельсе образуется слой смазки, препятствующий их износу. По мере истощения слоя смазки на колесе электровоза образуются свободные от слоя смазки зоны. Оболочка смазочных стержней выполняет функцию держателя смазки и корректирует скорость изнашивания смазочного стержня, поэтому в результате образования свободных от смазки зон на колесе оболочка начинает изнашиваться и новая порция нагретой полужидкой смазки попадает на колесо. Процедура нанесения смазки повторяется.
Как видно из диаграммы Герси-Штрибека, между областями существования граничной (левая часть диаграммы) и гидродинамической (правая часть диаграммы) смазок расположена область существования смешанной смазки. В этом режиме частично осуществляется граничная смазка, частично - гидродинамическая (или эластогидродинамическая).
Смешанная смазка может быть как рабочим режимом эксплуатации данного узла трения, так и реализовываться время от времени - при пуске – останове, при вписывании в кривую малого радиуса. Смешанная смазка может иметь место также в случае, когда заключенный между контактирующими поверхностями объем смазочного материала недостаточен для полного разделения этих тел, даже при значительной величине числа Герси, но более благоприятно для условий работы узла трения, чем при граничной смазке. При этом нормальная нагрузка на узел трения частично воспринимается, образовавшимся на определенных микроучастках контакта гидродинамическим слоем, частично воспринимается непосредственно поверхностями, разделенными только граничным слоем (включая возможность реализации металлического контакта по вершинам отдельных микронеровностей).
Современные модели смешанной смазки учитывают такие важнейшие аспекты процесса, как взаимодействие поверхностей, в том числе контактную деформацию, вязкое сопротивление смазки и ее гидродинамическое действие. Предполагается, что объемные свойства смазочных материалов проявляются при толщине пленки, превышающей 0,1 мкм (т. е., если толщина слоя превышает граничный слой), поверхности трения имеют микронеровности высотой от долей микрометра до десяток и сотен микрометров. На реальных поверхностях гидродинамическое действие может проявляться с самых малых скоростей скольжения пар трения.
Протекающие при смешанном режиме смазки процессы очень сложны, так как виды трения, сочетание которых представляет собой смешанную смазку, взаимно влияют друг на друга, в определенной степени участвуя в создании сопротивления перемещению контактирующих тел, в образовании подъемной силы. Кроме того, необходимо знать характеристики шероховатости поверхности и их изменение в процессе трения. Поэтому наиболее точные результаты по определению расхода смазки, необходимой толщины смазочного слоя, ресурса смазки, а также определения износа оболочки, необходимой толщины оболочки твердых оболочечных смазочных стержней обычно получают экспериментально на лабораторных установках [1].
В настоящее время отсутствует стандартизованный способ лабораторных испытаний, воспроизводящих в достаточной мере поведение смазочных материалов в условиях работы колеса и рельса в эксплуатации. В связи, с чем поиск методов оценки и определение свойств колесных и рельсовых смазок является весьма актуальной задачей.
Известно, что наиболее распространенным способом моделирования контакта колесо-рельс является роликовая аналогия, при которой программируется качение с проскальзыванием. Этот процесс успешно моделируется в лабораторных условиях на машинах трения, например СМТ-1 или СМЦ-2.
Для отработки методики использовалась модернизированная установка 2070 СМТ-1М, предназначенная для проведения лабораторных испытаний в режиме трения скольжения, качения, качения с проскальзыванием в условиях моделирующих закрытые и открытые пары трения подвижного состава с любым видом (жидким, полужидким, пластичным, твердопластичным, твердым) смазочного материала при ротапринтном, аккумулятивно-ротапринтном, капельном и разовом способе его нанесения.
Для проведения лабораторных исследований твердых оболочечных стержней на ресурс на модернизированной установке СМТ-1М необходимо разработать:

1. методику определения среднего нормативного ресурса смазки твердых оболочечных смазочных стержней;
2. методику определения средней интенсивности изнашивания оболочки твердых оболочечных смазочных стержней.

Методика определения среднего нормативного ресурса смазки твердых оболочечных смазочных стержней на модернизированной установке СМТ-1М предусматривает их проведение в условиях, моделирующих взаимодействие гребня колеса с головкой рельса при вписывании в кривую малого радиуса (в режиме трения качения с продольным проскальзыванием) [2].Средний нормативный ресурс смазки - среднее число оборотов (с учетом 3 опытов), необходимое совершить, намазанными одним образцом смазки, роликами при определенной начальной температуре роликов, работающих в условиях смешанной смазки (при обеспечении слоя смазки толщиной более 0,1 мкм ) до наступления значения коэффициента трения 0,6.

Объектом исследования являются смазки твердых оболочечных смазочных стержней для лубрикации зоны контакта «колес и рельс»:
I образец – смазка опытного смазочного стержня РАПС-О
II образец – типовая смазка смазочного стержня РАПС.
Цель исследований:
- определить средний нормативный лабораторный ресурс смазок твердых оболочечных смазочных стержней;
- построить графики зависимостей коэффициента трения от времени смазок смазочных стержней РАПС и опытной смазки РАПС-О при температурах роликов 0⁰С, 25⁰С, 50⁰С;
- определить средний необходимый лабораторный расход смазок твердых оболочечных смазочных стержней на км пути.
Испытания двух образцов смазок смазочных стержней проводились поочередно при постоянной нагрузке на ролики, равной 980 Н, частотой вращения роликов 450 об/мин, при температурах роликов (0±3)°С, (25±3)°С, (50±3)°С. Ресурс смазки исследовался до достижения коэффициента трения, равного 0,6
Частота вращения роликов 450 об/мин имитирует скорость вращения колеса при вписывании в кривую малого радиуса.
Ресурс смазок (I) определялся по формуле:
I = n/m,
где: n – долговечность смазки, число оборотов;
m  – масса не выдавливаемого слоя смазки, г.
Не выдавливаемый слой смазки смазочных стержней – слой смазки, остающийся на контактных поверхностях роликов после 300 оборотов.
Долговечность смазки смазочных стержней – число оборотов, выдерживаемое не выдавливаемым количеством смазки, при заданном режиме взаимодействия до достижения величины коэффициента трения, равной 0,6.
Для определения массы не выдавливаемого слоя смазки смазочных стержней использовались аналитические весы ЛВ-200А по ГОСТ 19491, обеспечивающие точность взвешивания 0,0001 г. Для нанесения смазки смазочных стержней применялся шприц инъекционный одноразового применения по ТУ 64-2-506-91. Для обезжиривания и промывки образцов применялся ацетон по ГОСТ 2768. Для нагревания роликов использовали термокамеру. Для охлаждения роликов использовали морозильную установку. Для измерения температуры роликов использовали потенциометр DIGITAL MULTIMETER DT - 83.
Для лабораторных исследований использовали схему качения с 10% проскальзыванием 2-х цилиндрических роликов, выполненных из углеродистой стали 65Г и 70Г ГОСТ 1050-81 диаметром d=40 мм; рабочей шириной контакта 4 мм.
Перед началом испытания ролики взвешиваются. Значения весов роликов вносятся в протокол испытания с указанием результатов испытаний.
Ролики устанавливаются на валах машины и закрепляются гайками.
Смазочный материал наносится на наружную поверхность только нижнего ролика в количестве 0,02+0,002 г. Количество нанесенного смазочного материала должно быть одинаковым для всех тестируемых пар трения. Каретка с роликом из бандажной стали опускается на ролик из рельсовой стали.
Вращение роликов под нагрузкой 980 Н осуществляется до 300 оборотов. Затем вращение роликов прекращается. Выдавленные на края роликов излишки смазочного материала полностью удаляются с боковых поверхностей роликов.
Ролики снимаются с машины, с их боковых поверхностей удаляется смазка и ролики взвешиваются.
Так как в режиме смешанной смазки объемные свойства смазки смазочных стержней проявляются при толщине пленки, превышающей 0,1 мкм. Поэтому после 300 оборотов контролируется толщина смазочного слоя. В противном случае, если толщина слоя смазки окажется меньше необходимого минимального слоя, то необходимо повторить испытания.
После взвешивания регулируется температура роликов (холодильная установка или термо камера). Температура воздуха в лаборатории должна соответствовать температуре роликов. Ролики устанавливаются на машине трения и закрепляются гайками. В момент приложения нагрузки счетчик оборотов сбрасывается на «0». В течение всего времени испытаний производится непрерывная запись момента силы трения на нижнем валу машины. На диаграммной ленте зависимости момента силы трения от времени наносятся отметки показаний счетчика оборотов. Отмечается показание счетчика в момент прекращения испытания.
Вращение роликов осуществляется до достижения значения коэффициента трения 0,6. После достижения коэффициента трения 0,6 машина останавливается.
Испытания каждого образца смазки смазочных стержней проводятся на новой паре роликов. Для каждого вида смазки смазочных стержней необходимо провести 3 опыта.
Для определения веса невыдавливаемого слоя смазки смазочных стежней (m, г) из суммарного веса роликов после 300 оборотов вычитается суммарный вес роликов до испытаний.
Определяется средний нормативный ресурс смазки смазочных стержней. За средний нормативный ресурс смазки смазочных стержней принимается его среднее значение по трём испытаниям.
В результате лабораторных исследований на рисунке 1 представлены три попытки зависимостей коэффициента трения смазок смазочных стержней РАПС и опытной смазки РАПС-О от времени при температурах роликов 0⁰С, 25⁰С, 50⁰С.
Лабораторные исследования показывают, что на способность поверхностно-активных сред снижать коэффициент трения заметное влияние оказывает химическая активность материалов смазываемых тел. Смазочная способность поверхностно-активных сред характеризуется величиной коэффициента трения и характером скольжения. Низкий коэффициент трения (0,15 и менее), мало изменяющийся в процессе испытания, и непрерывное движение свидетельствует о хорошей смазочной способности. Высокий коэффициент трения, скачкообразно изменяющийся в процессе скольжения, и прерывистое движение свидетельствуют об отсутствии прочной граничной пленки и о схватывании поверхностей в процессе трения.
Согласно рис 3 интервал времени работы роликов на всех испытаниях составлял от 300 до 850 секунд, при этом расчетное значение коэффициента трения учитывалось до 0,17. Вращение роликов осуществляется до достижения значения коэффициента трения 0,6.
По результатам представленным на рисунке 1 можно сделать вывод, что с увеличением температуры роликов от 0 до 50 ⁰С, смазанных смазкой РАПС, время работы роликов уменьшается (от 700 с до 300 с).
С увеличением температуры роликов от 0 до 50 0С, смазанных смазкой РАПС-О время работы роликов уменьшается (от 800 с до 600 с).
Причем зависимость времени работы роликов смазанных смазкой РАПС-О с изменением температуры (изменяется от 0 до 50 ⁰С соответственно в интервале от 800 до 600 с) слабо выражено по сравнению со смазкой РАПС (изменение температуры от 0 до 50 ⁰С соответственно в интервале от 700 до 300 с).
Отмечается тенденция, что время работы роликов, смазанных смазкой РАПС-О в диапазонах температур (0⁰С, 25⁰С, 50⁰С) и в пределах расчетного значения коэффициента трения (0,17) больше чем время работы роликов, смазанных смазкой РАПС. Причем при температуре 50⁰С время работы роликов, смазанных смазкой РАПС-О на порядок больше (примерно на 200 с) времени работы роликов смазанных смазкой РАПС.
При температуре 500С смазка стержней РАПС в результате интенсификации процесса десорбции этих молекул с поверхности трения происходит дезориентация граничного слоя, который вследствие этого теряет свою несущую способность и не может препятствовать металлическому контакту трущихся поверхностей. Это сопровождается резким повышением коэффициента трения (до 0,6), интенсивным адгезионным изнашиванием сопряженных деталей, заеданием сопряжения и выходом из строя узла трения.
Сравнивая средний нормативный ресурс смазок РАПС и РАПС-О можно сделать вывод, что во всех диапазонах исследуемых температур (0⁰С, 25⁰С, 50⁰С) средний нормативный ресурс смазки РАПС-О больше, особенно это выражено при температуре 50⁰С (см. рис. 1в).
В результате определения среднего нормативного ресурса смазок твердых оболочечных смазочных стержней РАПС и РАПС-О в условиях работы смешанной (полужидкостной) смазки на модернизированной установке СМТ-1М определено, что с увеличением температуры средний нормативный ресурс смазок РАПС и РАПС-О увеличивается.
В результате определения среднего лабораторного расхода смазок твердых оболочечных смазочных стержней РАПС и РАПС-О в условиях работы смешанной (полужидкостной) смазки на модернизированной установке СМТ-1М определено, что с увеличением температуры средний расход смазок РАПС и РАПС-О также увеличивается.

б)

Рис. 2 – Сравнительная диаграмма среднего лабораторного расхода смазок смазочных стержней РАПС и РАПС-О при различных диапазонах температур (0⁰С, 25⁰С, 50⁰С).

Как видно из рисунка 2, средний лабораторный расход смазки РАПС с увеличением температуры увеличивается, особенно это выражено при температуре 50 ⁰С. Тенденция увеличения среднего расход смазки РАПС-О с увеличением температуры слабо выражена.
Это объясняется тем, что термопластичная основа стержней РАПС (битумно-полимерная смесь) при нагревании обратимо разжижается, а при охлаждении затвердевает, теряя тем самым смазочные свойства и способность к сопротивлению истирания. а в состав опытной смазки РАПС-О входит термостойкая пластичная смазка, обладающая хорошей смазочной способностью в довольно широком интервале температур (от -40 до +130°С). Она удерживается на наклонной и вертикальной поверхностях; не выдавливается из контакта и обеспечивает малый расход смазки.
Методика определения износа оболочки твердых оболочечных смазочных стержней на модернизированной установке СМТ-1М предусматривает их проведение в условиях, моделирующих взаимодействие оболочки смазочного стержня с гребнем колеса [2].
Для лабораторных исследований разработана принципиально новая схема держатель оболочки с оболочкой без смазки, имитирующий бесприводной гребнерельсосмазыватель и ролик, имитирующий гребень колеса, выполненный из углеродистой стали 65Г ГОСТ 1050-81 диаметром d=30 мм; рабочей шириной контакта 35 мм [3].
Ширина контакта 35 мм – зона контакта смазочного стержня с гребнем колеса.
На верхний вал модернизированной установки 2070 СМТ-1М закрепляется держатель с оболочкой  длиной 1.5 см, а на нижний - ролик.
Комплекс измерительной аппаратуры позволяет регистрировать: изменение момента трения; изменение температуры в контакте; скорость вращения ролика; линейный износ оболочки в процессе испытаний; незначительную нагрузку (10-140 грамм - имитация веса оболочки или веса смазочного стержня) на ролик.
При проведении модельных испытаний смазок исследовалось два образца оболочки:
I-образец – оболочка из полиэтилена высокого давления (ПВД) толщиной оболочки 0,3; 0,6; 0,9 мм;
II-образец – оболочка из полиэтилена низкого давления (ПНД) толщиной оболочки 0,3; 0,6; 0,9 мм;
Оболочка из ПВД представляет собой трубку изготовленную по технологии полимеризации этилена, которая сопровождается чрезвычайно высоким давлением, составляющим примерно 2000 атмосфер. Оболочка ПВД чрезвычайно прочна и стойка к ударам. Она надежна, экологична, неприхотлива и прекрасно переносит любые деформационные воздействия.
Оболочка из ПНД представляет собой трубку изготовленную из очищенного этилена, при помощи смешанного металлоорганического катализатора - триэтилалюминия и четыреххлористого титана. Оболочка ПНД обладет достаточно малым весом, механической эластичностью, пластичностью, экологичностью и воздействиям к нагрузкам.
Оболочки ПНД и ПВД отличаются способностью растягиваться до семи процентов, благодаря чему они не повреждаются при замерзании или нагревании [4].
Цель исследований:
- определить среднюю интенсивность изнашивания оболочек ПВД и ПНД твердых оболочечных смазочных стержней с толщиной оболочки 0,3; 0,6; 0,9 мм при температурах роликов 0, 25 и 50 ⁰С на 1 км пути;
- построить графики зависимостей коэффициента трения от времени оболочек ПНД и ПВД при различном сочетании ее толщины (0,3 мм; 0,6 мм; 0,9 мм) при температурах роликов 0, 25 и 50 ⁰С;
- определить основные недостатки, преимущества и дать рекомендации по их использованию.

б)
<img height="\&quot;197\&quot;" data-cke-saved-src="\" src="\&quot;/system/art_images/n1y2012/Glaz" clip="" image="" 07.jpg\"="" width="\&quot;423\&quot;">
в)

Рис. 3 Сравнительные зависимости коэффициентов трения от времени оболочек ПНД и ПВД при различном сочетании ее толщины (0,3 мм; 0,6 мм; 0,9 мм) при температуре роликов 0⁰С (а); при 25 ⁰С (б); при 50 ⁰С (в).

Если рассматривать изменение коэффициента трения всех толщин оболочек ПВД и ПНД при конкретной температуре (рис. 3), то определено, что с увеличением толщины оболочки как ПНД так и ПВД коэффициент трения уменьшается в пределах от 0,08 до 0,02 (например при 50⁰С (рис. 3в) 1. коэффициент трения оболочки ПНД при толщине оболочки 0,3 мм – 0,025; при 0,6 мм – 0,035; при 0,9 мм – 0,55. 2. коэффициент трения оболочки ПВД при толщине оболочки 0,3 мм – 0,02; при 0,6 мм – 0,03; при 0,9 мм – 0,5).

а)

б)

в)

Рис. 4 Сравнительные диаграммы среднего износа оболочек ПНД и ПВД при толщине оболочек 0,3 мм (а); 0,6 мм (б); 0,9 мм (в) в различных диапазонах температур роликов 0⁰С, 25⁰С, 50⁰С.

Несмотря на то, что оболочки смазочных стержней являются держателем смазки и регулятором скорости износа смазочных стержней, отмечается также хорошая смазочная способность оболочек о чем свидетельствует мало изменяющиеся в процессе испытаний и достаточно низкие коэффициенты трения всех исследуемых оболочек.
Чем ниже коэффициент трения тем смазочная способность исследуемоего материала лучше. Если рассматривать смазочную способность оболочек как определяющее, то, сравнивая исследуемые материалы оболочек (ПНД и ПВД) отмечается, что коэффициенты трения всех толщин оболочки ПВД меньше коэффициентов трения всех толщин оболочки ПНД.
На рисунке 4 представлены сравнительные диаграммы среднего износа оболочек ПНД и ПВД одной толщины в различных диапазонах температур.
Благодаря низкой кристалличности ПВД является более мягким полимером, в отличии от ПНД, поэтому, сравнивая результаты, лабораторных исследований среднего износа каждой толщины оболочек ПНД и ПВД при различных температурных диапазонах (0, 25 и 50⁰С) представленные на рисунке 6 демонстрируют, что износ всех толщин оболочки материала ПВД на порядок больше износа всех толщин оболочки материала ПНД.
Выводы:
1. Предложено теоретическое обоснование механизма смешанной (полужидкостной) смазки при взаимодействии твердых оболочечных смазочных стержней с контактом «колесо-рельс».
2. Разработана методика определения среднего нормативного ресурса смазки твердых оболочечных смазочных стержней при различных диапазонах температур.
3. Разработана методика определения среднего износа оболочки твердых оболочечных смазочных стержней в различном сочетании оболочек при различных диапазонах температур.
4. Разработан принципиально новый способ трибологических исследований твердых оболочечных смазочных стержней «держатель оболочки – ролик».
5. Определен на основании лабораторных исследований новый состав смазочных стержней, обладающий хорошей смазочной способностью увеличенным ресурсом и меньшим расходом смазки при повышенных температурах контакта по сравнению с типовым образцом смазочных стержней РАПС.
На основании полученных данных, необходима дальнейшая апробация опытного состава смазочных стержней в эксплуатации, с целью сравнения среднего лабораторного нормативного ресурса смазок исследуемых смазочных стержней РАПС и РАПС-О с их эксплуатационным расходом.

Литература:
1. Основы трибологии (трение, износ, смазка)/Э.Д. Браун, Н.А. Буше, И.А. Буяновский и др./Под ред. А.В. Чичинадзе: Учебник для технических вузов.-М.: Центр «Наука и техника», 1995. – 778 с. с 249-255; 303-309.
2. Глазунов Д.В., Методика определения потребности твердых смазочных элементов при смазывании контакта «колесо-рельс». /Глазунов Д.В. // Сборник тезисов всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2008» – Ростов н/Д: 2008 – Ч.1 – С. 269-270
3. Майба И.А., Аналогия, имитирующая процесс истирания оболочечных смазочных элементов на модернизированной установке 2070 СМТ-1М. /Майба И.А., Глазунов Д.В. // Сборник тезисов всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2007» – Ростов н/Д: 2007 – Ч.1 – С. 130 – 131
4. Интернет-ссылка: http://ru.wikipedia.org/wiki/Полиэтилен.