CC BY
30
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3
УДК 621.86+06 DOI: 10.17213/0321-2653-2019-3-28-32
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМОФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ СМАЗОЧНОГО АНТИФРИКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
© 2019 г. В.В. Шаповалов1, Г.И. Шульга2, Т.Л. Саямова1, О.И. Мелешко1, В.Б. Мищиненко1
1Ростовский государственный университет путей сообщения, г. Ростов-на-Дону, Россия, 2Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
IMPROVING THE TECHNOLOGY OF THERMAL FORMATION OF THE STRUCTURE OF LUBRICATING ANTIFRICTION MATERIAL
V.V. Shapovalov1, G.I. Shulga2, T.L. Sayamova1, O.I. Meleshko1, V.B. Mischinenko1
1Rostov State Transport University, Rostov-on-Don, Russia, 2Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Шаповалов Владимир Владимирович - д-р техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки России, зав. кафедрой «Транспортные машины и триботехника», Ростовский государственный университет путей сообщения, г. Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: tmt@rgups.ru
Шульга Геннадий Иванович - д-р техн. наук, профессор кафедра «Автомобили и транспортно-технологические комплексы», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: g.shulga41@mail.ru
Саямова Татьяна Липоридовна - ст. преподаватель, кафедра «Начертательная геометрия и графика», Ростовский государственный университет путей сообщения, г. Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: ngg@rgups.ru
Мелешко Олег Иванович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Транспортные машины и триботехника», Ростовский государственный университет путей сообщения, г. Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: tmt@rgups.ru
Мищиненко Василий Борисович - аспирант, кафедра «Транспортные машины и триботехника», Ростовский государственный университет путей сообщения, г. Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: tmt@rgups.ru
Shapovalov Vladimir Vladimirovich - Doctor of Technical Sciences, Professor, Honored Scientist of Russia, Head of Departament «Transport Machines and Tribotechnics», Rostov State Transport University, Rostov-on-Don, Russia. E-mail: tmt@rgups.ru
Shulga Gennady Ivanovich - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department «Cars and Transport-Technological Complexes», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: g.shulga41@mail.ru
Sayamova Tatyana Liporidovna - Senior Lecturer, Department of «Descriptive Geometry and Graphics», Rostov State Transport University, Rostov-on-Don, Russia. E-mail: ngg@rgups.ru
Meleshko Oleg Ivanovich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of «Transport Machines and Tribotechnics», Rostov State Transport University, Rostov-on-Don, Russia. E-mail: tmt@rgups.ru
Mishinenko Vasily Borisovich - Postgraduate Student, Departament «Transport Machines and Tribotechnics», Rostov State Transport University, Rostov-on-Don Russia. E-mail: tmt@rgups.ru
Для ОАО «РЖД» актуальным вопросом является совершенствование систем и технологий нанесения в рабочую зону контакта гребней колёс железнодорожного подвижного состава с боковой поверхностью головки рельса смазочных пластичных и термопластичных материалов, а также разработка современных высокоэффективных смазочных материалов, обеспечивающих увеличение ресурса колесных пар и рельсов.
С целью повышения ресурса разового нанесения смазочного материала на гребень колеса, экономии энергоресурсов, улучшения условий труда и экологии производства представлена технология «холодного» термоформирования структуры смазочного антифрикционного материала.
Представлена схема установки с пневмошнековой подачей смазочного материала при заполнении оболочки смазочного стержня при «холодном» термоформировании.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3
Для развития технологий ротапринтно-контактной лубрикации представляет научный и практический интерес системный подход к анализу трибосопряжения колесо-рельс с целью разработки экологически безопасных гребнесмазывателей стержневого типа, содержащих фрактальные структуры, обеспечивающие точную дозировку нужного количества и качества твердых смазочных материалов в контакте гребня колеса с рельсом.
Ключевые слова: лубрикация; плакирование; трение; колесо; рельс; триботермодинамика; смазочный материал; технология изготовления; стержень.
For JSC "Russian Railways", the topical issue is the improvement of systems and technologies for applying lubricating plastic and thermoplastic materials to the working zone of contact of the wheel flanges of the rolling stock with the side surface of the rail head, as well as developing modern high-performance lubricants.
In order to increase the resource of one-time lubricant application to the wheel flange, save energy, improve working conditions and production ecology, the technology of "cold" thermoforming the structure of antifriction lubricant material is presented.
A diagram of the installation with a pneumatic screw feed of a lubricant when filling the sheath of a lubricating rod during "cold" thermoforming is presented.
For the development of rotary-contact lubrication technologies, a systematic approach to the analysis of wheel-rail tribo-conjugation is of scientific and practical interest with the aim of developing environmentally safe rod-type kombes lubricators containing fractal structures that provide accurate dosage of the right amount of solid lubricants at the wheel-rail contact.
Keywords: lubrication; cladding; friction; wheel; rail; tribothermodynamics; lubricant; manufacturing technology; core.
Увеличение ресурса колесных пар подвижного состава и рельсов является стратегически важной задачей железнодорожной отрасли.
С целью решения задач повышения качества, эффективности эксплуатации и надежности подвижного состава и железнодорожного пути, а также выполнения «Плана развития ОАО «РЖД» до 2030 года» необходимо определить факторы и степень их влияния на условия взаимодействия колеса с рельсом, соответственно на ресурс колесных пар и рельсов, на безопасность движения.
Определение рациональных режимов взаимодействия подвижного состава и пути, разработка систем, средств и материалов, снижающих износ элементов пути и ходовых частей подвижного состава, совершенствование методов увеличения ресурса колесных пар подвижного состава представляют собой важную практическую ценность. Реализация этих задач позволяет обеспечить ряд положительных эффектов: предотвращение вкатывания гребня колеса на головку рельса; увеличение ресурса колесных пар подвижного состава; снижение сопротивления движению поезда в кривых и прямых участках пути и, следовательно, экономия топливно-энергетических ресурсов; повышение уровня безопасности движения на железнодорожном транспорте; улучшение экологических показателей железнодорожного транспорта (снижение шума, вибрации, загрязнения окружающей среды) и др.
В настоящее время наиболее эффективной технологией защиты от сверхнормативного износа рабочих поверхностей фрикционной систе-
мы - контактирующие поверхности гребня колеса железнодорожного подвижного состава и головки рельса является технология гребне-рельсосмазывания (ГРС) [1 - 6].
Базовым подвижным составом в данной технологии является тяговый подвижной состав (ПС). Роль рабочих органов для осуществления рельсосмазывания играют гребни колес вышеназванного ПС.
По технологии гребнерельсосмазывания в качестве смазочного материала применяется твердое термопластичное разовое антифрикционное покрытие - смазка (РАПС) [7 - 11].
Смазочный материал (СМ) наносится на рабочую поверхность гребня колеса, а затем переносится на боковую поверхность головки рельса контактным способом путем фрикционного натирания (рис. 1).
Рис. 1. Схема гребнерельсосмазывания по технологии ГРС-РАПС: 1 - смазочный стержень; 2 - колесная пара; 3 - смазочный слой / Fig. 1. Gross-rail lubrication scheme using GRS-RAPS technology: 1 - grease rod; 2 - pair of wheels; 3 - lubricating layer
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
Основой смазочных материалов РАПС являются аморфные низкомолекулярные составляющие крекинга нефти (термостойкие органические битумные смолы). Смазочный материал РАПС в первый период его использования получали путем смешивания битума в расплавленном состоянии и мелкодисперсного чешуйчатого графита. В данной смеси битум играет роль адгезионной основы, а графит является антифрикционной присадкой. Данной смесью наполняются трубчатые полимерные оболочки, которые являются контейнерами для СМ, а также обеспечивают контроль наличия СМ на поверхностях трения гребней колес и регулируют расход СМ, подаваемого в зону трения гребня колеса и боковой поверхности головки рельса.
В технологии ГРС-РАПС реализуется система автоматического регулирования подачи СМ в зону трения, так как оболочка стержней РАПС одновременно является датчиком наличия СМ на рабочей поверхности гребня колеса и регулирующим органом. Интенсивность подачи СМ зависит от интенсивности изнашивания полимерной оболочки, которая в свою очередь зависит от варьируемого усилия прижатия стержня к гребню колеса Р и от физико-механических свойств оболочки (рис. 2).
1 2 3
\
\ \
\ \
Рис. 2. Схема дозирования смазочного материала: 1 - смазочный материал; 2 - полимерная оболочка стержня;
3 - поверхность гребня колеса / Fig. 2. Lubricant dosing scheme: 1 - lubricant; 2 - polymer shell of the rod;
3 - ridge surface
Горячее наполнение полимерных оболочек стержней РАПС смесью расплавленного битума и графита имеет ряд минусов: большие затраты энергии, так как смесь необходимо разогревать до +120...140 °С и поддерживать эту температуру на протяжении всего цикла; выделение вредных летучих веществ и плохая экология; работа с горячим битумом создает дополнительные проблемы с обеспечением требований охраны труда. Кроме этих минусов при горячей технологии производства стержней РАПС их оболочка
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3
должна устойчиво выдерживать воздействие рабочей температуры до +140 °С и давления горячей смеси битума с графитом до 5 атм, не меняя своих физико-механических свойств.
С целью совершенствования технологии ГРС-РАПС, в частности повышения ресурса разового нанесения СМ, улучшения условий труда и экологии производства, экономии энергоресурсов, в РГУПС создана «холодная» технология термоформирования структуры смазочного антифрикционного материала РАПС-НАНОТЕХ (рис. 3).
5
I
1 2 3 4 7
\
6
12 11 10 9 8
Рис. 3. Структурная схема промышленного производства смазочных стержней РАПС-НАНОТЕХ: 1 - склад брикетов битума; 2 - криокамера; 3 - пост дробления битума;
4 - склад графита; 5 - пост водоснабжения; 6 - пост приготовления смеси из дробленного битума, графита и воды;
7 - криокамера; 8 - пост дробления смеси; 9 - пост фасования смеси в полимерные оболочки; 10 - пост обработки полученных стержней излучением СВЧ; 11 - упаковка стержней; 12 - склад готовой продукции / Fig. 3. Structural diagram of the industrial production of lubricating rods RAPS-NANOTECH: 1 - bitumen warehouse of bitumen; 2 - cryocam-era; 3 - bitumen crushing station; 4 - graphite warehouse;
5 - water supply station; 6 - a station for preparing a mixture of crushed bitumen, graphite and water; 7 - cryocamera; 8 - mixture crushing station; 9 - packing post of polymer shell mixture; 10 - post treatment of the obtained rods with microwave radiation; 11 - packing rods; 12 - finished product warehouse
Согласно данной технологии брикеты битума подвергаются охлаждению до -20 °С, затем дробятся до мелкодисперсного состояния (размер частиц 0,5.. .1 мм) и эти частицы смешиваются с чешуйчатым графитом, предварительно подвергнутым тепло-влажностной обработке для насыщения его влагой. После повышения температуры смеси до плюсовых значений температуры (+5.10 °С) выполняется повторное охлаждение смеси уже с частицами H2O до -20 °С. При охлаждении частицы воды переходят в твердое состояние при этом возникает расклинивающий эффект микрообъемов H2O, заполнивших в парообразном состоянии под давлением микрозазоры между чешуйками графита. На данном этапе происходит предварительное расслоение многослойной структуры чешуйчатого
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3
графита. Затвердевшая смесь проходит стадию дробления. На следующем этапе эта смесь поступает на пост фасования ее в полимерные оболочки. Заключительным этапом формирования наноструктуры смазочных стержней РАПС-НАНОТЕХ является процесс обработки стержней излучением СВЧ. Под действием излучения СВЧ частицы ШО начинают с большой скоростью двигаться в микропустотах между частицами битума. Обладая значительной кинематической энергией, частицы воды проникают в предварительно созданные зазоры между слоями графита. Создается внутреннее давление между слоями, которое резко растет при переходе воды в парообразное состояние. Данные процессы активизируют расслоение частиц чешуйчатого графита, в результате чего изначальный мелкодисперсный многослойный графит с начальными размерами толщины чешуек 0,001...0,005 мм переходит в разряд наноразмеров, имея толщину частиц 50.100 нм (рис. 4).
заполняет полимерную оболочку стержня 1. От компрессора 7 сжатый воздух поступает в резиновую камеру 4, которая расширяясь, давит на смесь, обеспечивая ее подачу в зону работы шнека.
Для проверки эффективности разработанной технологии ГРС-РАПС были проведены эксплуатационные испытания на СевероКавказской железной дороге на базе локомотивного депо (г. Туапсе). Системами ГРС были оборудованы колесные пары 20 локомотивов. В результате испытаний было установлено, что интенсивность изнашивания гребней колес снизилась с 1,6 мм/104 км до 0,2. 0,3 мм/104 км пробега, а у локомотивов остального парка ТЧ до 0,4. 0,5 мм/104 км пробега.
Рис. 4. Структурная схема смеси после излучения СВЧ: 1 - мелкодисперсные частицы битума; 2 - вода в парообразном
состоянии; 3 - чешуйки графита / Fig. 4. Block diagram of the mixture after microwave radiation: 1 - fine particles of bitumen;
2 - water in the vapor state; 3 - graphite flakes
Позитивную роль в процессе расслоения графита играет активизация свободных электронов в кристаллической решетке графита. Переход частиц антифрикционной присадки мелкодисперсного чешуйчатого графита в наночасти-цы резко повышает ресурсные характеристики материала РАПС-НАНОТЕХ.
Для заполнения оболочки полимерных стержней смазочной смесью разработана установка с пневмошнековой подачей смеси, которая схематично показана на рис. 5.
После вторичного дробления (поз. 8 рис. 3) смесь загружается в бункер 5 установки (рис. 5), сверху укладывается резиновая камера 4 и герметично закрывается крышкой 6. При вращении шнека 3 смесь перемещается вдоль желоба 2 и
Рис. 5. Схема пневмошнековой подачи смеси в полимерные оболочки: 1 - полимерная трубка; 2 - желоб; 3 - шнек; 4 - резиновая камера; 5 - бункер со смесью; 6 - крышка; 7 - компрессор; 8 - привод шнека / Fig. 5. Scheme of the pneumoscoole feed of the mixture into the polymeric shells: 1 - polymer tube; 2 - gutter; 3 - auger; 4 - rubber chamber;
5 - hopper with a mixture; 6 - cover; 7 - compressor;
8 - auger drive
Снижение интенсивности изнашивания гребней колес у локомотивов, необорудованных системами ГРС, объясняется высокой эффективностью гребнесмазывания, так как в результате попадания смазочного материала на боковую поверхность головки рельса от гребней колесных пар, оборудованных системами ГРС, дальнейшее движение других локомотивов осуществляется по уже смазанному пути.
Технология ГРС-РАПС позволяет реализовать процесс рельсосмазывания на действующих скоростных и высокоскоростных участках железной дороги без введения ограничений по скорости движения подвижного состава и исключить необходимость предоставления технологических «окон» для производства работ по смазыванию боковой поверхности головки рельса.
Литература
1. Устранение триботермоповреждений колес подвижного состава / В.В. Шаповалов, А.Л. Озябкин, Э.Э., Фейзов, О.И. Мелешко, А.С Лавриненко // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2015. № 4 (185). С. 65 - 72.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 3
2. Interaction Conditions of Improvement in the System «wheel - rail» / V.V. Shapovalov, N.I. Boiko, A.Ch. Erkenov, A.L. Bykadorov // Intern. J. of Applied Engineering Research ISSN 0973-4562 Vol. 11, по. 23 (2016), pp. 11442 - 11447.
3. The Dynamic Monitoring of Friction Systems / V.V. Shapovalov, P.N. Scherbak, N.I. Boiko, A.L. Ozyabkin, A.Ch. Erkenov // Intern. J. of Applied Engineering Research ISSN 0973-4562 Vol. 11, по. 23 (2016), pp. 11421 - 11427.
4. Озябкин А.Л., Колесников И.В., Харламов П.В. Мониторинг триботермодинамики фрикционного контакта мобильной трибосистемы // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2012. № 3. С. 25 - 36.
5. Пат. 2479455 РФ, МПК В61К3/02. Способ рельсосмазывания.
6. Фейзов Э.Э. [и др.] Разработка инновационной технологии лубрикации в системе «колесо - рельс» на базе нано-материалов // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2011. № 10. С. 39 - 41.
7. Майба И.А., Глазунов Д.В., Ананко А.М. Фрикционные материалы специального назначения для зоны контакта «Колесо-рельс». ФГБОУ ВО РГУПС. - Ростов н/Д, 2017. 124 с.
8. Браун Э.Д., Евдокимов Ю.А., Чичинадзе А.В. Моделирование трения и изнашивания в машинах. М.: Машиностроение, 1982.
9. Структура и свойства фрактальных кластеров / Г.И. Шульга, Е.В. Скринников, Т.Г. Шульга, М.А. Васильев // Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике: сб. науч. статей по материалам 13-й Междунар. науч.-практ. конф. г. Новочеркасск 19 ноября 2014 г. / Юж.-Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ) им. М.И. Платова. - Новочеркасск: ЮРГПУ (нПи), 2015. С.40 - 43.
10. Исследование состава технологического твердого порошкового смазочного материала ПСМ-2 / Г.И. Шульга, А.В. Астахов, Е.В. Скринников, М.А. Васильев, Б.Н. Васильев // Новые материалы и технологии их получения: материалы VIII Междунар. науч.-практ. конф. г. Новочеркасск, 15 октября 2014 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ) им. М.И. Платова. - Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2014. С. 13 - 18.
11. Фейзов Э.Э. [и др.] Устранение триботермоповреждений колес подвижного состава // Изв. вузов. Сев.-Кав. регион. Техн. науки. 2015. № 4(185). С. 65 - 72.
References
1. Shapovalov V.V. et al. Ustranenie tribotermopovrezhdenii koles podvizhnogo sostava [Prevention of rolling stock wheel thermo damaging]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2015, no. 4, pp. 65 - 72. (In Russ.)
2. Shapovalov V.V. Interaction Conditions of Improvement in the System «wheel - rail» / V.V. Shapovalov, N.I. Boiko, A.Ch. Erkenov, A.L. Bykadorov / International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973-4562 Volume 11, Number 23 (2016), pp. 11442 - 11447.
3. Shapovalov V.V. The Dynamic Monitoring of Friction Systems / Vladimir V. Shapovalov, Petr N. Scherbak, Nickolay I. Boiko, Andrey L. Ozyabkin, Akhmat Ch. Erkenov / International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973-4562 Volume 11, Number 23 (2016), pp. 11421-11427.
4. Ozyabkin A.L. et al. Monitoring tribotermodinamiki friktsionnogo kontakta mobil'noi tribosistemy [Monitoring tribotermodinamiks frictional contact mobile tribosystem]. Trenie i smazka v mashinakh i mekhanizmakh, 2012, no. 3, pp. 25 - 36. (In Russ.)
5. Sposob rel'sosmazyvaniya [Method of rail lubrication]. Patent RF, no. 2479455.
6. Feizov E.E. et al. Razrabotka innovatsionnoi tekhnologii lubrikatsii v sisteme «koleso - rel's» na baze nanomaterialov [Development of innovative technology for lubrication in the wheel - rail system based on nanomaterials]. Trenie i smazka v mashinakh i mekhanizmakh, 2011, no. 10, pp. 39 - 41. (In Russ.)
7. Maiba I.A. et al. Friktsionnye materialy spetsial'nogo naznacheniya dlya zony kontakta "Koleso-rel's" [Friction materials for special purposes the contact zone «wheel-rail»]. Rostov-na-Dony, 2017, 124 p.
8. Braun E.D. et al. Modelirovanie treniya i iznashivaniya v mashinakh [Modeling of friction and wear in machines]. Mosocw: Mashinostroenie, 1982.
9. Shul'ga G.I. et al. [Structure and properties of fractal clusters]. Problemy sinergetiki v tribologii, triboelektrokhimii, materi-alovedenii i mekhatronike: sbornik nauchnykh statei po materialam 13-oi Mezhdunar. nauchn.-prakt. konf. [Problems of synergy in tribology, triboelektrochimii, materials and mechatronics: collection of scientific articles of the 13 th Intern. scientific-pract. conf.]. Novocherkassk, 2015, pp. 40 - 43. (In Russ.)
10. Shul'ga G.I. et al. [Investigation of the technological composition of the solid powder lubricant PSM-2]. Novye materialy i tekhnologii ikh polucheniya: materialy VIIIMezhdunar. nauchn.-prakt. konf. [New materials and technologies of their production: materials of the VIII Intern. scientific-pract. conf.]. Novocherkassk, 2014, pp. 13 - 18. (In Russ.)
11. Feizov E.E. [i dr.] Ustranenie tribotermopovrezhdenii koles podvizhnogo sostava [Elimination of rolling-stock tribo-damages]. Izv. vuzov. Sev.-Kav. region. Tekhn. nauki, 2015, no. 4, pp. 65 - 72. (In Russ.)
Поступила в редакцию /Received 29 май 2019 г. /May 29, 2019
