Повышение эффективности активизаторов сцепления путем улучшения их адгезионных характеристик
На правах рукописи
Кикичев Шамиль Владимирович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АКТИВИЗАТОРОВ СЦЕПЛЕНИЯ ПУТЕМ УЛУЧШЕНИЯ ИХ АДГЕЗИОННЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК
Специальность: 05.02.04 – Трение и износ в машинах
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Ростов-на-Дону – 2009
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (РГУПС)
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Шаповалов Владимир Владимирович.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Шульга Геннадий Иванович;
кандидат технических наук, доцент
Кротов Владимир Николаевич.
Ведущая организация: Донской государственный технический университет (ДГТУ) г. Ростов-на-Дону.
Защита состоится « 25 » декабря 2009 года в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.010.02 при Ростовском государственном университете путей сообщения (РГУПС) по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного ополчения, 2, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУПС.
Автореферат разослан « 24 » ноября 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного
совета Д 218.010.02
д.т.н., профессор И.М. Елманов
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Развитие железнодорожного транспорта предъявляет повышенные требования, в том числе по увеличению весовых норм и скоростей движения поездов, одним их условий реализации которого является стабилизация коэффициента сцепления колес локомотива с рельсами на уровне 0,3.
Коэффициент сцепления (КС) в эксплуатации в зависимости от состояния фрикционной системы «колесо – рельс» изменяется от 0,1 до 0,5. Основным методом повышения КС, применяемым на железнодорожном транспорте, является использование кварцевого песка. Однако при его доступности и низкой стоимости имеется ряд негативных последствий от применения технологии пескоподачи: засорение балласта и, как следствие, ухудшение его дренажных свойств, потеря до 5 % тяговой мощности локомотива в первый момент подачи песка, его разрушение и повышенный износ от абразивного воздействия на колеса и рельсы.
Учитывая, что снижение коэффициента сцепления приводит к недоиспользованию установленной мощности подвижного состава, к срывам сцепления, боксованию и повышенному износу колес и рельсов, вопрос его стабилизации является актуальным.
Актуальность так же подтверждена программой развития железнодорожного транспорта, в которой указывается необходимость улучшения тяговых свойств локомотивов на 20–30 % без увеличения нагрузки на оси колесных пар, а также повышение величины коэффициента сцепления колес локомотивов с рельсами до 0,3 (Распоряжение президента ОАО «РЖД» В.И. Якунина № 964 от 31.08.2007 г. «Стратегические направления научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г.»).
Цель работы. Создание активизатора сцепления, обеспечивающего в любых погодных условиях, стабильный коэффициент сцепления колес локомотива с рельсами не менее 0,3.
Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- С использованием существующей физико-математической модели фрикционной подсистемы «колесо – промежуточная фрикционная связь – рельс» разработать методику определения величины проскальзывания в трибосистеме «колесо – рельс» на стандартной машине трения.
- Установить степень влияния вязкости жидкостей на способность удерживать абразивные частицы на поверхности железнодорожного колеса и предложить критерий подобия адгезионных связей третьего тела в контакте «колесо – рельс».
- Оценить влияние воды на увеличение дефектов, вызванных коррозией, при использовании мелкодисперсного абразива.
- Усовершенствовать конструкцию брикета активизатора сцепления, технологию его подачи и определить оптимальную рецептуру состава наполнителя.
- Провести сравнительные лабораторные исследования триботехнических характеристик разработанного активизатора сцепления и кварцевого песка.
Научная новизна. В результате проведенных исследований в работе:
- Экспериментально установлено, что использование жидкостей с низкой вязкостью для смачивания абразива обеспечивает высокую скорость образования адгезионных связей с поверхностью катания колеса.
- Показано, что применение влажного абразива обеспечивает коэффициент сцепления на уровне не менее 0,3 при оптимальном содержании жидкости – 78–82 %, независимо от ее вязкости.
- На основе существующей физико-математической модели фрикционной подсистемы «колесо – промежуточная фрикционная связь – рельс», разработана методика определения величины проскальзывания в трибосистеме «колесо – рельс» с использованием роликовой аналогии на стандартной машине трения, существенно упрощающая процедуру эксперимента. Разработан критерий подобия адгезионных связей третьего тела в контакте «колесо – рельс» с целью оптимизации триботехнических характеристик.
- Экспериментально установлено, что наличие воды на поверхности трения увеличивает количество дефектов вызванных коррозионными процессами. Подача мелкодисперсного абразива в зону трения позволяет произвести шлифование мелких трещин и предотвратить их увеличение.
Практическая ценность работы.
- Разработана технология применения влажного абразива путем заполнения технологических полостей пористого брикета (патент РФ № 2293677) для стабилизации коэффициента сцепления на уровне не менее – 0,3.
- Определен оптимальный состав наполнителя брикета АСВ-0,3, обеспечивающий снижение износа колес локомотива (не менее чем в 2 раза) и уменьшение расхода кварцевого песка (не менее чем в 50 раз).
- Предложена конструкция устройства для модернизации машин трения типа «Амслер», обеспечивающая получение зависимости коэффициент трения- скорость проскальзывания, существенно упрощающая процедуру экспериментов.
Реализация результатов работы. Проведены испытания привода подачи АСВ-0,3 на участках главного пути Белореченская – Майкоп, показавшие работоспособность технологии в различных погодных условиях.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на:
- Третьей международной научно-практической конференции «Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике» (Новочеркасск, 2004); Международной научно-технической конференции «Проблемы трибоэлектрохимии» (Новочеркасск, 2006); V Интернет-конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, 2006); Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2007» (Ростов-на-Дону, 2007); X юбилейном международном конгрессе молодых ученых, студентов и аспирантов «Перспектива-2007» (Приэльбрусье, 2007); Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2008» (Ростов-на-Дону, 2008); заседании кафедры «Транспортные машины и триботехника» РГУПС, (Ростов-на-Дону, 2008–2009); Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2009» (Ростов-на-Дону, 2009); Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса: образование, наука, производство», (Ростов-на-Дону, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе две работы в изданиях ВАК, 2 патента РФ и монография.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников из 153 наименований и приложений. Изложена на 150 страницах машинописного текста, включая 60 рисунков и 11 таблиц.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, изложена цель и дана общая характеристика работы.
В первой главе диссертации проведен анализ основных работ по взаимодействия контакта «колесо – рельс», рассмотрена актуальность работы, поставлены цель и задачи исследования.
Теоретическому решению проблемы взаимодействия колеса и рельса посвящены работы следующих авторов: Г. Герца, Ф. Боудэна, Д. Тэйбора, Н.М. Беляева, Д. К. Минова, А.Ю. Ишлинского, Н.М. Михина, Н.Б. Дёмкина, Э.В. Рыжова, М.М. Саверина, Ф. Картера, Х. Фромма, Лоренца, Н.Н. Меншутина, Д. Колкера, Фепля, Б.С. Ковальского, Де Пате, П. Дависона, А.И. Середы, Н. А. Карпова и других учёных. Многочисленные работы Ю.М. Лужнова, С.В. Алёхина, Е.Я. Красковского, А.В. Барского, И.В. Исаева, В.В. Шаповалова и других ученых показали, что основные факторы, влияющие на величину и стабильность коэффициента сцепления, можно разделить на три группы: изменение сил вертикального взаимодействия колес и рельсов, геометрические характеристики взаимодействующих поверхностей колес и рельсов, состояние фрикционных поверхностей колес и рельсов. Если на первые два фактора можно влиять только на стадии проектирования, то последним можно управлять и на стадии эксплуатации. Повышения коэффициента сцепления на стадии эксплуатации можно добиться двумя способами: воздействием на молекулярную или механическую составляющую коэффициента сцепления. Так к первой группе относятся: механическая очистка рельсов, химическая очистка рельсов, очистка источниками высокой энергии, воздействия сильным электромагнитным полем. Данные способы позволяют повысить коэффициент сцепления от 10 до 50 %, однако из-за сложности и дороговизны они не нашли широкого применения. Во второй группе применяются абразивные частицы различного происхождения от песка до алмазной пыли. Так, применение кварцевого песка за счет его низкой цены и высокой распространенности на данный момент является основным способом повышения коэффициента сцепления. В данном направлении достаточно успешно развиваются компании Portec Railway Maintenance Products и Kelsan Lubricants. Они разработали ряд модификаторов трения Centrac, которые выполнены в виде брикетов и наносятся ротапринтным способом. Их недостатком является сильный перенос модификатора на вагоны, что создает значительное сопротивление движению локомотива. Отечественные аналоги модификаторов трения разрабатываются на базе РГУПС. Работу в этой области ведут В.В. Шаповалов, П.Н. Щербак, И.А. Майба, В.А. Могилевский, А.М. Лубягов, Р.В. Кульбикаян, Е.С. Окулова. Их усилиями созданы жидкий и твердый модификаторы трения. Действие твердого модификатора трения основано на механической очистке, а жидкого – на химической обработке поверхности трения. Однако при всех своих преимуществах данные модификаторы имеют существенные недостатки: так, жидкий активизатор сцепления неустойчиво работает в зимнее время, а твердый не обеспечивает достаточно стабильного уровня коэффициента сцепления 0,3.
Вторая глава посвящена физическому моделированию системы «подвижной состав – верхнее строение пути». Построение физической модели осуществлялось с учетом накопленного опыта моделирования процессов трения и изнашивания, разработок Веникова В.А., Едокимова Ю.А., Брауна Э.Д., Чичинадзе А.В. и других.
В основе методики физического моделирования лежит метод «анализа размерностей с ограничениями». На основе уточнений, предложенных Шаповаловым В.В. и Щербаком П.Н., узел трения «колесо – рельс» предлагается моделировать как подсистему системы «подвижной состав – верхнее строение пути», но с учётом существующей между ними взаимосвязи. В качестве условия для моделирования данной взаимосвязи принимается равенство частот собственных колебаний подсистем натуры и модели системы «подвижной состав – верхнее строение пути».
Рисунок 1 – Модернизация испытательной установки СМЦ-2: а – глухая жесткая муфта; б – сменная упругая пластина (для варьирования жесткости связи)
Для моделирования жесткости привода локомотива и измерения его тяговой характеристики была модернизирована стандартная машина трения СМЦ-2 (рис. 1). Для этого жесткая муфта промежуточного вала (рис.1, а) была заменена на упругую (рис. 1, б). За счет разности в диаметрах ролики за один оборот проходят разный путь. Это приводит к деформации сменной пластины упругой муфты. Пластина будет деформироваться до тех пор, пока крутящий момент сопротивления пластины Mпл не превысит момент трения в зоне контакта Mтр .
В момент превышения Mпл 
Mтр происходит возврат пластины (пружины) в исходное положение. Далее процесс повторяется.
Угол закручивания пружины в процессе испытаний равен углу проскальзывания верхнего образца:
, (1)
где Mтр – момент трения в момент времени t выбранный произвольно (рис. 2,а), Нм;
– угловая жесткость пластины, 
;
Тогда угловую скорость проскальзывания можно найти по формуле:
.
(2)
Скорость скольжения равна
, (3)
где расч – угловая скорость нижнего образца об/мин.
Для проведения эксперимента согласно теории физического моделирования были изготовлены образцы из колесной и рельсовой стали диаметрами 39,5 и 39,9 мм. Твердость верхнего ролика, моделирующего колесо 290 НВ, нижнего – рельс 320 НВ.
Испытания проводились при максимальном контактном давлении по Герцу – 0,8 ГПа и частоте вращения нижнего ролика 300 мин-1.
Угловая жесткость сменной пластины, определенная экспериментально, во всех испытаниях составляла 115 
± 3%.
Запись момента трения в функции угловой скорости нижнего образца осуществлялась с помощью ЭВМ с использованием программного комплекса «Zet Lab многоканальный самописец» (рис. 2, а). Результаты обработки полученных данных с помощью графоаналитического метода в виде зависимости момента трения от относительной скорости скольжения приведены на рис. 2, б.
Особый интерес представляет определение величины скольжения при переходе в режим срыва сцепления – величина критической скорости скольжения.
Анализ полученных зависимостей показал, что величина критического скольжения для сухого контакта в момент срыва сцепления во всех испытаниях составила 0,8±0,2 %, что вполне согласуется с работами других ученых.
а) б)
Рисунок 2 – Зависимость момента трения от проскальзывания:
а) показания самописца б) зависимость момента трения от проскальзывания
Третья глава посвящена теоретическому обоснованию механизма удержания частиц абразива силами адгезионного взаимодействия.
Известно, что влажный абразив лучше удерживается на поверхности различных материалов. Повышение адгезионной силы между частицами смоченных абразива и поверхностью железнодорожного колеса очевидно связано со значительным увеличением площади соприкосновения (рис. 3). Для определения свойств жидкостей, обеспечивающих лучшую удерживающую способность, были исследованы жидкости с различными вязкостями. Жидкости с высокой вязкостью растекаются по поверхности колеса медленно и не успевают смачивать его поверхность, напротив, жидкости с низкой вязкостью быстро увеличивают площадь соприкосновения.
Рисунок 3 – Сухая частица абразива (а) и смоченная жидкостью (б)
Для определения влияния вязкости связующей жидкости и ее концентрации на коэффициент сцепления были проведены лабораторные исследования на стандартной машине трения 2070 СМТ-1. На установке моделировалась пара трения «колесо – рельс» (контактное давление – 0,8 ГПа, угловая скорость роликов 300 мин-1 с 5 % проскальзыванием) при диаметре образцов 40 мм. Ролики были обработаны масляным загрязнителем, что моделирует наиболее тяжелые условия эксплуатации.
Смоченный жидкостью абразив помещался в полости пористого брикета, обеспечивающего механическую очистку и равномерное распределение наполнителя на поверхности ролика, моделирующего колесо. Для образования смеси использовались частицы абразива и жидкости, имеющие различную вязкость (табл. 1).
Таблица 1 Вязкость жидкостей при температуре 25°C, сантипуаз
| Растворитель 646 | 0,310 |
| Спирт 96 % | 0,547 |
| Вода | 0,894 |
| Полимер FO 5627 C | 0,362·103 |
| Глицерин | 0,95·103 |
Эксперименты проводились по 3 раза при содержании абразива в жидкости 0; 12,5; 25; 37,5; 50; 62,5; 75; 78; 82 и 88 %. Песок применялся нетарированный, соответствующий реальному составу, применяемому в пескоструйных системах на сети железных дорог. Температура окружающей среды в лаборатории составляла 25±3 °C. Усредненные результаты измерений (рис. 4) показали, что при 50...60 % содержании абразива в жидкости повышение коэффициента сцепления незначительно.
Рисунок 4 – Зависимость коэффициента сцепления от содержания песка
в жидкости
Затем наблюдалось более резкое увеличение коэффициента сцепления с максимумом при 78…82 % содержании абразива. При дальнейшем увеличении концентрации абразива происходит резкий спад коэффициента сцепления до значений, эквивалентных значениям пористого брикета без наполнителя. Последнее объясняется тем, что по условиям эксперимента абразив не мог попасть в зону контакта и КС обеспечивался только благодаря механической очистке. Полученные значение КС при отсутствии абразива обеспечивались за счет переноса разрушившихся частиц самого брикета.
Проведенные эксперименты подтвердили выдвинутую гипотезу о том, что вязкость жидкости непосредственно влияет на скорость образования адгезионных связей. Значение коэффициента сцепления для различных жидкостей, образующих дисперсную систему с песком, прямо сопоставимо с их вязкостью. Эксперимент показал, что наибольший коэффициент сцепления наблюдается у растворителя 646 и спирта 96 %, имеющих минимальные значения вязкости. Этим жидкостям необходимо минимальное время на образование адгезионной связи. Наихудший результат у полимера FO 5627С и глицерина, при этом на концентрациях до 75 % большее значение коэффициента сцепления наблюдалось у глицерина, имеющего большую вязкость, после 75% полимер с песком значительно увеличили коэффициент сцепления.
Для оценки влияния размера абразива на коэффициент сцепления в качестве смачивающей жидкости была выбрана самая распространенная – вода. Эксперимент проводился при тех же параметрах скорости и нагрузки.
Песок был отсортирован по 6 фракциям различных размеров. Смесь воды и абразива подавалась ротапринтно, но не в брикете, а в чистом виде, чтобы исключить влияние размеров частиц пористого брикета.
Абразив подавался в процентном соотношении 60 % к воде. Результаты эксперимента показали (рис. 5), что разные величины фракций песка в диапазоне 0,07–0,6 мм несущественно влияют на коэффициент сцепления.
Рисунок 5 – Влияние материала и размера частиц на коэффициент сцепления
Фракция размером более 0,6 мм не оказала воздействия на увеличение коэффициента сцепления, так как ее значение сопоставимо со значением движения по масляному загрязнению, что можно объяснить большой массой частиц и недостаточностью сил молекулярного взаимодействия сопротивляться силе центростремительного ускорения.
Известно, что для повышения коэффициента сцепления помимо песка применяется также и оксид алюминия, имеющий большую твердость. Результаты нашего эксперимента подтвердили это, показав, что Al2O3 дает значительный коэффициент сцепления, его фракция <0,125. Для сравнения приведено значение коэффициента сцепления фракций брикета, смешанных с водой в той же концентрации.
Учитывая перспективы развития скоростного движения, было решено проверить при какой максимальной скорости локомотива будут удерживаться частицы абразива, а также определить адгезионную составляющую различных жидкостей.
Из условия равновесия частицы была выведена аналитическая формула:
, (4)
где C – коэффициент, характеризующий удерживающие свойства жидкости;
, (5)
где n – частота оборотов колеса, мин-1;
R – радиус колеса, м;
r – средний радиус частиц абразива, м;
–плотность абразива, кг/ м3;
– коэффициент поверхностного натяжения, Дж/ м;
– угол смачивания, град.
В связи с отсутствием данных по коэффициенту поверхностного натяжения для наших материалов величина коэффициента С была определена экспериментально.
Исследования проводились на установке, состоящей из двигателя, приводившего во вращение стальной диск диаметром 170 мм, изготовленный из колесной стали, до скорости в 7000 об/мин. Скорость варьировалась и замерялась энкодером, данные с которого поступали в компьютер.
Таблица 2. Скорость отрыва частиц абразива при различных жидкостях и фракциях
| Скорость отрыва частиц, об/мин | ||||||
| Жидкости/размер фракции, мм | Вода | Глицерин | Спирт | Растворитель | Полимер FO 5627 C | |
| Более 0,6 | 700-800 | 700-800 | 700-800 | 600-650 | 800-900 | |
| 0,37-0,6 | 1300-1450 | 1200-1350 | 2100-2300 | 1400-1500 | 1100-1300 | |
| 0,26-0,37 | 1700-1900 | 1700-1900 | 3800-4200 | 2000-2200 | 1500-1700 | |
| 0,17-0,26 | 2700-3000 | 2400-2700 | 5000-5500 | 4000-4400 | 2100-2400 | |
| 0,125-0,17 | 3800-4200 | 3300-3600 | 6500-7000 | 4500-5000 | 2800-3100 | |
| Менее 0,125 | >7000 | 6000-6500 | >7000 | >7000 | 5500-6000 | |
В ходе эксперимента смесь абразива различных фракций в оптимальном соотношении 78–82 % наносилась на поверхность диска, после чего он раскручивался до некоторой скорости. После остановки диска с помощью микроскопа определялось наличие абразива на поверхности. Скорость, на которой данная фракция не удерживалась, записывалась в таблицу 2.
Эксперимент показал, что наилучшую удерживающую способность имеют фракции минимального размера, что легко объясняется с позиции классической физики (рис. 6). Для большинства жидкостей на фракции менее 0,125 отрыва не произошло.
Рисунок 6 – Зависимость скорости отрыва частиц от их диаметра
Наилучшие результаты по удерживанию частиц среди жидкостей показал спирт, что противоречит результатам предыдущих экспериментов, где наибольший коэффициент трения давал растворитель. Однако это объясняется тем, что помимо адгезионного воздействия на поверхность металла удерживающая способность зависит и от сил когезии самой жидкости, т.е. разрыв происходит не на границе раздела фаз, а внутри самой жидкости.
Учитывая, что для обеспечения требуемого коэффициента сцепления в качестве связующего может быть использована вода, проведено исследование влияния воды на состояние поверхности трения.
Для проведения ускоренных испытаний исследовалось чистое скольжение на установке возвратно-поступательного трения (УВПТ). Исследовалась пара трения, состоящая из образцов стали 45, выполненных в форме пластины 30 х 50 х 5, с твердостью HB = 230. Образцы испытывались при давлении 6 МПа в течение 45 и 90 минут при относительной скорости скольжения 1 м/с и ходе 15 мм. В качестве контртела использовался стальной Т-образный образец с рабочей поверхностью в форме прямоугольника шириной 10 мм и длиной 14 мм. Температура замерялась в 2х мм от зоны трения с помощью точечной термопары и достигала значений порядка 100°С. Результаты исследований показали, что сетка мелких трещин образуется рядом с дорожкой трения на расстоянии 1–3 мм от нее, а сетка длинных трещин – на расстоянии 3–15 мм от дорожки трения, где температура ниже, чем в зоне трения, а следовательно, меньше скорость испарения воды с поверхности, т.е. больше время взаимодействия воды с поверхностью стального образца.
Сама же дорожка трения представляет собой выглаженную поверхность с дефектами в виде ямок, углублений и кратеров, являющимися концентраторами напряжений (рис. 7, а). Трещины небольших размеров образуются также и на поверхности трения, но они систематически удаляются в процессе трения микровыступами сопряженной поверхности, т.е. счищаются, и не достигают больших размеров. В результате рост длинных трещин, способных привести к разрушению поверхности металла, начинается в некоторой области, окружающей дорожку трения.
а) б)
Рисунок 7 – Поверхность трения, подверженная коррозии:
а – без воздействия абразива, 
100; б – с воздействием
мелкодисперсного абразива, 
100
Дополнительная подача в зону контакта, кроме дистиллированной воды, мелкодисперсного абразива вызвала своеобразное шлифование поверхности и привела к уменьшению размеров ямок и углублений на поверхности трения (рис. 7, б). Это подтверждает возможность применения мелкодисперсного абразива в составе активизатора сцепления для дефектов, вызванных коррозионными процессами, в контакте «колесо – рельс».
В четвертой главе определен оптимальный состав активизатора сцепления и усовершенствована конструкция привода подачи брикета. Определение оптимального состава компонентов жидкого наполнителя проводилось на основании данных, полученных в 3-й главе с использованием методики математического планирования эксперимента.
В качестве функции отклика 
, значения которой зависят от состава наполнителя, принят коэффициент сцепления. В качестве экспериментального плана был использован композиционный ортогональный план второго порядка для двух факторов.
В ходе эксперимента были определены кодовые значения коэффициентов регрессии:
, (6)
где 
исследуемые факторы, представляющие процентное содержание кварцевого песка (С), оксида алюминия (Al) в спирте (в кодовом виде).
Уравнение регрессии в натуральных переменных:
(7)
Оптимальное процентное содержание компонентов для исследуемых образцов: содержание песка – 60 %, оксида алюминия – 18 %, остальные 22 % – спирт 96 %, размер фракций песка и оксида алюминия на основании третьей главы выбирается равным менее 0,125 мм. При оптимальном содержании компонентов наполнителя коэффициент сцепления составляет 0,32±0,02.
Для нанесения жидкого компонента модификатора трения выбрана матрица, изготовленная из пористого материала, легко поддающегося разрушению, в котором выполнены технологические выемки для жидкого наполнителя. Частицы грязи легко переносятся на поверхность брикета, который за счет малого сопротивления сдвигу легко разрушается и выносит загрязнение из зоны контакта, после чего начинает действие жидкая фаза, то есть частицы абразива за счет сил адгезии переносятся в зону контакта, принцип действия брикета представлен на рисунке 8.
Рисунок 8 – Принцип действия брикета активизатора сцепления
Проведение сравнительных износных испытаний при использовании в качестве активизаторов сцепления кварцевого песка и АСВ-0,3 осуществлялось методом роликовой аналогии на машине трения СМТ-1 при давлении 0,81 ГПа и частоте вращения 300 мин-1.
Брикет подавался ротапринтно, песок из бункера подавался в зону контакта благодаря компрессору в течение 1 часа, количество подаваемых материалов определялось уровнем коэффициента трения не менее 0,3. В момент падения коэффициента сцепления ниже этой величины осуществлялась подача материала.
Перед экспериментом и после ролики промывались в ацетоне и взвешивались на аналитических весах. Каждый эксперимент проводился по 3 раза.
Эксперимент показал, что применение брикета АСВ-0,3 позволяет снизить величину износа более чем в 2 раза. Возможно применение брикетов активизатора сцепления для изменения силы трения только на одной из нитей тележки локомотива, что позволит снизить износ гребней колес за счет управляемого вписывания локомотива в кривую. Для определения эффективности различных составов наполнителя на величину проскальзования колес локомотивов на модернизированной машине СМЦ-2 было проведено экспериментальное исследование по методике главы 2 (рис. 9).
Рисунок 9 – Величина проскальзывания для различных состояний фрикционного контакта
Эксперимент показал, что активизатор сцепления АСВ-0,3 обеспечивает высокий коэффициент трения и значительно меньшую величину проскальзывания, чем сухой контакт.
Также были разработаны многозарядные приводы подачи брикетов активизатора сцепления, обеспечивающие плечи оборота локомотива без перезарядки порядка 3000 км. Эксплуатационные испытания привода подачи АСВ-0,3 проводились на участках главного пути Белореченская – Майкоп и показали работоспособность технологии при любых погодных условиях.
Основные выводы по работе
- На основе существующей физико-математической модели фрикционной подсистемы «колесо – промежуточная фрикционная связь – рельс» разработана методика определения величины проскальзывания в трибосистеме «колесо –рельс» с использованием роликовой аналогии на стандартной машине трения, существенно упрощающая процедуру эксперимента. Разработан критерий подобия адгезионных связей третьего тела в контакте колесо-рельс с целью оптимизации триботехнических характеристик.
- Получена эмпирическая зависимость предельной скорости вращения колеса, при которой адгезионные связи жидкости удерживают абразив на его поверхности. Установлено, что жидкости с меньшей вязкостью быстрее образуют адгезионные связи.
- Установлено, что максимум коэффициента сцепления смоченного абразива достигается при его концентрации 78–82 % независимо от состава жидкости.
- Показано, что наличие воды на поверхностях трения вызывает появление дефектов, связанных с коррозионными процесами. Подача мелкодисперсного абразива осуществляет эффект шлифования и позволяет снизить количество дефектов на поверхности трения.
- Определен оптимальный состав наполнителя всесезонного активизатора сцепления: содержание песка – 60 %, оксида алюминия – 18% (при размере фракций абразива менее 0,125 мм), остальные 22 % – спирт, обеспечивающий коэффициент сцепления 0
,32±0,02. - Проведены сравнительные лабораторные износные испытания кварцевого песка и брикета активизатора сцепления, показавшие, что применение активизатора сцепления позволяет сократить значение абразивного износа более чем в 2 раза и снизить расход песка в 50 раз.
- Разработан метод, позволяющий одновременно производить очистку поверхности катания колеса и подачу активизатора сцепления. Апробирована промышленная конструкция подачи брикетов активизатора сцепления на локомотивах серии ВЛ-80.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
- Вершинина, Н.В. Влияние воды на процессы трения сталей / Н.В. Вершинина, Ш.В. Кикичев // Вестник РГУПС. – 2006. – № 3 – С. 16–27.
- Могилевский, В.А. Исследование процессов формирования силикатных пленок на стальных фрикционных поверхностях с использованием методов сканирующей зондовой микроскопии / В.А. Могилевский, М.Б. Шуб, Е.С. Окулова, Ш.В. Кикичев // Материалы Международной научно-практической конференции Проблемы трибоэлектрохимии. – Новочеркасск: ЮРГТУ, 2006.
- Могилевский, В.А. Необходимость использования новых материалов для регулирования трения в трибосистеме «колесо тягового подвижного состава – рельс» / В.А. Могилевский, М.Б. Шуб, Е.С. Окулова, Ш.В. Кикичев // Материалы V Интернет-конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении», г. Брянск, 2006 г. http://science-bsea.narod.ru /2006/mashin_2006/mogilevsky_neob.htm
- Шаповалов, В.В. Модификаторы трения: монография / В.В. Шаповалов, В.А. Могилевский, А.М. Лубягов, Ш.В. Кикичев. – Ростов н/Д: РГУПС, 2006. – 236 с.
- Могилевский, В.А. Измерение проскальзования колеса локомотива на стандартной машине трения / В.А. Могилевский, Ш.В. Кикичев // Труды всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2007». – Ростов н/Д: РГУПС, 2007. – С. 124–125.
- Снижение бокового воздействия на путь набегающих колесных пар за счет перераспределения сил крипа трения / В.Б. Воробьев, А.М. Лубягов, В.А. Могилевский, Ш.В. Кикичев, Е.С. Окулова, П.В. Харламов, М.Б. Шуб // Труды всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2007». – Ростов н/Д: РГУПС, 2007. – С. 118.
- Кикичев, Ш.В. Перспективы использования комплексной механохимической обработки на железнодорожном транспорте / Ш.В. Кикичев // Материалы международного конгресса студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива-2007». Т. 2. – Нальчик: Каб.-Балк. ун-т, 2007. – С. 46–47.
- Бойко, М.В. Механизм модификации тяговой поверхности локомотивов силикатами трения / М.В. Бойко, Ш.В. Кикичев, В.А. Могилевский // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2007». – Ростов н/Д: РГУПС, 2007. – С. 116–117.
- Бойко, М.В. О механизме трения тяговой поверхности колес локомотивов модифицированных силикатами / М.В. Бойко, Ш.В. Кикичев, В.А. Могилевский // Сборник трудов международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии» Москва Издательство «Машиностроение» 2007 г.
- Кикичев, Ш.В. Использование комплексной механомеханической обработки на железнодорожном транспорте / Ш.В. Кикичев // Сборник работ лауреатов конкурса молодых ученых имени академика И.И. Воровича «Фундаментальные и прикладные проблемы современной техники». – Ростов н/Д: Изд-во Северо-Кавказского научного центра высшей школы Южного федерального университета, 2007. – С. 29–34.
- Патент на изобретение № 2293677. РФ. Модификатор трения и система управления приводом его подачи / Шаповалов В.В., Заковоротный В.Л., Кикичев Ш.В. и др.
- Патент на изобретение №2343450. РФ. Способ испытаний узлов трения / Шаповалов В.В., Челохьян А.В., Кикичев Ш.В. и др.
- Кикичев, Ш.В. О некоторых свойствах модификаторов трения / Ш.В. Кикичев, В.А. Могилевский // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2008». – Ростов н/Д: РГУПС, 2008. – Ч. 1. – С. 274.
- Саямова, Т.Л. Повышение величины и стабильности тягового усилия локомотивов / Т.Л. Саямова, Ш.В. Кикичев, Э.Э. Фейзов // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2008»., Ростов н/Д: РГУПС, 2008. – Ч. 1. – С. 287–288.
- Кикичев, Ш.В. Определение величины критического скольжения при моделировании взаимодействия колеса локомотива ВЛ-80 с рельсом в условиях «сухого контакта» / Ш.В. Кикичев, В.А. Могилевский, М.Б. Шуб // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2009». – Ростов н/Д: РГУПС, 2009. – Ч. 1. – С. 358–360.
- Вавенкова, В.А. Расчетные зависимости для определения проскальзывания при моделировании взаимодействия колес тягового подвижного состава с рельсами / В.А. Вавенкова, Ш.В. Кикичев, Р.В. Кульбикаян, В.А. Могилевский // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2009». – Ростов н/Д: РГУПС, 2009. – Ч. 1. – С. 343.
- Мантуров, Д.С. Технология модифицирования тягового подивжного контакта колес локомотива с рельсами / Д.С. Мантуров, Ш.В. Кикичев, К.И. Щепановский // Сборник научных трудов молодых ученых, аспирантов и докторантов «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта». – Ростов н/Д: РГУПС, 2009. – С. 125–129.
- Шаповалов, В.В. Совершенствование методики испытаний пар трения качения с проскальзыванием на машинах трения типа «Амслер» / В.В. Шаповалов, Ш.В. Кикичев, В.А. Могилевский // «Трение и смазка в машинах и механизмах». – М.: Изд-во «Машиностроение», 2009. – С. 3–7.
- Кикичев, Ш.В. Влияние вязкости жидкостей на фрикционное состояние контакта «колесо – рельс» / Ш.В. Кикичев // Труды Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса: образование, наука, производство». – Ростов н/Д: РГУПС, 2009. – С. 125–129.
Кикичев Шамиль Владимирович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АКТИВИЗАТОРОВ СЦЕПЛЕНИЯ ПУТЕМ УЛУЧШЕНИЯ ИХ АДГЕЗИОННЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК
Специальность: 05.02.04 – Трение и износ в машинах
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано к печати 2009 г. Формат бумаги 60х84/16.
Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 1,16.
Тираж 100. Заказ №
Ростовский государственный университет путей сообщения.
Ризография РГУПС.
Адрес университета: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2.
