Износ и смазка пары «рельс — колесо»

В работе проведены исследования эксплуатационных свойств колесных пар железнодорожного транспорта, а также износ и его снижение для пары колесо-рельс. В качестве материалов использовали стали, из которых традиционно изготавливают рельсы и колесные пары. По результатам исследования определены меры, снижающие износ пары путем применения смазывающих веществ. Даны рекомендации по условиям эксплуатации пары рельс-колесо.

Ключевые слова: подвижной состав, колесная пара, рельс, трение и износ, смазка, условия эксплуатации.

Очевидно, что износ рельсов (или колес) является одним из основных видов вывода из эксплуатации подвижного состава. Износ обычно происходит в течение относительно длительного периода времени. Технически это преимущество, поскольку время позволяет внести потенциальные полезные изменения. Однако, к сожалению, та же самая характеристика часто снижает чувство безотлагательности со стороны владельцев и операторов путей, проявляющих заинтересованность во внедрении изменений. С другой стороны, по крайней мере, в некоторых системах владельцы и операторы транспортных средств обеспечивают движущую силу из-за неблагоприятных экономических последствий, связанных с износом гребня колеса.

Цель настоящей работы анализ видов износа подвижного состава на примере пары колесо-рельс. Для достижения цели в работе изучены основные виды износа пары, а также снижение их негативного влияния путем использования смазки.

Материалы и методы исследования. Вработе использовали материалы, состав которых представлен в табл.1.

Таблица 1

Химический состав рельсовой стали и стали, использованной для изготовления колесной пары.

Колесные пары так же, как и рельсы, готовили по стандартной технологии.

Структуру изучали визуально, либо с помощью светового металлографического микроскопа ЛОМО-41.

Свойства, в том числе механические определяли по известным методикам

Рис. 1. Износ рельсов — высокий рельс на крутом повороте

Эквивалентными видами износа колес, конечно же, являются износ фланца и протектора.

Различные режимы износа рельсов (и колес), которые могут возникать при различных уровнях контактного напряжения колесо-рельс и уровнях ползучести/проскальзывания, хорошо изучены. Так, в [1–5] показано, что при любом режиме износа энергия на границе раздела колесо-рельс и, следовательно, результирующий износ пропорциональны:

– силе, приложенной по нормали к поверхности контакта колесо —рельс;

– уровню текучести или пластичности материала;

– уровню трения.

Следовательно, основная часть исследований, связанной с износом пары колесо-рельс, была сосредоточена на уменьшении влияющих факторов и обеспечении режима равномерного интенсивного износа всей поверхности, который характеризуется очень крупными частицами износа и очень высокой степенью шероховатости контактных поверхностей, как показано на рис. 2 , где продукт износа наблюдали возле подошвы рельса. Однако получить положительный результат пока не удалось.

Рис. 2. Крупные остатки износа указывают на интенсивный режим износа

На основе наблюдений установлено, что основными факторами, влияющими на боковые силы, уровни ползучести и трения, являются:

– Радиус кривой поворота подвижного состава, который, как правило, является фиксированным параметром.

– Характеристики взаимодействия колеса с рельсом и, в частности, направленные усилия, возникающие при взаимодействии пары колесо-рельс.

– Геометрические характеристики пары колесо-рельс и, в частности, межосевое расстояние, ромбовидность, несоответствие диаметра колеса и жесткость рельса. Все эти аспекты оказывают непосредственное влияние на методы технического обслуживания пары.

– Геометрические характеристики пути и, в частности, ширина колеи и вираж (и соответствующая линейная скорость подвижного состава). Для них очень важный аспект возникает на смешанных пассажирских и грузовых линиях, где конструкция должна сбалансировать часто противоречащие друг другу требования комфорта пассажиров и повреждения пути.

– Смазочные характеристики на стыке колесо-рельс.

Естественно, названные выше факторы не снижают важный фактор, оказывающий непосредственное влияние на износ — это твердость рельсов и колес в виде показателя механического свойства материала.

Специалисты, обслуживающие железнодорожный транспорт, как правило, основное внимание уделяют обеспечению эффективного смазывания поверхности гребня колеса и колеи рельса, а также смягчению условий трения, особенно на крутых поворотах, чтобы гарантировать условия отсутствия сильного износа пары. Это имеет особое значение при пассажирских перевозках, где обычно используемые материалы для колес относительно мягкие и, следовательно, более подвержены сильному износу.

Эффективная смазка также может иметь заметные преимущества, особенно с точки зрения:

– снижения расхода энергии (топлива) на взаимодействие колеса с рельсом.

Однако следует всегда помнить, что преимущества смазки должны быть уравновешены потенциальными неблагоприятными последствиями, которые может иметь неэффективная смазка, особенно в отношении:

– возможного загрязнения поверхности катания рельсов, что может привести к потере сцепления колес локомотива и, как следствие, к потенциальному развитию пробуксовки (прогара) колес на рельсах и необходимости приложения дополнительных тяговых усилий;

– усиления нарастания контактной усталости от образования трещин (трещин) на колее и поверхности катания рельсов (и колес);

– неблагоприятного влияния на характеристики управляемости тележки и боковые усилия колесной пары, возникающее, когда трение поверхности катания одного рельса на кривой становится очень отличным от трения другого рельса;

– общего загрязнения рельсового пути, которое обычно происходит вблизи лубрикаторов, установленных на рельсах.

Лучший способ контролировать нанесение смазки на рельсы (и, следовательно, на колеса) — использовать системы, устанавливаемые на транспортных средствах. Однако по разным практическим причинам большинство систем железных дорог по-прежнему полагаются на аппликаторы, установленные на путях, для обеспечения требуемой смазки. В связи с этим полевые исследования ясно показали, что эффективность смазывания можно заметно повысить, уделяя особое внимание:

– типу применяемой смазки;

– установке и обслуживанию лубрикаторов;

– местам, в которых лубрикаторы размещены на пути.

– размещения лубрикаторов на питающих кривых среднего радиуса (400–1000 м) перед более крутыми кривыми, которые являются основной целью, до тех пор, пока есть некоторые признаки очень незначительной отбортовки колеса и нет признаков тяжелой отбортовки колеса;

– избегать расположения лубрикаторов там, где не происходит стационарной отбортовки колес, например, на касательной дорожке, нижних рельсах кривых и вблизи точки касания кривых;

– избегать расположения лубрикаторов, обслуживающих верхний и нижний рельсы, слишком близко друг к другу (в пределах 300–500 м).

Выводы. Некоторые из важных аспектов смазки колес и рельсов, которые все еще требуют дальнейшего изучения, включают:

– достоверную оценку типов смазочных материалов в лаборатории, что позволяет избежать проведения обширных полевых испытаний. Полевые испытания должны быть сосредоточены только на тех типах смазочных материалов, которые с высокой вероятностью могут обеспечить существенные потенциальные преимущества.

– возможность иметь системы, способные обнаруживать места на пути, где смазка становится менее эффективной, вместо нынешней процедуры, основанной на наблюдениях, сделанных персоналом пути, которые часто происходят слишком поздно. В связи с этим работа по использованию установленной на транспортном средстве системы для оценки режима износа/смазки приобретают актуальность для достижения увеличения срока службы.

– оценку дифференциального стационарного износа рельсов в пределах сложных кривых. Это не только «проблема» смазки, но, вероятно, она связана как с характеристиками изгиба колес и рельсов, так и с характеристиками кривизны тележки. Возможность уменьшить такую ​​изменчивость даже ближе к середине диапазона приведет к значительным экономическим выгодам с точки зрения замены рельсов.

Литература:

1. Lundén R, Nordmark T and Paulsson B (2001), Enhancing iron ore transportation in Sweden, Proceedings 7th International Heavy Haul Conference, Brisbane, Australia, Qld, 11–14 June, 99–106.
2. Wise S (1987), Railway wheelsets — a critical review, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 291(D4), 257–71.
3. Koerfer E (1985), 150 Jahre Schienenerzeugung — Überblick über die technische Entwicklung, Stahl und Eisen, 105(17), 907–12.
4. Lundberg G and Palmgren A (1947), Dynamic capacity of rolling bearings, Acta Polytechnica, Mechanical Engineering Series, Royal Swedish Academy of Engineering Sciences 1(3), 50 pp.
5. Knothe K (2008), ‘History of wheel/rail contact mechanics: from Redtenbacher to Kalker’, Vehicle System Dynamics, 46(1), 9–26.
6. Cannon D F, Edel K-O, Grassie S L and Sawley K (2003), Rail defects: an overview, Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 26(10), 865–86.
7. Gullers P, Andersson L and Lundén R (2008), High-frequency vertical wheel–railcontact forces — field measurements and influence of track irregularities’, Wear, 265(9–10), 1472–78.
8. Nielsen J C O, Ekberg A and Lundén R (2005), Influence of short-pitch wheel/railcorrugation on rolling contact fatigue, IMechE, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 219(3), 177–87.
9. Ekberg A and Kabo E (2005), Fatigue of railway wheels and rails under rolling contact and thermal loading — an overview, Wear, 258(7–8), 1288–300.
10. Nielsen J C O, Lundén R, Johansson A and Vernersson T (2003), Train–track interaction and mechanisms of irregular wear on wheel and rail surfaces, Vehicle System Dynamics, 40(1–3), 3–54.
11. Esslinger V, Kieselbach R, Koller R and Weisse B (2004), The railway accident of Eschede — technical background, Engineering Failure Analysis, 11(4), 515–35.