Результат интеллектуальной деятельности: Твердый активатор трения и способ активации трения колес локомотивов

Изобретение относится к рельсовому транспорту и касается способов предупреждения буксования.

В эксплуатационных условиях в связи с различным состоянием контактных поверхностей колес и рельсов вследствие изменения влажности, температуры, состава поверхностных загрязнений, наличия смазки, воды, снега и льда в зоне их фрикционного контакта наблюдается разброс значений коэффициента сцепления в пределах 0,1-0,6 [1].

Наибольшее распространение в этой связи получили различные способы очистки взаимодействующих поверхностей, ни один из которых не смог решить вопрос стабильной реализации высоких значений коэффициента сцепления. Ввиду низкой эффективности не получили широкого распространения механические способы очистки рельсов (щетками, скребками), паром и водой, а также способы химической очистки поверхностей рельсов.

На железных дорогах России абсолютное распространение получила система повышения коэффициента сцепления путем ввода песка в контакт колеса с рельсом. Из-за низкой стоимости и экологической безопасности песок является основным материалом, применяемым для повышения трения в контакте колеса и рельса. Но при этом он сильно засоряет балласт, имеет отрицательную фрикционную характеристику.

Одним из современных способов регулирования трения и сцепления в системе колесо-рельс является модификация их контактных поверхностей с использованием специальных материалов, активизирующих процесс сцепления за счет изменения характеристик трения (повышение и стабилизация коэффициента трения).

Известен способ повышения сцепления колес локомотива с рельсами, состоящий в том, что под крайние колесные пары каждой тележки независимо от фрикционного состояния рельсов подают кварцевый песок 400-1500 г/мин [2], а также способ повышения сцепления колеса локомотива, состоящий в том, что преимущественно под первую по ходу движения колесную пару в зависимости от относительной влажности воздуха подают кварцевый песок [3].

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются следующие признаки: подача под крайние колесные пары каждой тележки локомотива, активирующего сцепление вещества.

Получению требуемого технического результата препятствуют ограниченные возможности системы, не позволяющие использовать в качестве активатора трения отличное от песка вещество.

Известно устройство для стабилизации процесса сцепления колес локомотивов с рельсами [4]. Изобретение касается обеспечения предотвращения проскальзывания колеса между локомотивными колесами и рельсами.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются следующие признаки: использование в качестве средства предотвращения проскальзывания колеса между локомотивными колесами и рельсами твердого элемента в виде брикета.

Получению требуемого технического результата препятствуют ограниченные возможности приводного механизма, который не позволяет управлять процессом прижатия твердого элемента к поверхности катания колеса.

Известно изобретение «Модификатор трения и система управления приводом его подачи» [5]. Изобретение относится к системам модифицирования поверхностей трения. Ротапринтно-контактный способ модифицирования тяговых поверхностей колеса и рельса заключается в том, что брикет модификатора трения установлен в корпусе с возможностью совершения поступательного перемещения в сторону модифицируемой поверхности трения. Брикет модификатора трения прижимают по сигналу, поступающему от подсистемы прогнозирования начала срыва сцепления (боксования), работающей на основе анализа корреляционной связи между активным и реактивным моментами в силовом приводе локомотива, а также анализа амплитудно-фазово-частотной характеристики (АФЧХ) фрикционного контакта и частот собственных колебаний.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются следующие признаки: использование в качестве средства предотвращения проскальзывания колеса между локомотивными колесами и рельсами брикет модификатора трения в виде брикета. Управление процессом прижатия брикета модификатора трения.

Получению требуемого технического результата препятствуют ограниченные возможности устройства приводного механизма, который не обеспечивает возможность управления процессом прижатия брикета модификатора трения к поверхности катания колеса. В процессе работы обеспечивается постоянный контакт брикета модификатора трения с колесом, что снижает ресурс его выработки.

Известно изобретение «Рельсовый модификатор трения" [6], в котором модификатор трения описан как смазочная композиция из ряда веществ, позволяющих применять ее для фрикционных узлов.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются следующие признаки: использование в качестве средства предотвращения проскальзывания колеса между локомотивными колесами и рельсами модификатора трения.

Получению требуемого технического результата препятствуют ограниченные возможности области применения, например, невозможность нанесения на рабочую поверхность бандажей колесных пар локомотивов и рельсов из-за низкого уровня коэффициента сцепления, недостаточного для реализации локомотивом высоких тяговых усилий.

Известно изобретение «Активизатор трения-сцепления» [7], в котором активатор трения представляет собой пеностекло.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются следующие признаки: использование в качестве активатора трения твердого брикетированного материала.

Получению требуемого технического результата препятствуют ограниченные возможности применения, например, ресурс выработки очень низкий, так как активатор трения сцепления имеет пониженную стойкость к истиранию.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении эффективности средств предотвращения боксования колес локомотивов на основе совершенствования способа активации трения зоны поверхности катания колес локомотивов при использовании твердых активаторов трения с увеличенной стойкостью к истиранию.

Эффективность использования заявляемого способа активации трения колесных пар локомотивов заключается, в управляемой подачи твердого активатора трения в виде брикета, с возможностью нанесения твердого активатора трения на поверхность катания колеса с минимальным расчетным усилием прижатия, при этом активатор трения имеет физические характеристики и состав, определяющие максимальный ресурс его выработки, при обеспечении значений коэффициента трения в зоне поверхности катания колеса с рельсом на уровне предотвращающем боксования колес локомотива.

Технический результат, получаемый при реализации данного изобретения, выражается обеспечении максимального ресурса выработки твердого активатора трения при реализации процесса активации трения зоны поверхности катания колесных пар локомотивов.

Для достижения вышеуказанного технического результата, твердый активатор трения в виде брикета подается в зону поверхности катания колеса с минимальным усилием, достаточным для обеспечения значений коэффициента трения в зоне поверхности катания колеса с рельсом на уровне, предотвращающем боксование колес локомотива, при этом прижатие и отжатие активатора трения от поверхности катания колеса производится управляемым приводом, работа которого синхронизирована с работой противобуксовочной системы локомотива, при этом физические характеристики и состав активатор трения, обеспечивают максимальный ресурс его выработки.

От наиболее близкого аналога предлагаемое изобретение отличается применением в качестве твердого активатора трения, материала с заданными физическими характеристиками, прижатие которого к поверхности катания колеса производится с минимальным усилием, обеспечивающем значения коэффициента трения в зоне поверхности катания колеса с рельсом на уровне, предотвращающем боксования колес локомотива. При этом подача активатора трения производится управляемым приводом, что позволяет производить дозированное прерывистое нанесение активатора трения.

При этом твердый активатор трения, от наиболее близкого аналога отличается наличием в его составе от 60 до 65% термореактивной смолы, обеспечивающей повышение стойкости к истиранию, а также наличие таких веществ как канифоль и сернокислого бария, обеспечивающих повышение предельного коэффициента трения активатора трения при его ведении в контакт «колесо-рельс».

Твердый активатор трения согласно изобретению, представляет собой термореактивную смолу, содержащую канифоль сосновую и сернокислый барий при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Заявляемый способ смазывания поясняется на примере.

Требуется обеспечить максимальный ресурс работы твердого активатора трения марки ТАТЛ прямоугольного сечения с размерами 90×90×200 при использовании его в устройстве активации трения УАТЛ с пневматическим управляемым приводом подачи. Способ активации трения колес локомотивов поясняется на фиг. 1, где показаны колесо локомотива поз. 1, рама тележки поз. 2, кронштейн крепления поз. 3, корпус устройства активации трения локомотива поз. 4, цилиндр пневматический поз. 5, твердый активатор трения поз. 6.

С целью определения минимального расчетное усилие прижатия и соответствующей ему твердость ТАТЛ обеспечивающую максимальный ресурс выработки при обеспечении условий предотвращения боксования проводим физический эксперимент. Методика проведения экспериментов предусматривает проведение стендовых испытаний на торцевой машине трения в условиях, моделирующих реальные режимы работы.

Условия испытаний:

1. Диапазон усилие прижатие ТАТЛ к модельному образцу в пределах 10-30 Н. В ходе испытаний производилось ступенчатое изменение усилия прижатия с шагом 5 Н.

2. Минимально допустимый коэффициента трения, ниже которого фиксируется переход к режиму неустойчивого сцепления и срыву в боксование - 0,22.

3. Твердость ТАЭЛ по Шору - шкала D, н/мм² ГОСТ 24621 - варьируемый параметр, от 50 до 70. В ходе испытаний использовались образцы с твердостью 50, 55, 60, 65 и 70 ед.

Контролируемые показатели: истираемость ТАТЛ при трении по образцу моделирующий колесо, I, гр/км (ресурс выработки); коэффициент трения.

За результат оценки выработки ТАТЛ принималось усредненная весовая интенсивность изнашивания при трении о ролик моделирующий гребень колеса определяемая как среднее арифметическое из трех испытаний. Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Анализ результатов позволяет определить значение твердости ТАТЛ (60 ед. по Шору) и усилие прижатие в диапазоне от 10 до 30 Н при которых, в заданных условиях, обеспечивается максимальный ресурс работы ТАТЛ, предотвращение боксования колес локомотива, при использовании его в устройстве активации трения колеса локомотива УАТЛ с управляемым механизмом подачи пневматического типа.

Твердость ТАТЛ свыше 60 ед. приводит к недостаточному объему наносимого на поверхность катания активатора трения и переход к условиям фрикционного контакта не гарантирующим стабильное сцепление колес локомотива с рельсами предотвращающее боксование.

Твердый активатор трения готовят следующим образом.

Наполняют расходную емкость термореактивной смолой, например, смолой эпоксидной ЭД-20, ЭД-16 по ГОСТ 1058 и подогревают до 70°С. Затем при плавном перемешивании в смолу добавляют, предварительно разогретую до текучего состояния канифоль сосновую, например, по ГОСТ 19113-84. Затем при плавном перемешивании в смесь смолы и канифоли нее добавляют отвердитель, например, полиэтиленполиамин (ПЭПА) по ТУ 2413-010-75678843-2012. Сразу после добавления отвердителя при плавном перемешивании добавляют порошок бария сернокислого по ГОСТ 11380-74. Полученную композицию после 5-10 мин перемешивания до получения однородной массы заливают в специальные разборные формы и оставляют на сутки для отверждения. После отверждения сформованную композицию достают из формы. Полученные твердые элементы готовы к применению и представляют собой активаторы трения в твердом виде. Вид твердых активаторов трения произвольный в зависимости от требований эксплуатации их систем в зону контакта «колесо-рельс».

Присутствие в составе канифоли и бария сернокислого обеспечивает необходимые фрикционные характеристики активаторов трения.

Термореактивная отвержденная смола обеспечивает необходимые физические характеристики (твердость, термостабильность) и стойкости к истиранию активатора трения.

Для оценки эффективности твердого активатора трения проводились испытания по следующей методике. На лабораторной установке для испытания материалов на износ СМТ-1 моделировались условия нанесения активатора трения на поверхность катания локомотивного колеса при температуре +25°С.Испытуемые образцы - ролики изготавливались из стали, по химическому составу близкой к бандажной и рельсовой стали: колесный ролик - из стали 60Г, ГОСТ 1050-74; нижний (рельсовый) - из стали 70Г, ГОСТ 1050-74. Испытания проводились на режимах, соответствующих реальным при качении колеса по рельсу со скольжением, контактном давлении 500 МПа, постоянной скорости вращения ролика 400 об/мин и 10% проскальзывании роликов. В процессе испытаний при комнатной температуре эти факторы оставались постоянными. Схема испытаний предусматривала наличие держателя для активатора трения, который имитировал устройство нанесения активатора трения на ролик, имитирующий колесо локомотива. Испытания проводились при полностью сухих образцах. В ходе испытаний непрерывно велась запись линейного износ активаторa трения (характеристика стойкости к истиранию), момента трения, времени испытаний и определялся максимальный коэффициент трения (характеристика фрикционных свойств). Разброс данных получен по результатам трехкратного повторения опытов. Испытания проводились при постоянном усилии прижатия активатора трения к ролику с усилием. Время каждого испытания 10 мин. Результаты испытаний представлены в табл. 2.

В результате испытаний установлено, что заявляемый активатор трения имеет лучшие характеристики по сравнению с прототипом, так как стойкость к истиранию заявляемого активатора трения при работе на порядок ниже, чем у прототипа, при этом предельные значения коэффициента трения на 10-12% выше чем у прототипа.

Список источников:

1. Исаев И.П. Случайные факторы и коэффициенты сцепления. - М.: Транспорт, 1970, 184 с.

2. Каменев Н.Н. Эффективное использование песка для тяги поездов, М., "Транспорт", 1968.

3. Авторское свидетельство СССР №592645, кл. В61С 15/10, 1976.

4. Патент США US2664679.

5. Патент РФ №2293677 МПК В61К 3/02, 28.03.2005. МОДИФИКАТОР ТРЕНИЯ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ ЕГО ПОДАЧИ.

6. Патент РФ №2170756 С1, С10М 169/04, 20.07.2001.

7. Патент РФ №2362799 С2, С10М 103/06, 27.07. 2009.