CC BY
19
надвижной части горки. Чем выше величина про-тивоуклона, тем меньше разность координат точек отрыва отцепов. Это приводит к выравниванию интервалов между отцепами и создает предпосылки для повышения скорости роспуска.
3. С уменьшением радиуса вертикальной кривой спускной части горки разность положений точек отрыва уменьшается, а интервалы между плохими и хорошими отцепами выравниваются, что тоже приводит к благоприятным условиям повышения скорости роспуска.
4. Радиус вертикальной кривой надвижной части горки незначительно влияет на образование интервалов между вагонами.
Рекомендовано при проектировании перевальной части горки применять наиболее крутые
уклоны головного и надвижного участков с наименьшим допустимым радиусом вертикальной кривой на спускной части. Это будет способствовать повышению скорости роспуска и, в конечном счете, перерабатывающей способности сортировочной горки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Правила и нормы проектирования сортировочных устройств на железных дорогах колеи 1520 мм. - М.: ТЕХИНФОРМ, 2003. -169 с.
2. Пособие по применению Правил и норм проектирования сортировочных устройств / Ю.А. Муха, Л.Б. Тишков, В.П. Шейкин и др.- М.: Транспорт, 1994. - 220 с.
УДК 625.1 +621.893 Гозбенко Валерий Ерофеевич,
д. т. н., профессор, ИрГУПС, тел. 8(3952) 70-36-51 * 0357, e-mail: [email protected]
Винокуров Дмитрий Ильич, соискатель ИрГУПС, тел. 8(3952) 70-36-51 * 0357
МОДЕЛИРОВАНИЕ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ, СНИЖАЮЩИХ ИЗНОС ЭЛЕМЕНТОВ ПУТИ И ХОДОВЫХ ЧАСТЕЙ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
V.E. Gozbenko, D.I. Vinokurov
MODELLING LUBRICANTS REDUCING DETERIORATION OF ELEMENTS PATHS AND ROLLING STOCK RUNNING GEARS
Аннотация. В статье предлагаются новые смазочные композиции на основе отходов химических производств на основе низкомолекулярного полиэтилена. В качестве жидкого компонента, придающего смазочной композиции необходимую консистенцию, использовали минеральное масло или другие продукты переработки нефти.
Для оценки свойств смазочных композиций представлены данные защитных свойств разработанных смазочных композиций. Приведены результаты испытаний. Получены аппроксимирующие зависимости, определяющие покомпонентное влияние состава смазочной композиции на износ, которые позволяют достаточно точно прогнозировать износ в паре трения «колесо - рельс» в зависимости от состава смазочной композиции.
Ключевые слова: смазочная композиция, моделирование, хлорлигнин, свойства композиций, износ, полимер.
Abstract. In the paper, new lubricating a composition on the basis of a waste of chemical productions on the basis of low molecular weight polyethylene are offered. As a liquid ingredient attaching to a
lubricating composition of necessary consistency, petroleum oil or other products of an oil processing is used.
For lubricating compositions properties estimating the data of protective attributes of designed lubricating compositions is introduced. Test data are resulted. The approximating dependences defining component-wise agency of composition of a lubricating composition on deterioration which allow to forecast precisely enough deterioration in pair abrasion a sprocket-rail depending on composition of a lubricating composition are gained.
Keywords: lubricating composition, simulation, properties of compositions, deterioration, polymer.
Смазочные материалы, используемые на железнодорожном транспорте, должны отвечать определенному ряду требований [1, 3, 4, 5]: обладать высокой эффективностью смазывания; легко наноситься в место контакта и удерживаться на поверхностях трения; быть доступными и недорогими; сохранять свои качества при хранении и транс-
ш
портировке; быть нетоксичными; не оказывать побочных эффектов, таких как коррозия металлических деталей, гниение шпал, раскантовка рельса; отвечать требованиям пожарной безопасности и т. п.
С учетом вышеперечисленных требований разработаны новые смазочные композиции на основе отходов химических производств с использованием низкомолекулярного полиэтилена. Низкомолекулярный полиэтилен (НМПЭ) - отход производства многотоннажного продукта - полиэтилена высокого давления. В качестве жидкого компонента, придающего смазочной композиции необходимую консистенцию, использовали минеральное масло или другие продукты переработки нефти.
До наших исследований в ИрГУПС была разработана смазочная композиция для предотвращения износа в паре трения «колесо - рельс», содержащая (%, масс.); 10-20 нефтяного кокса, 15-25 отработанного дизельного масла и остальное (до 100) - низкомолекулярный полиэтилен (НМПЭ).
Недостатком данной композиции является необходимость использования диспергированного нефтяного кокса с размером частиц менее 0,100 мм, которого трудно добиться в производственных условиях.
Вышеуказанный недостаток устранён в разработанной смазочной композиции на основе низкомолекулярного полиэтилена, где в качестве антифрикционной компоненты использовать отход переработки древесины на гидролизных и целлюлозно-бумажных предприятиях - лигнин, а также хлорлигнин. С использованием этого отхода предложена смазочная композиция следующего состава, (%, масс.):
а) гидролизный лигнин - 15-25;
б) отработанное дизельное масло - 10-25;
в) НМПЭ - остальное (до 100).
Перемешанные в необходимом соотношении компоненты композиции образуют устойчивую дисперсную систему, которая представляет собой консистентную смазку темно-коричневого цвета.
В смазку данного состава были введены также полисульфидные полимеры, противозадир-ный эффект которых был исследован ранее. Смазочные композиции, содержащие НМПЭ, отработанное дизельное масло и другие компоненты, готовились путем нагревания НМПЭ до ~90 °С и добавления при интенсивном перемешивании в предварительно нагретое (~70 °С) дизельное масло. В полученную однородную смесь добавляли другие компоненты. Соотношение НМПЭ и отработанного дизельного масла (ОДМ) выбиралось таким образом, чтобы обеспечить необходи-
мую консистентность смазки.
С использованием лигнина, частично модифицированного путем хлорирования, была разработана композиция следующего состава [6]:
а) гидролизный хлорлигнин - 15-25;
б) отработанное дизельное масло - 10-25;
в) НМПЭ - остальное (до 100).
Для оценки трибологических свойств [4] предлагаемых смазочных композиций представлены данные их защитных свойств (табл. 1), которые были определены в лабораторных условиях с использованием машины трения ИИ 5018 применительно к условиям взаимодействия колес подвижного состава с рельсом.
В качестве образцов использовались ролики стандартных размеров, которые были изготовлены из марок стали, применяемых для производства как рельсов (Р-65), так и колес (марка-1). Износ роликов определялся методом гравиметрии - путём взвешивания на аналитических весах с точностью до 0,001 г.
Результаты испытаний представлены в табл. 1. Как видно из данных, уменьшение содержания лигнина ниже 15 (%, масс.) снижает защитный эффект смазки, а увеличение его содержания выше 25 (%, масс.) приводит к образованию густой смазки, которую трудно наносить в зону контакта.
Соотношение между содержанием дизельного масла и НМПЭ определяет консистенцию смазки и зависит от климатических условий применения композиции. Снижение количества дизельного масла ниже 10 (%, масс.) делает смазку густой, ее компоненты трудно перемешиваются между собой, а его увеличение выше 25 (%, масс.) приводит к образованию жидкой композиции, которая, тем не менее, обладает высокой вязкостью и плохо наносится в зону трения.
Кроме лигнина в качестве компонента композиций был использован продукт, получаемый путём введения хлора в лигнин. Для этого гидролизный лигнин в водной суспензии обрабатывают хлором или гипохлоритом. Полученный лигнин содержит 3-5 (%, масс.) хлора, органические соединения которого используются в качестве про-тивоизносных присадок к маслам. Композиции 9 и 10 (см. табл. 1) вместо лигнина содержат хлор-лигнин, который способствует более долговременному действию применяемой смазки.
В табл. 1 приведены значения относительного уменьшения износа А за счет смазки, которое рассчитывалось по формуле
А =
1бс 1
6с
■100%,
где /бс, I - значение износа без и со смазкой.
Как видно из табл. 1, смазки № 1, № 5 и № 9 снижают износ на 94,6-96,7 % для подвижного ролика, на 90,9-93,9 % для неподвижного ролика.
Результаты экспериментов (без учета опытов 9 и 10) были обработаны в пакете Statgraphics Plus. Получены аппроксимирующие зависимости, определяющие покомпонентное влияние состава смазочной композиции x, y, z на износ Ip. Статистические критерии достоверности регрессионных зависимостей приведены в табл. 2.
Для ПР:
/, = 1,5253 -0,1526х + 0,00381 х2; (1) /^ = 1,5872 - 0,0470y + 0,00037y2; (2)
= 1,5136 - 0,1506z + 0,00381z2. (3)
Для НР:
= 1,5442 - 0,1467х + 0,00358х2; (4)
/, = 1,6019 - 0,0483y + 0,00040y2; (5)
= 1,5311 - 0,1440 z + 0,00356 z2. (6)
Анализ полученных зависимостей позволил предложить следующие множественные уравнения регрессии, позволяющие прогнозировать ве-
личину износа по компонентному составу смазки: для ПР:
1р = 1,5750 - 0,8264(xyz)0'0563, (7)
для НР:
1р = 1,57183 - 0,000225 xyz +1,04 • 10-6(xyz)1,5. (8)
Таким образом, предлагаемые смазочные композиции № 1, № 5 и № 9 для предотвращения износа в паре трения «колесо - рельс», которые состоят из дешёвых, доступных компонентов, легко наносятся на рельс, обладают высокой эффективностью и оказывают минимальное экологическое воздействие.
Построим прогнозные оценки износа при следующем изменении состава смазки (табл. 3). Доверительные интервалы прогноза I ± tS
(t
S =
1,895
£[ / з (0 - /Р (i)]2
n - 3
критерий Стьюдента,
- стандартная ошибка
(см. табл. 2) для регрессионных моделей (7), (8) для уровня значимости 0,10 и числа степеней свободы п - 3 = 7.
Т а б л и ц а 1
Износ опытных роликов
№ смазки Состав смазочной композиции, % Износ I , г А, %
Дизельное масло, x НМПЭ, y Хлорлигнин, z Подвижный ролик (ПР) Неподвижный ролик (НР) ПР НР
1 15 65 20 0,054 0,145 96,597 90,954
2 15 70 15 0,098 0,198 93,824 87,648
3 15 75 10 0,153 0,203 90,359 87,336
4 20 55 25 0,126 0,136 92,060 91,515
5 25 55 20 0,085 0,097 94,644 93,948
6 28 52 20 0,181 0,201 88,594 87,461
7 10 75 15 0,146 0,196 90,800 87,772
8 15 67 28 0,187 0,207 88,216 87,086
9 15 65 20 0,053 0,135 96,660 91,578
10 15 70 15 0,099 0,187 93,761 88,334
11 Без смазки /& = 1,587 1,603
1=1
Т а б л и ц а 2
Критерии достове рности регрессионных зависимостей
Номер формулы Коэффициент детерминации, % Критерий Дарбина - Уотсона Стандартная ошибка, S Сред. абс. ошибка, г
(1) 95,14 1,83 0,124 0,076
(2) 99,37 2,00 0,045 0,026
(3) 94,74 1,78 0,129 0,078
(4) 95,62 1,79 0,116 0,069
(5) 99,54 2,75 0,038 0,025
(6) 94,83 1,94 0,126 0,076
(7) 98,68 1,84 0,065 0,045
(8) 97,55 1,45 0,086 0,060
Прогнозные оценки износа при изменения состава смазки
ш
Т а б л и ц а 3
Ролик, уравнение регрессии Состав близок к опыту № X у z Прогноз износа, 1р ,г Нижняя граница 1р -13 Верхняя граница 1р +13
ПР, (7) 4 21 56 23 0,1070 -0,0161 0,2301
ПР, (7) 5 26 56 18 0,0437 -0,1192 0,2066
НР, (8) 8 16 68 16 0,0437 -0,1192 0,2066
НР, (8) 5 26 56 18 0,0980 -0,0649 0,2609
НР, (8) 4 21 56 23 0,1124 -0,1605 0,2752
Анализ табл. 3 и табл. 1 показывает, что экспериментальное значение износа попадает в интервалы прогноза, заданные нижней и верхней границами.
Также проведен анализ противозадирных присадок на основе полисульфидных полимеров [2], влияния их состава на защитные свойства смазки.
Трение, возникающее между гребнем колеса и боковой поверхностью головки рельса, характеризуется высокими удельными нагрузками, периодичностью и нестационарностью. В зоне контакта наблюдаются кратковременные резкие увеличения давления и температуры. В результате таких воздействий молекулы, входящие в состав смазочных композиций, подвергаются химическим превращениям, и продукты реакций легче адсорбируются на трущихся поверхностях [2].
В качестве противозадирной присадки в композиции для лубрикации рельсов нами были предложены и использованы серосодержащие полимерные продукты, получаемые из отходов производства эпихлоргидрина, выпускаемого для синтеза эпоксидных смол.
В диспергированном состоянии полимеры данного типа легко смешиваются со смазочной композицией, предлагаемой для лубрикации рельсов на основе низкомолекулярного полиэтилена,
мелкораздробленного нефтяного кокса или хлор-лигнина и отработанного дизельного масла локомотивов.
В табл. 4 представлены результаты лабораторных испытаний на машине трения смазочных композиций, содержащие полисульфидные полимеры с разным процентным содержанием серы.
Чтобы оценить противозадирный эффект присадки из тиокола на данную триботехническую систему, износ роликов определялся несколько раз в течение одного эксперимента. Вначале ролики работали 6 часов в присутствии смазки, которую наносили в зону контакта через каждые 10 мин. Затем смазку с роликов убирали с помощью бензина и ветоши, замеряли результат износа, и испытания проводили еще три часа (уже в отсутствие смазки). После этого определяли износ роликов и продолжали опыт в течение еще трех часов.
Результаты испытаний свидетельствуют о том, что введение в смазку полимерной присадки, содержащей серу, не только сохраняет и улучшает защитный эффект смазки, но и способствует упрочнению поверхности в зоне трения, т. к. защитный эффект сохраняется после удаления смазки.
Это позволяет предположить, что серосодержащие полимеры будут способствовать снижению износа боковой поверхности рельса и гребня
Т а б л и ц а 4
Влияние состава полисульфидного полимера на защитные свойства смазки
Количество часов работы со смазкой 1 час 2 часа 3 часа 4 часа 6 часов
Количество часов работы без смазки 3 часа 6 часов 3 часа 6 часов 3 часа б часов 3 часа 6 часов 3 часа 6 часов
ПР НР ПР НР ПР НР ПР НР ПР НР ПР НР ПР НР ПР НР ПР НР ПР НР
Смазка № 1 (полимер ИЗ №281) 0,603 0,610 1,203 1,387 0,510 0,612 1,234 1,318 0,383 0,401 1,117 1,107 0,123 0,161 0,712 0,694 0,118 0,123 0,535 0,561
Смазка № 2 (полимер из Ма282) 0,583 0,602 1,223 1,294 0,555 0,543 1,162 1,158 0,471 0,462 1,087 1,010 0,264 0,247 0,853 0,871 0,189 0,183 0,394 0,437
Смазка № 3 (полимер из N3283) 0,412 0,434 0,812 0,796 0,357 0,371 0,732 0,741 0,303 0,298 0,619 0,627 0,261 0,257 0,463 0,482 0,194 0,187 0,417 0,386
Смазка № 4 (полимер ИЗ №284) 0,342 0,361 0,707 0,723 0,276 0,275 0,672 0,663 0,217 0,210 0,575 0,563 0,195 0,199 0,401 0,384 0,183 0,171 0,293 0,287
иркутским государственный университет путей сообщения
колеса при прохождении криволинейных участков не только при непосредственном нахождении смазки в зоне трения, но и спустя некоторое время после ее полного удаления.
Для оценки последействия смазочных композиций приведено моделирование последействия смазочных композиций в системе «колесо -рельс».
Для количественного описания влияния содержания серы и хлора в полимерных присадках на износ получены регрессионные уравнения общего вида Ip = fit) , где Ip - износ за х часов работы без смазки, а t - часы предварительной работы со смазкой. В табл. 5 приведены полученные
уравнения регрессии, критерии достоверности которых указаны в табл. 6. При выборе аппроксимирующих зависимостей исходили из максимизации критерия детерминации В2 . Если разница в значениях В2 для нелинейной и линейной регрессий была невелика, то выбирали линейную регрессию.
На рис. 1 в качестве примера сопоставлены результаты расчета по модели (16) с экспериментальными данными.
Действительное значение I(^ ) для аргумента ti можно представить в виде:
I (^ ) = 1р (^ ) + е,,
Т а б л и ц а 5
Регрессионные уравнения модели износа
Ролик № смазки х = 3 часов работы без смазки х = 6 часов работы без смазки
ПР 1 / p = 0,8484 - 0,2550? + 0,0166?2 (9) / = p = 1,2860 + 0,1115? - 0Д424?1'3 (10)
НР 1 / p = 0,8533 - 0,1946? + 0,0114?2 (11) /р = 1,6033 - 0,1844? (12)
ПР 2 /р = 0,6940 - 0,0880? (13) /р = 1,4880 - 0,1700? (14)
НР 2 /р = 0,7011 - 0,0918? (15) /р = 1,4984 - 0,1701? (16)
ПР 3 /р = 0,4445 - 0,0435? (17) /р = = 0,8790 - 0,0845? (18)
НР 3 /р = 0,4673 - 0,0494? (19) /р = 0,8874 - 0,0878? (20)
ПР 4 / p = 0,4301 - 0,0971? + 0,0093?2 (21) /р = 0,8184 - 0,0902? (22)
НР 4 / p = 0,43554 - 0,1090? + 0,0104?2 (23) /р = 0,8241 - 0,0938? (24)
Т а б л и ц а 6
Критерии достоверности регрессионных зависимостей__
Номер формулы Коэффициент детерминации, % Критерий Дарбина - Уотсона Стандартная ошибка, S, г Сред. абс. ошибка, г
(9) 91,872 2,680 0,089 0,051
(10) 89,282 2,730 0,146 0,083
(11) 88,737 2,511 0,112 0,063
(12) 91,819 2,719 0,122 0,081
(13) 91,834 2,745 0,058 0,040
(14) 93,736 1,369 0,098 0,067
(15) 92,136 2,882 0,060 0,038
(16) 98,589 1,861 0,045 0,030
(17) 98,442 1,454 0,012 0,008
(18) 92,199 2,357 0,054 0,034
(19) 96,958 1,449 0,019 0,014
(20) 96,240 2,551 0,038 0,023
(21) 99,672 3,465 0,005 0,003
(22) 95,410 2,650 0,044 0,031
(23) 98,398 2,880 0,014 0,007
(24) 95,566 2,756 0,045 0,029
ш
где / - значение износа, вычисленное по уравнению (16) для времени работы без смазки / -номер опыта, е = /э (1) — / Р (1) - величина остатка, случайная ненаблюдаемая переменная. На рис. 3 приведена зависимость е{ от / (^).
Как видно из рис. 1-3, уравнение регрессии (16) достаточно точно описывает экспериментальные данные.
Полученные уравнения не только позволяют предсказать величину износа при израсходовании смазки, но и объясняют механизм защитного действия полимерных присадок, содержащих серу и хлор.
Несмотря на то, что аппроксимация полиномами 2, 3 и 4-го порядков лучше описывает экспериментальные данные, их прогностические характеристики (прогноз увеличения работы со смазкой
Рис. 1. Зависимость износа I от времени £ работы без смазки: точки - опытные данные,
линия - уравнение регрессии
Рис. 2. Зависимость экспериментальных значений износа / от предсказанных по формуле (16) значений 1р
27 17 7 -3 -13 -23
1
;
; п II
и
;
| —0-.-—
0,43
0,63
0,83
1,03
1,23
1,43
Рис. 3. Зависимость остатков е от предсказанных значений 1Р, вычисленных по уравнению регрессии (8)
больше 6 часов) лишены физического смысла. Для уравнения второго порядка износ становится отрицательным, а для полиномов 3 и 4-го порядков износ резко возрастает после увеличения времени работы со смазкой более 6 часов, хотя последействие смазки (образование пластичного защитного слоя на поверхности металла) должно либо возрастать, либо оставаться на уровне 6 часов работы со смазкой.
В целом защитное действие смазки лучше всего описывается экспоненциальной зависимостью износа от времени работы машины трения со смазкой (у = ae-Ьx), коэффициент Ь имеет большее абсолютное значение для моделей, соответствующих 3 часам работы без смазки, что свидетельствует о том, что защитный слой, образующийся на поверхности в течение 3 часов, практически полностью защищает поверхность металла от износа даже при полном отсутствии смазки.
Таким образом, предлагается композиция для предотвращения износа в паре трения «колесо - рельс», которая состоит из дешёвых, доступных компонентов, легко наносится на рельс, обладает высокой эффективностью и оказывает минимальное экологическое воздействие на человека и окружающую среду. Полученные аппроксимирующие зависимости позволяют достаточно точно прогнозировать износ в паре трения «колесо -рельс» в зависимости от состава смазочной композиции.
Вывод
Составлены математические модели последействия смазочных композиций в системе «коле-
со - рельс». Аппроксимирующие зависимости позволяют достаточно точно прогнозировать износ в паре трения «колесо - рельс» в зависимости от состава смазочной композиции.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Смазывание рельсов как средство уменьшения шума// Железные дороги мира. 2000. №7. С. 64 - 66.
2. Гурвич Л.В., Карачевцев Г.В., Кондратьев В.Н., Лебедев Ю.А., Медведев В.А., Потапов В.К., Ходеев Ю.С. Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону. - М.: Наука. 1974. С. 351.
3. Карпущенко Н.И. Смазка - единственный способ предупреждения износа // Путь и путевое хозяйство. 2000. №2. С.15 - 18.
4. Марков Д.П. Триботехнические характеристики элементов пары трения колесо-рельс // Трение и износ. 1995. Т. 16. №1. С. 138 - 156.
5. Пашолок И.Л., Харитонов В.Б. О возможном повышении износостойкости железнодорожных колес // Вестник ВНИИЖТ. 1997. №1. С. 32 - 36.
6. Хоменко А.П., Воротилкин А.В., Винокуров Д.И., Гозбенко В.Е., Гоготов А.Ф., Дронов В.Г., Каргапольцев С.К., Корчевин Н.А., Чуринова О.В., Якимова Г.А. Использование хлорированного лигнина в качестве противозадирной присадки в смазочных композициях для тяже-лонагруженных узлов трения. Патент РФ на изобретение № 2439138. Бюл. № 1. 10.01.2012.
