CC BY
45
УДК 629.423.32:621.38
А. А. Калинина
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ РЕАЛИЗАЦИИ СЦЕПНОГО ВЕСА ЭЛЕКТРОВОЗОВ
Рассмотрен способ увеличения коэффициента сцепления за счет очистки поверхностей катания с помощью лазерного излучения. Определен коэффициент трения взаимодействующих поверхностей. Приведены результаты очистки, произведена оценка влияния лазерного излучения на обрабатываемые поверхности.
боксование колесных пар, коэффициент трения, лазерное излучение, импульсный иттербиевый волоконный лазер, твердость материалов.
Введение
Проблема использования сцепного веса локомотивов является актуальной для железных дорог с интенсивным грузовым движением, так как даже при идеальных погодных условиях имеет место боксование колесных пар. Это связано со значительным загрязнением поверхности рельсов (измельченный песок, нефтепродукты, опавшая листва, обледенение и т. д.).
Существуют различные способы увеличения коэффициента сцепления:
механическая очистка рельсов (дает ощутимый эффект при скоростях до 20 км/ч);
нанесение на головку рельса равномерного слоя этиловых соединений (при обилии воды на рельсах эффекта не дает);
электроискровая обработка (вызывает повышенный износ поверхностей бандажей и рельсов);
использование воды под большим давлением (эффективно при скоростях движения до 30 км/ч и положительных температурах;
песок повышает коэффициент трения, однако в дальнейшем становится составной частью загрязняющей смазочной пленки.
Одним из перспективных направлений решения проблемы является использование лазерного излучения для очистки рабочих поверхностей рельсов и колесных пар, важнейшим преимуществом этого способа является минимальный дополнительный износ поверхностей.
1 Принцип лазерной очистки
Для очистки излучение лазера фокусируют на поверхности детали так, чтобы плотность мощности излучения за период импульса приводила к быстрому повышению температуры поверхностного слоя до температуры его быстрого разрушения (испарения или сублимации) (рис. 1).
Лазерное излучение
Рис. 1. Принцип лазерной очистки
Для обработки поверхности лазерный пучок развертывают в линию с высокой скоростью, обрабатывая полосу материала. Линию обработки перемещают относительно поверхности. Производительность зависит от мощности лазера, частоты импульсов, толщины и состава удаляемого слоя, а также поглощающих свойств поверхности (рис. 2).
Лазерное излучение с линейной разверткой
<---►
Рис. 2. Обработка полосы материала
При удалении покрытий или пленок их локально разогревают до температуры, превышающей порог испарения, не подвергая при этом основной материал термическому воздействию. Благодаря этому пленку удается удалить без ущерба для основного материала. Обрабатываемая поверхность не успевает разогреться из-за слишком малого общего количества вводимой энергии. Поскольку испарение материала пленки происходит абсолютно локально, образующийся пар и частицы материала пленки могут успешно улавливаться и отводиться, не попадая в атмосферу [1].
2 Использование технологического лазера для очистки поверхности рельса
Первый опытный образец лазера для очистки рельсов, разработанный компанией «Laserthor», обеспечивал мощность импульса 450 кВт при длительности импульсов 60 нс с частотой следования 25 кГц (рис. 3). Твердотельный с диодной накачкой, он ранее был использован на мобильной установке для скоростной очистки высоковольтных опор. Опытный образец лазера имел повышенную устойчивость к вибрациям и ускорениям в широком диапазоне температур [2].
Рис. 3. Первый опытный образец лазера для очистки рельсов
В 2003 г. для эксплуатационных испытаний было разработано несколько лазеров с двумя световодными выходами мощностью по 1 кВт с наиболее совершенной рабочей оптикой. Рабочая оптика на волоконнооптическом световоде монтировалась над рельсом неподвижно. Во время испытаний очищались полосы шириной 10-20 мм по длине рельса. Степень очистки оценивалась по результатам измерения коэффициента трения до и после лазерной обработки. Для исключения термического воздействия на основной материал рельсов при снижении скорости движения поезда до 5 км/ч автоматически отключался лазер [2].
Лазерные технологии стремительно развиваются и размеры лазеров существенно уменьшаются, что позволит в скором времени монтировать лазер непосредственно под кузовом подвижного состава [3].
Для оценки эффективности лазерной очистки были взяты пробы загрязнений рельсов в локомотивных депо и на вокзалах и выполнен анализ их состава. Эти загрязнения наносились на поверхность рельса марки Р65 и бандаж. Коэффициент трения определялся при различных загрязнениях. Результаты опытов представлены в табл. 1.
ТАБЛИЦА 1. Определение коэффициента трения
Депо Проба загрязнения Коэффициент трения
ТЧ15 Песок (грунт) 0,28
м Грунт 0,27
м Соскоб с рельса 0,42
Балтийский вокзал м 0,34
М Грунт 0,30
м Соскоб с рельса 0,37
Финляндский вокзал Грунт 0,27
М Соскоб с рельса 0,39
ТЧ20 м 0,32
м Грунт 0,27
Масло 0,23
Масло с песком 0,25
Гистограмма зависимостей коэффициента трения от характера загрязнения поверхности рельса и места взятия пробы приведена на рис. 4. Наибольший коэффициент трения наблюдался при загрязнении поверхностей колеса и рельса сухими образцами соскоба с рельса, наименьший - при загрязнении рельса маслом. Диапазон изменения коэффициента трения нахоится в пределах 0,23-0,42.
Для лазерной очистки в экспериментах был использован импульсный иттербиевый волоконный лазер (длительность импульса - 100 нс) (рис. 5).
Коэффициент трения
0,45 -0,4 -0,35 -0,3 -0,25 -0,2 -0,15 -0,1 -0,05 -0 -
Песок
(грунт)
Грунт Соскоб ТЧ15 с рельса
Соскоб Грунт Соскоб с рельса с рельса
Балтийский вокзал
Г рунт Соскоб
с рельса
Финляндский вокзал
Соскоб с рельса
Грунт Масло
ТЧ20
Масло с песком
Характер загрязнения и место взятия пробы
Рис. 4. Зависимость коэффициента трения от характера загрязнения поверхности рельса
Рис. 5. Внешний вид установки:
1 - лазерный модуль; 2 - блок управления,
3 - сканатор; 4 - объектив плоского поля
Установка (рис. 5) предназначена для сухой очистки: сварных кромок и швов, металлов и сплавов от окалины, металлических и каменных поверхностей от загрязнений органического и неорганического происхождения, металлизированных покрытий от остатков краски, коррозионных слоев и т. д. Установка (прибор ИЛМИ-1-50) отличается малым потреблением мощности, может быть использована в полевых условиях. Основные характеристики прибора представлены в табл. 2.
Для очистки были использованы следующие параметры лазера:
1) мощность излучения Р = 20 Вт, площадь обрабатываемой
поверхности = 54 см2;
2) мощность излучения Р = 50 Вт, площадь обрабатываемой
поверхности S^p = 54 см2;
3) мощность излучения Р = 50 Вт, площадь обрабатываемой
поверхности S^ = 6 см2.
На рис. 6 представлен снимок, сделанный через объектив микроскопа МСП-1 с увеличением в 10 раз, на рис. 7 - с увеличением в 40 раз. Мощность излучения лазера Р = 50 Вт. Отчетливо видны границы очищенной поверхности и поверхности, не обработанной лазером.
ТАБЛИЦА 2. Характеристики лазерной установки
Характеристика Min Типовое устройство Max
Диапазон рабочих температур, °С 0 42
Метод охлаждения 3 вентилятора
Время прогрева, с 120
Габариты, ДхШхВ, мм 215x95x286
Вес, кг 10
Режим работы Импульсный
Центральная длина волны, нм 1062 1070
Длительность импульса на частоте 50 кГц, нс 100 120 140
Частота следования импульсов, кГ ц 50 100
Номинальная энергия в импульсе, мДж 1,0
Диаметр выходного пучка, мм 6,0 9,0
Напряжение питания, В 23 24 25
Максимальная скорость перемещения луча, м/с 4
Рис. 6. Результат очистки поверхности рельса лазером при Р = 50 Вт (увеличение в 10 раз)
Для оценки влияния лазерного излучения на обрабатываемый материал была измерена твердость бандажа и рельса до и после лазерной очистки с помощью динамического измерителя твердости «Элит-2Д». Прибор предназначен для измерения твердости на поверхности изделий из конструкционных сталей. Он состоит из электронного блока, помещенного в металлический корпус, и датчика цилиндрической формы, жестко соединенного с корпусом. Принцип действия прибора основан на измерении отношения скоростей подлета и отскока от поверхности изделия бойка с ударным наконечником из твердого сплава. Результаты измерений твердости представлены в табл. 3 и 4.
Рис. 7. Результат очистки поверхности рельса лазером при Р = 50 Вт (увеличение в 40 раз)
ТАБЛИЦА 3. Твердость рельса
Режим очистки HRC HR-Сср HB НВср
До очистки 41,1 378
43,8 385
40,1 42,2 390 386
43,1 385
40,8 384
44,8 404
Р = 20 Вт, 42,3 349
^обр = 54 см2 44,5 367
43,4 41,95 376 371,9
40,1 384
40,2 361
41,2 392
Р = 50 Вт, 39,2 367
^обр = 54 см 41,6 385
40,2 40,3 388 384,7
40,5 397
38,9 384
41,9 387
Р = 50 Вт, 39 390
^обр = 6 см 40,4 390
41,1 40,42 390 387,6
41,7 382
39,3 389
41,0 385
По результатам измерений можно сделать вывод о том, что использование лазера для очистки поверхностей не оказывает существенного влияния на твердость материала. Значения изменения твердости рельсов находятся в допустимых пределах [4].
ТАБЛИЦА 4. Твердость бандажа колесной пары
Режим очистки HRC HR^ HB НВср
До очистки 36,4 353
34,1 335
36,5 35,88 355 350
37,4 361
35 343
Р = 50 Вт, 35,9 349
Sобр = 48,75 см2 35,9 349
34,8 35,1 347 344
34,8 341
33,8 333
Р = 50 Вт, 34,3 342
Sобр = 13,5 см2 35,4 345
33,8 34,9 335 343
35,7 347
35,2 344
Заключение
Использование лазеров для очистки рельсов позволит повысить тягово-сцепные свойства подвижного состава, уменьшит износ тягового привода и поверхностей катания колеса и рельса, а также снизит загрязнение окружающей среды.
Библиографический список
1. High speed cleaning of rails by laser radiation / D. Hoffman et al Elektrische Bahnen. - 2004. - PP. 383-388.
2. Laser cleaning of rails surface / Modern Railways. - 2002. - № 650. - PP. 16-18.
3. Пат. 64161 Российская Федерация, МПК В 61 С 15/08, В 60 L 3/10.
Устройство для увеличения сцепления колесных пар электроподвижного состава с рельсами / Мазнев А. С., Евстафьев А. М.; заявитель и патентообладатель Петербургский гос. ун-т путей сообщения. - № 2007107209/22; заявл. 26.02.2007; опубл. 26.02.2007, Бюл. № 18. - 5 с. : 1 ил.
4. ГОСТ Р 51685-2000. Рельсы железнодорожные. Общие технические условия. -Введ. 2001-07-01. - М. : Изд-во стандартов, 2001. - 27 с. : ил.; 29 см.
Статья поступила в редакцию 30.04.2010;
представлена к публикации членом редколлегии А. Н. Марикиным
УДК 656.212.5.073
