CC BY
41
УДК 625 .1+621.893 Винокуров Дмитрий Ильич,
аспирант ИрГУПС, тел. (3952) 638-357 Гозбенко Валерий Ерофеевич,
д. т. н., профессор, ИрГУПС, тел. (3952) 638-357
СОЗДАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ НОВЫХ СМАЗОЧНЫХ КОМПОЗИЦИЙ ДЛЯ ЛУБРИКАЦИИ ИЗ ОТХОДОВ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
Vinokurov D.I., Gozbenko V.E.
CREATION AND MODELLING OF NEW LUBRICANT COMPOSITIONS OF CHEMICAL MANUFACTURE WASTE
Аннотация. Решена научно-техническая задача снижения износа в паре колесо - рельс путем создания и применения новых смазочных композиций на основе низкомолекулярного полиэтилена и полимера лигнина. Исследованы характеристики созданных смазочных композиций. Составлены математические модели последействия смазочных композиций. Показано, что использование новых смазочных композиций позволяет снизить износ.
Ключевые слова: лигнин, смазочная композиция, трение, износ, полимер, присадки, моделирование.
Abstract. The scientific and technical problem of decrease in deterioration in a wheel-rail pair by creation and application of new lubricant compositions on the basis of low-molecular polyethylene and polymer lignine is solved. Characteristics of the created lubricant compositions are investigated. Mathematical models of lubricant compositions aftereffect are made. It is shown that use of new lubricant compositions allows to lower deterioration.
Keywords: lignine, lubricant composition, friction, deterioration, polymer, additives, modelling.
Актуальность проблемы
В развитии любой отрасли, в том числе и на железнодорожном транспорте, разработка ресурсосберегающих технологий является приоритетным направлением.
Трение, возникающее между гребнем колеса и боковыми гранями рельсов на прямых, а особенно на криволинейных участках пути, неизбежно приводит к износу бандажей колёсных пар и рельсов, а также к росту затрат на тягу поездов. На сегодняшний день боковой износ рельсов и колёс
в 3-6 раз превышает предусмотренные нормативы, в связи с чем срок их службы в 3-4 раза ниже нормативного.
Основные эффективные пути снижения износа в паре колесо - рельс:
1. Увеличение степеней свободы тележки по отношению к кузовной части подвижного состава, которое может быть достигнуто путем модернизации люлечного подвеса кузова экипажа.
2. Увеличение подуклонки рельсов до 1/15 способствует снижению изнашивания рельсов в 1,2...1,4 раза, особенно в начальный период работы рельсов, что позволяет рекомендовать укладывать рельсы с подуклонкой 1/12.1/15 за счет клиновидных деревянных или резиновых прокладок с переходом в дальнейшем на серийное производство рельсовых прокладок с подуклонкой 1/15.
3. Повышение твердости сталей колес и рельсов и упрочнение их рабочих поверхностей.
4. Уменьшения износа в паре трения колесо -рельс путем снижения температуры непосредственно в зоне контакта. Резкое снижение температуры в этой зоне достигается подачей охлаждающего агента.
Несмотря на эффективность снижения износа, данные направления сопряжены с большими капитальными вложениями, в связи с чем использование смазочных композиций на данный момент является более приоритетным направлением.
Нанесение смазки в зону трения колесо -рельс позволяет существенно снизить интенсивность износа рельсов в кривых и колёс подвижно-
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
го состава, а также дает экономию расхода топлива или электроэнергии на движение поезда.
Многочисленные экспериментальные исследования и эксплуатационные испытания в российской и мировой практике показывают, что смазывание рельсов позволяет увеличить срок их службы, снизить расход энергии на тягу поездов и уменьшить шум, а следовательно снизить затраты.
В связи с этим разработка новых смазочных композиций и исследование возможности их применения на железнодорожном транспорте применительно к условиям различных регионов является актуальной задачей при решении проблем снижении износа в паре колесо - рельс и расходов энергии на тягу поездов.
Анализ литературных данных показал, что при взаимодействии колеса с рельсом возникает комплекс физических явлений, который определяет их разрушение (износ) [1-8, 10-12].
Помимо факторов, считающихся основными (скольжение гребня по боковой поверхности головки рельса, удельное давление гребня на боковую грань головки рельса), на износ в паре колесо - рельс оказывают влияние и другие. Особенностью взаимодействия пары колесо - рельс является нестационарность режима трения, которая выражается в непрерывном изменении условий в зоне контакта пары, физико-механических и фрикционно-износных свойств материалов пары.
Путём анализа методов и приемов снижения износа установлено, что наиболее простым и наименее затратным способом является использование смазочных композиций на основе отходов местного химического и целлюлозно-бумажного производства.
Многочисленные экспериментальные исследования и эксплуатационные испытания в российской и мировой практике показывают, что смазывание рельсов позволяет увеличить срок их службы, снизить расход энергии на тягу поездов и уменьшить шум, а следовательно, снизить затраты.
С 1997 года на ВСЖД в качестве смазочных композиций широко применяют отработку дизельного масла, как в чистом виде, так и с добавлением графита, вместо смазок РС-6, РП-1. Несмотря на высокие антифрикционные свойства отработанного дизельного масла, смазка оказалась неэффективной, что было обусловлено быстрым стеканием смазки с рельса из-за недостаточной вязкости и адгезии. Кроме того, суспензия мелкораздробленного графита в масле не сохраняет свои свойства ввиду быстрого оседания графита.
Разработка новых смазочных композиций на основе использования низкомолекулярного полиэтилена
Новые смазочные композиций разработаны на основе низкомолекулярного полиэтилена. Низкомолекулярный полиэтилен (НМПЭ) - отход производства многотоннажного продукта - полиэтилена высокого давления. В качестве жидкого компонента, придающего смазочной композиции необходимую консистенцию, обычно используют минеральное масло или другие продукты переработки нефти.
В качестве смазок, как правило, используют композиции из нескольких компонентов, при этом смазочные композиции должны удовлетворять ряду требований:
1. Они должны эффективно уменьшать трение и износ при контакте гребня колеса и боковой поверхности головки рельса.
2. Используемая композиция должна легко наносится в зону контакта и удерживаться на боковой поверхности рельса.
3. Компоненты смазочной композиции должны быть доступными и недорогими материалами.
4. Компоненты и получаемая композиция не должны оказывать влияния на окружающую среду и быть нетоксичными для человека.
Наиболее близкой к заявляемым требованиям является смазочная композиция, 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. Однако в производственных условиях получение высокодисперсного кокса требует больших затрат и надежной классификации частиц кокса после диспергирования. Попадание частиц кокса крупнее 0,100 мм в смазочную композицию приводит к их механическому воздействию на материал рельса и гребня колеса и даже к увеличению износа.
Вышеуказанный недостаток устранён в смазочной композиции на основе низкомолекулярного полиэтилена, где в качестве антифрикционной компоненты предлагается использовать отход переработки древесины на гидролизных предприятиях - лигнин,а также лигнин, частично модифицированный хлором или гипохлоритом.
Рис. 1. Структура элементарного звена лигнина
Лигнин представляет собой природный сшитый полимер, который остается после извлечения из древесины целлюлозы и других составляющих. В настоящее время этот отход производства гидролизных и целлюлозно-бумажных предприятий не находит квалифицированного применения. Сотни тонн лигнина загрязняют окружающую среду. Очень незначительное число бактерий могут им питаться, что не позволяет справится с переработкой лигнина естественным путём.
С использованием этого отхода предлагается 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.
Синтез полимеров, входящих в состав смазочной композиции, осуществлялся в лабораторных условиях в стандартном стеклянном реакторе. Химический состав определен в аналитической лаборатории ИрИХ СО РАН методами микроанализа. Смазочные композиции, содержащие НМПЭ, отработанное дизельное масло и другие компоненты готовились путем нагрева НМПЭ до ~90 °С и добавлялись при интенсивном перемешивании в предварительно нагретое (~70 °С) дизельное масло. В полученную однородную смесь добавляли другие компоненты, такие как лигнин и хлор-лигнин. Соотношение НМПЭ и отработанного дизельного масла (ОДМ) выбиралось таким образом, чтобы обеспечить необходимую консистентность смазки.
Оценка физических и химических свойств предлагаемых смазочных композиций
Оценка свойств разработанных смазочных композиций проведена в лабораторных условиях с использованием машины трения ИИ 5018, применительно к условиям взаимодействия колес подвижного состава с рельсом. Машина трения предназначена для испытания на износ металлов и определения их антифрикционных свойств при различных видах трения. Она позволяет осуществлять поперечное, переменное по направле-
нию перемещение одного из образцов, а также прикладывать нагрузку толчками, воспроизводя взаимодействие пары колесо - рельс, присущее железнодорожному транспорту.
В качестве образцов использовались ролики стандартных размеров, которые были изготовлены из марок стали, применяемых для производства как рельсов (Р-65), так и колес. Износ роликов определялся методом гравиметрии - путём взвешивания на аналитических весах с точностью до 0,0001 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 в лигнин хлора. 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
Д =
an_
•100,%,
где I&, 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 х, y, z на износ Ip. Стати-
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
Износ опытных роликов
Таблица 1
№ смазки Состав смазочной композиции, % Износ I,г А, %
Дизельное масло, х НМПЭ, у Лигнин, 2 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 1йя = 1,587 1,603
*Вместо лигнина использован хлорлигнин.
Критерии достоверности регрессионных зависимостей
Таблица 2
Номер формулы Коэффициент детерминации, % Критерий Дарбина - Уотсона Стандартная ошибка, 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
стические критерии достоверности регрессионных зависимостей приведены в табл. 2. Для ПР:
1р = 1,5253 - 0,1526х + 0,00381*2; (1)
1р = 1,5872 - 0,0470у + 0,00037у2; (2)
1р = 1,5136 - 0,1506г + 0,00381г2. (3) Для НР:
1р = 1,5442 - 0,1467* + 0,00358*2; (4)
1р = 1,6019 - 0,0483у + 0,00040у2; (5)
1р = 1,5311 - 0,1440г + 0,00356г2. (6)
Анализ полученных зависимостей позволил предложить следующие множественные уравнения регрессии, позволяющие прогнозировать величину износа по компонентному составу смазки: для ПР:
1р = 1,5750 - 0,8264( хуг )0'0563; (7)
для НР:
1р = 1,57183 - 0,000225хуг +1,04 • 10-6 (хуг )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. Доверительные интервалы прогноза I ± tS (^ =1,895 -
критерий Стьюдента, S =
V
I [ и (О - 1Г ('•)]'-
п - 3
стандартная ошибка, см. табл. 2) для регрессионных моделей (7), (8) для уровня значимости 0,10 и числа степеней свободы п - 3 = 7.
Анализ табл. 3 и табл. 1 показывает, что экспериментальное значение износа попадает в интервалы прогноза, заданные нижней и верхней границами.
Также представлен анализ противозадирных присадок на основе полисульфидных полимеров, влияние их состава на защитные свойства смазки.
•=1
Таблица 3
Прогнозные оценки износа при изменения состава смазки__
Ролик, уравнение Состав близок X У ъ Прогноз Нижняя Верхняя
регресии к опыту № износа, I ,г граница граница
1Р - я, 1Р + я,
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
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. Поэтому в некоторые рельсовые смазки вводят серу и щелочь, которые, образуя поверхностные сульфиды, упрочняют поверхности трения колеса и рельса. Однако, как отмечалось, введение щелочи и поверхностно-активных веществ ухудшает другие эксплуатационные свойства смазки (повышается коррозионное воздействие и воздействие на окружающую среду). Поэтому более эффективна не сама сера, а ее соединения.
Уже отмечалось, применяемые сернистые присадки представляют собой труднодоступные вещества, имеющие высокую стоимость. В большинстве случаев их физико-химические характеристики, такие как горючесть, токсичность, ограничивают широкое использование в смазочных композициях.
В качестве противозадирной присадки в композиции для лубрикации рельсов впервые
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 и отработанного дизельного масла локомотивов.
В табл. 4 представлены результаты лабораторных испытаний на машине трения смазочных композиций, содержащих 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 снова продолжали опыт в течение еще трех часов.
Результаты испытаний свидетельствуют о том, что введение в смазку полимерной присадки, содержащей серу, не только сохраняет и улуч-
Таблица 4
Влияние состава полисульфидного полимера на защитные свойства смазки
Количество ча-
сов работы со 1 час 2 часа 3 часа 4 часа 6 часов
смазкой
Количество ча- 3 часа 6 часов 3 часа 6 часов 3 часа 6 часов 3 часа 6 часов 3 часа 6 часов
сов работы без смазки ПР НР ПР НР ПР НР ПР НР ПР НР ПР НР ПР НР ПР НР ПР НР ПР НР
С мазка № 1 (полимер из Иа^) 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 №252) 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 0,24" 0,853 0,871 0,189 0,183 0,394 0,437
Смазка № 3 (полимер из 0,412 0,434 0,812 0,796 0,357 0,371 0,732 0,"41 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 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 0,1"1 0,293 0,287
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
шает 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 колеса при прохождении криволинейных участков не только при непосредственном нахождении смазки в зоне трения, но и спустя некоторое время после ее полного удаления.
Используемые серосодержащие полимерные противозадирные присадки можно с точки зрения их химического состава классифицировать на две группы:
1. Полимеры с высоким содержанием серы и низким содержанием хлора. В молекулах этих веществ содержится большое количество полисульфидных цепочек Sn с величиной п от 2 до 4. Под действием механических нагрузок и локальных температур связи -С-8- и -8-8- в полимерах разрываются, что определяет появление в зоне трения «активной серы», способной взаимодействовать с поверхностными атомами металла. Этим обеспечивается сульфидирование поверхности. Вопросам сульфидирования поверхности при использовании серосодержащих присадок в литературе по трению и износу уделяется достаточное внимание. В работе было исследовано образование поверхностных соединений в зоне трения при использовании различных серосодержащих присадок. При этом убедительно показано, что при использовании органических сульфидов и дисульфидов на поверхности образуются сульфиды железа, а при использовании меркаптанов - мер-каптиды железа Fe(SR)2. Все химические реакции протекают только за счет энергии трения. Очевидно, что и использование полимеров с полисульфидными цепочками должно приводить к образованию поверхностных сульфидов железа. Однако в этом случае нельзя отрицать и образования полимерного покрытия на поверхности металла за счет хемосорбции полимера, которая также предотвращает износ.
2. Полимеры со сравнительно низким содержанием серы и высоким (до 15 %, масс.) содержанием остаточного хлора. Сера в их структуре входит в основном в виде сульфидных звеньев С-Б-С, а хлор, опираясь на данные работы [9],
вероятнее всего - в основном виде фрагментов СНС1 с атомом хлора около центрального атома углерода пропановой цепочки. В силу пространственного строения полимера можно ожидать высокую экранированность атомов хлора другими частями молекулы.
Первичным актом при образовании поверхностных соединений любого типа (сульфидов или хлоридов железа) должен быть разрыв связей в полимерной молекуле за счет термического и механического воздействия в паре трения. В табл. 5 представлены значения энергии связей, присутствующих в молекуле полимеров, используемых в качестве противозадирной присадки.
Из табл. 5 следует, что наиболее легко разрываться должны сульфидные и полисульфидные связи. То есть сульфидирование поверхностей трения должно происходить предпочтительнее (легче и быстрее), чем хлорирование (особенно для полимеров с высоким содержанием серы).
Результаты измерения износа роликов, которые проработали определенное число часов со смазкой и далее 3 или 6 часов без смазки, представлены на рис. 1 и 2.
о л
3 4 5 6
Часы работы со смазкой
Рис. 1. Износ роликов при использовании
в смазке полимера № 1 и № 4: о - смазка № 1, работа без смазки у = 6 ч; • - смазка № 1, у = 3 ч; А - смазка № 4, у = 6 ч; ▲ - смазка № 4, у = 3 ч
Таблица 5
Значения энергии связей (Е) [1]
Связь С-С С-Н С-Б Б-Б С-С1
Е, кДж/моль 344 415 259 182 328
Часы работы со смазкой
Рис. 2. Износ роликов при использовании в смазке полимеров № 2 и № 3: •- смазка № 2, у = 3 ч; ▲- смазка № 3, у = 3 ч; о- смазка № 2, у = 6 ч; А - смазка № 3, у = 6 ч
Из рисунков видно, что полимеры с большим содержанием серы уже после одного часа работы со смазкой дают положительный результат, то есть способствуют снижению бокового износа и после удаления смазки. Очевидно, что этого времени достаточно, чтобы происходило сульфи-дирование поверхности, то есть в зоне контакта образовалась сульфидная пленка, которая упрочняет и защищает контактирующую поверхность от износа.
Полимеры, содержащие больше остаточного хлора (смазка 1) также проявляют защитный эффект, но он становится заметным только после трех часов работы пары трения со смазкой. Здесь происходит замедленное образование сульфидов, образование хлоридов не может происходить быстро в силу указанных выше причин (экраниро-ванность атомов хлора другими частями молекулы полимера и высокая энергия связи С-С1).
Полимеры со средним содержанием серы
и остаточного хлора (рис. 2) проявляют защитный эффект уже после одного часа работы со смазкой, и кривые для них более плавные. На основании этого можно сделать вывод, что защитный эффект присадке приносят как атомы серы, так и атомы хлора.
Присадки, содержащие серу и хлор, являются универсальными, ведут себя удовлетворительно как в режимах высоких нагрузок, так и при высоких скоростях и низких нагрузках. Сера снижает трение и усиливает противозадирный эффект, обеспечиваемый хлором.
Математическое моделирование
разработанных смазочных композиций
Для количественного описания влияния содержания серы и хлора в полимерных присадках на износ получены регрессионные уравнения общего вида Ip = f(t) , где Ip - износ за х часов работы без смазки, а t - часы предварительной работы со смазкой. В табл. 6 приведены полученные уравне-
Таблица 6
Регрессионные уравнения модели износа_
Ролик № смазки х = 3 часов работы без смазки х = 6 часов работы без смазки
ПР 1 1р = 0,8484 - 0,2550Т + 0,0166/2 (9) 1р = 1,2860 + 0,1115/- 0Д4241' (10)
НР 1 1р = 0,8533 - 0,1946/ + 0,01142 (11) I = 1,6033- 0,1844/ (12)
ПР 2 I = 0,6940 - 0,0880? (13) I = 1,4880 - 0,1700/ (14)
НР 2 I = 0,7011 - 0,0918? (15) I = 1,4984 - 0,1701/ (16)
ПР 3 I = 0,4445 - 0,0435? (17) I = 0,8790 - 0,0845/ (18)
НР 3 I = 0,4673 - 0,0494? (19) I = 0,8874 - 0,0878/ (20)
ПР 4 1р = 0,4301 - 0,0971/ + 0,0093i2 (21) I = 0,8184- 0,0902/ (22)
НР 4 1р = 0,43554- 0,1090/ + 0,01042 (23) I = 0,8241 - 0,0938/ (24)
Номер формулы Коэффициент детерминации, % Критерий Дарбина -Уотсона Стандартная ошибка, 5, 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
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
Таблица 7
Уотсона
Стандартная ошибка, г
Сред. абс. ошибка, г
2,680
0,089
0,051
2,730
0,146
0,083
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
ния регрессии, критерии достоверности которых указаны в табл. 7. При выборе аппроксимирующих зависимостей исходили из максимизации критерия детерминации Я2 . Если разница в значениях Я2 для нелинейной и линейной регрессий была невелика, то выбирали линейную регрессию.
На рис. 3 в качестве примера сопоставлены результаты расчета по модели (16) с экспериментальными данными.
Действительное значение I) для аргумента ^ можно представить в виде
I (I,) = 1р (I,) + е,,
где - значение износа, вычисленное по уравнению (16) для времени работы без смазки 4 I - номер опыта, е{ = 1э ) - 1р ) - величина остатка,
случайная, ненаблюдаемая переменная. На рис. 5 приведена зависимость в1 от I (11) .
Как видно из рис. 3-5, 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-го, 3-го и 4-го порядков лучше описывает экспериментальные данные, их прогностические
характеристики (прогноз увеличения работы со смазкой больше 6 часов) лишены физического смысла. Для уравнения второго порядка износ становится отрицательным, а для полиномов 3 и 4 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.
Рис. 3. Зависимость износа I от времени ^ работы без смазки: точки - опытные данные, линия - уравнение регрессии
Рис. 4. Зависимость экспериментальных значений износа (1э ) от предсказанных по формуле (16) значений (1Р)
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
:
;
; п -В—
:
: д
0,43 0,63 0,83 1,03 1,23 1,43 ^
Рис. 5. Зависимость остатков £
от предсказанных значений 1р, вычисленных по уравнению регрессии (8)
В целом защитное действие смазки лучше всего описывается экспоненциальной зависимостью износа от времени работы машины трения со смазкой (у = ае-Ьх), 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.
Заключение
1. Решена задача снижения износа в паре колесо - рельс путем применения новых смазочных композиций на основе низкомолекулярного полиэтилена и природного полимера лигнина применительно к условиям ВСЖД - филиалаОАО «РЖД».
2. Созданы новые смазочные композиции на основе низкомолекулярного полиэтилена для
процесса лубрикации пары колесо - рельс, что позволило снизить затраты на лубрикацию и частично решить проблему утилизации отходов химического производства (лигнина, нефтяного кокса, низкомолекулярного полиэтилена).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону / Гурвич Л. В., Карачевцев Г. В., Кондратьев В. Н., Лебедев Ю. А., Медведев В. А., Потапов В. К., Ходеев Ю. С. М. : Наука. 1974. 351 с.
2. Карпущенко Н. И. Смазка - единственный способ предупреждения износа // Путь и путевое хозяйство. 2000. № 2. С. 15-18.
3. Коган А. Я. Оценка износа рельсов и бандажей колесных пар при движении в кривых участках пути // Вестн. ВНИИЖТ. 1990. № 2. С. 36-40.
4. Крапивный В. А. Программа снижения износа рельсов и колесных пар // Железнодорожный транспорт. 1995. № 11. С. 30-33.
5. Лысюк В. С. Причины и механизм схода колеса с рельса. Проблема износа колес и рельсов. М. : Транспорт. 1997. 188 с.
6. Марков Д. П. Триботехнические характеристики элементов пары трения колесо-рельс // Трение и износ. 1995. Т. 16, № 1. С. 138-156.
7. Пашолок И. Л., Харитонов В. Б. О возможном повышении износостойкости железнодорожных колес // Вестн. ВНИИЖТ. 1997. № 1. С. 32-36.
8. Перцев А. Н. О причинах износа колес и рельсов // Железнодорожный транспорт. 1998. № 12. С. 50-51.
9. Смазывание рельсов как средство уменьшения шума // Железные дороги мира. 2000. №7. С. 64-66.
10.Шишмарев А.А., Никулин А.Н., Коротаев Б.В. О влиянии ширины колеи на износ рельсов // Путь и путевое хозяйство. 1999. № 5. С. 16-18.
11.Шур Е. А., Бычкова Н. Я. Влияние внутренних факторов на износ рельсовой и колесной стали. Трибология и транспорт : материалы науч.-практ. симп. Рыбинск : 1995. Кн. 3.
12.Эрадзе Д. Г., Карпачевский Г. В. Влияние ширины колеи на износ рельсов и гребней колес // Путь и путевое хозяйство. 1999. № 1. С. 14-16.
