CC BY
63
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
УДК 625.1 + 621.893 Винокуров Дмитрий Ильич,
аспирант ИрГУПС, тел.: (3952) 638-357 Гозбенко Валерий Ерофеевич, д-р техн. наук, профессор, зав. лабораторией «Динамика транспортных систем» ИрГУПС,
тел.: (3952) 638-357, e-mail: [email protected] Якимова Галина Анатольевна, канд. хим. наук, доцент кафедры «Химия», e-mail: [email protected] Корчевин Николай Алексеевич, д-р хим. наук, профессор, зав. кафедрой «Химия» ИрГУПС
ТРИБОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ В ЗОНЕ ТРЕНИЯ
КОЛЕСО-РЕЛЬС ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НЕТРАДИЦИОННЫХ СМАЗОЧНЫХ КОМПОЗИЦИЙ
D.I. Vinokurov, V.E. Gozbenko, G.A. Yakimova, N.A. Korchevin
TRIBOCHEMICAL REACTIONS IN WHEEL-RAIL FRICTION ZONE WITH THE USE OF NONCONVENTIONAL
LUBRICATE COMPOSITIONS
Аннотация. Для снижения износа боковых граней рельсов и гребней колес используется луб-рикация рельсов. В данной статье обсуждается возможность использования для лубрикации нетрадиционных смазочных материалов, которые представляют собой отходы химических и смежных производств Восточно-Сибирского региона. Рассмотрены химические реакции, определяющие защитное действие предлагаемых материалов и протекающие только в условиях механического воздействия в зоне трения колесо-рельс.
Ключевые слова: система колесо-рельс, лубрикация, трибохимические реакции, смазочные материалы.
Abstract. Rail lubrication is used for lowering of rail sides and wheel crests wear. Possibilities of nonconventional lubricate materials use are discussed in the article. These materials are wastes of chemical and adjacent branches of Eastern Siberian region industry. The chemical reactions which determine the protect effect of the materials and have been going only with mechanical action in wheel-rail friction zone are considered.
Keywords: wheel-rail system, lubrication, tri-bochemical reactions, lubricate materials.
Уменьшение износа боковых граней рельсов на криволинейных участках пути и гребней колес подвижного состава является важной задачей современного железнодорожного транспорта [1, 2]. Рациональное решение этой задачи не только увеличивает срок службы колес и рельсов, но и во
многих случаях приводит к снижению расходов электроэнергии на тягу поездов [3].
Уменьшение износа в виду сложности взаимодействия в системе колесо-рельс является комплексной проблемой, и для ее решения используется комплекс мероприятий как технического характера (подуклонка рельсов, возвышение наружного рельса, модернизация люлечного подвешивания, повышение твердости материалов колес и рельсов и др.), так и технологического (снижение температуры в зоне трения, использование смазки). Несмотря на разнообразие подходов, многие исследователи признают, что нанесение смазки в зону контакта колесо - рельс в кривых, является наиболее эффективным методом снижения износа [4]. В качестве смазочных материалов традиционно применяют смазки, используемые в других областях техники. К ним относятся, как правило, достаточно сложные по составу смазочные композиции на основе графита, дисульфида молибдена, синтетических смазочных масел и других компонентов, главным недостатком которых является высокая стоимость [1].
Однако система колесо - рельс существенно отличается от обычных узлов трения. Нагрузки, которые возникают в этой системе при трении вследствие высокой массы поезда и высокой скорости его движения значительно превосходят нагрузки, появляющиеся даже в высоконагруженных системах, таких как редукторы, двигатели и др. Механические воздействия, действующие хотя и непродолжительное время, провоцируют
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
ш
проявление высокоэнергетических возбужденных состояний атомов и молекул материалов, находящихся непосредственно в системе трения. С одной стороны, именно эти воздействия способствуют износу, однако с другой стороны, при наличии смазочного материала они способствуют протеканию химических реакций, которые определяют образование защитных пленок на поверхности трущихся элементов [5].
Чрезвычайно жесткие условия работы системы колесо - рельс позволяют предположить возможность использования в качестве смазки не только веществах, традиционно применяемых в этой области, но и таких веществ, для которых снижение эффекта износа может проявляться в процессе механического воздействия. То есть химические продукты могут быть пригодны в качестве компонентов смазки, если в ходе механического воздействия с ними могут происходить физико-химические превращения (трибохимические реакции), которые способствуют образованию защитных пленок, снижающих трение и износ. Такой подход существенно расширяет возможность выбора смазочных материалов, что способствует созданию более дешевых смазочных композиций и тем самым повышает экономическую эффективность лубрикации.
С точки зрения стоимости применяемой смазки, перспективным является использование отходов, которые образуются в ходе производственной деятельности, трудно подвергаются квалифицированной переработке и утилизация которых является сложной экологической задачей. В качестве примера использования отходов для луб-рикации рельсов можно указать применение на ВСЖД отработанного дизельного масла локомотивов, как в «чистом» виде, так и с добавлением графита или его заменителей [6].
В данной статье рассмотрены возможности использования других отходов химической, нефтехимической и целлюлозно-бумажной промышленности Восточно-Сибирского региона для создания смазочных композиций для системы колесо - рельс и химические реакции, протекающие непосредственно в зоне трения и способствующие проявлению защитного эффекта. В качестве таких отходов были выбраны следующие продукты.
1. Низкомолекулярный полиэтилен (НМПЭ) - отход, образующийся на установках по производству полиэтилена высокого давления. Средняя молекулярная масса этого продукта составляет 1500 ед. (для товарного полиэтилена молекулярная масса 10000-45000). НМПЭ - нетоксичный маслообразный продукт, который практически не находит сбыта, хотя его получют только
в г. Ангарске около 40 тонн в год. По своему защитному действию в смазочных композициях НМПЭ аналогичен обычным углеводородным смазкам, но дополнительно обладает структурирующей способностью и более высокой адгезией к поверхностям металла.
2. Коксовая мелочь образуется при производстве электродного нефтяного кокса. Частицы кокса <6 мм непригодны для изготовления электродов и во многих случаях используются в качестве топлива. Нефтяной кокс состоит из графито-подобных разупорядоченных кристаллов (рис. 1) [7]. При действии высоких нагрузок, возникающих в зоне трения, и локального кратковременного подъема температуры происходит перестройка структуры кокса с расположением графитовых плоскостей параллельно плоскости трения (рис. 2). Таким образом, в системе колесо-рельс происходит трибохимическая реакция графитизациинеф-текокса. Возможность такой перестройки рассмотрена в работе [8].
А
Рис. 1. Структура нефтяного кокса: А - кристаллиты с упорядоченной графитоподобной структурой; Б - неупорядоченный углерод
Рис. 2. Перестройка структуры нефтекокса при пропитке углеводородным материалом и приложении внешней нагрузки
3. Полисульфидные полимеры, получаемые из хлорорганических отходов производства эпи-хлоргидрина - многотоннажного полупродукта для получения эпоксидных смол. Поликонденсация хлорорганических отходов с полисульфидом натрия дает твердые полимеры, которые помимо углерода и водорода содержат до 70 % связанной серы и 3-8 % хлора. При нахождении в системе колесо - рельс полимер подвергается термическому разложению с образованием поверхностных
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
сульфидов и хлоридов железа, которые препятствуют износу. Такое действие хлор- или серосодержащих органических соединений (притивоиз-носных и противозадирных присадок к смазочным маслам) хорошо известно в литературе [9, 10]. Протекающие в процессе трения трибохимические реакции деструкции полисульфидных полимеров и образования защитных пленок на поверхности металла определяют сохранение эффекта смазки даже после ее удаления с поверхности. Нами этот вопрос был подробно исследован ранее [11].
4. Кубовые остатки ректификации стирола (КОРС) образуются при производстве этого важнейшего мономера для получения пластмасс. КОРС в основном содержит остаточный стирол, его димеры и гомологи, а также ингибиторы полимеризации. Использование КОРСа в композициях для лубрикации рельсов показало, что с его помощью можно эффективно изменять вязкость получаемых композиций, а в процессе его применения на поверхности защищаемого металла (боковая поверхность головки рельса) появляется заметная защитная пленка. Нами предположено, что в процессе трения температурные воздействия инициируют полимеризацию стирола и других мономеров, присутствующих в КОРСе, с образованием полимерного продукта (трибохимическая полимеризация):
СН=СН
П|
2
С6Н5
--СН-СН2
I
С6Н5
Таким образом, добавка КОРСа в смазочную композицию аналогична по эффекту добавлению в смазку полимерного пленкообразователя (смазка РС-6В), который предварительно разводится бензином, что является существенным недостатком этой смазки.
5. Основным отходом целлюлозно-бумажной промышленности является лигнин, которого образуется около 70 млн т в год, а используется только около 1,5 % этого количества [12]. Лигнин - природный сшитый полимер, макромолекулы которого имеют форму, подобную жесткой сфере, с молекулярной массой, доходящей до нескольких миллионов [13]. Структура лигнина окончательно не установлена, однако убедительно доказано, что в основе макромолекулы лигнина лежат арилпропановые структурные единицы,
ш-н-
(СбСз),
обладающие как в кольце, так и боковой цепи кислородсодержащими функциональными группами. Эти структурные единицы соединены друг с другом различными связями с образованием полимера нерегулярного строения. Нами диспергированный лигнин использован в смазочных композициях в качестве антифрикционной компоненты. Антифрикционный эффект молекул лигнина может определяться их сферической формой, которые на наноуровне выступают в качестве аналогов подшипников качения [14]. Очевидно, что при механическом воздействии в зоне трения колесо -рельс происходит деструкция макромолекул лигнина с образованием полимеров с более низкой молекулярной массой, которые за счет кислородсодержащих групп легко адсорбируются на поверхности металла, обеспечивая защитный проти-воизносный эффект.
6. Лигнин, хлорированный хлором (хлорной водой)или гипохлоритом. Учитывая противоиз-носный и противозадирный эффект хлорорганиче-ских присадок [6], мы использовали в смазочных композициях лигнин, частично модифицированный хлором. При этом наблюдается не только антифрикционный эффект, обусловленный макромолекулами лигнина, но и, очевидно, трибохими-ческая реакция образования на поверхности трения пленки из хлорида железа. Подтверждением этому служит тот факт, что наиболее эффективно защитное действие хлорлигнина проявляется при содержании хлора в лигнине до 7 % (масс). Очевидно, что в этом случае хлор в основном вступает в боковую цепь, откуда достаточно легко отщепляется при термическом воздействии в системе трения. Дальнейшее увеличение содержания хлора в хлорированном лигнине приводит к замещению водорода на хлор в ароматических кольцах. Такой хлор, как известно [15], для отрыва требует гораздо большей энергии.
Таким образом, нами показано, что некоторые отходы предприятий Восточно-Сибирского региона могут быть использованы в композициях для лубрикации рельсов, снижающих износ в системе колесо - рельс. Защитный эффект разработанных композиций был подтвержден испытаниями на машине трения и в реальных условиях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Износ рельсов и колес подвижного состава / под ред. К. Л. Комарова, Н. И. Карпущенко. -СГАПС, 1997. - 153 с.
2. Боковой износ рельсов и гребней колесных пар подвижного состава в кривых / под ред. В. Г. Григоренко. - Хабаровск, 1991. - 143 с.
п
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
m
3. Редькин В. И., Ладыгин О. И., Верхотуров В. К. // Железнодорожный транспорт. - 1999. - № 12. - С. 48-50.
4. Смазывание рельсов как средство уменьшения шума // Железные дороги мира. - 2000. - № 7. -С. 64-66.
5. Хайнике Г. Трибохимия. - М. : Мир, 1987. -584 с.
6. Мороз Б. А., Коротаев Е. Н., Марютин К. А. Новые технологии на Восточно-Сибирской железной дороге : сб. науч. тр. - Новосибирск : СибГУПС, 1999. - С. 96-98.
7. Сюняев З. И. Нефтяной углерод. - М. : Химия, 1979.- С. 75.
8. Использование отходов производства в композициях для лубрикации рельсов / Назаров Н. С., Якимова Г. А., Руссавская Н. В., Ясько С. В., Гозбенко В. Е., Корчевин Н. А. - Иркутск : Изд-во Иркут. гос. ун-та, 2003. - 244 с.
9. Фукс И. Г. Добавки к пластическим смазкам. -М. : Химия, 1982. - 248 с.
10.Павленко Г. Ф. // Трение и износ. - 1999. - Т. 20, № 4. - С. 412-420.
11. Винокуров Д. И., Гозбенко В. Е. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. - № 1. - С. 148-157.
12. Физическая химия лигнина / К. Г. Боголицын, В. В. Лунин, Д. С. Косяков и др. - Архангельск : Арханг. гос. техн. ун-т, 2009. - 489 с.
13.Шорыгина Н. В., Резников В. М., Елкин В. В. Реакционная способность лигнина. - М. : Химия, 1976. - 367 с.
14. Головин Ю. И. Введение в нанотехнику. - М. : Машиностроение, 2007. - 496 с.
15. Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону / Гур-вич Л. В., Карачевцев Г. В., Кондратьев В. Н., Лебедев Ю. А., Медведев В. А., Потапов В. К., Ходеев Ю. С. - М. : Наука, 1974. - С. 351.
УДК 621.365 Филиппенко Николай Григорьевич,
от. преподаватель каф. ТРТСиМИрГУПС, Иркутск, тел.: 638395-149,
e-mail: ifpister@gmail. com Лившиц Александр Валерьевич канд. техн. наук, доцент, зав. каф. ТРТСиМ ИрГУПС, Иркутск, тел.: 638395-362,
e-mail: [email protected] Машович Андрей Яковлевич канд. техн. наук, доцент, каф. «Промэкология и БЖД» ИрГТУ, г. Иркутск, тел.: 89500620622,
e-mail: andr. mashovich@yandex. ru
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАГРЕВА МАТЕРИАЛОВ НА ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКЕ УЗП 2500 АДАПТИВНЫМ МЕТОДОМ. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ УСТАНОВКИ
В ЛАБОРАТОРНЫХ ЦЕЛЯХ
N. G. Filippenko, A. V. Livchitc, A.J. Machovich
AUTOMATION OF PROCESS OF HIGH-FREQUENCY HEATING OF MATERIALS ON THE PLANT UZP 2500 BY ADAPTIVE METHOD. USE OF THE AUTOMATED EQUIPMENT IN THE LABORATORY PURPOSES
Аннотация. Статья дает обоснование выбора промышленной частоты ВЧ-излучения для лабораторной установки электротермического оборудования, с целью расширения возможностей его применения в области транспортного машиностроения. Авторами выдвинуты предложения по его модернизации путем создания адаптивной автоматизированной системы управления.
Ключевые слова: электротермическая обработка, лабораторная установка, автоматизация.
Abstract. The article gives the substantiation of choice of industrial frequency of high frequency radiation for laboratory installation of the electro-thermal equipment, with the purpose of expansion of opportunities of his application in the field of transport mechanical engineering. The authors put forward the
