Шоканов С. Ш.

Казахский университет путей сообщения, Республика Казахстан

ИЗНОС В СИСТЕМЕ КОЛЕСО-РЕЛЬС

В системе колесо – рельс катастрофический износ возникает при прохождении составом крутых кривых и при юзе или при буксовке колес по рельсам. Результаты многолетних исследований ученных позволили сделать вывод, что на сталях в различных условиях реализуются четыре типа адгезионно-иницируемого катастрофического износа (АИКИ) [1]. П. Марковым и Д.А. Келли была раскрыта природа и разработка их классификация [2, 3].

Все типы износа, входящие, в АИКИ, по своим параметрам (скорости изнашивания, размеру продуктов износа, состоянию поверхностей трения и др.) выделяются среди других, и даже такого опасного, как абразивный. Переход к ним обычно совершается внезапно, скачком, после незначительного изменения параметров процесса. Почти все узлы трения при переходе в эти режимы практически сразу выходят из стоя, т.е. претерпевают катастрофу. Например, при юзе по сухим рельсам ползун браковочных размеров образуется на колесе за несколько секунд. Скорость изнашивания при задире, возникающем в кривых при условиях, в десятки и даже в сотни раз больше нормальной скорости изнашивания.

Следовательно, по своей сущности это именно катастрофические типы изнашивания. Только кратковременность неблагоприятных процессов и феноменальной запас прочности колесно-рельсовой системы позволяют ей функционировать, несмотря на появление этих, со всех точек зрения недопустимых типов износа. Требование именовать типы износа, входящие в этот вид, «интенсивными», «суровыми», «тяжелыми» и т.д. является по существу попыткой перевести их в разряд допускаемых, на которые не стоит обращать столь пристального внимания и принимать экстренные меры при их появлении. Здесь не имеются в виду классификация И.А.Комаровского и И.А. Жарова [4], проводивших эксперименты на машине с очень малой поперечной жесткостью, вследствие чего возникало сильная высокочастотная поперечная вибрация образцов и имело место несоответствие внешнего вида повреждений на образцах и колесах. Разновидности износа, открытые ими, скорее всего, действительно имеют природу малоцикловой усталости, но вряд ли такие вибрации могут возникать на колесах.

Необходимо сразу уточнить, что термины «задир», «схватывание» и «заедание» не соответствует ГОСТу «Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения». Например, схватывание в стандарте определено как синоним адгезии, а не тип износа. Механизмы этих типов износа также не соответствуют классической теории. Прежде всего, это касается адгезионной природы трения и изнашивания роль адгезии сильно преувеличена, причем как в отношении катастрофического износа, так и процесса трения в целом [5]. Согласно теории Боудена, Тейбора и Крагельского катастрофический износ начинается с адгезионно – механического взаимодействия микронеровностей, а заканчивается полным адгезионным соединением поверхностей, вырывом и переносом большого объема материала. В реальных условиях роль адгезии обычно сводится лишь к инициализации катастрофического износа. Но даже такая роль при задире ставится под сомнение, поскольку он может возникать на поверхностях, покрытых довольно толстым слоем окислов [1].

Задир. Если твердость зародыша АИКИ (для углеродистых сталей это около 600..700 HВ [1]) превышает твердость обеих поверхностей трения, то изнашивания развивается по механизму задира. Шесть стадий развития задира представлены схематически на рисунке 1.

На первой стадии материал течет кругообразно вокруг сцепленных неровностей (рис.1 б, в) и как результат зона контакта стягивается в упрочненное ядро – зародыш задира (рис.1 г). Аналогичные образования в различных парах трения наблюдались Р.М.Алексеевым, М.Н.Добычиным [6] и другими. На более поздних стадиях зародышевый клубок перестает вращаться и начинает скользит по одной из поверхностей. В результате этого формируется два клина (рис.1 д,е) сначала на одной поверхности, а потом и на другой. Нужно заметить, что при попадании на впадину, в особенности заполненную смазочным материалом, развитие задира прекращается на любой стадии.

а - начальный контакт неровностей; б, в – взаимная ротационная деформация зоны взаимодействия микронеровностей с поворотом поверхностей; г - формирование зародышевого завихрения – адгезионного ядра; д, е – формирование клиньев.

Рисунок 1. Схема образования задира

Первые три стадии (рис.1 а,б,в ) имеют место при всех режимах, за исключением чисто жидкостного. Собственно задир начинается и становится непрерывным только тогда, когда глубина борозды становится больше глубины самой большой впадины рельефа.

Покажем, что повреждение боковых поверхностей рельсов и гребней колес в кривых является следствием задира. Топографические особенности поврежденных поверхностей в виде борозд и клиньев, а также твердости колес и рельсов, безусловно, соответствуют задиру.

Обратим внимание на те особенности задира, которые контролируют его реализацию на боковых поверхностях колес и рельсов. Во – первых, это контактные давления. Критические давления задира очень низкие. На чистых поверхностях они не превышает 50 МПа и даже на смазанных – не более 900 МПа (рисунок 2): давление в контакте колесо – рельс почти всегда превосходит критическое и не является определяющим условием возникновения задира. Чтобы смазка надежно предохраняло поверхности, Б. В. Гочуа советует наносить ее уже после их повреждения, с тем, чтобы она забивалась в углубления рельефа [7].

Рисунок 2. Зависимость критического давления начала задира на колесно-рельсовых сталях от состояния поверхностей трения

Вторая и определяющая особенность задира – необходимость значительного, до нескольких миллиметров, пути скольжения, в том числе латентного, на котором происходит зарождение адгезионного ядра. Если прервать процесс задира, то потом он может начаться только с нулевого цикла, т.е. с образования адгезионного зародыша. Поэтому путь скольжения должен обязательно быть непрерывным, т.е. ядро задира не должно перемещаться за пределы первоначального пятна контакта. Такой путь недостижим в условиях равномерного качения колеса даже с очень большим проскальзыванием. Путь скольжения, достаточный для начала задира, может возникать на гребнях колес при условии неконформного контакта и неравномерного проскальзывания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Markov D. P. Laboratory tests seizure of rail and wheel steels // Wear 208. 1997. P. 91 … 104.

2. Markov D. P., Kelly D. Mechanisms of adhesion – initiated catastrophic wear: pure sliding // Wear 239. 2000. P. 189 - 210.

3. Марков Д. П. Келли Д. Адгезионно - инициируемые типы катастрофического изнашивания // Трение и износ. 2002. № 5. С. 483 - 493.

4. Марков Д. П. Механизмы сцепления пары колесо- рельс с учетом фононного трения // Вестник ВНИИЖТ. 2003. №6, С. 34 - 39.

5. Ларин Т. В., Девяткин В. П. О механизме износа железнодорожных колес / Трение и износ в машинах, сб, ХI М.: АН СССР, 1956. С. 238 - 263.

6. Относительное проскальзывание в точках контакта колеса с рельсом / В. М. Богданов, Д. П. Марков, И. А. Жаров, С. М. Захаров // Вестник ВНИИЖТ. 1999. № 3. С. 6 - 10.

7. Согласно отчетам НПП «Прикладные перспективные технологии – АпАТэК», г. Москва