Одними из наиболее неблагоприятных видов износа являются износ гребня колеса и боковой поверхности наружного рельса в кривых участках пути. Такое изнашивание идет интенсивно особенно в случае двухточечного контакта колеса и рельса. При набегании гребня колеса на рельс под некоторым углом, который может достигать 2° и больше, точка начального контактирования гребня и боковой поверхности рельса располагается не в вертикальной осевой плоскости колесной пары, а сдвигается вперед по ходу движения колеса на некоторое расстояние, называемое забегом. Контакт гребня и рельса формируется под действием силы, горизонтальная составляющая которой равна боковой силе. Экспериментальные исследования, проведенные на опытном тепловозе 2ТЭ116, позволили установить, что боковая сила может достигать 62 кН. В литературных источниках есть сведения о том, что при проведении натурных испытаний подвижного состава фиксировались максимальные боковые силы 80 кН. Под действием таких сил в контакте гребня и боковой поверхности рельса максимальные давления достигают 2500 ... 3000 МПа. При двухточечном контакте преобладает ситуация, когда срыв в сплошное скольжение наблюдаются в гребневом контакте, так как на контакт, расположенный на поверхности катания, приходится большая нормальная сила, поэтому он обладает способностью передавать большую касательную силу без перехода в сплошное скольжение. При расположении гребневого контакта с забеганием скорости взаимного проскальзывания контактирующих поверхностей значительные. Измерения показывают, что коэффициент трения скольжения в контакте гребня и рельса достигает 0,3 ... 0,35, а в отдельных случаях (для линий метрополитена) зафиксированы более высокие его значения (0,5). В этих условиях изнашивание идет настолько интенсивно, что наблюдается отслаивание и вырывы в виде чешуек металла. На шпалах обнаруживается металлическая пыль.
Наиболее эффективной мерой снижения количества рассеиваемой в контактах гребней колес и рельсов энергии, а также уровня касательных напряжений является уменьшение сил трения. Технически это достигается смазыванием (лубрикацией) боковых граней головок рельсов и гребней колес. Во Всероссийском научно-исследовательском и конструкторско-технологическом институте (ВНИКТИ) разработаны механические средства и смазочные материалы для лубрикации боковой поверхности головки рельса в кривых участках пути.
Рельсовая смазка.
При разработке смазочного материала учитывались следующие предъявляемые к нему требования: высокие противоизносные свойства; способность не образовывать абразивной пасты при смешивании его с песком, пылью от балласта; легкая подвижность при температуре от +60...-50 °C; способность наноситься на боковую грань рельса с подвижного рельсосмазывателя бесконтактным способом с помощью форсунки, прилипать и удерживаться как на сухом, так и на мокром рельсе; способность обеспечивать коэффициент трения на боковой грани рельса 0,1...0,2 при проходе 15...20 полновесных поездов; удовлетворение экологическим требованиям; взрыво- и пожаробезопасность.
Разработки велись в направлении создания высыхающей суспензии, обеспечивающей образование на рельсе противоизносного покрытия, стойкого против прилипания абразивных частиц, стирания, снижающего коэффициент трения и износ материалов колеса и рельса. Поисковые исследования показали, что поставленная цель может быть достигнута применением смазочного материала, состоящего из пленкообразующего вещества, наполнителя в виде графита, летучих растворителей и активирующих добавок. Целесообразным оказалось разделение составляющих смазочного материала на концентрат, отдельно поставляемый на железные дороги, и легко доступный растворитель.
Исследование свойств создаваемого смазочного материала проводилось на опытных образцах в лабораторных условиях и промышленных образцах в полигонных условиях. В лабораторных условиях образцы испытывались на машине, работающей по схеме контактирования диска с диском в условиях перекатывания со скольжением. Образцы и режимы испытаний характеризовались следующими параметрами: диаметр дисков цилиндрической и конической формы 50 мм, ширина диска 5 мм, твердость материала диска 50...56 HRC, сила прижима образцов 3...3,5 кН, частота вращения дисков 40 и 60 мин-1, относительное продольное проскальзывание 10 %.
Испытательная машина содержала привод вращения, два шпиндельных узла с валами, на которых устанавливались испытуемые диски. Контактирующие поверхности дисков выполнены коническими с уклоном 1:10 с целью моделирования процесса изнашивания колеса и рельса при движении на криволинейном участке пути. Диски прижимались друг к другу радиально направленной силой. При испытаниях реализовано относительное проскальзывание образцов за счет разности частот их вращения.
Перед испытаниями на поверхности образцов наносился тонкий слой смазочного материала. Испытания проводились после полного его высыхания. В ходе испытаний контролировалась нагрузка на диски, момент трения, частоты вращения дисков. С использованием этих величин определялся коэффициент трения. Через каждые 250 оборотов образцов оценивалось состояние их поверхностей. Испытания проводились до достижения коэффициента трения 0,25 или до появления питтингового износа на одном из дисков.
В качестве наполнителя был выбран графит. Проведена серия испытаний, в которых качество графита варьировалось смешиванием графитов марок ГЛ-1 и С-1 и за счет дополнительного помола. В результате испытаний были сформулированы основные требования к свойствам наполнителя (графита). Следует использовать малозольный графит с силикатной зольностью не превышающей 0,3 %. Происхождение графита (синтетический или природный) и фракционный его состав, т.е. количественное соотношение крупных и мелких частиц, не влияют на свойства смазочного материала, однако удельная площадь поверхности частиц должна быть не более 15-104 см2/г.
В качестве пленкообразователей исследовались каучук и термопласты, растворимые в бензине. Лучшим признан термопласт № 3, выпускаемый в виде ваты или мелких гранул размерами 1...2 мм. Его полное растворение при помешивании происходит за 10...15 мин. Пленкообразователь вводится в смазочный материал в количестве 4...6%, при этом хорошо удерживается графит. При высыхании образуется эластичная, прочная против случайных воздействий пленка.
После многочисленных проб в качестве адгезива выбраны смола А-101 и октафор-Ν, близкие по своим свойствам. В качестве добавок, улучшающих смазочную способность графитовой смеси, выбраны вещества из двух групп: жирные спирты, кислоты, жиры, снижающие напряжения сдвига в пленке смазки; металлы, такие как медь, цинк и их оксиды, уменьшающие износ.
При выборе композиции смазочного материала оценивалась его работоспособность по числу оборотов до достижения значения коэффициента трения 0,25 на машине, реализующей качение диска по диску с проскальзыванием, время высыхания, адгезионная способность, смываемость струей воды, падающей с высоты 30 см на пластинку, покрытую смазочным материалом. Оценка велась также по результатам испытаний образцов на четырехроликовой машине трения ЧШМ. Смазочный материал считался прошедшим испытания, если диаметр пятна износа не превышал 2,6 мм.
В результате проведенных испытаний была отобрана композиция для получения концентрата РС-6 «В» (рельсовая смазка № 6 всепогодная). Приготовленная на ее основе смазка имеет следующие характеристики: диаметр пятна износа образцов, покрытых смазкой при испытании на машине ЧШМ 2,56...2,59 мм, частота вращения дисков до получения коэффициента трения 0,25 при испытании на машине типа диск-диск 4000...4500 мин’1, насыпная масса 180...200 кг/м3, температура воспламенения 151 °C, температура самовоспламенения 310 °C, температура тления 212 °C.
Технология приготовления концентрата сводится к помолу графита до заданной крупности в шаровой мельнице. Затем вводится адгезив и оксид цинка, смесь перемешивается и домалывается. Остальные добавки кроме пленкообразователя вводятся в отдельно стоящий смеситель, после чего смесь фасуется в мешки. Пленкообразователь дробится и фасуется в полиэтиленовые пакеты.
Разработаны также рельсовые смазки на основе пожаро- и взрывобезопасных растворителей и на водной основе. В качестве таких растворителей опробованы уайт-спирит, имеющий температуру вспышки 33 °C, и дизельное топливо с температурой вспышки 40 °C. При испытаниях вариантов смазки варьировались тип графита, содержание пленкообразователя и водоудерживающей минеральной добавки, количество разбавителя, использовались адгезивы различного состава.
Смазка, полученная разбавлением концентрата РС-6 «В» уайт- спиритом, дала худшие показатели при испытании на изнашивание, адгезию и устойчивость к смыванию при пятиминутной сушке покрытия. Увеличение количества пленкообразователя, минеральной добавки, использование естественного графита и фторированной сажи улучшило характеристики смазки, но привело к увеличению ее вязкости. Оптимальный вариант получен при использовании смеси графита С-1 и смолы с уменьшением количества уайт-спирита в 1,1-1,45 раза. Такая смазка имеет невысокую вязкость, ее адгезионные свойства и смываемость соответствуют техническим требованиям, она обладает хорошими смазочными свойствами, но время ее высыхания увеличилось в 4 раза (до 20 мин).
При использовании в качестве растворителя дизельного топлива полученная смазка имеет плохую укрывистость. При увеличении содержания пленкообразователя в 2 раза почти во столько же возросла укрывистость, но при испытании на морозостойкость при температуре -18 °C в течение 1...2 суток смазка загустевает до желеобразного состояния с образованием на поверхности более плотного слоя в виде корки. В связи с этим использование в качестве растворителя дизельного топлива признано целесообразным при температуре выше +15 °C.
Выполнены лабораторные исследования смазки РС-6 «Л» на водной основе. Смазка получалась на основе готовых коллоидно-графитовых препаратов с добавлением смолы AM-101, а также введением декстрина и крахмала. Смазка обладает лучшей адгезией по сравнению с базовой, износостойкость поверхностей, покрытых смазкой, такая же, как и при использовании базовой смазки, она обладает лучшими смазочными свойствами, но легко смывается. При добавлении смолы или декстрина смазка смывается только механическим путем.