Admin

Эффективность технологий лубрикации рельсов для снижения уровня внешнего шума тепловоза

В.С. КОССОВ, д-р техн, наук, профессор, генеральный директор,
Ю.А. ПАНИН, канд. техн, наук, заведующий отделом динамики,
А.В. ТРИФОНОВ, канд. техн, наук, заместитель заведующего отделом динамики, А.С. ПОНОМАРЁВ, заведующий лабораторией отдела динамики,
А.Ю. ПАНИН, инженер I категории отдела сертификации, АО «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава»

На примере секции тепловоза 2ТЭ116 специалистами
АО «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» (АО «ВНИКТИ») были проведены сравнительные испытания технологий лубрикации головок рельсов с целью определения их эффективности по боковому воздействию на путь и снижению уровня внешнего шума тепловоза.


Железнодорожный транспорт — одна из важнейших частей транспортной системы Российской Федерации, ее экономический, политический и социальный маркер. Однако грузовые перевозки являются особым источником шумового воздействия на людей, проживающих вблизи участков с железнодорожным сообщением, и одним из основных источников шума можно назвать локомотив, ведущий состав в режиме тяги.
В настоящее время на территории России действуют несколько документов, устанавливающих нормативные значения уровня внешнего шума от локомотивов.
Так, согласно ГОСТ Р 50951-96 [1], максимальный уровень внешнего шума (звука) не должен превышать:

• 87 дБА для вновь проектируемых магистральных тепловозов при движении со скоростью, равной 2/3 от конструкционной, при реализации 2/3 номинальной мощности;
• 78 дБА для маневровых тепловозов.

Для электровозов, согласно ГОСТ Р 55364-2012 [2], предельно допустимый уровень внешнего шума при движении со скоростью, равной 2/3 от конструкционной, в режиме тяги с реализацией 2/3 тяговой мощности на расстоянии 25 м от оси пути не должен превышать:

• 84 дБА при движении по бесстыковому пути;
• 87 дБА при движении по звеньевому пути.

Так как границы жилой застройки нередко находятся на расстоянии 100 м от железнодорожных путей, а иногда и ближе, то такие высокие значения уровней внешнего шума от проходящего поблизости железнодорожного подвижного состава являются некомфортными для человеческого уха, что ухудшает качество жизни, особенно в ночное время.


Согласно СанПиН 1.2.3685-21 [3], шум как физический фактор, воздействующий на среду обитания человека, подразделяется на постоянный (разность между наибольшим и наименьшим значениями уровня звука за время измерения не превышает 5 дБА) и непостоянный (разность между наибольшим и наименьшим значениями уровня звука за время измерения превышает 5 дБА). На основании этого очевидно, что внешний шум от проходящего мимо железнодорожного подвижного состава относится к категории непостоянного шума. Такой вид шума при оценке его воздействия на селитебную территорию, в соответствии с СанПиН [3], имеет нормативные значения, представленные в табл. 1.
Проблема шумозагрязненности городской среды обозначена в Указе Президента Российской Федерации о национальных целях развития на период до 2030 г. [4] в части, касающейся создания комфортной и безопасной среды для жизни. В п. 6.2 Экологической стратегии ОАО «РЖД» [5] предусмотрены целевые ориентиры компании в области защиты от шума.
Согласно этому документу, одним из целевых ориентиров ОАО «РЖД» в области защиты от шума является снижение уровня шумового воздействия на окружающую среду.

Этого можно достичь благодаря таким мероприятиям, как:

• проведение исследований и составление шумовых карт в населенных пунктах, на основании которых можно будет ранжировать риски шумового воздействия и разрабатывать первоочередные мероприятия по их устранению;
• работы по рельсошлифованию, обточке бандажей колес, смазыванию рельса;
• укладка упругих рельсовых скреплений;
• укладка бесстыкового пути;
• замена чугунных тормозных колодок композитными;
• оснащение лабораторий центров охраны окружающей среды дополнительным оборудованием для контроля шума;
• установка шумозащитных экранов;
• лесонасаждение;
• разработка и внедрение новых нормативов, направленных на нормирование и снижение уровня шума;
• разработка и внедрение новых технологий, способствующих снижению уровня шума;
• Модернизация подвижного состава.

Снизить уровень внешнего шума от локомотива при минимальном финансировании возможно применением технологии комбинированной лубрикации головок рельсов (рис. 1) в кривых участках пути на селитебной территории городских агломераций.
Эта технология в 2001 г. была подробно изучена доктором технических наук, профессором В.С. Коссовым и обоснована как наиболее эффективная с позиции снижения бокового воздействия на путь подвижным составом, снижения износов гребней колес подвижного состава и рельсов в кривых участках пути [6].
Технология комбинированной лубрикации головок рельсов в кривых участках пути включает в себя использование двух видов смазочных материалов. Первый из них — это лубрикант, наносимый на боковую грань головки наружного рельса в кривой, имеющий очень низкий коэффициент трения, колеблющийся в диапазоне от 0,05 до 0,25, а второй — это модификатор трения, обеспечивающий коэффициент трения в диапазоне от 0,18 до 0,25, наносимый на поверхность катания головок рельсов [7].
Основная задача лубриканта — снижение трения в зоне контакта гребня колеса с боковой гранью наружного рельса в кривом участке пути. Стабилизация сил трения на поверхности катания в указанном диапазоне является задачей модификатора трения. Значения коэффициента трения в диапазоне от 0,18 до 0,25 выбраны по условиям обеспечения торможения и тяги.
Этот диапазон несколько ниже возможных значений коэффициента трения на поверхностях катания головок рельсов в реальных условиях эксплуатации, но гарантирует тягу локомотива без срыва в боксование колесных пар и его торможение без увеличения тормозного пути. При этом польза от снижения дополнительного сопротивления движению поезда заметно выше, чем на несмазанных участках пути, что способствует экономии энергоресурсов локомотива на тягу поездов до 13 % [8].

Множество зарубежных источников приводят сведения о пользе лубрикации рельсов в борьбе с внешним шумом подвижного состава [9]. Эффективность лубрикации подтверждается результатами различных исследований, например снижением максимального уровня внешнего шума до 22,3 дБА.
В 2021 г. специалистами АО «ВНИКТИ» проведены сравнительные испытания, целью которых было сравнение эффективности различных технологий лубрикации головок рельсов с точки зрения снижения бокового воздействия на путь и снижения уровня внешнего шума в кривом участке пути радиусом 300 м. Испытательный поезд состоял из тепловоза 2ТЭ116, порожней и груженой платформ и вагона-лаборатории.


Ввиду отсутствия в Российской Федерации модификаторов трения отечественных производителей в испытаниях АО «ВНИКТИ» были задействованы смазочные материалы компании Whitmore (США): модификатор трения TOR Armor для нанесения на поверхность катания головок рельсов и лубрикант RailArmor М ЕР All Season для нанесения на боковую грань головки рельса, дистрибьютором которых в России является ООО «ЮНИТЭК». В дальнейшем запланирована локализация производства таких смазочных материалов на территории Российской Федерации.
В ходе испытаний были реализованы следующие варианты трибологического состояния контактных поверхностей головок рельсов:

• вариант 1 — смазочный материал на рельсы не нанесен (сухой рельс);
• вариант 2 — лубрикант нанесен только на боковую грань головки наружного рельса;
• вариант 3 — лубрикант нанесен только на боковую грань головки наружного рельса, на поверхность катания внутреннего рельса нанесен модификатор трения.

По полученным максимальным значениям боковых сил секции тепловоза 2ТЭ116 при движении в кривой радиусом 300 м при различных вариантах трибологического состояния контактных поверхностей головок рельсов построены сравнительные графики максимального воздействия на путь колесных пар секций тепловоза в режиме тяги и выбега (рис. 2).
Из представленных графиков следует, что относительно исходного варианта 1 изменение коэффициентов трения в зоне контакта поверхностей колес подвижного состава и рельсов, в соответствии с рассматриваемыми вариантами трибологического состояния контактных поверхностей в зоне контакта колес и рельсов, приводит к изменениям боковых сил при скорости движения 30 км/ч, когда наблюдается установка колесных пар в тележке в положение наибольшего перекоса, а также при скорости движения 70 км/ч, когда реализуется свободная установка колесных пар в тележке (табл. 2).


Из анализа полученных результатов испытаний по исследованию влияния трибологического состояния контактных поверхностей в зоне контакта колес и рельсов на взаимодействие грузового тепловоза 2ТЭ116 в режиме тяги и выбега следует, что:

• понижение коэффициента трения в контакте между гребнем набегающего колеса с боковой гранью наружного рельса (вариант 2) увеличивает боковые силы;
• понижение коэффициента трения на боковой грани наружного рельса с применением модификатора трения на поверхности катания внутреннего рельса способствует уменьшению боковых сил (вариант 3).

По графикам (см. рис. 2) видно, что из трех рассмотренных вариантов трибологического состояния между колесами и рельсами наиболее эффективным по боковому воздействию на путь для тепловоза 2ТЭ116 в режиме тяги и выбега является вариант 3, т.е. технология комбинированной лубрикации рельсов.
Максимальные уровни внешнего шума в зависимости от трибологического состояния в зоне контакта колес и рельсов для секций тепловоза 2ТЭ116 представлены в табл. 3.
В результате проведенных АО «ВНИКТИ» исследований по влиянию различных технологий лубрикации зон контактов головок рельсов железнодорожной колеи была выявлена оптимальная технология лубрикации рельсов, а именно комбинированная, позволяющая в кривых участках пути для тепловоза типа 2ТЭ116 снизить боковое воздействие на путь до 18 % на скорости 70 км/ч в режиме тяги. При этом снижается уровень внешнего шума на 5 дБА, а на скорости 30 км/ч — на 12,5... 15,9 дБА (в зависимости от количества модификатора трения на поверхности катания головки рельса).

Проведенные специалистами АО «ВНИКТИ» исследования доказали, что комбинированная технология лубрикации головок рельРеализовать технологию комбинированной лубрикации рельсов для локомотивов возможно на каждом из локомотивов, установив на них устройства для смазывания бандажей колес модификатором трения указанного выше производителя, либо иные аналогичные других зарубежных производителей, так как аналогов в России, увы, пока нет. При этом дооборудованные устройствами для смазывания бандажей колес модификатором трения локомотивы должны эксплуатироваться на участках, которые смазывают передвижные рельсосмазыватели, т.е. там, где смазана боковая грань головки наружного рельса в кривой.
Для достижения целей, обозначенных Президентом Российской Федерации [4], в части создания комфортной и безопасной среды для жизни, а также решения задач, обозначенных в п. 6.2 Экологической стратегии ОАО «РЖД» [5], с наименьшими экономическими затратами и наибольшим социальным эффектом по снижению уровня внешнего шума, возможно применение на сети железных дорог на селитебных территориях городских агломераций технологии комбинированной лубрикации головок рельсов в кривых.

Библиография
1. ГОСТ Р 50951-96. Внешний шум магистральных и маневровых тепловозов. Нормы и методы измерений. Введ. 01.07.1997. Изм. 01.03.2005 // Шум от транспорта: сборник ГОСТов. М.: ИПК Издательство стандартов, 2005.
2. ГОСТ Р 55364-2012. Электровозы. Общие технические требования. Введ. 01.01.2014. М.: Стандартинформ, 2013. II, 34 с.
3. СанПиН 1.2.3685-21. Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания : (дата обращения: 27.01.2022).
4. О национальных целях развития Российской федерации на период до 2030 года : Указ Президента РФ от 21 июля 2020 г. № 474. URL: http://publication.pravo.gov.ru/Document/ View/0001202007210012 (дата обращения: 27.01.2022).
5. Экологическая стратегия ОАО «Российские железные дороги» на период до 2017 года и на перспективу до 2030 года : утв. распоряжением ОАО «РЖД» от 12.05.2014 № 1143р И Экономика железных дорог. 2014. № 7. С. 146 — 176.
6. Коссов В.С. Снижение нагруженности ходовых частей локомотивов и пути: специальность: дис.... доктора техн, наук: 05.22.07 / МГУПС. М„ 2001.339 с.
7. Трифонов А.В. Влияние трибологического состояния рельсов на взаимодействие колес подвижного состава и пути: дис. канд. техн, наук: 05.22.07 / РУТ (МИИТ). М., 2019.211 с.
8. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения : вопросы взаимодействия колеса и рельса / Международная ассоциация тяжеловесного движения (INHA); под ред. С.М. Захарова, В.М. Богданова. М.: Интекст, 2002.408 с.
9. Kelsan wheel treads friction modifier - HPF // LbFoster: site. URL: https://lbfoster.eu/en/rail-technolo...on-management/ kelsanr-wheel-tread-friction-modifier-hpf/ (дата обращения: 25.02.2022).

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК

Если у вас возникли вопросы по работе сайте - пишите на почту admin@scbist.com