تریبولوژی تماس چرخ و ریل زیر بارهای ضربه‌ای؛ از ایمنی تا هزینه چرخه‌عمر
من، سارا مرادی، تحلیل‌گر ارشد روانکاری صنعتی در موتورازین، در این راهنمای فنی به تریبولوژی تماس چرخ و ریل زیر بارهای ضربه‌ای و شوکی می‌پردازم؛ جایی که تصمیم‌های درست در انتخاب روانکار، افزودنی‌ها و پایش، مستقیماً به ایمنی، صدای گذر قطار، فاصلهٔ ترمز و هزینهٔ چرخه‌عمر تجهیز گره می‌خورند. در ناوگان ریلی ایران با تنوع اقلیمی از وزش گرد و غبار کویری تا رطوبت شمال، تماس فلز با فلز در ناحیهٔ چرخ–ریل همواره در معرض فشارهای هرسی بالا، میکرو‌اسلیپ و شوک ناشی از ناهمواری و جوینت‌هاست. هدف این مقاله، ارائهٔ یک نقشهٔ تصمیم‌گیری است تا تیم‌های نگهداری بتوانند با انتخاب گریس/روغن مناسب، کنترل آلودگی و مانیتورینگ داده‌محور، ریسک سایش، پیتینگ و نویز را کاهش دهند.
فیزیک تماس چرخ–ریل و نقش بارهای شوکی
تماس چرخ–ریل به‌طور کلاسیک با نظریهٔ هرزین (Hertzian) مدل‌سازی می‌شود: لکهٔ تماس تقریباً بیضوی و فشار در مرکز بیشینه است و به لبه‌ها کاهش می‌یابد. در عمل، بی‌نظمی پروفیل چرخ یا موجی‌شدن ریل، ناهمراستایی خطی و جوینت‌ها، باعث پیک‌های فشار لحظه‌ای و بارهای ضربه‌ای می‌شود. این پیک‌ها، فیلم روانکار را به‌صورت موضعی می‌شکنند، دمای نقطه‌ای را افزایش می‌دهند و مسیر را برای شروع ترک‌های خستگی تماسی غلتشی (RCF) و پیتینگ هموار می‌کنند.
میکرو‌اسلیپ، کرِپ و تولید گرما/نویز
در قوس‌ها، اختلاف سرعت محیطی نقاط تماس روی چرخ و ریل رخ می‌دهد و کرِپ (creepage) ایجاد می‌شود. نتیجه، میکرو‌اسلیپ‌های تناوبی است که گرما و نویز (اسکویل) تولید می‌کنند. این میکرو‌اسلیپ‌ها وقتی با ذرات گرد و غبار یا رطوبت ترکیب شوند، ضریب اصطکاک را ناپایدار می‌کنند و کیفیت ترمزگیری و شتاب‌گیری را تحت‌تأثیر قرار می‌دهند. در چنین شرایطی، یک روانکار با استحکام فیلم مناسب و پایداری برشی بالا می‌تواند دامنهٔ لغزش‌های ریز را کاهش دهد بدون آن‌که ضریب اصطکاک را بیش‌ازحد پایین آورد.
رژیم‌های اصطکاک و روانکاری در تماس چرخ–ریل
سه رژیم اصلی اصطکاک مرزی، آمیخته و هیدرودینامیک در این تماس حضور دارند. به دلیل بارهای سطحی زیاد و سرعت لغزشی محدود در لکهٔ تماس، غالب شرایط بین مرزی و آمیخته تغییر می‌کند. هدف مدیریت اصطکاک در راه‌آهن، رسیدن به «پنجرهٔ اصطکاک» است: اصطکاک کافی برای انتقال نیرو و ترمزگیری، اما نه آن‌قدر زیاد که سایش و نویز را تشدید کند.
| رژیم روانکاری | نسبت ضخامت فیلم (λ) به زبری | رفتار در تماس چرخ–ریل | مزایا | ریسک‌ها/نشانه‌ها | اقدام روانکاری |
|---|---|---|---|---|---|
| مرزی (Boundary) | λ < 1 | فلز–فلز غالب؛ فیلم شیمیایی نازک | کنترل اصطکاک در شروع حرکت | سایش چسبنده/ساینده، پیتینگ زودرس | افزودنی‌های EP/AW، گریس با سولفونات کلسیم/لیتیوم کمپلکس |
| آمیخته (Mixed) | 1 ≤ λ ≤ 3 | تماس بخشیِ زبری‌ها؛ فیلم جزئی | تعادل اصطکاک–سایش، نویز پایین‌تر | حساس به آلودگی و شوک | افزودن پایدارکنندهٔ برشی، ویسکوزیتهٔ پایهٔ مناسب، اصلاح‌کنندهٔ اصطکاک |
| هیدرودینامیک | λ > 3 | جدایش کامل سطوح | کمترین سایش | لغزش بیش‌ازحد، افزایش فاصلهٔ ترمز | در تماس چرخ–ریل کمتر مطلوب؛ مدیریت دوزدهی برای پرهیز از لغزش |
هدف در راه‌آهن رسیدن به هیدرودینامیک کامل نیست؛ بلکه پایدار نگه‌داشتن یک رژیم آمیختهٔ کنترل‌شده است که پنجرهٔ اصطکاک را تضمین کند.
الگوهای سایش، پیتینگ و نقش استحکام فیلم در ایمنی و نویز
پروفیل چرخ و ریل تحت بارهای تناوبی و شوک، مستعد سه الگوی کلیدی آسیب‌اند: (۱) سایش چسبنده/ساینده در فلنج و پهنهٔ تماس، (۲) پیتینگ و پوسته‌شدن (spalling) ناشی از خستگی تماسی، (۳) موجی‌شدن ریل (corrugation) که منبع نویز و ارتعاش است. وقتی استحکام فیلم روانکار پایین باشد، تماس فلز–فلز تشدید شده و جوانه‌های ترک زیرسطحی سریع‌تر رشد می‌کنند. از سوی دیگر، اگر روانکار برشی ناپایدار باشد، در اثر بارهای ضربه‌ای برش می‌خورد، ویسکوزیتهٔ موثر افت می‌کند و پنجرهٔ اصطکاک از کنترل خارج می‌شود.
اثر روانکار بر ایمنی ترمز و نویز محیطی
روانکاری بیش‌ازحد یا با فرمول نامناسب می‌تواند ضریب اصطکاک را پایین بیاورد، فاصلهٔ ترمز را افزایش دهد و خطر لغزش چرخ را بالا ببرد. در مقابل، روانکاری کم یا بدون افزودنی‌های ضدسایش و فشارِ شدید، نویز اسکویل را تشدید و سایش را تسریع می‌کند. قاعدهٔ عملی: فرمولی را انتخاب کنید که «استحکام فیلم» کافی تحت پالس‌های شوکی ارائه می‌دهد و «اصلاح‌کنندهٔ اصطکاک» آن، ضریب اصطکاک هدف را در 0.30–0.40 (بسته به استاندارد بهره‌بردار) پایدار نگه می‌دارد.
انتخاب گریس و روغن برای تماس چرخ–ریل و لبهٔ فلنج
برای مدیریت اصطکاک و سایش در تماس چرخ–ریل، دو مسیر رایج است: (۱) گریس‌کاری فلنج چرخ و در مواردی پهلوی ریل، (۲) استفاده از اصلاح‌کننده‌های اصطکاک Top-of-Rail (TOR). در ناوگان ایران، به‌دلیل گرد و غبار و نوسان دما، انتخاب گریس و فرمول TOR باید به‌صورت محافظه‌کارانه و با تمرکز بر پایداری برشی و مقاومت آب‌شستگی انجام شود.
مشخصه‌های کلیدی گریس‌های پیشنهادی
- نوع غلیظ‌کننده: لیتیوم کمپلکس یا سولفونات کلسیم کمپلکس برای استحکام مکانیکی و مقاومت در برابر آب‌شستگی.
- ویسکوزیتهٔ روغن پایه: ISO VG 220–460 برای چسبندگی و تحمل بار؛ در اقلیم سردتر، ویسکوزیتهٔ پایین‌تر برای حفظ پمپاژپذیری.
- کلاس NLGI: 1 یا 2 با افزودن تاکی‌فایر جهت ماندگاری روی فلنج و لبهٔ ریل.
- افزودنی‌ها: EP (سولفور–فسفر یا شیمی سولفونات کلسیم)، AW (مانند ZDDP)، ضد‌اکسیداسیون و ضدزنگ برای شرایط رطوبتی.
- مواد جامد لغزنده (در صورت نیاز): گرافیت یا MoS2 به‌صورت کنترل‌شده برای مقاومت قطع فیلم در شوک؛ مراقب اثر روی فاصلهٔ ترمز باشید.
- شاخص‌های آزمون: بار جوش چهار‌گلوله (ASTM D2596)، سایش چهار‌گلوله (ASTM D2266)، آب‌شستگی (ASTM D1264)، پایداری برشی (D217)، Timken OK.
اصلاح‌کننده‌های اصطکاک TOR
محصولات TOR با ماتریس پلیمری و افزودنی‌های اصطکاکی طراحی می‌شوند تا ضریب اصطکاک را در محدودهٔ هدف ثابت نگه‌دارند و اسکویل را کاهش دهند بدون آن‌که ترمز را مختل کنند. دوزدهی روی سر ریل باید با سرعت، بار محوری و شعاع قوس تنظیم شود. راه‌اندازی اولیه با دوز کمتر و پایش نویز/لغزش، ریسک لغزشی را پایین می‌آورد.
سازگاری با محیط ایران
- بیابانی/گرد و غبار: فرمول‌های tacky با ذرات را مهار نکنند؛ پاک‌سازی دوره‌ای و دوزدهی دقیق تا از خمیر ساینده جلوگیری شود.
- باران‌های فصلی/شمال: مقاومت آب‌شستگی و ضدزنگ قوی؛ بررسی Drop Point و آب‌شستگی پیش از خرید.
- سردسیر: NLGI 1 با روغن پایهٔ ویسکوزیتهٔ پایین‌تر برای پمپاژپذیری سیستم‌های خودکار.
کنترل آلودگی: گرد و غبار، رطوبت و آب‌شستگی
آلودگی ذره‌ای و رطوبت، فیلم روانکار را تضعیف و سایش ساینده را شتاب می‌دهد. در سیستم‌های گریس‌کاری فلنج، هر ذرهٔ سیلیسی تبدیل به «کاغذ سنباده» می‌شود. کنترل مؤثر آلودگی، به اندازهٔ انتخاب گریس مهم است.
راهکارهای عملی
- مخازن و پمپ‌های گریس را با درپوش تنفسی رطوبت‌گیر تجهیز کنید؛ پر کردن با کارتریج یا تفنگ گریس تمیز.
- دوزدهی هوشمند: تزریق حداقلی اما پیوسته تا از جمع‌شدن گریس آلوده در فلنج جلوگیری شود.
- پاک‌سازی نقطه‌ای: در معادن یا مناطق غباری، برنامهٔ شست‌وشوی موضعی و سایش‌زدایی مکانیکی در بازه‌های کوتاه‌تر.
- در صورت استفاده از روغن در جعبه‌دندهٔ محور، فیلتراسیون با هدف رسیدن به کد پاکیزگی ISO 4406 متناسب با کلاس تجهیز، و نمونه‌گیری دوره‌ای.
- انتخاب گریس با مقاومت آب‌شستگی بالا و افزودنی ضدزنگ برای مناطق بارانی.
پایش وضعیت: ارتعاش، دما و آنالیز گریس/روغن
پایش وضعیت به تیم‌های نگهداری کمک می‌کند پیش از ظهور خرابی، تنظیم دوزدهی یا تعویض محصول را انجام دهند. سه کانال دادهٔ کلیدی توصیه می‌شود: ارتعاش، دما و کیفیت روانکار.
ارتعاش و نویز
- حسگرهای ارتعاش روی بوژی یا محور برای رهگیری باندهای مرتبط با موجی‌شدن ریل و فلت‌اسپات چرخ.
- پایش صدای اسکویل در قوس‌ها به‌عنوان شاخص غیرمستقیم کمبود یا بیش‌بود روانکار.
دما
- تصویربرداری حرارتی از ناحیهٔ چرخ–ریل در خطوط مشکل‌دار؛ نقاط داغ تکرارشونده، نشانهٔ شکست فیلم یا آلودگی است.
- پایش دمای خطوط تزریق گریس و واحد پمپ برای تشخیص گرفتگی یا پمپاژ دشوار در سرما.
آنالیز گریس/روغن
- جمع‌آوری نمونهٔ گریس از خروجی نازل یا از فلنج در بازه‌های تعریف‌شده؛ ارزیابی درصد آب، آلودگی سیلیسی و فرسایش فلزی (روش‌های طیف‌سنجی پس از استخراج حلالی).
- در سامانه‌های روغنی، سنجش ویسکوزیته، عدد اسیدی، محتوای آب (کال فیشر) و شمارش ذرات.
- ردیابی شاخص‌های برشی: تغییر نفوذپذیری گریس (D217) برای تشخیص ناپایداری برشی زیر بار شوکی.
شاخص‌های کلیدی عملکرد (KPI)
- ضریب اصطکاک هدف در قوس‌های بحرانی (به‌طور غیرمستقیم از طریق نسبت لغزش/نویز).
- نرخ سایش پروفیل چرخ/ریل در هر ۱۰–۲۰ هزار کیلومتر.
- نرخ مصرف گریس بر حسب کیلومتر/قطار و دوز موثر در چهار فصل.
- کاهش رویدادهای داغ/نویز نسبت به خط پایهٔ پیش از مداخله.
چک‌لیست عملیاتی برای تیم‌های نگهداری
- تعریف پنجرهٔ اصطکاک: هدف عملیاتی ضریب اصطکاک و معیارهای قبولی برای هر خط (قوس‌ها، شیب‌ها).
- انتخاب محصول: گریس سولفونات کلسیم/لیتیوم کمپلکس با EP/AW، NLGI و ویسکوزیتهٔ متناسب با اقلیم خط.
- اعتبارسنجی آزمایشگاهی: بررسی D2596، D1264، D217 و Timken OK؛ مقایسهٔ داده‌ها با شرایط خط.
- طراحی دوزدهی: تعیین نرخ تزریق بر اساس سرعت، بار محوری و شعاع قوس؛ شروع محافظه‌کارانه.
- کنترل آلودگی: نصب درپوش تنفسی رطوبت‌گیر، آموزش پر کردن تمیز، برنامهٔ پاک‌سازی دوره‌ای.
- نصب حسگرها: ارتعاش، دما و لاگر شمارش سیکل پمپ؛ تعریف آلارم‌های قابل اقدام.
- نمونه‌برداری و آنالیز: برنامهٔ ماهانهٔ گریس/روغن و گزارش‌گیری روندی.
- بازخورد و بهینه‌سازی: تنظیم نوع/مقدار روانکار بر اساس نویز، سایش اندازه‌گیری‌شده و مصرف.
- مستندسازی: ثبت همهٔ تغییرات برای انطباق با پنجره‌های تعمیرات برنامه‌ریزی‌شده.
پیوند تصمیم‌های تریبولوژیک با قابلیت اطمینان و اقتصاد
هر تصمیم در انتخاب روانکار و راهبرد پایش، در نهایت به شاخص‌های عملیاتی کلیدی ترجمه می‌شود: قابلیت اطمینان ناوگان، فاصلهٔ ترمز، نویز و هزینهٔ چرخه‌عمر. گریس یا TOR مناسب با پایداری برشی بالا، شوک‌پذیری فیلم و مقاومت آب‌شستگی، می‌تواند بسامد سنگ‌زنی ریل و تراش چرخ را کاهش دهد، پنجرهٔ تعمیرات برنامه‌ریزی‌شده را قابل اتکا کند و خروج قطار از سرویس را کمینه سازد. مهم‌تر، نگه‌داشتن ضریب اصطکاک در محدودهٔ هدف، کنترل فاصلهٔ ترمز و ایمنی مسافر را پشتیبانی می‌کند؛ موضوعی که هیچ صرفه‌جویی کوتاه‌مدتی نباید آن را قربانی کند.
پرسش‌های متداول
آیا استفاده از مواد جامد مانند گرافیت یا MoS2 برای همهٔ خطوط مناسب است؟
نه لزوماً. مواد جامد به تحمل شوک و جلوگیری از فلز–فلز کمک می‌کنند، اما می‌توانند ضریب اصطکاک را بیش‌ازحد پایین بیاورند، به‌ویژه در ترمزگیری. در خطوط با قوس‌های تند و بار محوری بالا، به‌صورت کنترل‌شده و پس از پایش نویز/لغزش توصیه می‌شوند. برای خطوط پرمسافر شهری، بسیاری از بهره‌برداران به TOR با افزودنی‌های اصطکاکی تنظیم‌شده ترجیح می‌دهند.
چطور بفهمیم گریس انتخابی در برابر آب‌شستگی مناسب است؟
به نتایج آزمون ASTM D1264 نگاه کنید؛ درصد از‌دست‌دادن جرم در آب متلاطم هرچه کمتر باشد، مقاومت بهتر است. همچنین به شیمی غلیظ‌کننده توجه کنید؛ سولفونات کلسیم کمپلکس معمولاً مقاومت عالی به آب دارد. تجربهٔ میدانی در اقلیم بارانی خط شما، مکمل دادهٔ آزمایشگاهی است.
چه زمانی باید نرخ دوزدهی را تغییر داد؟
هرگاه شاخص‌های نویز در قوس‌ها افزایش یافت، دمای نقطهٔ تماس بالا رفت یا سایش پروفیل از خط مبنا انحراف پیدا کرد، نخستین اقدام بازبینی دوزدهی است. در سردسیر، ممکن است برای حفظ پوشش، دوز کمی بالاتر نیاز باشد؛ در مناطق غباری، کاهش دوز و پاک‌سازی بیشتر از تشکیل خمیر ساینده جلوگیری می‌کند.
آیا می‌توان گریس فلنج را بین برندها مخلوط کرد؟
ترجیحاً نه. ناسازگاری غلیظ‌کننده‌ها (مثلاً لیتیوم کمپلکس با پلی‌یوریا) می‌تواند بافت گریس را ناپایدار کند و پمپاژپذیری را کاهش دهد. در صورت تغییر برند، سیستم را تا حد امکان پاک‌سازی کنید و یک برنامهٔ پایش نزدیک برای نفوذپذیری و کارایی تنظیم کنید.
چه آزمون‌هایی برای سنجش تحمل بار شوکی مناسب است؟
بار جوش چهار‌گلوله (ASTM D2596) و Timken OK معیارهای شناخته‌شده‌اند. هرچه اعداد بالاتر باشند، تحمل بار و مرز‌های شکست فیلم بهتر است. همچنین تغییر نفوذپذیری در ASTM D217 پس از برش طولانی‌مدت، تصویری از پایداری برشی می‌دهد که در بارهای ضربه‌ای کلیدی است.
جمع‌بندی
در تریبولوژی تماس چرخ–ریل زیر بارهای ضربه‌ای، هدف رسیدن به یک رژیم آمیختهٔ کنترل‌شده است: اصطکاک کافی برای ایمنی، و فیلم روانکار به‌قدرِ کافی قوی برای کاهش سایش و نویز. با انتخاب گریس‌های لیتیوم کمپلکس یا سولفونات کلسیم با افزودنی‌های EP/AW، تنظیم دوز TOR بر اساس شرایط خط، و کنترل آلودگی گرد و غبار/رطوبت، می‌توان پیتینگ و موجی‌شدن را مهار کرد. پایش ارتعاش، دما و آنالیز گریس/روغن، تصمیم‌های راهبردی را داده‌محور می‌کند و با پنجره‌های تعمیرات برنامه‌ریزی‌شده همسو می‌سازد. نتیجهٔ مستقیم این انتخاب‌ها، کاهش هزینهٔ چرخه‌عمر، بهبود قابلیت اطمینان و اطمینان از فاصلهٔ ترمز ایمن در ناوگان ریلی ایران است.
بدون نظر