CN109762626A - 一种轮轨摩擦调节材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种轮轨摩擦调节材料，轮轨摩擦调节材料原料组成及其质量配比为聚四氟乙烯20‑60份、石墨20‑60份、二氧化硅0.2‑20份、酚醛树脂5‑20份和石蜡2‑10份；轮轨摩擦调节材料生产主要步骤：首先将聚四氟乙烯与石墨混合，进行干燥处理，干燥过后将其与二氧化硅混合，然后加入酚醛树脂制成混料，混料后加入石蜡粉末，再对混料进行热处理和加压，然后使用阶梯降温，完成轮轨摩擦调节材料制作；本发明的体系具有较好的稳定性，制备过程不复杂，制备的轮轨摩擦调节材料，可以调节轮轨摩擦系数，使其维持在0.2‑0.4之间。

Description

一种轮轨摩擦调节材料及其制备方法

技术领域

本发明属于轨道交通领域，尤其涉及一种轮轨摩擦调节材料。

背景技术

轮轨摩擦调节材料可以调节轮轨摩擦系数，使其维持在一个适宜的区间内。轮轨摩擦系数受外界影响较大，在干燥环境下轮轨摩擦高达0.7，受油污污染后，摩擦系数低于0.1，维持轮轨摩擦系数在0.3附近是保证轮轨交通安全经济出行的关键技术。轮轨摩擦系数过大，会造成较大的轮轨疲劳及磨耗，导致轮轨维护维修成本成倍增加。轮轨摩擦系数过低，会导致车轮牵引制动失效，影响列车正常运行并危及行车安全。目前对轮轨摩擦系数的处理方法主要集中为两类，即增粘与减磨，也就是增大摩擦系数与减小摩擦系数。增大摩擦系数的产品主要是轮轨间撒石英砂或者使用踏面研磨子,这种方式需要定期向轮轨间撒石英砂或更换研磨子，这样会耗费很大的人力物力。减小摩擦系数的产品主要是使用各类润滑剂，固态润滑剂通常含有铅、二硫化钼等重金属或稀有金属，成本高，并且对环境存在污染。

对满足铁路要求的材料进行选择是一个庞大的工程。传统的固体润滑或固态摩擦材料中通常使用钼或钛的各种氧化物或硫化物，或者直接使用铜金属，且传统的固体润滑或固态摩擦材料只能起到一个润滑的作用，另外这些有色金属在造成大量的资源浪费，甚至对环境产生污染，将直接影响农业生产或者污染水源。因此铁路使用环境中不允许使用有色稀有金属，这就需要采用技术手段在不影响摩擦效果的前提下，对现有材料的配合及工艺进行调整。各组份材料在产品中的作用不同，对产品的性能影响也不同，且这些都必须基于一定的生产工艺。生产加工过程不单单是产品成型过程，更是一个复杂的化学反应过程。各组分的含量及工艺必须严格控制。且制得的产品要在大范围的铁路运输中使用，用量较大，严格禁止使用非再生稀有资源。

中国专利申请92115034.2公开了一种火车轮轨系统的润滑剂，是将20-70％的石墨粉、二硫化钼和氮化硼2-5％的三氧化二锑和三水合氧化铝，掺入30-80％高分子聚合物中，于20-90℃下固化成型。该润滑剂使用过程中和车轮轮缘始终是接触的，会因摩擦而在轮缘表面形成一层吸附薄膜。但是该发明中含有的氧化物造价高，使得生产成本变高，且该发明组分中含有的重金属元素会对环境造成污染；另一方面该发明通过在轮缘表面形成一层吸附薄膜，起到持续润滑的效果，但是当轮轨被油污污染后，轮轨摩擦系数将变得很低，这将会导致车轮牵引制动失效，影响列车正常运行并危及行车安全。

中国专利申请92115302.3涉及一种既有润滑作用又有增摩效果的固体轮轨踏面摩擦剂，是将5-30％的石墨粉、二硫化钼粉及氮化硼混合一定量的石膏粉、滑石粉和生石灰掺和均匀后混入40-90％的聚四氟乙烯、聚酯树脂和环氧树脂中固化成型。该发明中含有重金属元素，会对环境造成污染；且该发明组份中含有生石灰，而生石灰在空气中会吸水变质，也就限制了该固体轮轨踏面摩擦剂的使用寿命。

发明内容

本发明的目的之一就在于合成一种轮轨摩擦调节材料，将轮轨的摩擦系数一直保持在0.2-0.4范围内。保证轮轨的低摩擦，又保证有效的牵引制动效果，同时材料环保，充分解决现有技术存在的各种问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是，

一种轮轨摩擦调节材料，包括如下材料：聚四氟乙烯、石墨、气相二氧化硅、酚醛树脂和石蜡，本发明提供的轮轨摩擦调节材料是一种摩擦系数保持材料。

优选的，按重量份计，本发明所述聚四氟乙烯为20-60份，石墨为20-60份，气相二氧化硅为0.2-20份，酚醛树脂为5-20份，石蜡为2-10份。

本发明中，聚四氟乙烯具有较低的摩擦系数，加入材料中能够起到较好的轮轨润滑作用。聚四氟乙烯的摩擦系数是0.1，石墨的摩擦系数是0.4，所以石墨添加有两个作用，第一提高产品的摩擦系数至0.2-0.4之间，第二提高聚四氟乙烯的极压性能，如果不添加石墨，在轮轨巨大的挤压力下，聚四氟乙烯会完全挤出摩擦表面而起不到任何润滑作用。而石墨的极压性能很好，且与聚四氟乙烯可以很好的混合成型。两种层状结构的材料相互融合，当受到外界挤压时，石墨会起到支撑作用，整体材料不会被挤出摩擦表面，所以可以提高材料的极压。气象二氧化硅起到降低加热过程中材料流动性作用，且可以起到保持产品韧性情况下，对酚醛树脂交联键起到改性作用。换言之：不添加气相二氧化硅，成型时材料将出现大量溢酯现象，最终产品会变得很脆，其力学性能无法满足铁路使用。组份中的酚醛树脂是一种廉价的粘结剂，并具有0.3左右的摩擦系数；石蜡用以提高产品的粘附效果，保证摩擦调节材料在轮轨上形成粘膜涂层，效果持久，并且产生的粘膜涂层具有疏水疏油特性，使油污等不能在轮轨表面上粘附，避免了对轮轨的黏着效果。

本发明同时兼具增粘和减摩的技术特点，不同于一般的仅仅具有增粘或仅仅减摩性能的材料。摩擦调剂材料制备成摩擦调节块，通过金属背板安装在动作装置上。在车辆运行过程中，定时对车轮进行涂覆。摩擦调节材料会粘附于车轮表面，并随车轮运行转移至钢轨表明。在长时间使用后，摩擦调剂材料会使整个区段钢轨表明形成涂覆层，起到稳定轮轨摩擦系数的目的，使用方法见后面图2。

在所述用量下，本发明的调节材料能够始终一致的保持0.2-0.4之间的摩擦系数，针对轮轨接触大载荷工况，即可以保证轮轨低摩擦，又可以保证有效的牵引制动效果，适用于各种干燥或者油污的列车运行环境。

举例而言，选聚四氟乙烯25份，石墨35份，二氧化硅14份，酚醛18份，石蜡8份。得到的产品可用在轴重较大的重载列车上。

取聚四氟乙烯34份，石墨34份，二氧化硅10份，酚醛16份，石蜡6份。得到的产品可用在传统客车及动车组上。

取聚四氟乙烯40份，石墨30份，二氧化硅15份，酚醛12份，石蜡3份，得到的产品可用在地铁列车上。

取聚四氟乙烯60份，石墨28份，二氧化硅0.6份，酚醛8份，石蜡3.4份，得到的产品摩擦系数较低，可以用作轮缘润滑材料。

优选的，所述聚四氟乙烯由悬浮法获得，粒度为过200目筛。

优选的，所述石墨粒度为过200目筛，纯度不低于99.9％。

优选的，所述酚醛树脂为工业P830，粒度为过200目筛。

本发明另一目的是制备所述的轮轨摩擦调节材料的方法，该方法包括如下步骤：

1)取聚四氟乙烯粉末、石墨粉末和酚醛树脂粉末备用；

2)将聚四氟乙烯粉末与石墨粉末充分混合后干燥至恒重，得到混料Ⅰ；

3)将步骤2)所得混料Ⅰ与二氧化硅粉末充分混合，然后加入酚醛树脂粉末制成混料Ⅱ，本步骤混合物料时，控制物料温度不超过酚醛树脂融化温度；

4)向混料Ⅱ中加入石蜡粉末，依次进行第一阶段升温和第二阶段升温，第一阶段升温使石蜡充分融化，第二阶段升温使酚醛树脂充分融化并与其他物料粘合；第一阶段升温的目的是为了使石蜡充分融化并与其他成分均匀渗透，同时酚醛树脂粉末不会融化，因此，第一阶段升温时间、温度以能够实现所述目的为主；本发明第二阶段升温是为了使酚醛树脂充分融化并与其他物料粘合，因此第二阶段能实现该目的的温度和时间均在本发明保护范围内，从节能角度出发，升温温度以较低的能使酚醛树脂融化的温度为宜；此外控制升温速度除了树脂融化外，最重要的是树脂自身的固化反应及与其他组分的相互化学反应。这个过程中会吸收大量的热，并产生气体，如果升温太快，产生的气体不能有效排除，会导致产品内部气孔；

5)在170摄氏度下对步骤4)所得物料保温不低于3小时，然后对材料降温，得到所述轮轨摩擦调节材料；本步骤中，保温不低于三小时，可以使酚醛树脂分子间的交联键更多更稳定，对于本发明而言，制造时可以根据需要在物料保温成型过程中，选择形状适宜的模具，物料降温到室温后，产品直接脱模即可得到所需形状的调节块。

本发明提供的方法，工艺简单，成本低廉，实现容易，可行性高。

优选的，所述第一阶段升温至120摄氏度，然后保温至石蜡充分融化并与其他成分混合均匀。

优选的，所述第二阶段升温至160摄氏度,升温速度控制在40度/小时。

优选的，所述聚四氟乙烯粉末、石墨粉末和酚醛树脂粉末均过200目筛。

使用时，将制好的轮轨摩擦调节块置于机车轮子边缘，依靠轮子的转动，在轮轨上涂上一层粘膜涂层。

本发明的有益效果：

1、本发明不含二硫化钼、铅等稀有重金属，有利于环境保护。

2、本发明使用在轮轨上，轮轨的摩擦系数基本固定，水及油污等铁路使用过程中的污染物对轮轨摩擦系数影响较小，同理干燥环境下也是如此，所以本发明能较好地调节轮轨摩擦系数，使其维持在0.2-0.4之间，并且效果持久，使用寿命长。

3、本发明中各个组分造价便宜，生产成本低。

4、本发明是在载人工具上使用。对环境污染性的材料或对人体有害的材料没有，本发明中使用的材料一旦形成产品，使用过程中将不会产生任何粉尘污染、有害气体污染、和腐蚀性污染。

附图说明

图1轮轨摩擦调节块；

图2轮轨摩擦调节块的实施案例；

图3MJP-30A型滚动接触疲劳磨损试验机；

图4未使用摩擦调剂材料情况下轮轨摩擦系数；

图5使用轮轨摩擦调节材料使用前后的效果对比图；

图6试验方案图。

附图补充说明：图5中所谓的改进剂就是本专利所提及的摩擦调节材料。横坐标为轮轨直接的滑差，纵坐标为轮轨摩擦系数。可以看出，在小于7％滑差范围内，摩擦材料可以降低轮轨摩擦系数，且不至于降低至0.2以下。注：上图中小于1％滑差时，由于轮轨之间相对滑动较小，导致摩擦系数过低，在车辆正常加减速是的滑差在1％-4％范围内。

图6中摩擦改进剂就是摩擦调节块

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要指出的是以下实施例只是用于对本发明的进一步说明，不能理解为本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容所做出的的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

下属所有实施案例情况均是在试验机上进行，并为实际用到车辆系统中。所有试验均在西南交通大学MJP-30A型滚动接触疲劳磨损试验机上进行，试验机如图3所示，试验方案如图6所示。

试验时，车轮试样和钢轨试样接触压力分别模拟了重载轮轨接触应力(实施例1)，传统课程及动车组轮轨接触应力(实施例2)，地铁列车轮轨接触应力(实施例3)。采用轮轨试件纯滑动模拟实施例4中的轮缘与钢轨接触情况。摩擦系数计算方法为，(其中f为摩擦系数，M为钢轨试样扭矩，N为轮轨试样正压力)

实施例1

本实施例提供了一种制备轮轨摩擦调节材料的配方，且该产品主要运用于轴重较大的重载列车上，提供0.3-0.4的摩擦系数，其产品组分为:聚四氟乙烯质量份数为25，石墨质量份数为35，二氧化硅质量份数为14，酚醛质量份数为18，石蜡质量份数为8。

实施例2

本实施例提供了一种制备轮轨摩擦调节材料的配方，且该产品主要运用于传统客车及列车组上，提供0.25-0.35的摩擦系数，其产品组分为:聚四氟乙烯质量份数为34，石墨质量份数为34，二氧化硅质量份数为10，酚醛质量份数为16，石蜡质量份数为6。

实施例3

本实施例提供了一种制备轮轨摩擦调节材料的配方，且该产品主要运用于地铁列车上，提供0.2-0.3的摩擦系数，其产品组分为:聚四氟乙烯质量份数为40，石墨质量份数为30，二氧化硅质量份数为15，酚醛质量份数为12，石蜡质量份数为3。

实施例4

本实施例提供了一种制备轮轨摩擦调节材料的配方，且该产品摩擦系数低，可以用做轮缘润滑材料，提供小于0.1的摩擦系数，其产品组分为:聚四氟乙烯质量份数为60，石墨质量份数为28，二氧化硅质量份数为0.6，酚醛质量份数为8，石蜡质量份数为3.4。

水及油污等铁路使用过程中的污染物对轮轨摩擦系数影响较大，同理干燥环境下也是如此，所以本发明能较好地调节轮轨摩擦系数，使其维持在0.2-0.4之间，并且效果持久，使用寿命长，本发明中各个组分造价便宜，生产成本低。轮轨摩擦调节材料使用前后的效果对比见图5。

Claims (8)

1.一种轮轨摩擦调节材料，其特征在于：是一种摩擦系数保持材料，按重量份计，该摩擦系数保持材料包括：聚四氟乙烯为20-60份、石墨为20-60份、气相二氧化硅为0.2-20份、酚醛树脂为5-20份和石蜡为2-10份。

2.根据权利要求1所述一种轮轨摩擦调节材料，其特征在于：所述聚四氟乙烯由悬浮法获得，粒度为180-220目。

3.根据权利要求1所述的一种轮轨摩擦调节材料，其特征在于，所述石墨粒度为180-220目，纯度不低于99.9％。

4.根据权利要求1所述的一种轮轨调节材料，其特征在于：所述酚醛树脂，软化点97-103摄氏度，游离酚2％-4％,流动度(125摄氏度)30-50，聚合度(150摄氏度)30-50，水分小于1.5％，粒度为180-220目。

5.制备权利要求1-4所述轮轨调节材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)取聚四氟乙烯粉末、石墨粉末和酚醛树脂粉末备用；

2)将聚四氟乙烯粉末与石墨粉末充分混合后干燥至恒重，得到混料Ⅰ；

3)将步骤2)所得混料Ⅰ与气相二氧化硅粉末充分混合，然后加入酚醛树脂粉末制成混料Ⅱ，本步骤混合物料时，控制物料温度不超过酚醛树脂融化温度；

4)向混料Ⅱ中加入石蜡粉末，依次进行第一阶段升温和第二阶段升温，第一阶段升温使石蜡充分融化，第二阶段升温使酚醛树脂充分融化并与其他物料粘合；

5)在168-172摄氏度下对步骤4)所得物料保温不低于3小时，然后对材料降温，得到所述轮轨摩擦调节材料。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：第一阶段升温至118-122摄氏度，然后保温至石蜡充分融化并与其他成分混合均匀。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：第二阶段升温至158-162摄氏度,升温速度控制在38-42度/小时。

8.根据权利要求5-7所述的方法，其特征在于，所述聚四氟乙烯粉末、石墨粉末和酚醛树脂粉末粒度均为180-220目。