CN1333056C - 轨侧干膜润滑剂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨侧干膜润滑剂。该发明属于溶剂型挥发形成的轨侧干膜润滑剂。由下述原料按重量份数比配成：热塑性丙烯酸酯共聚体0.8-3.0，层状物质固体润滑剂1.5-4.5，抗磨剂0.5-3.0，流变防沉助剂0.15-0.30，溶剂12.0-20.0，其它助剂适量。所制得的轨侧干膜润滑剂具有综合性能好、减摩、抗磨效果显著、使用施工运输安全的优点。
Description
技术领域
本发明属于润滑剂技术领域。
背景技术
铁路运输是一个非常庞大和复杂的系统，随着铁路向提速、重载方向发展，繁忙干线小半径曲线钢轨磨损已成为钢轨最主要的伤害形式。因此，研究减少轮轨有害摩擦，进行有效的润滑，延长钢轨的使用寿命，对节能、减少火车脱轨、断轨等安全事故的发生都具有重要的意义。
机车车辆在弯道上行使时，由于轮轨冲角的作用，轮轨之间的摩擦力将车辆推向外轨，在外轨上形成轮缘与轨侧和踏面与轨顶的两点接触或轮缘根部与轨侧犄角的一点接触。如果外轨是两点接触，由于轨角的曲率半径较小(R＝300~500)，接触应力会大大提高，轨顶和踏面的塑性流动和疲劳破坏就更为严重，再由于轮缘和轨侧之间的相对运动是滑动，因而机械磨损为破坏的主要形式，并伴有一定程度的塑性流动。如果是一点接触，在钢轨内侧犄角与轮缘根部的高滑动和高应力，加之瞬时高温，不仅使磨损和塑性流动严重，而且还时常伴有垂直剥落和轨角深层的疲劳破坏。
目前，轮缘轨侧之间的润滑主要采用以下几种方式。
1.手工或车载涂油，在我国所涂抹的润滑剂是液态油。因为液态油会助长轮轨的疲劳剥落掉块，同时会污染车轮踏面，从而导致刹车失灵和降低牵引力，这种方式基本不可取。
2.边泵式润滑器。这种方式目前在北美被广泛地应用。在弯道区，一般每四英里(6.5公里)安装一台润滑器。当列车通过润滑器时，润滑器会向轨侧泵油，轮缘表面会被润滑，用在轮缘表面遗留下来的润滑剂来润滑后面6.5公里的弯道。但是，这种润滑效果很不理想，轮缘与轨侧的磨擦系数在0.17和0.23之间变化。同时，这种方式由于使用太阳能，电能或机械方式来驱动油泵，因而投资较大。据加拿大太平洋铁路公司的统计，每一个润滑器每年要消费1600到2000加元，折合人民币一万到一万三千元。这样的费用是非常高的。油脂润滑还有其他的缺点，如污染车轮踏面，加速轮轨疲劳破坏等等。
3.轮缘固体润滑剂。这种润滑方式是通过一个弹簧保持架将棒状固体润滑剂压抵在轮缘上，当车轮转动时，润滑剂会象铅笔一样在轮缘上遗留下一层润滑剂膜，从而达到润滑目的。这种润滑已经被广泛地应用在城市交通上，如地铁、轻轨等等。但是由于铁路运输车辆流动性大，不好管理，因而并没有被铁路界所接受。但是它不失为机车车轮轮缘润滑的一种选择。
4.轮缘喷油润滑器。这种润滑很有效，但是它需要动力，投资高，只能用在机车上，对于轨道没有明显的效果。而且润滑油脂有加速疲劳破坏的作用，目前，北美铁路已将其淘汰。
5.轨侧干膜润滑剂。目前主要技术采用以下三种形式：热熔胶喷射技术、润滑棒涂敷技术及溶剂型喷射技术。它们的共同点是在外轨内侧形成固体润滑膜，达到减少摩擦，减少磨损同时防止油润滑所产生的油楔效应，使轨面有裂纹扩展的现象。
本发明属于第三种形式。
发明内容
本发明的内容在于针对现有技术存在的不足，提供一种具有高粘着性、减摩性、抗磨性、高承载性、无腐蚀性，贮存稳定以及生产施工运输安全的轨侧干膜润滑剂。
本发明的技术方案如下：
轨侧干膜润滑剂选用以下述原料按重量份数比配成：
热塑性丙烯酯共聚体 0.8-3.0
层状物质固体润滑剂 1.5-4.5
抗磨剂 0.5-3.0
流变防沉助剂 0.15-0.30
溶剂 12.0-20.0
其它助剂 适量
其中：热塑性丙烯酸酯共聚体所选用的单体为丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸、丙烯酸羟丙酯、醋酸乙烯、苯乙烯单体，可选用其中两种或两种以上的单体经溶液聚合而成，其玻璃化温度(Tg)为25℃~70℃，冬季选用25℃~35℃，夏季选用40℃~65℃。
层状物质固体润滑剂选用鳞片石墨、二硫化钼(M0S2)、氮化硼(BN)，其中优选鳞片石墨及M0S2组合，其粒径均要求5μm-50μm。
抗磨剂为含硫的极压抗磨剂二硫代氨基甲酸盐或硫化异丁烯；含磷的极压抗磨剂烷基磷酸酯、烷基亚磷酸酯、二烷基二硫化磷酸锌(ZDDP)，选用其中的一种或两种以上的组合。优选二烷基二硫化磷酸锌(ZDDP)。
流变防沉助剂选用聚酰胺蜡。
溶剂选用氯化烃，优选1.1.1-三氯乙烷或与三氯乙烯配合使用，其组合的重量份比例为1∶0.5-1.5
本发明润滑剂制造工艺包括对树脂的溶胀，溶解和对流变防沉助剂的溶解；对石墨、MOS2和其它助剂的高速分散；砂磨再分散及过滤等工序过程。这些工艺都是常规的，本专业的技术人员可根据本专利内容以及本专业教科书的指示而实现。
本发明对上述原料的选择依据如下：
在本发明润滑剂中的粘接成份必须具有独特的物理、化学性能，赋予干膜具有较强的附着力、柔韧性、抗冲击性能以及溶剂释放速度快等特性。经筛选，以热塑性丙烯酸酯共聚体为最佳。
粘接强度试验是在西南交通大学的DN型微动疲劳试验机上进行。摩擦副是采用球与平面接触，试验装置如示意图所示，运动形式为平移，试件1与运动活塞连接，往返运动幅值可精确控制，试件2被固定在一个框架结构上，可以施加法向力。试验时选用的参数变化范围为：运动位移幅值D为±100цm；法向载荷值Fn为100N。试料被涂抹在试件2的表面。
在试验中，试件1上下往复运动，在法向力的作用下，会产生摩擦力。当实验开始时，摩擦系数很低，随着往复运动的延续，薄膜逐渐被磨损掉，摩擦力逐渐上升。我们将从试验开始到摩擦系数上升为0.2的时间定义为粘结强度的指标。实验结果表明，与同类产品相比，我们的轨侧润滑剂的粘结强度是最强的。
本发明润滑剂所使用溶剂的选择相当重要，除了对粘接剂具有良好的溶解性能外，应具有快的挥发速度以形成干膜润滑，同时还具有车载施工以及运输上的安全性和低毒性。
我们主要选用氯代烃，首选1.1.1-三氯乙烷溶剂，其对树脂溶解容易，溶液清澈、透明，它的相对挥发速率大于6，而醋酸丁酯为1，挥发速度相当快，能够满足要求。此溶剂无闪点，在车载施工及运输上是安全的。此溶剂国家标准规定最高允许浓度为：1200mg/m3，时间加权平均浓度为900mg/m3实测车载喷涂现场，关闭车窗取样检测结果为27mg/m3远远小于国家标准。在冬季，考虑到成膜温度，成膜速度及施工性等问题，溶剂可以采用1，1，1-三氯乙烷与三氯乙烯混合使用，其重量组份比例(烷∶烯＝1∶0.5-1.5)。
在发明的润滑剂要求采用喷涂的施工方法，除了对喷涂设备具有量准、位准等特殊要求外，采用的喷涂要求是液流而不是雾状的方式，以避免将润滑剂带到轨顶。因此对润滑剂的流变性具有特殊要求，即需要其具有良好的触变性。所谓触变：即在高速流动状态下具有低的粘度，以满足喷射时对低粘度的要求。在喷射到粘附面上，物料速度降低为零，要求高的粘度，以防止流淌或溅射。为了满足此要求，本发明加了流变防沉助剂，选用了聚酰胺腊，其实验数据见表一。
表一粘度与触变性实验
从表一可以看出，触变系数(转速6转粘度/转速60转粘度)平均值不小于6.0，完全能够满足施工的要求。
本发明润滑剂选用的固体润滑成分为公知的石墨、MoS2等粉状固体。石墨的密度为2.27g/cm3，在适宜的粘度下，溶液的粘度约为1.38g/cm3，相差0.89g/cm3左右，根据Stokes定律可以求出小球颗粒在流体中下落的最后速率(Vg)为：
Vg＝0.22(ρ--ρ0)r2/η
ρ、ρ0分别为小球和流体的密度。
η：液体的粘度。r：小球的半径
根据上述公式可以看出，减小粒径(r)可以大大减小悬浮液中颗粒的沉降速率。同时，有利于填平被涂敷物粗糙表面凹陷部分、这有利于润滑和承载能力的提高，现在有人研究用纳米级的固体润滑颗粒来提高减摩、抗磨及润滑效果，已得到了实用的成效。但是纳米级颗粒表面能高，颗粒间更易聚集成团难于再分散，这不仅丧失了原有的性能，也降低了润滑剂贮存稳定性。因此必须经过表面处理，才能稳定。目前，纳米颗粒表面处理技术还不成熟。另外，成本高也是个问题。我们采用价格较低的粒径为μm级中碳鳞片石墨用特殊的聚酰胺蜡进行处理，不但达到触变性的要求，而且达到颗粒再分散的良好效果。按GB/T6753.3-1986方法，进行贮存稳定性强化实验，其分散性、粘度变化及MM200圆盘摩擦实验都能达到技术指标要求。
例如MM200圆盘摩擦实验
原样：2004.11.15测试到摩擦系数0.15停止，持续性3.9万转；强化后的老化样品：2005.04.01测试到摩擦系数0.15停止，持续性3.36万转。
实验条件：压力p：750-800N；转速：400r/min；滑差：20％
本发明的润滑剂选用的层状物质固体润滑剂以石墨及MoS2为主。石墨的附着力好，热电的良导体，高温稳定性好，良好的化学稳定性能，能与水共存，它能有效地降低了摩擦，但承载能力偏低。MOS2在较高的温度下，能发生键的断裂，与铁反应生成Fe-Sx化合物，有很高的承载能力。但MOS2在潮湿的空气中能氧化生成酸性物质，对摩擦系数的降低没有贡献。
本发明将石墨和MOS2以一定的比例配合，就能起到互补和协同效应。其比例以石墨∶MOS2为1∶1.5-5∶1为最佳。
本发明选用的极压抗磨剂都含有硫或磷化合物，当高负载摩擦升温时会裂解断链与铁反应分别生成F-Sx或亚磷酸铁膜，同样起到极压抗磨作用。
本发明选用的其它助剂中，有三氧化二锑(Sb2O3)，能减轻MoS2的氧化；使其在高温下仍能具有较好的润滑和承载能力。氧化亚铜、硫化锌都能改善承载能力和降低磨损率。
本发明润滑剂摩擦系数和耐久性试验是重庆后勤工程学院的圆盘实验机(MM200)上进行的。MM200圆盘实验机是研究滚动摩擦的试验设备。它的上下两个圆盘有同一电动机驱动，其转速比为9∶10。如果改变两个圆盘的直径尺寸，就可以实现不同的滑动与滚动的滑差。MM200圆盘试验机可以测量上下两个原盘转动时的摩擦扭矩，进而可以计算出原盘之间的摩擦系数。两个圆盘的载荷是通过弹簧施加的。它常常可以用来做摩擦、磨损和疲劳的实验研究。对于铁路的轮轨关系的研究，MM200圆盘试验机可以用来模拟轮轨的滚滑接触。
轨侧润滑剂实验就是利用MM200圆盘实验机的滚滑接触来模拟轨侧和轮缘高滑差滚动接触的。上下圆盘的直径分别为50毫米和55.5毫米，形成的滑差为20％。下圆盘用来模拟轨道，上圆盘用来模拟车轮。上圆盘的宽度加工为3.5毫米。在800牛顿压力的作用下，两上圆盘之间可以生成780Mpa的接触压力，以此来模拟轮轨的接触应力。下圆盘的运转速度为每分钟400转。
在实验之前，先将RGL轨侧润滑剂(RGL为发明人给予本润滑剂的代号)涂抹在下圆盘上，在圆盘表面形成一层润滑剂膜。当实验机开始旋转后，实验时间和摩擦扭矩将被记录下来。一般情况下，摩擦扭矩在实验开始时为6至8公斤厘米(相当于摩擦系数0.04)，然后随着转数的增加而增加。当扭矩增加到40公斤厘米时(相当于摩擦系数0.20)试验停止。摩擦系数和运转时间是衡量润滑剂润滑效果的两项指标。
RGL轨侧润滑剂经多次重复实验，其润滑特性绘制在图2中。由该图可以得出以下结论：
●RGL轨侧润滑剂的摩擦系数大约在0.07和0.12之间变化，在大部分时间里，摩擦系数低于0.10；
●RGL轨侧润滑剂润滑持久期为两万转以上；
●RGL轨侧润滑剂实验具有较好的可重复性。
●与油脂润滑，机油润滑和其它的固体润滑剂相比，本发明的轨侧润滑剂具有更长的耐久性。
本发明润滑剂经小试涂敷，现场手工涂敷实验后，于2005年5月24日至9月6日进行车载喷涂试验。西南交大使用钢轨型面仪(丹麦产)进行磨耗检测结果，见表二：
表二成渝线与川黔线轨侧磨耗检测结果
| 成渝线①通过总重38Mt②列车允许运行速度70km/h | ||||
| 线 | 曲线里程 | 曲线半径和 | 测点位置 | 轨侧磨耗(轨顶下16mm) |
| 路 | 长度 | (轨号) | 侧向磨耗(mm) | 月平磨耗(mm) | 年磨耗(mm) | 平均磨耗mm/Mt10-3 | |
| 成渝线 | K485+235～K485+514 | R＝285 L＝278 | K485+19 | 0.092 | 0.026 | 0.315 | 8.301 |
| K485+20 | 0.126 | 0.036 | 0.432 | 11.368 | |||
| K485+22 | 0.059 | 0.017 | 0.202 | 5.323 | |||
| K485+595～K485+820 | R＝386 L＝226 | K485+33 | 0.083 | 0.024 | 0.285 | 7.498 | |
| K485+34 | 0.052 | 0.015 | 0.178 | 4.692 | |||
| K485+36 | 0.058 | 0.017 | 0.199 | 5.233 | |||
| 平均 | 0.078 | 0.022 | 0.269 | 7.069 | |||
| 川黔线①通过总重63Mt②列车允许运行速度70km/h | |||||||
| 线路 | 曲线里程 | 曲线半径和长度 | 轨号 | 侧向磨耗(mm) | 月平磨耗(mm) | 年磨耗(mm) | 平均磨耗mm/Mt10-3 |
| 川 | K53+775～K54+341 | R＝300 L＝566 | K53+37 | 0.232 | 0.066 | 0.795 | 12.626 |
| K53+38 | 0.228 | 0.065 | 0.782 | 12.408 | |||
| K53+40 | 0.263 | 0.075 | 0.902 | 14.313 | |||
| K58+651～K59+126 | R＝450L＝475 | K58+37 | 0.134 | 0.038 | 0.459 | 7.293 | |
| K58+38 | 0.258 | O.074 | 0.885 | 14.041 | |||
| K58+39 | 0.248 | 0.071 | 0.850 | 13.497 | |||
| 黔线川黔线 | K59+252～K60+001 | R＝300 L＝749 | K59+20 | 0.304 | 0.087 | 1.042 | 16.544 |
| K59+22 | 0.117 | 0.033 | 0.401 | 6.367 | |||
| K59+23 | 0.150 | 0.043 | 0.514 | 8.163 | |||
| K59+25 | 0.177 | 0.051 | 0.607 | 9.633 | |||
| K59+26 | 0.268 | 0.077 | 0.919 | 14.585 | |||
| K59+33 | 0.113 | 0.032 | 0.387 | 6.150 | |||
| K59+34 | 0.225 | 0.064 | 0.771 | 12.245 | |||
| K59+35 | 0.216 | 0.062 | 0.741 | 11.755 | |||
| K59+36 | 0.202 | 0.058 | 0.693 | 10.993 | |||
| K60+068～K60+700 | R＝300 L＝632 | K60+9 | 0.167 | 0.048 | 0.573 | 9.088 | |
| K60+12 | 0.153 | 0.044 | 0.525 | 8.327 | |||
| K60+14 | 0.134 | 0.038 | 0.459 | 7.293 | |||
| K60+19 | 0.218 | 0.062 | 0.747 | 11.864 | |||
| K60+20 | 0.229 | 0.065 | 0.785 | 12.463 | |||
| K60+25 | 0.187 | 0.053 | 0.641 | 10.177 | |||
| K60+26 | 0.128 | 0.037 | 0.439 | 6.966 | |||
| K60+700～K60+974 | R＝300 L＝274 | K60+33 | 0.135 | 0.039 | 0.463 | 7.347 | |
| K60+34 | 0.113 | 0.032 | 0.387 | 6.150 | |||
| K60+34 | 0.154 | 0.044 | 0.528 | 8.381 | |||
| K60+36 | 0.149 | 0.043 | 0.511 | 8.109 | |||
| K61+105～K61+455 | R＝301L＝350 | K61+8 | 0.187 | 0.053 | 0.641 | 10.177 |
| K61+10 | 0.117 | 0.033 | 0.401 | 6.367 | |||
| K61+12 | 0.114 | 0.033 | 0.391 | 6.204 | |||
| K61+627～K61+871 | R＝300 L＝244 | K61+29 | 0.184 | 0.053 | 0.631 | 10.014 | |
| K61+31 | 0.129 | 0.037 | 0.442 | 7.020 | |||
| K61+33 | 0.202 | 0.058 | 0.693 | 10.993 | |||
| 平均 | 0.182 | 0.052 | 0.625 | 9.923 | |||
1成渝线曲线地段钢轨磨耗情况
所有测点钢轨侧向总磨耗量基本在0.078mm左右，个别测点总磨耗量达到0.126mm左右，平均总磨耗值为0.078mm；月平均磨耗值0.015～0.036mm范围内，月平均磨耗值0.022mm；年平均磨耗值0.269mm；每百万吨公里平均磨耗值为7.069×10-3mm。
2.川黔线曲线地段钢轨磨耗情况
所有测点钢轨侧向总磨耗量基本在0.182mm左右，个别测点总磨耗量达到0.304，平均总磨耗值为0.182cm；月平均磨耗值在0.032~0.087mm范围内，月平均磨耗值为0.052mm；年平均磨耗值为0.625mm；每百万吨公里平均磨耗值为9.923×10-3mm。
3.道部第3.4.2条规定：60Kg/m钢轨普通线路，钢轨头部磨耗重伤标准规定：侧面磨耗达到19mm为重伤。采用RGL轨侧干膜润滑剂后，成渝线侧磨耗0.269mm/年，则侧面磨耗达到19mm的重伤标准需要70年。川黔线侧磨耗0.625mm/年，则侧面磨耗达到19mm重伤标准需要30年，按测磨计算可延长钢轨使用寿命3-4.6倍。
附图说明
图1是微动疲劳试验机示意图；
图2是本发明的轨侧润滑剂的摩擦特性图。
具体实施方式
例1：选取以下重量(Kg)的原料组成本轨侧干膜润滑剂：
热塑性丙烯酸共聚体： 1.0
石墨： 2.0
MoS2： 0.4
ZDDP： 0.2
防沉流变助剂： 0.1
溶剂： 14.5
Sb2O3： 0.1
其中，热塑性丙烯酸共聚体的共聚单体为甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸和丙烯酸丁酯。共聚体的玻璃化温度Tg为30℃。
ZDDP是二烷基二硫化磷酸锌。
溶剂为1，1，1-三氯乙烷。
防沉流变助剂选聚酰胺蜡。
配制过程：将共聚体在溶剂中溶涨、溶解后，在高速搅拌加入流变防沉助剂及MoS2、ZDDP、Sb2O3，使其分散，上述悬浮液泵入砂磨机均分后，经过滤器装桶。
得到的成品平均粘度为850mpa·s；25℃，MM200圆盘试验为2.5万转(试验压力为800N，转速400r/min)摩擦系数0.07-0.15之间变化)。
其他实施例的重量组成及成品主要性能见表三：
表三实施例的重量组成及成品主要性能
注：*实验条件与实施例1相同
上述实施例中热塑性丙烯酸酯共聚体所用单体及重量份数见表四：
表四实施例中热塑性丙烯酸酯共聚体所用单体及重量份数
综合上述，本发明提供了一种粘着性、减摩性、抗磨性、承载性、无腐蚀性、贮存稳定性以及生产施工运输安全的轨侧干膜润滑剂。通过车载喷涂试验每天一次，经过24小时60列以上火车碾压后，其润滑膜仍然存在，减磨效果好。车载喷涂RGL润滑剂比机油减磨效果平均提高4倍。比未涂润滑剂提高提高13.6倍。
Claims (4)
1.一种轨侧干膜润滑剂，其特征在于，由下述原料按重量份数比配成：
热塑性丙烯酸酯共聚体 0.8-3.0
层状物质固体润滑剂 1.5-4.5
抗磨剂 0.5-3.0
流变防沉助剂 0.15-0.30
溶剂 12.0-20.0
其它助剂 0.1-0.4
其中：热塑性丙烯酸酯共聚体所选用的单体为丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸、丙烯酸羟丙酯、醋酸乙烯、苯乙烯单体，选用其中两种或两种以上的单体经溶液聚合而成，其玻璃化温度Tg为25℃~70℃；
层状物质固体润滑剂选用鳞片石墨和二硫化钼组合而成，其重量份比例为1∶1.5-5∶1；
抗磨剂为含硫的极压抗磨剂：二硫代氨基甲酸盐或硫化异丁烯；含磷的极压抗磨剂：烷基磷酸酯、烷基亚磷酸酯、二烷基二硫化磷酸锌；选用其中的一种或两种以上的组合；
流变防沉助剂选用聚酰胺蜡；
所述的溶剂选用氯代烃；
其它助剂包括有三氧化二锑、氧化亚铜、硫化锌，其中Sb2O3须与MoS2配合使用，Cu2O、ZnS单独使用或两者配合使用。
2.如权利要求1所述的轨侧干膜润滑剂，其特征在于：所述热塑性丙烯酸酯共聚体的玻璃化温度，冬季选用25℃~35℃，夏季选用40℃~65℃。
3.如权利要求1所述的轨侧干膜润滑剂，其特征在于：所述石墨及二硫化钼组合成的层状物质固体润滑剂的粒径5μm-50μm。
4.如权利要求1所述的轨侧干膜润滑剂，其特征在于：所述的溶剂选用1.1.1-三氯乙烷，或选用1.1.1-三氯乙烷与三氯乙烯组合，其组合的重量份比例为1∶0.5-1.5。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CNB2005100573409A CN1333056C (zh) | 2005-10-22 | 2005-10-22 | 轨侧干膜润滑剂 |
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| CNB2005100573409A CN1333056C (zh) | 2005-10-22 | 2005-10-22 | 轨侧干膜润滑剂 |
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