PL212353B1 - Biodegradowalny środek smarno-technologiczny dla skojarzeń i węzłów tribologicznych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest biodegradowalny środek smarno-technologiczny dla skojarzeń i węzłów tribologicznych, stosowany zwłaszcza w pojazdach szynowych, przydatny do stosowania w różnych warunkach atmosferycznych i temperaturowych.

Dotychczas rozwiązania w zakresie zmniejszania współczynnika tarcia w węzłach tribologicznych, tj. ruchomych połączeniach maszyn oraz ich skojarzeniach polegają na stosowaniu czynników smarnych o zróżnicowanej konsystencji, dostosowanej do warunków pracy i wymagań jednostkowych. Konsystencja stosowanych smarów technicznych mieści się w zakresie od niskolepnych kompozycji, poprzez gęstopłynne, do stałych. Tworzą one międzywarstwę o zaplanowanym współczynniku tarcia rozmieszczoną pomiędzy powierzchniami trącymi.

Pośród smarów, przystosowanych do pracy w pojazdach szynowych znany jest smar przedstawiony w polskim opisie patentowym nr 196 724 (publ. BUP Nr 21/2003) pt.: „Środek smarno-technologiczny, zwłaszcza do rozjazdów torowisk i obrzeży kół pojazdów szynowych”. Smar ten zawiera adypinian dwubutylu, ftalan dwubutylu lub dwuoktylu, stearynian cynku i/lub glinu z dodatkiem mieszaniny fazowej zawierającej karbamid, talk i rozdrobnioną celulozę. Ponadto, smar ten może zawierać mieszaninę mikrowosku polietylenowego ze sproszkowanym cynkiem.

Inne rozwiązanie przedstawione zostało w polskim wynalazku nr zgłoszenia 371308 (publ. BUP Nr 11/2006) pt.: „Smar biodegradowalny”. Smar ten przeznaczony jest do stosowania w trakcji szynowej i zawiera 3,5-6,5% masowych 12-hydroksystearynianu wapnia, 0,5-2,0% masowych dialkiloditiofosforanu cynku o zawartości 6,8-9,9% fosforu i 14,3-21% siarki oraz 80-95% masowych kompozycji oleju rzepakowego i ftalanu 2-etyloheksylowego, przy zachowaniu stosunku masowego oleju rzepakowego do ftalanu 2-etyloheksylowego od 1:3 do 3:1.

Natomiast z opisu polskiego wynalazku nr 184 630 (publ. BUP Nr 17/1998) znany jest „Sposób produkcji smaru pantografowego, zwłaszcza do pojazdów szynowych”. Sposób ten znamienny jest tym, że do lepiszcza olefinowego w ilości 30-80% wagowych, składającego się z polimerów, podpolimerów i kopolimerów alifatycznych, podgrzanego do temperatury mięknienia 70-160°C, wprowadza się mieszaninę fazową w ilości 20-70% wagowych, składającą się z krzemu, węglików krzemu, węgla, tlenków glinu oraz tlenków krzemu. Przy ciągłym ich mieszaniu przeprowadza się homogenizację termiczną w temperaturze do 190°C, aż do czasu uzyskania jednorodnej masy. Korzystnie do lepiszcza olefinowego podgrzanego do temperatury 70-160°C wprowadza się alkohole, korzystnie dwuwodorotlenowe, w ilości do 19% wagowych.

Inne rozwiązanie przedstawione jest w polskim wynalazku nr 184 747 (publ. BUP Nr 17/1998) pt.: „Sposób produkcji smaru do obrzeży kół pojazdów szynowych”. Rozwiązanie to polega na tym, że polimery olefinowe, korzystnie w postaci polietylenu, stanowiące lepiszcze termoplastyczne w ilości 5-70% wagowych stapia się w temperaturze do 220°C z mieszaniną ftalanów, korzystnie dwubutylu i dwuoktylu, w ilości 1,0-15% wagowych. Następnie wprowadza się osnowę w postaci mieszaniny w ilości 30-95% wagowych o zawartości grafitu od 5-45% wagowych, sadzy od 0,5-12% wagowych, tlenków chromu od 0,5-8% wagowych, tlenku cynku od 0,3-7,5% wagowych, włókna celulozowego od 0,1-1,5% wagowych, po czym całość homogenizuje się w temperaturze do 380°C, eliminując anizotropię wsadu.

Rozwiązania te mają ograniczone zastosowanie ze względu na jakość filmu smarnego między trącymi powierzchniami, który decyduje o skuteczności smarowania i oddziaływania np. na metale. Wykazują one niską odporność mechaniczną filmu smarnego, który w przypadku przerwania jego ciągłości nie zapewnia przenoszenia sił tarcia na czynnik smarny.

Jak powszechnie wiadomo proces smarowania jest tym efektywniejszy im między innymi wyższa jest lepkość zastosowanego smaru. Wyższa lepkość czynnika smarnego oznacza jednak większe prawdopodobieństwo wystąpienia tarcia bezpośredniego.

Tradycyjne rozwiązania opierają się na bazowych olejach mineralnych, które w funkcji lepkości wykazują odporność mechaniczną filmu na siły atakujące węzeł tribologiczny. Natomiast przy dużych ₂ obciążeniach węzłów tribologicznych (powyżej 1,2 kG na cm²) film smarny ulega destrukcji poprzez powstanie przerw w ciągłości zabezpieczenia smarnego. Obecnie stosowane smary i czynniki smarne, ze względu na konsystencję i brak powinowactwa powierzchniowego z zabezpieczaną powierzchnią posiadają bardzo niską sprawność (od 12 do 30%) oraz dużą odporność na rozkład biologiczny (biodegradowalność), co doprowadza do skażeń gleby. Problem ten jest szczególnie poważny w przypadku wszelkiego typu pojazdów szynowych, w tym kolei, tramwajów oraz kolejek linowych, ponieważ

PL 212 353 B1 bezpośrednio pod torowiskami, a także wokół nich gromadzą się niepodlegające degradacji smary. Równoległym zagrożeniem, wynikającym z zastosowania znanych dotychczas smarów w pojazdach szynowych jest przedostawanie się smaru na podsypkę (tłuczeń) torowisk. Zakłóca on funkcję stabilizacyjną podtorza, powodując niekorzystne zmniejszenie współczynnika tarcia oraz zakłócenia w stabilizacji układu, przyczyniając się jednocześnie do powstawania wypadków i katastrof kolejowych. Kolejny problem wynikający z zastosowania olejów mineralnych (ponaftowych) jest ich destruktywne oddziaływanie na podkłady betonowe - powszechnie zastępujące podkłady drewniane. Smary tego rodzaju, wnikając w strukturę betonu powodują jego korozję, na skutek procesów utleniania olejów mineralnych do kwasów sulfonowych.

Efektem stosowania dotychczas znanych smarów i olejów przy eksploatacji pojazdów szynowych jest degradacja podtorza sięgająca na głębokość nawet do 3,5 m, która występuje głównie w rejonie rozjazdów. Racjonalnym rozwiązaniem ograniczenia degradacji środowiska naturalnego przez smary i czynniki smarne - szczególnie w pojazdach szynowych i kołowych - jest wprowadzenie nowych rozwiązań technicznych i technologicznych, w oparciu o składniki i zjawiska interdyscyplinarne. Ich celem jest uzyskanie konwersji w stosunku do materiału węzła tribologicznego, powodującej retencję zaprogramowanych składników w defektach sieci strukturalnych metalu. Zagwarantuje to obecność czynnika smarnego, hydrofobowość, która wyeliminuje powstawanie mikroogniw elektrycznych powodujących rozpuszczanie metalu w wodzie stającej się elektrolitem, które to zjawisko - z uwagi na różnicę potencjałów w ośrodku - powoduje poprzez ich agresję rozpuszczanie stopów żelaza (szyny), prowadzące do przedwczesnego zużycia metalu oraz degradacji gleby.

Istota opracowanego rozwiązania polega na tym, że biodegradowalny środek smarno-technologiczny dla skojarzeń i węzłów tribologicznych zawiera od 10 do 100 części wagowych polioli standardowych korzystnie triolu polioksyalkilenowego oraz od 5 do 75 części wagowych stearynianu cynku, a także korektor, korzystnie w postaci pigmentu żelazowego w ilości od 0,1 do 4,5 części wagowych.

Nieoczekiwanie okazało się, że zastosowanie opracowanych kompozycji smaru prowadzi do jego konwersji (przenikania) w obszary wad strukturalnych powierzchni trących podlegających zabezpieczeniu. Zaobserwowano konwersję smaru w obszary wad strukturalnych metalu, wynikające z wtrąceń niemetalicznych, pęknięć skurczowych powstałych w czasie jego stygnięcia w czasie obróbki termicznej, względnie innych wad powstałych w czasie przeróbki plastycznej stali. Wady strukturalne stali wykorzystywane są nieoczekiwanie, jako miejsca retencji podstawowego składnika czynnika smarno - technologicznego. Pod wpływem ruchu i nacisku elementów trących następuje wprasowanie czynnika smarnego oraz uszczelnienie powierzchni, co dodatkowo zapobiega dyfuzji wody i eliminuje jedną z podstawowych przyczyn starzenia się powierzchni trących.

Cechą charakterystyczną czynnika według wynalazku jest stabilność mieszaniny szczególnie po modyfikacji poliolistearynianami w zakresie odporności termicznej: od temperatury minimalnej -20°C do temperatury maksymalnej + 70°C, co umożliwia całoroczne stosowanie opracowanego środka smarno-technologicznego.

Przy tym dodatkowo, opracowany środek jest czynnikiem: tłumiącym drgania i hałas, hydrofobowym i antyoblodzeniowym, biodegradowalnym, konwersyjnym w stosunku do stopów żelaza i metali nieżelaznych.

Natomiast zastosowanie w nim korektorów barwnych dodatkowo okazało się wskaźnikiem kierunkowym stanowiącym wyróżnik dla konkretnego przypadku.

Jak wyjaśniono w podanych niżej przykładach wykonania, istota opracowanego czynnika smarno-technologicznego, według wynalazku, polega na modyfikacji triolu polioksyalkilenowego i/lub triolu polioksyalkilenowego szczepionego kopolimerem styren/akrylonitryl stearynianami korzystnie stearynianem cynku z dodatkami reaktywnych barwników i/lub pigmentów pochodzenia organicznego i/lub nieorganicznego, oraz znanych stabilizatorów mieszanin i/lub zawiesin.

Środek według wynalazku stanowi mieszaninę eutektyczną dostosowaną stechiometrycznie do wymogów poszczególnych przypadków szczególnie w odniesieniu do lepkości, adhezji i konsystencji w funkcji temperatury.

Poniżej w przykładach przedstawiono udziały poszczególnych składników stanowiących wytyczne dla zabezpieczania konkretnych skojarzeń i węzłów tribologicznych. Przykładowe zestawy czynników smarno-technologicznych zostały przygotowane w jednakowy sposób.

PL 212 353 B1

P r z y k ł a d 1 :

Biodegradowalny środek smarno-technologiczny dla skojarzeń i węzłów tribologicznych, stanowiący homogenizowaną mieszaninę, zawierającą:

— 100 części wagowych triolu polioksyalkilenowego, — 5 części wagowych stearynianu cynku, — 0,2 części wagowe zawiesiny pigmentu żelazowego w poliolu.

P r z y k ł a d 2:

Biodegradowalny środek smarno-technologiczny dla skojarzeń i węzłów tribologicznych, stanowiący homogenizowaną mieszaninę, zawierającą:

— 100 części wagowych triolu polioksyalkilenowego, — 70 części wagowych stearynianu cynku, — 4 części wagowe zawiesiny pigmentu żelazowego w poliolu.

Optymalna homogenizacja składników następuje w temperaturze otoczenia (15 do 30°C) i prowadzi do uzyskania jednorodności i pełnej homogenizacji. Czynnik smarny o opisanym składzie nakłada się na żądaną powierzchnię po jej oczyszczeniu w formie punktowej lub ciągłej.

Claims (1)

1. Biodegradowalny środek smarno-technologiczny dla skojarzeń i węzłów tribologicznych sporządzony na bazie stearynianów i pigmentów, znamienny tym, że zawiera od 10 do 100 części wagowych polioli standardowych korzystnie triolu polioksyalkilenowego oraz od 5 do 75 części wagowych stearynianu cynku, a także korektor, korzystnie w postaci pigmentu żelazowego w ilości 0,1 do 4,5 części wagowych.