Композиция для лубрикации и упрочнения поверхности в зоне трения колесо-рельс

 

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, уменьшения износа в паре трения колесо-рельс на кривых участках пути за счет создания смазочных материалов, обладающей высокой эффективностью. Композиция содержит низкомолекулярный полиэтилен, представляющий собой отход производства полиэтилена высокого давления, отработанное дизельное масло. Кроме этого композиция содержит сульфидирующий агент и антифрикционное вещество. В качестве сульфидирующего агента использованы сероорганические полисульфидные полимеры, получаемые из отходов производства эпихлоргидрина, а в качестве антифрикционного вещества - мелко раздробленный нефтяной кокс. Заявленная смазочная композиция состоит из дешевых, доступных компонентов, легко наносится на рельс, обладает высокой эффективностью и минимальным воздействием на человека и окружающую среду. 1 табл.

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и конкретно касается проблемы уменьшения износа в паре трения колесо - рельс на кривых участках пути.

В настоящее время в мировой практике эксплуатации железных дорог считается общепризнанным, что нанесение смазки в зону контакта колесо - рельс на криволинейных участках железнодорожного пути позволяет увеличить срок службы колес и рельсов и дает экономию энергии на тягу поездов [Железные дороги мира. 1996. 6. С. 55-60; Железные дороги мира. 1990. 1. С. 51-53].

Рынок смазочных материалов, используемых для этих целей, характеризуется большим разнообразием как у нас в стране, так и за рубежом. Это обусловлено тем, что к смазкам, наносимым в зону контакта колесо - рельс, предъявляется широкий набор требований, важнейшими из которых являются: высокая эффективность смазывания, легкость нанесения в зону трения, способность удерживаться на боковой поверхности рельса, доступность и низкая стоимость, пожаробезопасность, минимальное воздействие на человека и окружающую среду, устойчивость при хранении, транспортировке и в заданных эксплутационных условиях и др. Такому широкому набору требований отвечают, как правило, не индивидуальные химические вещества, а достаточно сложные смазочные композиции, каждый компонент которой или их смесь придают смазке необходимые качества.

Используемые на железных дорогах смазки по агрегатному состоянию подразделяются на жидкие, твердые и консистентные (пластичные). Из них консистентные смазочные композиции обладают многими преимуществами в отношении указанных выше требований [В.В.Шаповалов и др. Железнодорожный транспорт. 1992. 11. С. 42-44].

Для придания необходимой консистенции композиции добавляют жидкое стекло [Пат. RU 2067110, Пат. RU 2009187], соли высших карбоновых кислот (мыла) [Железнодорожный транспорт за рубежом. Экспресс-информация. Серия IV. Путь и путевое хозяйство. 1992. Вып.1. С. 5-17; Пат. RU 2009187; Пат. RU 2000316], а также полимеры [Заявка Пат. RU 93007533/04, Пат. RU 1025144, А.С. СССР 1810384, А.С. СССР 1807075]. Для улучшения антифрикционных свойств в композиции добавляют мелко раздробленные твердые вещества, имеющие слоистую структуру: графит, дисульфид молибдена и др. [Заявка Пат. RU 98123850/04; А. С. СССР 1810384. Заявка 98117537/04; Пат. RU 2065484].

Однако компоненты, используемые в указанных выше пластических смазках, дороги, трудно смешиваются между собой, содержат поверхностно-активные вещества (мыла), которые вымываются из композиций атмосферными осадками, загрязняя окружающую среду.

В некоторые смазочные композиции вводят специальные добавки, способствующие упрочнению поверхности контакта колесо-рельс. Так, например, значительный противозадирный эффект и снижение коэффициента трения дает сульфидирование поверхности [Трение, изнашивание и смазка. Справочник. Кн. 1. М.: Машиностроение. 1978. С. 171]. Сульфидирование тяжело нагруженных поверхностей можно осуществить путем введения в смазку серы или серосодержащего соединения, которые способны на поверхности трения вступать в химическое взаимодействие с атомами металла с образованием пленки сульфидов. Таким образом образуется прочная железисто-сульфидная пленка, предохраняющая от задира и износа.

Так, например, известна рельсовая смазка ЖР, состоящая из осевого и индустриального масел, натриево-кальциевого мыла, гудронного сала, касторового масла, саломаса, графита, озокерита и содержащая дополнительно один процент серы и до одного процента свободной щелочи [Поверхностные явления и поверхностно-активные вещества. Справочник. Л.: Химия. 1984. С. 364].

Указанная композиция имеет сложный состав, содержит поверхностно-активные вещества и свободную щелочь. Эти компоненты могут вызывать интенсивную коррозию, попадая на металлические детали вне зоны трения.

В качестве сульфидирующего агента в смазках может использоваться не сама сера, а соединения на ее основе. Например, известна битумная смазка для тяжело нагруженных узлов трения [Пат. RU 2036223], содержащая нефтяной битум (10-20%), масляный гудрон (15-25%), сополимер изобутилена и нормального бутилена (25-35%), алкиловый эфир дитиокарбаминовой кислоты (4-6%) и смесь средневязкого масла с продуктом осернения нефтяного масла с вязкостью больше 16 мм²/с (100^oС) в соотношении 1.8-2.2:1 (остальное до 100%). Однако эта смазка содержит труднодоступные эфиры дитиокарбаминовой кислоты, которые в атмосферных условиях могут подвергаться гидролизу с выделением аммиака, сероводорода и сероуглерода, осложняя экологическую обстановку вблизи железных дорог. Нефтяные битумы трудно подвергаются биоразложению и могут накапливаться на рельсах и шпалах. Продукты осернения нефтяного масла имеют повышенную кислотность и могут способствовать протеканию коррозионных процессов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемой композиции является смазка, содержащая полиизобутилен с молекулярной массой 10000-20000 ед., полиэтилен с молекулярной массой 30000-50000 ед. и алкилполисульфид. Кроме этого смазка содержит литиевое мыло 12-оксистеариновой кислоты и еще 6 компонентов (диалкилдитиофосфат цинка, многозольный алкилсалицилат кальция, алкилфеноламинная смола, N-фенил-β-нафтиламин, полиметилсилоксановая жидкость и экстракт, полученный после отгонки изопропилового спирта из раствора, выделенного после экстракции биомассы бактерий Rodococcus erithropolis). В качестве дисперсионной среды в смазке используется минеральное масло [Шибряев С.Б. и др. Пат. RU 20488506] (прототип).

Недостатками смазки, принятой в качестве прототипа, являются: 1. Многокомпонентный состав, причем многие компоненты являются дорогими и труднодоступными веществами.

2. Смазка содержит поверхностно-активное вещество - литиевое мыло 12-оксистеариновой кислоты. Это вещество - достаточно дорого, может смываться атмосферными осадками. Попадая в микротрещины, оно может создавать расклинивающее давление и тем самым вызывать дальнейшее разрушение металла.

3. Смазка содержит фосфорсодержащую присадку, которая, вымываясь, может оказать влияние на окружающую среду.

4. Используемый в качестве сульфидирующей присадки алкилполисульфид при отщеплении серы выделяет летучие алкилсульфиды и меркаптаны, обладающие неприятным запахом и воздействующие на окружающую среду.

5. Смазка содержит металлы - литий и цинк, которые токсичны для человека и других живых организмов.

Цель предлагаемого изобретения - создание композиции для смазки зоны контакта колесо - рельс, которая содержит полимерное связующее, твердый антифрикционный материал и серосодержащее органическое вещество, способное при воздействии нагрузки сульфидировать поверхность металла, упрочняя ее. Все компоненты заявляемой композиции - дешевые доступные продукты, либо отходы производства, или легко получаемые из них.

В качестве структурирующего полимерного компонента в предлагаемой композиции используется низкомолекулярный полиэтилен (НМПЭ) - отход производства многотоннажного полимера - полиэтилена высокого давления. Этот продукт представляет собой густое маслообразное вещество белого цвета. Средняя молекулярная масса, определенная по ТУ 6-05-1837, составляет 1500 ед. Температура плавления в интервале 70-95^oС, температура вспышки в открытом тигле 257^oС, зольность меньше 0,1 мас.%, кислотное число - меньше 1 мг КОН на г продукта.

В качестве сульфидирующей добавки заявляемая смазочная композиция содержит серосодержащий полимер типа тиокола. В зависимости от используемых реагентов и количества вводимой серы получаемые полимеры могут быть твердыми, каучукоподобными или жидкими [Б.А. Догадкин и др. Химия эластомеров. М.: Химия. 1981. С. 128-129]. Если в качестве мономера использовать 1,2,3-трихлорпропан, то получается твердый полимер, имеющий сетчатую структуру. Нами для получения полисульфидных полимеров, применяемых в качестве компонента смазочных композиций, использованы хлорорганические отходы производства многотоннажного продукта - эпихлоргидрина. Твердые полимеры, легко размалываемые в порошок, получаются из отходов, содержащих 65-95% трихлорпропана. Жидкие полимеры получаются из отходов, содержащих 40-50% эпихлоргидрина, дихлорпропан (10-15%) и дихлорпропены (20-40%). Состав используемых отходов изменяется в достаточно широких пределах. Для испытания предлагаемой смазочной композиции были получены полимеры из отходов следующего состава: 1. Полимер А (твердый) из отхода, содержащего 76,6% - 1,2,3-трихлорпропана; 17,4% - дихлорпропанолов; 2,1% - дихлорпропенов; 2,0% - 1,2-дихлорпропана и 1,9% - других хлорорганических продуктов. Полученный полимер - твердые светло-желтые гранулы, легко размалываемые в порошок. Содержание серы - 66 мас.%.

2. Полимер Б (жидкий) из отхода, содержащего 47,6% - эпихлоргидрина; 11,8% - 2,2-дихлорпропана; 39,7% - дихлорпропенов и 0,9% - других хлорсодержащих продуктов. Полученный полимер представляет собой вязкую оранжевую жидкость с содержанием серы 49%.

Для введения в смазочную композицию полимер А растирали в ступке в порошок и отсеивали частицы менее 0,1 мм. Полимер Б вводили в композицию путем перемешивания.

Для улучшения смешиваемости компонентов и придания композиции необходимой консистенции использовали минеральное масло - отработанное дизельное масло локомотивов, из которого предварительно путем отстаивания удаляются механические примеси.

Для улучшения антифрикционных свойств смазочной композиции в нее вводится 10-15% мелко раздробленного (размер частиц меньше 0.1 мм) нефтяного кокса. Нефтяной кокс представляет собой сложную дисперсную систему, состоящую из кристаллитов графитоподобной структуры. При действии высоких нагрузок, которые возникают в зоне трения, кристаллиты кокса в присутствии гидрофобных молекул углеводородов легко перестраиваются таким образом, что графитовые плоскости отдельных кристаллитов становятся параллельными плоскости трения и тем самым обеспечивают антифрикционный эффект. Нефтяной кокс должен содержать минимальное количество неуглеродных примесей. Такому требованию хорошо удовлетворяет нефтяной кокс замедленного коксования.

Получаемая смазочная композиция характеризуется следующим составом: - нефтяной кокс - 10-15 мас.%; - отработанное дизельное масло - 20-25%; - серосодержащий полимер - 5-10%; - низкомолекулярный полиэтилен (НМПЭ) - остальное до 100%.

Полученная композиция представляет собой однородную консистентную смазку черного цвета. Соотношение между отдельными компонентами определяется условиями эксплуатации композиции. При низких температурах содержание дизельного масла может быть увеличено за счет снижения содержания НМПЭ.

Композиции различного состава были испытаны в лабораторных условиях с использованием машины трения МИ-1М [Зозуля В.Д. и др. Словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин. Киев. 1990. C. 115]. В качестве образцов использованы ролики, условия трения и износа которых моделируют взаимодействие колес подвижного состава и рельса (один ролик подвижный - ПР, другой - неподвижный - HP). Величина износа образцов определялась методом гравиметрии - путем взвешивания на аналитических весах (точность до 0,0001 г). При анализе данных учитывались только три наиболее достоверные значащие цифры. Для оценки эффективности упрочнения поверхности роликов при использовании смазочных композиций износ роликов определялся трижды в течение одного эксперимента. Вначале ролики работали 6 часов в присутствии смазки, которую наносили в зону контакта вручную через каждые 10 минут. Затем смазку с роликов убирали с помощью бензина и ветоши, замеряли результат износа и испытания проводили еще три часа (уже в отсутствии смазки). После этого определяли износ роликов и снова продолжали опыт в течение еще трех часов.

В отсутствие смазки износ роликов составил за 6 часов (соответственно неподвижный HP и подвижный - ПР) 1,464 г и 1,421 г.

При использовании смазки без серосодержащего полимера (нефтяной кокс - 15%, дизельное масло - 20%, НМПЭ - 65%) износ после работы в течение 6 часов со смазкой составил 0,084 г и 0,076 г. После удаления смазки через три часа работы износ составил 0,623 г и 0,587 г. Еще через три часа (всего 6 часов работы без смазки) - 1,325 г и 1,216 г.

Результаты испытания с использованием заявляемой смазочной композиции представлены в таблице. Из данных таблицы видно, что при введении в смазку серосодержащего полимера износ роликов после удаления смазки существенно ниже. Это указывает на упрочнение поверхности роликов во время работы с применением смазки. Очевидно, что сера, входящая в полимер, при контакте с металлом в условиях трения сульфидирует поверхность металла, упрочняя ее. Снижение содержания серосодержащего полимера ниже 5% резко уменьшает эффект упрочнения поверхности (пример 5). Снижение содержания нефтекокса ниже 10% увеличивает износ при применении смазки (пример 6). Увеличение содержание этих компонентов выше указанных верхних пределов не дает улучшения эффектов смазывания и упрочнения.

Предлагаемая смазочная композиция обладает следующими достоинствами: 1. Все ее компоненты - дешевые, легко доступные материалы. НМПЭ и отработанное дизельное масло являются отходами производства, а серосодержащие полимеры легко получить из отходов производства эпихлоргидрина.

2. Композиция легко наносится на рельс, не стекает с боковой поверхности головки рельса.

3. Компоненты композиции экологически безвредны и практически безопасны для человека.

4. Нанесение композиции уменьшает износ не только в ее присутствии, но и после удаления из зоны трения. Это в реальных условиях может существенно снизить ее расход.

5. Компоненты композиции легко перемешиваются с образованием устойчивой при хранении и транспортировке дисперсной системы.

6. В состав композиции не входят летучие компоненты, которые могут ухудшать экологическую и пожаробезопасную обстановку.

7. Композиция не содержит ПАВ, содержание которых, как указано выше, может иметь нежелательные побочные эффекты в отношении экологии и коррозии.

Таким образом, предлагается смазочная композиция для лубрикации и упрочнения поверхности в зоне трения колесо - рельс, состоящая из дешевых, доступных компонентов, легко наносится на рельс, обладает высокой эффективностью и минимальным воздействием на человека и окружающую среду.

Формула изобретения

Композиция для лубрикации и упрочнения поверхности в зоне трения колесо-рельс, содержащая низкомолекулярный полиэтилен, представляющий собой отход производства полиэтилена высокого давления, отработанное дизельное масло и компонент для улучшения антифрикционных свойств, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит серосодержащий полимер, получаемый из отходов производства эпихлоргидрина, при этом компонент для улучшения антифрикционных свойств представляет собой мелко раздробленный нефтяной кокс замедленного коксования с размером частиц менее 0,1 мм, при следующем соотношении компонентов, мас. %: Нефтяной кокс - 10-15
Отработанное дизельное масло - 20-25
Серосодержащий полимер - 5-10
Низкомолекулярный полиэтилен - Остальное до 100

РИСУНКИ

Рисунок 1