机车轮缘固体润滑棒性能评价及测试方法

胡萍1  黄樟华2
1、武汉理工大学2、浙江宝晟铁路新材料科技有限公司

伴随铁路交通建设的迅猛发展，使机车轮缘及线路钢轨的磨损问题急剧上升，轮轨磨损不但会造成大量人、财、物的损失；而且会因列车及钢轨维护而造成机车停运，机车配备、调用、交路计划等额外的间接经济损失；也会涉及到维修检测“天窗”计划的安排、人员、设备和器材的调用，不可避免地会影响铁路运行及维护工作的效能。

近年来，针对轮缘润滑问题国内外出台了一些测试标准，设计制造了用于测试摩擦性能的模拟试验台，以及针对轮轨润滑润滑效果进行现场实测的方法。但是由于在不同线路、车辆及运行工况条件下，往往会造成指标测试条件与轮轨接触摩擦实际工况差异较大，难以系统、准确地评价润滑剂的润滑有效性。本文针对这个问题，提出了综合评价及测试轮缘固体润滑性能的方法，供用户及生产者参考。

1、轮缘固体润滑棒应满足的基本条件和测试指标
通常，轮缘固体润滑棒安装在车载金属装置中，借助弹簧的恒定压力紧靠在轮缘的表面，将润滑剂涂布在轮轨接触的界面上，使沿线轨道上运行的列车轮缘与铁轨之间界面保持润滑状态。因此，固体润滑棒需要满足以下基本条件：
1.1摩擦磨损性能
（1）、固体润滑棒与轮缘表面之间的摩擦系数应尽量低而平稳。
（2）、固体润滑棒自身应具有一定的耐磨性。为了降低使用成本，固体润滑棒寿命应尽量长。
1.2固体润滑棒的强度和硬度
固体润滑棒在弹簧压力下进行工作，应具有一定的抗压能力和硬度，以保证使用过程中以及环境温度变化时不变形和不碎裂。如果有碎片则碎片的质量应不超过5g。
1.3工作温度范围
由于中国铁路运营里程长，季节温度高低落差极大，固体润滑棒应具有较宽的使用温度范围。夏天不变形，冬天不脆裂，特殊路段如青藏铁路要求-50°C至+60°C，南方路段要求+80°C。
1.4环保性能好
固体润滑棒不应含有溶剂、腐蚀性物质、有毒重金属以及任何其它有害或污染环境等物质。固体润滑棒自身最好具有生物降解性。
表1综合了欧盟和国内轮缘固体润滑棒相关标准的规定，并得出几项必要的性能指标和测试方法。通过各种性能的测试数值，可以评价不同厂家和不同批次的轮缘固体润滑棒的性能及其差异。

表1 轮缘固体润滑棒必要的测试项目

2、机车轮缘固体润滑棒性能评价准则
由润滑原理可知，理想的润滑材料应能够在活跃接触面上形成一层完整、均匀的润滑膜。根据这个要求，可以得出以“薄”、“牢”、“补”为核心内涵的量化评价准则。
（1）“薄”的内涵是指润滑膜薄而均匀。如果润滑膜太“厚”，就会发生以下问题：一是浪费材料，二是会污染轮轨其它部位，三是容易混入其它杂质破坏润滑效果， 乃至影响诸如钢轨探伤等其它工作的结果；如果润滑膜不均匀，就会影响润滑的整体效果。
（2）“牢” 的内涵是指润滑膜能够牢固地粘附接触表面上，具体表现为润滑材料在轮轨之间能够形成一张比较牢固的网膜。；“牢”则说明润滑膜与金属表面的附着力好。
（3）“补” 的内涵是指能够在轮轨之间不断地补充润滑材料。随着车辆高速运动，润滑膜必然会在车轮与铁轨间碾压、冲击中损耗，润滑材料必须快速补充到轮缘表面。
因此，可将以上的3个评价准则转化为以下的量化标准值：即固体润滑棒的消耗量、摩擦系数、润滑膜有效持续时间。

3、机车轮缘固体润滑棒性能测试及评价方法
基于上述量化标准值的评价准则，欧盟标准EN15427介绍了简易判断润滑膜粘附性和润滑膜厚薄的方法；TJ /JW 098-2016附录C介绍了重力式评价方法；欧盟标准EN 16028附件L中所描述的双圆盘测试设备，能够客观准确地评估不同润滑棒供应商产品的性能，也可以用来评估单一供应商同一产品质量的差异；欧盟标准EN 16028现场实验方法可以真实反映润滑棒实际应用时的性能和存在的问题。
3.1轮缘固体润滑棒粘附性能简易测试及评价方法
3.1.1 商用胶带粘附测试及评价方法
商用胶带粘附测试及评价方法是：
用润滑棒在钢材表面摩擦一定时间，然后使用商用胶带反复粘贴钢材表面，直到检查部位没有润滑剂，然后根据试验结果判别润滑棒的性能。试验实例如图1所示。

图1.a─个高厚度膜的例子                图1.b─个中厚度膜的例子

图1.c─个低厚度膜的例子
图1利用胶带印记来评估轨道润滑条件
由图1可知，图1.a润滑膜均匀完整，10次粘贴后仍存在润滑膜，图1.b润滑膜比较均匀完整，需要8次粘贴，润滑膜被粘掉，图 1.c) 润滑膜不均匀完整，仅4次粘贴，润滑膜就被粘掉。图1表明图1.a润滑棒形成厚而均匀的润滑膜，而且与被粘物表面粘接力强。
商用胶带粘附评估法方法简单实用，可以用来评估润滑膜的均匀性和粘附性，但结果比较粗略。
3.1.2  重力式粘附测试及评价方法
按TJ/ JW 098-2016标准中附录C的规定，使用MM-200摩擦磨损试验机和试验标准环，用重力式固体润滑剂输送器（参见图2），将被试材料与试验环接触，接触力为20 N，试验机在400 rpm转速下空转20 s。

1—M-2000磨环；    2—固体润滑棒；    3—钢丝绳；    4—重砣。
图2  重力式固体润滑棒输送器原理图
检查润滑棒在试验标准环表面的覆盖情况，按照覆盖面积对照表2进行评分。
表2 润滑剂覆盖面积评级对照表

对同一润滑剂试块需测量3次，取评分平均值为最终评级。
此方法可以得到一定压力下润滑棒在金属表面的润滑膜的均匀性、起始附着情况，但是不能评价润滑膜被碾压后与金属的附着情况。

3.2 双圆盘机测试及评价方法   
按EN 16028-2012，从评价准则可知，固体润滑棒的质量可以从润滑棒的消耗量、 控制摩擦系数的能力、润滑棒被移去后润滑膜的持续时间进行评价。欧盟标准EN 16028提出了用双圆盘机进行定量测试的方法。
双圆盘机是一种双辊摩擦磨损试验机，在预设的压力及其滑动条件下两个圆柱盘相互挤压运行。一个盘代表车轮，另一个盘代表轨道。通常，试验机是在实验室环境条件下工作。对大多数试验机器而言，压力和滑动量可以设定不同的数值；一般情况下，摩擦系数可从所测量的扭矩得到。如图3所示。

图3 采用轮和铁路盘模拟轮/铁轨间的接触

3.2.1测试方法
（1）在测试开始之前称取固体棒样品的质量。
（2）用‘干’盘开始测试，让摩擦系数的测量值增加到0.4，代表了“干”基线。
（3）干基线稳定后，将固体润滑棒应用到圆盘上，在指定的压力下（800Mpa~1000Mpa）运行200s，在其表面形成一层润滑膜。记录摩擦系数的测定值。
（4）从盘表面取走固体棒，并让圆盘继续旋转，直到摩擦系数测量值达到基线的摩擦系数值。记录这段时间。
（5）测试完成后，称量固体棒样品质量。确定在试验过程中产品消耗的百分比。
（6）测试应至少重复3次
3.2．2测试结果和结果分析
测试结果定性评估的关键性能包括以下内容：

1. 当固体润滑棒被施加到轮圆盘上后，其摩擦系数的下降速度。理想情况下，摩擦系数急剧下降表示该固体润滑剂能更好地转移到双圆盘表面上。
2. 当固体润滑棒连续施加时，其摩擦系数的稳定值，较低的摩擦系数可以减小磨损量。
3. 当固体润滑棒被移走后，摩擦系数重新达到干“基线”值的时间，时间越长说明粘附性越好。
4. 固体润滑棒的质量及其消耗率。

上述测试结果基本可以评估固体润滑棒的使用性能好坏。

3.2.3测试实例
选择两个润滑棒样品进行比较实验：如图4曲线标注所示。

图4 双盘试验机上不同固体棒的摩擦性能对比
注释：X轴：时间（s），Y轴：摩擦系数， A：“干”基线，摩擦系数0.4；B：样品1；C：样品2
由图4可知，样品1摩擦系数约为0.2，而且不稳定；样品2摩擦系数约为0.08，而且平稳；润滑棒持续施加在盘表面200s后，棒从盘表面移除，样品1在棒被移除后大概在250s后达到基线摩擦系数，样品2在棒被移除后大概在875s后达到基线摩擦系数。因此样品 1比样品 2有更好的润滑性能。通过称量摩擦实验前后润滑棒的质量，可以计算其磨损量。
双圆盘机评价方法的结果能够比较全面、准确的反映润滑棒的性能，能够较好判断润滑棒性能。
3.3固体润滑棒实地试验方法
按EN 16028-2012进行，权威测试机构和用户除要求上述性能指标之外，还应对机车轮缘使用过程中进行实地测试
a) 至少选择一个可用于持续测试的车组（或车辆），测试需要运行3-12个月或10万公里以上。所用轮组最好是最近才使用的（但已磨损）。记录起始的轮缘尺寸并记录轮廓外形。
b）选择曲线半径小而多、轮缘磨耗高的区段，保证试验列车在试验期间内专用于这一特定的路线。需要注意的是，其他列车使用这条路线会影响测试结果。
c）选择实验季节，特别夏季和冬季的实验结果有较大的差别，大雨、风沙等天气也会影响实验结果。即在测试阶段内，应注意到测试过程中的大体环境条件。
d）根据试验列车的行驶距离确定测量时间表，进行多次测量，记录润滑棒使用长度及轮缘厚度尺寸。
e）测量仪器应定期校准。在轮缘表面选择多个测试点，数据应进行有效性处理。
此方法主要测试润滑棒对轮缘的保护性能和润滑棒的磨损量。
现场试验方法的结果能够更好反映润滑棒的实际使用性能，但试验周期很长，试验结果容易受外部条件的影响。
4结论
本文介绍了机车轮缘固体润滑棒应满足的基本条件，性能评价总则和方法，通过EN1542-2008和EN 16028-2012欧盟标准的胶带印记简易法、双圆盘机摩擦性能测试法的实例描述，为生产厂商、用户和相关技术管理维护人员系统、全面、准确地评价轮缘润滑棒性能提供了有益的借鉴。
由于轮缘固体润滑棒实际应用条件的复杂性及多样性，目前很难制定出一个适用所有线路、车辆、运行工况的评判方法和性能指标，仍有待于作出进一步的研究和探讨，在应用实践中不断地加以完善。可以根据实际情况综合利用各种方法，将能够较好的解决固体润滑棒性能的评价和筛选问题。

参考文献：
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