铁路用固体润滑棒块新型材料的研究

武汉工理大学 胡萍
浙江宝晟铁路新材料科技有限公司 黄樟华

1 前言
为了攻克国内润滑技术装置在解决铁路钢轨和机车车轮轮缘磨耗与国外先进水平之间存在的差距，2011年1月，浙江宝晟铁路新材料科技有限公司和武汉理工大学科研人员进行长期合作，组建了一支由企业和学校联合研发团队，并聘请归国教授（博导）等摩擦学专家作为技术顾问。在深入调查研究国内铁路系统所用各种润滑减磨方式、各种润滑剂的技术参数和实际应用效果的基础上，对铁路钢轨和机车车轮轮缘运行环境条件和磨损状境况进行了分析研产究，并运用最新的高分子化学理论，对固体润滑棒材的配方进行一系列反复试验，取得了突破性的进展；与此同时，利用公司7000多平方米的生产厂场地和2条完整的生产线，对固体润滑棒产品进行性能改造和升级换代，于2013年成功研制出一种高性能的固体润滑棒材产品。本文着重叙述润滑减磨技术对降低铁路钢轨、机车车轮轮缘磨耗，以及延长轮轨使用寿命的重要作用，详细介绍宝晟公司研发的新型固体润滑棒材产品性能、技术指标及其现场试验应用的效果，以供铁路、城市轨道交通、港口等系统有关单位和人员选用时比较和参考。
2 轮轨润滑减磨技术简介
近几年来，我国铁路、城市轨道交通工程建设和运营规模得到了快速的发展。日新月异的现代化高速、重载装备与相对滞后基础设施维护水平之间的矛盾不断地扩大，其中一个突出的问题就是机车车轮轮缘和钢轨的运行磨耗。随着车速提高、运量加大，这种轮轨关系的矛盾突出表现在曲线区段钢轨磨耗严重和车轮轮缘损伤加剧。
众所周知，车轮与钢轨之间的摩擦机理是非常复杂的，它既包含有踏面的滚动摩擦，又包含有轮缘与轨道侧面的滑动摩擦。也就是说，为了确保列车正常、高效地运营，就轮轨关系而言，既要保持一定的驱动列车前进的滚动摩擦力，又要降低磨损钢轨和车轮轮缘的滑动摩擦力。因此，轮轨润滑减磨技术成为铁路、城市轨道交通系统解决车轮和钢轨磨损的一个重要技术手段，而轮轨润滑减磨技术的关键是要准确地将润滑材料输送到车轮和钢轨的指定减磨部位，其减磨效果还取决于润滑材料的化学物理特性和保持时间等要素。目前，轮轨润滑技术系统大致可次分为车载轮缘润滑系统、车载钢轨润滑系统和地面钢轨润滑系统等3大类；按润滑材料的种类又可以分为润滑油、润滑脂、油性润滑剂和固体润滑捧(剂)等4大类。
从20世纪60年代起，我国铁路工务系统开始采用车载钢轨润滑系统对曲线区段钢轨喷涂润滑油进行钢轨减磨作业，由于人工手动或自动喷涂润滑油方式都存在着一个共同的致命缺陷，也就是说，无论是轮缘润滑系统还是钢轨润滑系统，采用润滑油都有喷涂油量不易掌握，油膜不均匀且留存时间较短，以及润滑油飞溅影响列车运行且污染环境等弊端。因此，近几年内固体润滑棒减磨技术迅速崛起，通过综合技术的改进，突破了传统润滑油减磨存在的一系列技术“瓶颈”问题，逐步向机械、电子、材料、润滑等多学科技术领域融合优化的目标进发。依据现场应用统计数据表明，干式固体润滑减磨技术与湿式润滑油减磨技术相比较具有明显的优势，它可以减少钢轨磨耗2/3以上，车轮轮缘减磨效果可平均提高1～2倍，为减少轮轨磨损提供了一个新的有效技术途径。
目前，全路已有不少铁路局工务和机务部门采用了干式固体润滑减磨技术，在现场实际使用中取得了一定的成效。然而，当今绝大多数国产固体润滑棒(剂)的技术性能指标和产品质量，与国外先进水平相比较还有一定的差距。浙江宝晟铁路新材料科技公司经过近4年的周密调研、精心设计和科学研制，其生产的固体润滑棒(剂)已达到国际先进水平。
3 固体润滑棒(剂)技术性能
3.1 固体润滑棒(剂)产品种类
宝晟公司生产的固体润滑棒（剂）是一种主要以石墨、超高分子量聚乙烯、聚四氟乙烯、油脂等原材料复合制备而成，涂覆于高速、重载工况下机车轮缘、线路钢轨以及港口机械等设备摩擦面，用以降低摩擦、减少磨损、起到润滑的固体材料。通常， 固体润滑棒（剂）有普通实心型(代号为P)、复合型(代号为F)两大类，其外形根据用途可以分长方体、圆柱体等几种。
固体润滑棒（剂）产品型的字母和数字的含义，如表1所示。
表1   产品型号中的字母和数字含义

固体润滑棒（剂）产品的基本外形尺寸，如表2所示。
表2  固体润滑棒（剂）外形尺寸                 单位为毫米

项目	尺寸序列	公差
长(L)	100 、130 、150、160、180、250、260、275、500	±5
宽(W)	40、50、60	±2
高(H)	20、24、40	±2
直径(D)	25、30、32	±2
注：所示尺寸为推荐性尺寸，产品实际尺寸也可由供需双方协商确定。

3.2 固体润滑棒(剂)产品的技术性能
宝晟公司生产的固体润滑棒（剂）及其配套的安装装置具有简单可靠、维护工作量小、涂覆位置准确性高以及不受天气环境影响等使用特点。特别是其润滑减磨效果可以与国外先进产品相提并论，主要表现在以下3个方面：

1. “涂得上”：润滑材料柔软性和抗压性强，具有优良的粘附能力；
2. “脱得开”：即使润滑薄膜有损失，也会重新补给生成，具有较强的多次转移能力；
3. “用得久”：不会因列车制动、弯道挤压剪切而造成润滑膜损伤或脱落，具有较长的保护时间。

 BSP型系列固体润滑棒（剂）和BSF型固体润滑棒（剂）的主要技术指标，如表3和 表4所示。

表3  BSP型系列固体润滑棒（剂）主要技术指标

表4  BSF型系列固体润滑棒（剂）主要技术指标

项     目	技术指标
	外层	芯层
密度 g/cm3	1.0～1.8	1.0～1.8
摩擦系数	≤0.30	—
磨耗量 cm3	≤0.05	—
适应温度 ℃	-40～60
压缩强度 MPa	≥7.0

4 固体润滑棒(剂)的应用
目前，宝晟公司生产的固体润滑棒(剂)产品已安装于和谐号电力机车、内燃机车、提速后改装的内燃机车及城市轨道交通等项目上使用，并取得了8项技术专利，如表5所示。

表5 宝晟公司技术专利目录

专利类型	专利名称	专利号	申请日	批准日
发明专利	一种复合型固体润滑棒内层及其制备方法	201210315568.3	2012.08.31	2014.2.26
	一种复合型固体润滑棒外壳及其制备方法	201210315569.8	2012.08.31	2013.11.13
实用新型专利	固体润滑棒冷却切割装置	201120295113.0	2011.8.15	2012.5.30
	一种机车轮缘用固体润滑棒	201220386271.1	2012.8.6	2013.2.20
	一种多工位自动灌注机	201320306003.9	2013.5.30	2013.11.27
	一种防掉块机车轮缘固体润滑棒推动装置	201420666364.5	2014.11.11	2015.4.8
	防掉块机车轮缘固体润滑棒推动装置	201420666985.7	2014.11.11	2015.4.8
外观专利	机车轮缘轮轨阻燃降解固体润滑棒	201130241027.7	2011.7.26	2012.8.29

在北京铁路局、京原线、大秦运煤专用线路、京哈线以及城市地铁、轻轨、有轨电车、 工矿专用铁路和港口轨道等领域应用中，取得了良好的效果和用户评价。运用实践证明，固体润滑棒(剂)产品在代替润滑油、油脂中充分显示出其独特的优势，实现了延长机车车轮轮缘旋修周期和更换轮对的时间间隔，降低了机车车轮轮缘、线路钢轨磨耗的速率，为铁路系统工务、机务运行部门减少了日常维护检修工作量，大大节省了检修人力、物力和财力的支出成本。尤其是，宝晟铁路新材料科技公司与武汉理工大学强强联手，不仅充分体现出产品的高科技性能，而且严格运行质量管理保证体系，把好原材料、生产工艺、出厂检验和售后服务等质量关，确保产品达到国际先进水平。实际使用效果表明，产品性能已经达到与国际著名品牌Kelsan公司相当水平，而在产品价格上则具有较大的优势。目前，产品借凭良好的性价比已经打入国际市场，出口到波兰、美国等国家。

5 结束语
产品投入现场使用以来，已取得明显的社会效益和经济效益。以新型固体润滑棒(剂)为核心的干式固体润滑器(装置)，在铁路机务、工务部门发挥了综合润滑减磨作用，达到了公司预定的设计技术指标，满足了现场替代传统润滑器的要求，特别适用于山区、小半径曲线集中区段和高速、重载机车的润滑减磨。如果能在全国铁路和城轨系统范围内进一步推广使用，则每年可以节省数十亿元轮轨维修材料和能源消耗费用，提高劳动生产率和设施利用率，这必将对我国交通运输未来节能减排和经济可持续发展带来深远的影响。