一種鐵路信號設備用潤滑脂的制備、性能評價及應用研究

劉偉 李陽 劉大軍 張輝

1 中石化石油化工科學研究院有限公司

2 北京興普精細化工技術開發有限公司

我國領土幅員遼闊，鐵路運輸線路四通八達，大量鐵路信號設備安裝在高寒、濕熱、風沙、銹蝕等戶外復雜環境，人工維護任務重、難度大，如何通過長效潤滑保障設備裝備安全可靠長周期運行是需要重點解決的課題。受限于實際工況環境，目前較為可靠的潤滑方式是采取潤滑脂潤滑，一方面其優良的潤滑性能可以保障設備的各活動部位靈活運轉，另一方面其半流體黏附狀態可以保護活動工作面防銹蝕、少磨損[1]，同時較長的換脂周期也可以降低鐵路工人的維護頻次，進而降低勞動強度。

鐵路系統中，轉轍機、密檢器和鐵軌與外鎖閉等部位是信號系統重要的基礎設備，主要負責將轉換道岔電信號轉換為動作信號，改變鐵軌道岔，進而實現機車變道的目的。通過電信號與動作信號之間互相轉換，可以很好地保證行車安全，提高運輸效率，改善行車人員的勞動強度[2]。從運動方式來看，轉轍機主要是通過電動機轉動帶動絲杠運轉，將旋轉運動轉換為直線運動，運轉速度約為10 r/s。受限于室外安裝環境，其使用溫度、濕度等主要與地域、氣候等因素相關。

目前，國內對于鐵路用潤滑脂的公開報道相對較多，但主要是針對單一裝備或特定工作條件，缺乏系統性、通用化的研究。潘濛[3]等報道了一種鐵路輪軌潤滑脂，具有良好的潤滑性能，但膠體安定性和極壓性能不足，無法滿足較高載荷和較長換脂周期使用。趙偉樺[4]等選用一種殼牌高鐵軸箱軸承潤滑脂，系統地填補了國內對于鐵路用潤滑脂軸承壽命試驗研究空白。姚立丹[5]等系統地調研了國外軌道交通潤滑脂的研究進展，從牽引電機軸承、車軸軸承、輪軌等幾個方面分析了國外鐵路潤滑脂的技術現狀，對國內相關產品的開發具有一定的啟發意義。賈娜[6]報道了一種電動轉轍機減速器內部潤滑問題，夏季漏脂、冬季凝固等問題大大降低了鐵路設備對潤滑脂的選擇性。

鑒于目前鐵路潤滑脂產品性能良莠不齊，市售產品種類繁多，為客戶選脂帶來困擾，也加大了設備維護保養換脂的難度。為進一步提升產品的性能，制備了一種鐵路信號設備用潤滑脂，系統地分析了制備產品的理化性能，模擬實際工況條件，開展了低溫性能、高溫濕熱性能和相容性試驗研究，并在某高速鐵路場站現場進行了為期140 d的階段性應用試驗研究。結果表明，制備產品理化性能優良，在鐵路轉轍機、密檢器和鐵軌與外鎖閉裝置等部位階段性應用試驗結果較好，可以滿足使用，與現用產品具有較好的相容性，能夠降低設備維護保養換脂難度。

試驗部分

原料及試劑

基礎油PAO4、PAO6，工業級，埃克森美孚公司；氫氧化鋰，工業級，成都天齊鋰業有限公司；12-羥基硬脂酸、硬脂酸，工業級，天津乾凱化工有限責任公司；抗氧添加劑T1、復合防銹添加劑T2、極壓抗磨劑T3、黏度指數改性劑T4，工業級，北京華瑞新成科技有限公司；固體填料二硫化鉬，工業級，北京華瑞新成科技有限公司。

基礎油主要理化性能指標見表1。

表1 基礎油理化性能

其他原材料主要理化性能指標見表2～表5。

表2 12-羥基硬脂酸和硬脂酸主要理化性能指標

表3 氫氧化鋰主要理化性能指標

表4 添加劑主要理化性能指標

表5 二硫化鉬主要理化性能指標

試驗儀器

潤滑脂樣品制備儀器：自制潤滑脂反應釜；三輥研磨機，型號SM-260。

潤滑脂樣品應用性能測試儀器：潤滑脂錐入度測定儀，型號TSY-6006；低溫試驗箱，型號BC/BD-318HD烘箱，型號101-2AB；電子天平，型號XPR1202S。

潤滑脂樣品

樣品制備

分別選取PAO4和PAO6作為基礎油，投入12-羥基硬脂酸和硬脂酸攪拌升溫；溫度升至80～90 ℃時，細流狀加入用熱水融化好的氫氧化鋰水溶液，持續升溫至210 ℃進行高溫煉制；分批次加入冷油，攪拌降溫；溫度降至120 ℃以下，加入T1、T2、T3、T4等4種添加劑和二硫化鉬填料，三輥磨研磨3遍備用。樣品組成見表6。

表6 制備樣品組成

技術指標

將制備好的潤滑脂樣品按照標準方法進行分析，測定其理化性能。與用戶協定的樣品協議技術指標見表7。

性能評價

低溫試驗

測克計的滑動阻力和鎖閉塊的移動阻力能夠表征轉轍機在低溫情況下的運轉情況，為更加直觀描述潤滑脂樣品在低溫條件下的潤滑性能，分別將涂抹好樣品脂A的轉轍機置于-10 ℃及-40 ℃溫度環境中，恒溫24 h后，啟動設備運轉，通過測試儀測定設備運轉時測克計的滑動阻力和鎖閉塊的移動阻力，與常溫條件進行對比，以此表征樣品脂的低溫性能。

高溫濕熱試驗

通過模擬室外高溫工作環境，選取溫度70 ℃、相對濕度74%（實驗室相對濕度，實際并非試驗環境本身的相對濕度）條件，研究樣品的質量損失和狀態變化，以此表征其高溫濕熱性能。分別選取制備樣品A以及市售對比樣品C和D，稱取150 g（含桶重）均勻涂抹至1 L注塑桶內壁，置于溫度70 ℃條件下烘烤66 h，通過測定烘烤前后樣品質量損失以及狀態變化，表征產品在高溫濕熱環境下的應用性能。

相容性試驗

樣品A與對比樣品C的相容性能，是其能否有效降低設備維護保養時換脂難度的重要性能指標。按照NB/SH/T 6013—2020標準要求，將制備樣品A與對比樣品C按比例進行混合，通過測定混合物的滴點、十萬次剪斷和高溫儲存后錐入度差值，來表征樣品與市售產品的混合相容性[7]。

應用試驗

將制備樣品A在某高速鐵路機務段實際工況中進行階段性應用試驗研究，試驗時間為2021年2月至6月，通過為期140 d的上機考察，測試其實際應用性能。

結果與討論

理化性能

分別將試制的3批次樣品A和樣品B進行理化性能分析，結果見表8。

表8 潤滑脂樣品理化性能

從表8可以看出，樣品A和B均可以滿足技術指標要求。分項目來看，樣品A低溫相似黏度值約為樣品B的50%，低溫性能較好；兩個樣品鋼網分油控制在相對合適的范圍，可以滿足長效的潤滑要求。綜合來看，樣品A性能優于樣品B，故選擇樣品A進一步研究其應用性能。

低溫性能

將樣品A進行-10 ℃和-40 ℃低溫試驗性能研究，測克計滑動阻力和鎖閉塊移動阻力結果見表9。

表9 不同溫度下測克計滑動阻力

從表9可以看出，隨著溫度降低，試塊在潤滑脂樣品中的滑動阻力逐漸增大，移動阻力也逐漸增大，低溫環境會顯著降低潤滑脂的流變性能。綜合設備的實際使用環境溫度和試驗建議值，研制潤滑脂樣品在-40 ℃條件不會明顯改變動作桿的工作阻力，可以滿足實際工況中的低溫使用要求。

高溫濕熱性能

樣品A和對比樣品C和D在高溫濕熱環境中烘烤后，質量和外觀狀態變化情況見表10。

表10 不同樣品高溫烘烤后變化情況

從10可以看出，樣品在高溫濕熱環境下，烘烤前后質量無明顯變化，工作錐入度變化情況也不明顯，表明在高溫條件下，潤滑脂樣品的蒸發損失較小，結構保持完整，且高溫烘烤后樣品狀態變化不明顯，析出少量基礎油能夠保證摩擦接觸部位的充分潤滑。

相容性試驗

制備樣品A與對比樣品C的相容性試驗結果見表11。

表11 制備樣品與對比樣品的相容性能

從表11可以看出，制備樣品A和對比樣品C具有較好的相容性，二者混用后不會顯著降低混合樣品的理化性能。

應用性能試驗

制備樣品在我國某高速鐵路場站轉轍機、密檢器、鐵軌與外鎖閉之間的潤滑點位開展應用試驗研究，試用過程無補脂，連續試用140 d后效果良好。現場檢查潤滑脂外觀正常，無流失、硬化、變質情況，潤滑部位無磨損、缺油、生銹現象，可以滿足鐵路轉轍機、密檢器、鐵軌與外鎖閉之間的運動部位潤滑使用要求，試驗效果見圖1。

圖1 轉轍機絲杠試驗效果

結論

☆研制的潤滑脂產品理化性能優良，具有較好的低溫性能和膠體安定性；

☆研制潤滑脂在高溫濕熱和低溫環境下具有較好的應用性能，可以滿足在較寬范圍溫度條件下，鐵路信號系統設備的潤滑使用；

☆研制樣品在高速鐵路場站中進行了階段性應用試驗研究，表現出較好的使用性能，能夠滿足高鐵轉轍機等先進設備的潤滑使用需求，具備進一步向鐵路其他設備推廣應用的條件和潛力。