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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

性能

单位

测试方法

测试值

注释

外观

 

目测

   

颜色

 

按ISO 2049标准

   

尺寸

mm

使用检定合格的长度计量具

   

熔点

°C

按EN ISO 3146标准

高于操作范围

 

摩擦系数

摩擦系数

国外按EN 16028标准
测试设备为:双盘试验机

≤ 0,15

 

国内按SH/T 0190—1992标准
测试设备为MM-200磨损试验机

≤ 0,1

密度

kg/m3
23 °C

按EN ISO 1183-1标准中? Method A

 

看注1

硬度

邵氏硬度

按EN ISO 868标准

 

看注2

极限负载(梯母肯ok负荷)??

??????????? N

国外不作要求
国内按GB/T 11144—2007标准

≥2000

参考TJ JW 098-2016

金属表面附着性

国外不作要求
国内按TJ/ JW 098-2016标准中附录C规定

≥8

 

注1:在密度的显著差异可以表示为成分的变化或固体润滑剂内存在气孔等缺陷。
注2:在相近的操作条件下不同的硬度值意味着润滑棒有不同的消耗量。

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

覆盖
面积%

1~10

11~20

21~30

31~40

41~50

51~60

61~70

71~80

81~90

91~100

评级

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

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?;ば阅芎腿蠡舻哪ニ鹆?。
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??梢愿菔导是榭鲎酆侠酶髦址椒?,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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[6]胡萍,黄樟华.铁路用固体润滑棒新型材料的研究[J].中国铁路装备,2015(7):421-424.
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