新型環(huán)保輪軌潤滑脂研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

李英姿

(中國鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

目前，我國鐵路主要采用在輪緣和鋼軌的接觸面噴涂輪軌潤滑脂來有效減小車輪、鋼軌的磨損，延長其使用壽命、減少噪音污染，降低牽引能耗，節(jié)約生產(chǎn)和維修成本，而輪軌潤滑脂直接逸散到環(huán)境中，對(duì)環(huán)境有一定的影響，目前廣泛使用的含石墨的黑色JH-1型輪軌潤滑脂等在可生物降解等環(huán)保性能上，達(dá)不到環(huán)保要求。為盡可能減少對(duì)環(huán)境的不良影響，使用環(huán)保型輪軌潤滑脂是一個(gè)發(fā)展方向?，F(xiàn)已有少量機(jī)車使用TRAMLUB F 234 MOD 2(簡(jiǎn)稱MOD 2)等進(jìn)口環(huán)保型輪軌潤滑脂，MOD 2輪軌潤滑脂為乳白色，以植物油和合成油為基礎(chǔ)油，可生物降解性能大于70%(OECD 302B方法)，對(duì)環(huán)境無害，主要用于-25～150 ℃下鋼軌側(cè)面和機(jī)車車輛輪緣的潤滑,但價(jià)格昂貴。我國也已開展環(huán)保型輪軌潤滑脂的初步研制工作，研發(fā)出BG-1#環(huán)保型鐵路輪軌潤滑脂[1-2]，但該脂仍為含石墨的黑色脂，其基礎(chǔ)脂(不含石墨)的可生物降解率剛達(dá)到60% (參照ASTM D5864方法)。為保護(hù)環(huán)境、建設(shè)生態(tài)城市，特別是在當(dāng)下我國軌道交通快速發(fā)展時(shí)期，有必要研究開發(fā)高性能、淺色的國產(chǎn)新型環(huán)保輪軌潤滑脂(簡(jiǎn)稱新型環(huán)保脂)。

本文主要從配方與成脂工藝、性能評(píng)定以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方面概述新型環(huán)保輪軌潤滑脂研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 配方與成脂工藝

1.1 基礎(chǔ)油評(píng)選

在BG-1#環(huán)保型鐵路輪軌潤滑脂的基礎(chǔ)上，綜合考慮基礎(chǔ)油的可生物降解性能和低溫性能，選擇了植物油、酯類油、聚α烯烴(PAO)油為新型環(huán)保脂基礎(chǔ)油的組分，經(jīng)過黏溫性、低溫流動(dòng)性、高溫穩(wěn)定性、可生物降解性等指標(biāo)的篩選及評(píng)定，最終優(yōu)化確定了植物油、酯類油、PAO按適宜比例復(fù)配的復(fù)合半合成油作為基礎(chǔ)油，其性能評(píng)定結(jié)果見表1，可見其可生物降解性和低溫性能均優(yōu)良。

表1 基礎(chǔ)油的性能評(píng)定結(jié)果

1.2 稠化劑

潤滑脂的可生物降解性還受稠化劑的影響。適合于生物降解的稠化劑有脂肪酸的鈣皂和鋰皂、可生物降解有機(jī)酸(苯甲酸、壬二酸和癸二酸)的鈣皂和鋰皂、有機(jī)膨潤土、復(fù)合鋁及復(fù)合磺酸鈣等。根據(jù)近年國內(nèi)外開展可生物降解潤滑脂的資料介紹，以及JH-1和BG-1#型鐵路輪軌潤滑脂的研制經(jīng)驗(yàn)，再考慮鋰皂與各類基礎(chǔ)油(植物油、合成油、礦物油等)配位性好，以其稠化所選的可生物降解基礎(chǔ)油制得的鋰基潤滑脂具有良好的抗水性、機(jī)械安定性、防銹性，且對(duì)環(huán)境無污染，使用溫度較寬，因此確定了高級(jí)脂肪酸鋰皂作為新型環(huán)保脂的稠化劑。

1.3 添加劑

新型環(huán)保脂的添加劑在滿足減少機(jī)車輪緣磨損、防銹、防腐的輪軌潤滑基本要求外，還應(yīng)該滿足環(huán)保要求。環(huán)保型的添加劑一般要求無毒或低毒、不含重金屬、不含亞硝酸鹽和不含有機(jī)鹵代物等，而且要與可生物降解基礎(chǔ)油的相容性良好。故本研究選用了無灰、低毒、無刺激味且與選定基礎(chǔ)油相容性好的適宜的抗氧劑、極壓抗磨劑、防銹劑、防腐劑等，用正交方法優(yōu)化確定了各添加劑的比例，最終確定了新型環(huán)保脂優(yōu)化組合的添加劑配方。

1.4 固體潤滑劑

常用的固體潤滑劑有層狀固體材料(如石墨、二硫化鉬、氮化硼等)、軟金屬(如鋁、鉛、錫等)、高分子聚合物(如聚四氟乙烯、聚酰亞胺等)和復(fù)合材料等，本研究篩選確定了類石墨層狀結(jié)構(gòu)、淺色的G2固體潤滑劑。將G2與石墨分別加入新型環(huán)保脂的基礎(chǔ)脂中，采用四球磨斑直徑、最大無卡咬負(fù)荷PB值2項(xiàng)指標(biāo)對(duì)含G2與石墨的脂樣進(jìn)行評(píng)定，如圖1所示，以對(duì)比G2與石墨的抗磨性能與效果。

圖1 固體潤滑劑在基礎(chǔ)脂中抗磨性能隨劑量的變化曲線

由圖1可知：隨著石墨或者G2固體潤滑劑添加量的增加，潤滑脂的PB值不同程度有所提高，四球磨斑直徑有所減小；當(dāng)添加等量的石墨或者G2固體潤滑劑時(shí)，含G2的四球磨斑直徑比含石墨的小，含G2的PB值基本大于含石墨的(8%以內(nèi))?？梢奊2的抗磨性能好于或相當(dāng)于石墨，因此G2是良好的淺色固體潤滑劑。

1.5 成脂工藝

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)探索研究了含植物油、酯類油的新型環(huán)保脂的成脂工藝，其成脂工藝以常壓(開口)、間歇式作為重點(diǎn)，經(jīng)過對(duì)新型環(huán)保脂生產(chǎn)工藝關(guān)鍵步驟逐項(xiàng)考察，選擇最優(yōu)工藝條件，最終確定了其煉制工藝，其中要點(diǎn)如下。

(1)皂化用油：為避免皂化過程中酯類油的水解，用三組分基礎(chǔ)油中的其他組分(植物油和PAO)作為皂化油。

(2)皂化反應(yīng)：12-羥基硬脂酸在基礎(chǔ)油中加熱溶解后，直接緩慢加入氫氧化鋰水溶液進(jìn)行皂化反應(yīng)，在100～105 ℃溫度下繼續(xù)皂化1.0～1.5 h，因該皂化過程為脫水反應(yīng)，注意攪拌并補(bǔ)充少量水，至皂化反應(yīng)完全(約1.0 h)。

(3)加劑升溫：皂化結(jié)束后溫度升至205～208 ℃。

(4)急冷調(diào)稠：迅速加入酯類油及余量菜籽油作為冷混油，待體系溫度升至180～185 ℃，調(diào)整脂的稠度。

(5)添加劑加入與均化：加入其他添加劑(抗氧劑、防銹緩蝕劑、抗磨劑等)和固體潤滑劑，攪拌均勻后經(jīng)三輥軋油機(jī)滾軋3遍，經(jīng)檢驗(yàn)合格后為成品脂。

2 性能評(píng)定結(jié)果

以半合成油為基礎(chǔ)油，以高級(jí)脂肪酸鋰皂為稠化劑，按照確定的優(yōu)化配方加入抗氧劑、極壓抗磨劑、防銹緩蝕劑等添加劑和抗磨性能優(yōu)良的非石墨固體固體潤滑劑，采用特殊的工藝制成了新型環(huán)保脂，代號(hào)為TD1010，然后按照一定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)定。

2.1 常規(guī)理化性能評(píng)定

參照J(rèn)H-1型輪軌潤滑脂的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)和鐵道標(biāo)準(zhǔn)TB/T3223.1—2010中機(jī)車輪緣潤滑流體潤滑材料的技術(shù)要求，結(jié)合華寶HB-FL新型輪軌潤滑裝置的參數(shù)及工況條件，確定了常規(guī)理化性能的評(píng)定項(xiàng)目和試驗(yàn)方法，以此對(duì)TD1010新型環(huán)保脂和MOD 2進(jìn)口脂分別進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果見表2。由表2可知：TD1010新型環(huán)保脂的抗磨、抗腐蝕、防銹、在-30℃下低溫的性能均優(yōu)良，均與MOD 2進(jìn)口脂相當(dāng)。

表2 新型環(huán)保脂和進(jìn)口脂的常規(guī)理化性能評(píng)定結(jié)果

2.2 環(huán)保性能評(píng)定

環(huán)保型潤滑劑要求其可生物降解性要好,而且生態(tài)毒性要小,不含重金屬等，基于此，對(duì)新型環(huán)保脂的可生物降解性、生態(tài)毒性、重金屬及鹵素含量等進(jìn)行評(píng)定。

2.2.1 可生物降解性能評(píng)定

用于評(píng)定可生物降解性的方法有ASTM D 5864方法(《測(cè)定潤滑油或其成分水中好氧可生物降解性的試驗(yàn)方法》)和OECD 301B方法(快速生物降解—CO2產(chǎn)生試驗(yàn))、CEC L-33-A-93、OECD 302B(測(cè)試固有可生物降解性)等，經(jīng)分析比較，ASTM D 5864和OECD 301B這2種方法比較近似，均是直接檢測(cè)油脂被生物降解后生成CO2而最終得到可生物降解率的可控測(cè)試方法(試驗(yàn)溫度20～25 ℃,期限28 d)，且均設(shè)備簡(jiǎn)單、可操作性和測(cè)試結(jié)果的重現(xiàn)性較好。故本研究選用ASTM D 5864方法測(cè)定了TD1010新型環(huán)保脂和MOD 2進(jìn)口脂、選用OECD 301B方法測(cè)定了TD1010新型環(huán)保脂的可生物降解率，以評(píng)價(jià)其可生物降解性能，結(jié)果見表3。

表3 新型環(huán)保脂和進(jìn)口脂的可生物降解率評(píng)定結(jié)果

由表3可知：采用2種方法評(píng)定的TD1010新型環(huán)保脂的可生物降解率分別達(dá)到77%和74%，均達(dá)到國際普遍認(rèn)可的具有快速生物降解性、易降解的環(huán)保潤滑劑的可生物降解率應(yīng)大于60%的要求，說明TD1010新型環(huán)保脂為易降解脂；采用ASTM D 5864方法評(píng)定的TD1010新型環(huán)保脂的可生物降解率大于MOD 2進(jìn)口脂的；同時(shí)平行評(píng)定的參比物苯甲酸鈉的可生物降解率相近且都在70%以上，反映了試驗(yàn)結(jié)果是穩(wěn)定、可靠的。由此可以得出，TD1010新型環(huán)保脂的可生物降解性能優(yōu)于MOD 2進(jìn)口脂。

2.2.2 生態(tài)毒性評(píng)定

潤滑劑的生態(tài)毒性是指其在生態(tài)環(huán)境中對(duì)某些有機(jī)體(動(dòng)物、植物)造成的毒性影響。通常采用標(biāo)準(zhǔn)物種(在生物鏈中代表著不同級(jí)別的物種)對(duì)潤滑劑的生態(tài)毒性進(jìn)行評(píng)價(jià)，常用指標(biāo)包括無觀測(cè)影響濃度和半致死濃度。

生態(tài)毒性試驗(yàn)分為急性和慢性2種。急性生態(tài)毒性試驗(yàn)用來評(píng)價(jià)短時(shí)間內(nèi)潤滑劑的生態(tài)毒性，常用的方法包括OECD 201(藻類生長抑制試驗(yàn))、OECD 202(溞類急性活動(dòng)抑制試驗(yàn))、OECD 203(魚類急性毒性試驗(yàn))等。慢性生態(tài)毒性試驗(yàn)用來評(píng)價(jià)在亞致死濃度下長期的影響結(jié)果。潤滑劑的生態(tài)毒性主要按照急性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分級(jí),對(duì)于水生生物的急性毒性，半致死濃度大于100 mg·L-1的一般可視為環(huán)保、低毒(或無毒)的。因此，分別采用OECD 201，OECD 202，OECD 203這3種方法檢驗(yàn)TD1010新型環(huán)保脂的生態(tài)毒性，結(jié)果見表4。由表4可知：檢驗(yàn)結(jié)果均大于1 000 mg·L-1。由此說明TD1010新型環(huán)保脂的生態(tài)毒性為無毒或低毒。

表4 TD1010新型環(huán)保脂的生態(tài)毒性檢驗(yàn)結(jié)果

2.2.3 重金屬和鹵素含量的測(cè)定

為了考察新型環(huán)保脂中有無對(duì)環(huán)境不利的元素，測(cè)定了新型環(huán)保脂中重金屬鎘(Cd)、鉛(Pb)、汞(Hg)、六價(jià)鉻(Cr+6)、多溴聯(lián)苯(PBBs)、多溴二苯醚(PBDEs)等歐盟RoHS六項(xiàng)及鹵族元素的含量。測(cè)定結(jié)果為：TD1010新型環(huán)保脂不含鎘(Cd)、鉛(Pb)、汞(Hg)、六價(jià)鉻(Cr+6)4種對(duì)環(huán)境有害的重金屬，符合歐盟RoHS指令2011/65/EU的限值要求；且不含鹵族元素。

2.3 低溫模擬噴脂試驗(yàn)

將TD1010新型環(huán)保脂分別加入華寶HB-3型和HB-FL型輪潤滑軌裝置中，分別在常溫和-30 ℃溫度條件下對(duì)其進(jìn)行模擬噴脂試驗(yàn)，10次噴脂的狀態(tài)對(duì)比如圖2所示。測(cè)定輪軌潤滑裝置連續(xù)10次的噴脂量，并計(jì)算單次平均噴脂量，結(jié)果見表5，考察潤滑脂的低溫性能和工作狀況。

由圖2和表5可知： TD1010新型環(huán)保脂在-30 ℃低溫下在華寶HB-3型、HB-FL型輪軌潤滑裝置上正常霧化噴出，在培養(yǎng)皿中狀態(tài)呈均勻圓形分布，噴射的半徑范圍較常溫時(shí)變小，但平均噴脂量較常溫時(shí)并沒有明顯減少。表明TD1010新型環(huán)保脂在-30 ℃時(shí)低溫性能良好，與華寶輪軌潤滑裝置有良好的匹配性。

3 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用考核試驗(yàn)

3.1 運(yùn)用試驗(yàn)概況

為驗(yàn)證新型環(huán)保脂對(duì)機(jī)車輪緣的減磨效果，選擇在曲線多(曲線半徑小于400 m區(qū)段10處，最小為395 m)、坡度大(最大達(dá)18.3‰)、載荷較重(最大牽引噸數(shù)5 000 t)的洛陽機(jī)務(wù)段鄭州北至新豐鎮(zhèn)間(467 km)的試驗(yàn)區(qū)段進(jìn)行了為期約1年的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用考核試驗(yàn)，其中在編號(hào)為0898，0303，0293，0292的4臺(tái)HXD3型機(jī)車上試驗(yàn)TD1010新型環(huán)保脂，與同期在編號(hào)為0169和0181的2臺(tái) HXD3型機(jī)車上使用的JH-1輪軌潤滑脂對(duì)比，均將潤滑脂直接噴涂到第1和第6軸位車輪輪緣上，試驗(yàn)期間4臺(tái)機(jī)車因踏面剝離而進(jìn)行過鏇輪，機(jī)車運(yùn)用概況見表6。在整個(gè)試驗(yàn)過程中， TD1010新型環(huán)保脂和JH-1輪軌潤滑脂的使用狀況均良好，噴脂正常，沒有異常不良現(xiàn)象，日常檢查與補(bǔ)加脂，以及運(yùn)用消耗脂量均正常。

表6 機(jī)車運(yùn)用概況

3.2 運(yùn)用試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)期間使用TD1010新型環(huán)保脂的4臺(tái)試驗(yàn)機(jī)車與同期使用JH-1輪軌潤滑脂的2臺(tái)對(duì)比機(jī)車的輪緣磨耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與計(jì)算，結(jié)果見表7。因洛陽機(jī)務(wù)段的HXD3機(jī)車曾使用固體潤滑棒潤滑輪緣，因此，將4臺(tái)試驗(yàn)機(jī)車使用固體潤滑棒階段的輪緣磨耗數(shù)據(jù)一并列入表7。

表7 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

*因鏇輪后輪緣厚度開始新一周期的磨損, 故輪緣磨耗用鏇輪前的數(shù)據(jù)計(jì)算。

3.2.1 TD1010新型環(huán)保脂與JH-1輪軌脂的對(duì)比

分別使用TD1010新型環(huán)保脂與JH-1輪軌脂時(shí)，機(jī)車輪緣平均磨耗隨機(jī)車走行公里變化的曲線如圖3所示，機(jī)車輪緣磨耗對(duì)比如圖4所示。由表7、圖3和圖4可知：6臺(tái)機(jī)車輪緣磨耗最大的位置均出現(xiàn)在第2或第5軸；使用TD1010新型環(huán)保脂的4臺(tái)試驗(yàn)機(jī)車的輪緣最大磨耗在0.19～0.32 mm·萬km-1之間，平均磨耗在0.12～0.15 mm·萬km-1之間，試驗(yàn)機(jī)車的輪緣磨耗較小，表明TD1010新型環(huán)保脂的減磨效果較好；使用TD1010新型環(huán)保脂的4臺(tái)試驗(yàn)機(jī)車的輪緣最大磨耗、最小磨耗和平均磨耗均略好或相當(dāng)于同期使用JH-1輪軌脂的2臺(tái)對(duì)比機(jī)車，表明TD1010新型環(huán)保脂的減磨效果略好或相當(dāng)于JH-1輪軌脂。

圖3 不同機(jī)車的輪緣平均磨耗隨機(jī)車走行公里的變化曲線

圖4 不同機(jī)車的輪緣磨耗對(duì)比

3.2.2 TD1010新型環(huán)保脂與固體潤滑棒的對(duì)比

分別使用TD1010新型環(huán)保脂與固體潤滑棒時(shí)，機(jī)車輪緣平均磨耗隨機(jī)車走行公里的變化曲線如圖5所示。由表7和圖5可知：機(jī)車最大輪緣平均磨耗主要發(fā)生在第2和第5軸上，占比達(dá)92%；對(duì)于4臺(tái)試驗(yàn)機(jī)車，使用TD1010新型環(huán)保脂時(shí)的輪緣最大磨耗分別為使用固體潤滑棒時(shí)的52%，52%，60%，27%，平均磨耗分別為使用固體潤滑棒時(shí)的40%，51%，50%和29%。由此表明TD1010新型環(huán)保脂的減磨效果明顯好于固體潤滑棒。

圖5 4臺(tái)試驗(yàn)機(jī)車的輪緣平均磨耗隨機(jī)車走行公里的變化曲線

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用考核結(jié)論

經(jīng)過約1年的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用考核表明， TD1010新型環(huán)保脂減磨效果良好，試驗(yàn)機(jī)車輪緣磨耗較小，略好或相當(dāng)于JH-1輪軌脂，明顯好于固體潤滑棒，且與HB-3型和HB-FL型輪緣潤滑裝置的匹配適應(yīng)性良好，較好滿足了機(jī)車輪緣潤滑的要求。

4 結(jié)論與建議

(1)研發(fā)的TD1010新型環(huán)保輪軌潤滑脂以適宜的半合成油為基礎(chǔ)油，以高級(jí)脂肪酸鋰皂為稠化劑，按照確定的優(yōu)化配方加入含抗氧劑、極壓抗磨劑、防銹劑、防腐劑等添加劑和抗磨性能優(yōu)良的非石墨固體潤滑劑，采用特殊的成脂工藝制成。

(2)經(jīng)室內(nèi)性能綜合評(píng)定，TD1010新型環(huán)保輪軌潤滑脂的抗磨性能、防銹抗腐蝕性能、低溫性能優(yōu)良，可生物降解性良好(降解率大于60%，OECD 301B或ASTM D 5864方法)，無(低)毒，無重金屬、鹵族等有害元素，易泵送、噴涂，與華寶輪軌潤滑裝置具有良好的匹配適應(yīng)性，綜合性能達(dá)到或超過進(jìn)口同類脂水平。

(3)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用考核，TD1010新型環(huán)保脂配套華寶輪緣潤滑裝置在機(jī)車上使用正常，減磨潤滑效果良好，能夠有效減少車輪輪緣磨耗，滿足機(jī)車輪緣潤滑的要求。

(4)TD1010新型環(huán)保輪軌潤滑脂填補(bǔ)了國內(nèi)空白，可適用于有環(huán)保要求的區(qū)域鐵路、城鐵在-30 ℃以上溫度范圍的輪軌潤滑，隨著軌道交通的快速發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的加強(qiáng)，其具有良好的應(yīng)用前景。

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[12] 環(huán)境保護(hù)部化學(xué)品登記中心，《化學(xué)品測(cè)試方法》編委會(huì).化學(xué)品測(cè)試方法，生物系統(tǒng)效應(yīng)卷[M].2版.北京：中國環(huán)境出版社，2013：6-35.

[13] The Organisation for Economic Co-Operation and Development(OECD).OECD Guidelines for Testing of Chemicals, 201 Alga Growth Inhibition Test[S].Paris：OECD,2011.

[14] The Organisation for Economic Co-Operation and Development(OECD).OECD Guidelines for Testing of Chemicals, 202 Daphnia sp. Acute Immobilisation Test[S].Paris：OECD,2004.

[15] The Organisation for Economic Co-Operation and Development(OECD).OECD Guidelines for Testing of Chemicals, 203 Fish Acute Toxicity Test [S].Paris：OECD, 1992.