СМАЗКА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ НА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ И ДЛЯ ТЯЖЕЛЫХ НАГРУЗОК Российский патент 2003 года по МПК C10M173/02 C10M173/02 C10M125/02 C10M125/22 C10M125/26 C10M125/30 C10M129/10 C10N50/02 

Данное изобретение относится к новым смазочным композициям и композициям на основе модификатора трения, содержащим твердую смазку или модификатор трения или оба этих компонента вместе со связующим в водной среде, пригодным для смазки поверхностей раздела сталь - сталь, таким как сочленение тягач - трейлер, системы рельсы - колеса и в других областях, где используются другие тяжелые грузы.

Изобретение также относится к композициям, описанным выше, которые включают модификаторы трения с высокими или очень высокими и положительными коэффициентами трения, при этом коэффициент трения композиции значительно выше, чем у твердой смазки.

Далее изобретение относится к композициям, содержащим связующий агент и модификатор трения с очень высоким и положительным коэффициентом трения в водной среде.

Предпосылки создания изобретения.

Обычной смазкой для соединения тягач - трейлер, систем рельсы - колеса и других областей, где используются тяжелые грузы, является консистентная смазка.

Однако консистентная смазка имеет серьезные ограничения в процессе ее использования и загрязняет окружающую среду. Вслед за сочленением стыкуемых компонентов после применения консистентной смазки большая часть этой смазки сразу же теряется из-за того, что эта смазка с трудом прилипает к поверхности сочленения или рельса. Отходы смазки попадают на трубопроводы транспортного средства и на землю, не являясь биоразлагающимся загрязняющим веществом. Кроме того, консистентная смазка при использовании рассеивается, что вызывает ухудшение смазочных свойств и возникновение потенциально опасных факторов. Это известное явление рассеивания побуждает пользователей наносить избыточные количества консистентной смазки, чтобы компенсировать ее потери. Более того, сочленяемые поверхности, рельсы или колеса могут загрязняться пылью и мелкими твердыми частицами, образующими абразивный материал, вызывающий быстрый износ несущих поверхностей, если они не были очищены и обезжирены.

Обычно консистентная смазка наносится каждую неделю или каждые две недели. Ее удаление перед обезжириванием осуществляется паром высокого давления, что вызывает ее попадание в источник воды. Кроме того, для удаления смазки можно использовать более сильные растворители, которые являются еще более неприемлемыми с точки зрения охраны окружающей среды.

Смазочные композиции, содержащие наряду с другими компонентами твердые смазки и полимерную среду, использовались как альтернатива консистентным смазкам, и эти смазки обладают преимуществом, образуя пленку на поверхности металла и соответственно обеспечивая лучшую адгезию. Однако по мере рассеивания смазки полимерная среда может также загрязнять окружающую среду.

Были предложены водные смазочные композиции, но они рассматриваются как непрактичные в заявке Швейцарии 669207 А5, где обсуждается способ использования водной дисперсии графита для покрытия или окраски боковых сторон рельсов, этот способ отвергается из-за того, что водная дисперсия легко удаляется. В СН 669207 А5 описана композиция, которая включает наряду с другими компонентами полимерную смолу, которая имеет те же самые недостатки, что и другие полимеры, как указано выше.

В патентах США 5173204 и 5308516 констатируется, что когда коэффициент трения увеличивается со скоростью, это имеет отрицательные стороны. Происхождение сильного шума в транспортных системах рельсы - колеса можно непосредственно объяснить тем фактом, что вследствие плохих фрикционных характеристик при некоторых условиях, возникающих во время использования, колеса в таких системах не всегда крутятся при движении по рельсам, но иногда скользят по ним. Это особенно проявляется на поворотах. Эффективный способ устранения визга тормозов и перестука колес состоит в изменении показателя трения с отрицательного на положительный. В данном описании термин "положительное трение" означает, что коэффициент трения увеличивается со скоростью скольжения и "высокий" коэффициент трения составляет больше 0,10.

Помимо снижения трения (и шума) и износа пары колесо-рельсы использование модификатора трения может предотвратить начало и рост короткого шага гофра засчет предотвращения или устранения колебательных движений, обычно известных как колебания качение - застревание, которые возникают на поверхностях рельсы - колеса из-за наличия отрицательного трения.

В патентах США 5173204 и 5308516 указано, что в системе рельсы - колеса смазочную композицию следует наносить на 25% колес, используемых в этой системе. С учетом того, что эффект наиболее выражен на поворотах, для обеспечения достаточного количества смазки требуется много смазки, времени и усилии.

Сущность изобретения.

Данное изобретение предусматривает водные композиции на основе смазочного агента и модификатора трения для нанесения на металлы с тяжелой нагрузкой в таких случаях, как сочленения тягач-трейлер или системы рельсы-колеса, причем композиции имеют улучшенные адгезионные свойства. Добавление связующего агента, указанного ниже, в композиции, включающие смазку или смазку и модификатор трения, способствует сцеплению смазочного агента и модификатора трения с поверхностью сочленения, рельсов или с другими поверхностями. Следовательно, нет необходимости наносить композицию так часто или в том же количестве и соответственно будет теряться меньше смазочного агента и модификатора трения и будет происходить меньшее загрязнение окружающей среды.

Смазочная композиция согласно изобретению может включать в себя смачивающий агент. Введение смачивающего агента помогает обеспечить лучшую адгезию твердого смазочного агента к сочленяемой поверхности, рельсу или другим поверхностям, и поэтому твердый смазочный агент лучше наносится.

Смазочная композиция по изобретению включает:
60-90 воды;
5-18 вес.% связующего агента;
3-32 вес.% модификатора трения,
3-32 вес.% твердого смазочного агента,
причем композиция имеет коэффициент трения не менее 0,1 и он возрастает с увеличением степени сползания стальных тел, находящихся в контакте в системе качение-скольжение.

Коэффициент трения может возрастать до примерно 0,45 при возрастании степени сползания до 2,5% и от примерно 0,45 до примерно 0,72 при возрастании степени сползания от 2,5 до примерно 30%.

В качестве твердого смазочного агента в композиции может использоваться дисульфид молибдена, графит или их смесь, в качестве связующего агента монтмориллонит натрия, в качестве его смачивающего агента нонилфенкосиполиол.

Модификатор может иметь размер частиц от 0,5 до 5 микрон, преимущественно от 1 до 2 микрон, но может иметь размер частиц 10 микрон.

В одном из вариантов композиции связующий агент монтмориллонит натрия, твердый смазочный агент дисульфид молибдена, модификатор трения силикат магния, смачивающий агент в количестве 0,002-2 вес.% нонилфеноксиполиола, при этом указанные дисульфид молибдена и силикат магния содержатся в соотношении 1:1, коэффициент трения композиции равен от примерно 0,17 до 0,35 при степени сползания от примерно 2,5 до примерно 30% для стальных тел, находящихся в контакте в системе качение - скольжение.

В другом варианте композиции связующий агент монтмориллонит натрия, модификатор трения безводный силикат алюминия, смачивающий агент в количестве 0,0002-2 вес. % нонилфеноксиполиола, при этом коэффициент трения композиции равен от примерно 0,45 до 0,72 при степени сползания от примерно 2,5 до примерно 30% для стальных тел, находящихся в контакте в системе качение - скольжение.

Далее в соответствии с настоящим изобретением предусматривается способ снижения шума в системах стальные рельсы - колеса путем нанесения композиции согласно изобретению, причем смазочная композиция эффективно изменяет отрицательные показатели трения между рельсом и колесом на положительные показатели.

При этом обеспечиваются дополнительные преимущества, заключающиеся в том, что они не загрязняют окружающую среду и являются экономичными, так как их можно наносить на определенные участки поверхностей, вызывающие проблемы.

Подробное описание конкретных вариантов изобретения.

Композиция со смазочным агентом и модификатором трения может быть получена с использованием одного или нескольких твердых смазочных агентов и модификаторов трения. Примеры твердых смазочных агентов и модификаторов трения приведены в следующих перечнях, не ограничивающих использование других веществ.

Твердые смазочные агенты:
дисульфид молибдена
графит
стеарат алюминия
стеарат цинка
соединения углерода (угольная пыль, угольные волокна и т.д.)
Предпочтительными твердыми смазочных агентами являются дисульфит молибдена и графит.

Модификаторы трения:
карбонат кальция
карбонат магния
силикат магния
сульфат бария
сульфат кальция
асбест
силикат алюминия
двуокись кремния
аморфная двуокись кремния
природня двуокись кремния
порошок сланца
диатомовая земля
размолотый кварц
кремнеземная мука
белый свинец
основной карбонат свинца
окись цинка
окись сурьмы
доломит
сульфит кальция
нафталин synemate
полиэтилен
слюда
Модификатор трения, если он есть, предпочтительно представляет собой порошкообразный минерал. Модификатор трения для смазочной композиции с высоким и положительным трением может иметь частицы размером от примерно 0,5 до примерно 5 мкм, предпочтительно он представляет собой частицы размером от примерно 1 до примерно 2 мкм. Композиция с очень высоким и положительным трением, содержащая модификатор трения, может иметь частицы размером 10 мкм.

Модификатор трения должен иметь коэффициент трения, значительно превышающий коэффициент трения твердого смазочного агента. Коэффициент трения относится к трению, возникающему между стальными телами, находящимися в контакте качение - скольжение. Композиции с большим и положительным трением, включающие модификатор трения, характеризуются коэффициентом трения, превышающим 0,10, и этот коэффициент трения возрастает с увеличением относительной скорости скольжения стальных тел. В случае очень большого и положительного трения коэффициент трения для пары сталь - сталь, которым характеризуется смазочная композиция по изобретению, должен возрастать от примерно 0,45 до примерно 0,72 с увеличением угона рельса от примерно 2,5 до примерно 30%. Отдельные композиции содержат модификаторы трения, а не твердые смазочные агенты для получения очень высоких и положительных фрикционных характеристик.

Термин "связующий агент" обозначает гидрофильный агент, который абсорбирует воду, что вызывает его набухание с получением частиц, способных прилипать к рельсу. Связующий агент образует непрерывную фазовую матрицу, которая способна связывать твердые смазочные агенты, модификаторы трения и другие соединения с металлической поверхностью при диспергировании твердого смазочного агента или удерживании указанного твердого смазочного агента в не являющейся непрерывной фазе матрицы. Связующий агент имеет такую жесткость, что когда композицию наносят на поверхность металла, у нее имеется определенная структура и она будет сохранять свою целостность после того, как колесо пройдет над композицией. Примеры связующих агентов включают, не ограничивая их, глины, такие как бентонит (монтмориллонит натрия) и казеин.

Могут содержаться также стабилизаторы, смачивающие агенты и добавки, облегчающие смешение композиции с консистентной смазкой, уже имеющейся на рельсах или сочленении. Стабилизаторы, такие как аммиак, используются для стабилизации смазочной композиции. Можно также применять спирты, такие как бутоксиэтанол.

Термин "смачивающий агент", используемый в данном описании, обозначает агент, повышающий текучесть, который способствует тому, что частицы твердого смазочного агента окружены водой в матрице связующего агента и твердого смазочного агента. Смачивающий агент способствует уменьшению поверхностного натяжения и обеспечивает проникновение твердого смазочного агента в трещины в рельсах или других поверхностях, а также эмульгирует консистентную смазку, обеспечивая хорошую адгезию. Примером смачивающего агента, не ограничивающим изобретение, является нонилфеноксиполиол.

Способ приготовления.

Композиции со смазочным агентом и модификатором трения могут быть приготовлены в соответствии со следующим способом. При перемешивании высокоскоростной мешалкой к 35% воды в смесительном барабане при комнатной температуре медленно добавляется связующий агент (например, бентонит, монтмориллонит натрия) и смачивающий агент (то есть нонилфеноксиполиол). Эти компоненты следует тщательно перемешать до образования густого геля. Продолжают перемешивание и добавляют остальные ингредиенты в следующем порядке: вода (оставшиеся 65%), аммиак, простой эфир Э.Б. (если он есть), любые другие жидкости, твердый смазочный агент (например, молибден) и остальные твердые вещества. Эти компоненты следует тщательно перемешать до получения гомогенной смеси, чтобы обеспечить хорошее диспергирование твердого смазочного агента.

Полученная композиция представляет собой густую тиксотропную жидкость, желеподобную при хранении, но при перемешивании или перекачивании вязкость ее уменьшается. Композиция представляет собой матрицу, непрерывную фазу которой образует связующий агент и которая содержит дискретную фазу, твердый смазочный агент.

Вышеуказанные композиции могут быть нанесены на сочленение или поверхности рельсов или другие поверхности при помощи средств, известных специалистам в данной области, например насосом или кистью. Композицию наносят таким образом, чтобы пленка композиции равномерно распределилась по поверхности. Эта пленка состоит предпочтительно из зерен диаметром, примерно, 1/8 дюйма.

Связующий агент действует как абсорбент воды в композиции. Со временем композиция подвергается дегидратации с получением твердых частиц, при этом повышается адгезия твердого смазочного агента и модификатора трения к рельсу по сравнению с ранее использовавшейся консистентной смазкой или полимерными смазочными композициями. Связующий агент дополнительно удерживает смазочный агент и диспергированный модификатор трения даже после того, как колесо пробежит по рельсу, а также уменьшает реабсорбцию воды. Следовательно, композиция не удаляется легко дождем.

Желательная величина коэффициента трения для композиций по изобретению достигается пропорциональным смешением подходящих количеств модификатора трения с высоким коэффициентом трения и твердого смазочного агента с очень низким коэффициентом трения. Твердый смазочный агент и модификатор трения содержатся в композиции предпочтительно примерно в равных количествах в случае композиций с высоким и положительным трением, но могут содержаться в разных количествах или твердый смазочный агент может отсутствовать для достижения очень высоких и положительных фрикционных характеристик.

Следующие примеры только иллюстрируют композиции согласно изобретению, но никоим образом не ограничивают изобретение.

Пример 1.

Водная смазочная композиция с высоким и положительным трением включает:
(а) 80,193 вес.% воды;
(б) 8,940 вес.% монтмориллонита натрия;
(в) 0,004 вес.% аммиака;
(г) 0,002 вес.% нонилфеноксиполиола;
(д) 4,930 вес.% дисульфида молибдена и
(е) 4,93 вес.% силиката магния;
композиция приготовлена, как описано выше.

Вышеописанная композиция испытывалась на перегоне для тяжелых грузов Северо-Американской железной дороги, было установлено, что уровень шума снижался на 20 децибел на верхней поверхности рельса и на поверхности колеи.

Похожие смазочные композиции могут быть приготовлены при использовании одного или нескольких других смазочных агентов и модификаторов трения тем же способом.

Пример 2.

Водная композиция с очень высоким и положительным трением (без смазочного агента) была получена, как описано выше, из следующих компонентов:
(а) 85,254 вес.% воды;
(б) 9,450 вес.% монтмориллонита натрия;
(в) 0,004 вес.% аммиака;
(г) 0,002 вес.% нонилфеноксиполиола;
(д) 5,20 вес.% безводного силиката алюминия и
(е) 0,09 вес.% сурьмы в виде порошка (в качестве красителя).

Композиция была испытана и установлено, что она обладает положительным коэффициентом трения для пары сталь-сталь, изменяющимся от 0 до 0,45 при увеличении относительной скорости скольжения (сползания, угона) от 0 до примерно 2,5% и возрастающим до примерно 0,72 при увеличении угона до примерно 30%. Эти величины коэффициента трения значительно выше коэффициентов трения для пары сталь-сталь, характерных для обычных смазочных агентов и выше соответствующих величин для смазочных композиций, описанных в патентах США 5173204 и 5308516.

Пример 3.

Водную смазочную композицию для колес приготавливают, как описано выше, с использованием следующих компонентов:
(а) 58,994 вес.% воды;
(б) 8 вес.% монтмориллонита натрия;
(в) 0,004 вес.% аммиака;
(г) 0,002 вес.% нонилфеноксиполиола;
(д) 3 вес.% бутоксиэтанола и
(е) 30 вес.% дисульфида молибдена.

После нанесения смазочного состава на поверхность обода колеса наблюдается значительное повышение адгезии смазки. Испытания показывают, что композиция сохраняется значительно дольше или на значительно большем расстоянии, она сохраняется примерно в 5-10 раз дольше, чем обычные смазочные составы.

Пример 4.

Водная смазочная композиция с низким коэффициентом трения была получена, как описано выше, с использованием следующих компонентов:
(а) 79,502 вес.% воды;
(б) 12,621 вес.% монтмориллонита натрия;
(в) 0,004 вес.% аммиака;
(г) 0,002 вес.% нонилфеноксиполиола;
(д) 3 вес.% бутоксиэтанола и
(е) 4,871 вес.% дисульфида молибдена.

Были проведены испытания, как описано в примере 1, получены похожие результаты.

Следует иметь в виду, что настоящее изобретение было описано с приведением конкретных примеров. Однако оно охватывает и такие изменения, модификации или эквиваленты, которые могут быть использованы специалистами в данной области. Следовательно, описание надо рассматривать как иллюстрирующее, но не как ограничивающее изобретение. Изменения, очевидные для специалиста, подпадают под объем защиты, определяемой нижеследующей формулой изобретения.

Использование: для смазки стыкуемых стальных поверхностей, таких как сочленения трактор - трейлер, система рельс - колесо и в других областях, где применяются тяжелые нагрузки. Сущность: смазка содержит, вес.%: 60-90 воды, 5-18 связующего агента, 3-32 модификатора трения, 3-32 твердого смазочного агента. Смазка имеет коэффициент не менее 0,1, который возрастает с увеличением степени сползания стальных тел, находящихся в контакте в системе качение - скольжение. Смазка может дополнительно содержать смачивающий агент, предпочтительно нонилфеноксиполиол. Способ смазки для уменьшения трения и износа заключается в нанесении на металлическую поверхность слоя вышеуказанной смазки и испарении воды. Технический результат - обеспечение сцепления достаточной силы с поверхностью сочленения или рельсов. 2 с. и 12 з.п. ф-лы.

1. Водная смазочная композиция для стыкуемых стальных поверхностей, включающая, вес.%:

Вода 60-90

Связующий агент 5-18

Модификатор трения 3-32

Твердый смазочный агент 3-32

причем композиция имеет коэффициент трения не менее 0,1 и он возрастает с увеличением степени сползания стальных тел, находящихся в контакте в системе качение - скольжение.