ШУМОПОДАВЛЯЮЩАЯ СМАЗОЧНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ КОНТАКТИРУЮЩИХ СТАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Российский патент 2021 года по МПК C10M169/04 C10M125/02 C10M125/10 C10M159/04 C01G23/00 C10N30/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к смазочным составам и может быть использовано при обработке узлов трения машин и механизмов, в частности тяжело нагруженных узлов трения, таких как пара «колесо-рельс», для уменьшения шумового эффекта, возникающего, например, при торможении поезда, а также при торможении вагонов рельсовыми тормозами при маневрировании на сортировочных горках.

Уровень техники

Во время торможения вагонов рельсовыми тормозами при маневрировании на сортировочных горках, трение между двумя металлическими поверхностями приводит к высокочастотным шумам (визгу), уровень которых может превышать 130 дБА, что оказывает крайне неблагоприятное влияние на работников железной дороги и жителей прилегающих жилых кварталов и может приводить к снижению внимания и увеличению ошибок при выполнении различных видов работ, угнетению центральной нервной системы, изменению скорости дыхания и пульса и др. Проезд железнодорожного состава также обуславливает возрастание уровня шума в среднем на 10-20 дБА над фоновыми значениями шума на прилегающей жилой территории, что вызывает большое количество обращений жителей с жалобами на повышенный шум. Российские поезда в среднем на 7-10 дБА более шумные, чем европейские модели (Постановлении Правительства Москвы от 16 октября 2007 г. №896-ПП «О концепции снижения уровней шума и вибрации в городе Москве»). Превышение шума в жилых домах, расположенных вблизи железных дорог (на расстоянии до 100 м) может составлять от 20 до 30 дБА в дневное время и от 30 до 40 дБА в ночное время.

Наиболее распространенным способом решения проблемы снижения шума на железной дороге является использование лубрикантов, обеспечивающих не только снижение износа трущихся поверхностей трения между железнодорожными путями и колесами подвижного состава, но и снижение вибраций, вызывающих шумовые эффекты. Из уровня техники известны различные смазочные материалы для лубрикации зоны контакта колес и рельсов, направленные на снижение трения между контактными поверхностями.

Применяемые на железнодорожном транспорте смазки, как правило, представляют собой сложные композиции, состав которых определяется широким набором требований, которым не могут полностью отвечать индивидуальные соединения, обладающие смазывающим эффектом. В смазочные композиции, помимо антифрикционных компонентов, вводят присадки, обладающие противоизносным, противозадирным и плакирующим действием. Смазочный материал может содержать, кроме углеводородов, металлические мыла, специальные полимерные добавки, пластичные смазочные материалы, коллоидные суспензии и другие компоненты. Тенденции последних лет - использование также наноматериалов и нанофункциональных присадок.

Из уровня техники известна антифрикционная модифицирующая композиция (патент РФ №2031907), эмульгируемая в смазочных средах для контактирующих поверхностей, включающая перфторполипропиленоксид, соединение этиленгликоля, углеводородное масло и ингибитор коррозии, взятые в определенном соотношении. Композиция может дополнительно содержать ультрадисперсный порошок оксида металла или металла III-VIII группы Периодической системы. Коэффициент трения по стали при использовании в качестве смазочной среды моторного масла M-53/10Г1 с эмульгированной в нем антифрикционной композицией достигает значений 0,13-0,16.

Известна также смазочная композиция на основе порошка титаната калия (патент РФ №2493104), содержащая антифрикционную добавку и смазочный материал, в качестве которого может выступать базовая пластичная смазка либо базовое минеральное, полусинтетическое или синтетическое масло. При этом в качестве антифрикционной добавки используют порошок титаната калия, состоящий из слоистых частиц чешуйчатой формы субмикронного размера, интеркалированных ионами, по крайней мере, одного переходного металла (например, цинка, меди, или цинка и меди, никеля и хрома или цинка и железа), при следующем соотношении компонентов, мас.%: порошок титаната калия 0,3-12,0, базовый смазочный материал 88,0-99,7. Смазочная композиция обеспечивает низкий коэффициент трения и высокую износостойкость смазываемого изделия.

Известна антифрикционная смазка для узлов трения (патент РФ №2524267) на основе литиевого мыла стеариновой кислоты и минерального масла, содержащая дополнительно полиэтиленовый воск и суспензию титаната калия, при этом суспензия включает порошок титаната калия (60,1-70,0 мас.%) и минеральное масло (остальное до 100%). Смазка обеспечивает эффективную защиту от износа тяжелонагруженных открытых пар трения, в том числе и для железнодорожной техники, работающих в условиях высоких контактных нагрузок и обладающего высокой стойкостью к воздействию атмосферных осадков.

Однако вышеуказанные композиции, обладая высокими антифрикционными свойствами, не содержат в своем составе фрикционных добавок, обеспечивающих эффективное торможение вагонов рельсовыми тормозами при маневрировании на сортировочных горках.

Известна водная смазочная композиция для стыкуемых стальных поверхностей (патент РФ № 2220189), обеспечивающая снижение шума в системах стальные рельсы-колеса при ее нанесении на металлическую поверхность за счет изменения отрицательных показателей трения между рельсом и колесом на положительные показатели. Смазочная композиция включает 60-90 вес.% воды; 5-18 вес.% связующего агента; 3-32 вес.% модификатора трения, 3-32 вес.% твердого смазочного агента и 0,002-2 вес.% смачивающего агента (поверхностно-активного вещества). Предпочтительными твердыми смазочными агентами являются дисульфид молибдена и графит, модификатором трения - порошкообразный минерал. В качестве связующего агента может выступать монтмориллонит натрия, а в качестве смачивающего агента - нонилфеноксиполиол.

Недостатком данной смазки является плохая адгезия к поверхности стали, приводящая к быстрому удалению водной смазочной композиции из зоны контакта рельс-колесо, что особенно сказывается в дождливую погоду. Кроме того, данная водная композиция не может быть использована в зимнее время при отрицательных температурах окружающей среды.

Известен также композитный фрикционный материал DBM-50, производимый компанией Elpa d. o. o. (B. Altenbaher. The Anti-Noise System for Rail Brakes on Hump Yards. World Academy of Science, Engineering and Technology. - 2013.- No 78. - P. 421-424), обеспечивающий снижение износа колес и уменьшение образования шума в диапазоне 6-20 Гц (инфразвук), по данным прямых испытаний на различных сортировочных горках, на 24-33 дБА. Материал, представляющий собой смазочную композицию, включает фрикционные, антифрикционные, противозадирные добавки и связующее на основе сложного гелеобразного полимера, при этом содержание твердых частиц составляет более 40%.

Однако данный материал является специфичным и имеет сложный многокомпонентный состав, определяющий его высокую стоимость. Кроме того, данная смазочная композиция загустевает при отрицательных температурах и не может эффективно использоваться при температуре ниже минус 10°C.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является модификатор трения (патент РФ №2238304), предназначенный для смазывания тяжело нагруженных узлов трения различных механизмов, в частности, рабочей (тяговой) поверхности головки рельсов и бандажей колесных пар локомотивов. Модификатор трения содержит 2-30% стекла, 3-25% цемента, 0,5-50% битума, 0-30% графита, 0-75% песка, 1-20% перманганата калия, 0,5-23% глицерина, 0,5-30% противозадирной присадки, например дисульфида молибдена, 0,5-30% антифрикционной присадки, например полиэтилена, 0,5-30% плакирующей присадки, например, порошка меди, 0,002-2% и углеводородный растворитель - остальное. Изобретение способствует расширению рабочего температурного диапазона, ускорению процесса входа фрикционной пары колесо - рельс в установившийся режим трения при подаче модификатора в зону фрикционного контакта, повышению плакирующих и противозадирных свойств смазки, а также подавлению шума, возникающего при трении.

Однако применение известного смазочного материала не позволяет достигнуть желаемого эффекта снижения трения и износа, и, как следствие, не обеспечивает снижение уровня высокочастотного шума при торможении вагонов. Состав известной смазочной композиции сложен, а также предполагает использование порошка хрупкого фрикционного материала (молотое стекло), что способствует увеличению уровня шумов при торможении за счет растрескивания частиц стекла. Кроме того, присутствие в составе смазки одновременно сильного окислителя (перманганат калия) и восстановителей (углеводородный растворитель, полимер, графит, битум, дисульфид молибдена) создает опасность возгорания композиции при трении. Дополнительным препятствием для использования данной смазочной композиции является наличие в ее составе плакирующей добавки в виде порошка меди, присутствие которого на поверхности стальных трущихся поверхностей пары рельс-колесо способствует их электрохимической коррозии.

Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является разработка простой в изготовлении и эффективной смазочной композиции (модификатора трения) для контактирующих стальных поверхностей узлов трения, в частности, тяжело нагруженных узлов трения колесо-рельс, обеспечивающей снижение уровня шума, возникающего при трении контактирующих поверхностей друг о друга, более чем на 30 дБА, а также не застывающей при низких температурах (до -40°C).

Раскрытие изобретения

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является снижение общего уровня шума, создаваемого при контактировании стальных поверхностей узлов трения (в частности, при торможении вагонов на сортировочных горках), при обеспечении возможности использования предлагаемой смазочной композиции при отрицательных температурах до минус 40 градусов по шкале Цельсия. Изобретение также обеспечивает эффективное торможение вагонов на сортировочной горке, снижение износа пар трения рельс-колесо и колесо-тормозная шина вагонного замедлителя.

Технический результат достигается за счет создания шумоподавляющей смазочной композиции для контактирующих стальных поверхностей узлов трения, включающей графит, оксид металла или смесь оксидов металлов с твердостью по шкале Мооса больше твердости стали контактирующих поверхностей, плакирующую добавку металла, имеющего твердость по шкале Мооса ниже твердости стали контактирующих поверхностей, модифицирующую антифрикционную добавку материала, состоящую из нано- и субмикроразмерных частиц, имеющих слоистую структуру, и углеводородную основу, при следующем соотношении компонентов, вес.%:

графит 10-20 оксид металла или смесь оксидов металлов 15-25 плакирующая добавка 8-15 модифицирующая антифрикционная добавка 2-5 углеводородная основа остальное до 100%

В качестве оксида металла композиция может содержать Fe₂O₃, Fe₃O₄ или их смеси; в качестве модифицирующей антифрикционной добавки - порошок аморфного полититаната калия, порошок полититаната калия, модифицированного соединениями цинка, порошок кристаллического тетратитаната калия, порошок слоистого двойного гидроксида, например, Zn_0.66Al_0.34(OH)₂(CO₃)_0.17(H₂O) или их смеси; в качестве плакирующей добавки - алюминий или цинк или их смеси. В качестве основы композиция может содержать нефтяное или иное минеральное, синтетическое или полусинтетическое масло, загущенное парафином, церезином, кальциевым, литиевым или калиевым мылами, их производными или смесями.

Дополнительно композиция может содержать адгезионную присадку, например, производные алкилдиаминов, антикоррозионную присадку, например, диалкилдитиофосфат цинка, антиокислительную присадку, например, гидрохинон, а также маслорастворимое поверхностно-активное вещество, например, олеиновую кислоту.

Слоистые нано- и субмикроразмерные частицы модифицирующей антифрикционной добавки, «налипая» на поверхность крупных (размером в десятки и сотни микрометров) частиц фрикционной добавки, демпфируют возникновение в них упругих напряжений, прежде всего, на начальных стадиях торможения, подавляя тем самым возникновение колебаний в широком частотном диапазоне и создавая тонкий «мягкий» поверхностный слой, который при трении деформируется (расслаивается), вызывая снижение уровня шума. Частицы графита, обладающие хорошим смазывающим свойством, и также имеющие слоистую структуру, совместно с частицами плакирующей добавки, попадая в зону контакта рельс-колесо в заявленных количествах, усиливают эффект шумоподавления, при этом частицы плакирующей добавки также препятствуют низкотемпературному «свариванию» трущихся поверхностей при высоких нагрузках торможения. Таким образом, совместное действие частиц компонентов состава смазочной композиции обеспечивает снижение общего уровня шума, создаваемого при контактировании стальных поверхностей узлов трения.

Использование в качестве углеводородной основы базового минерального, синтетического или полусинтетического масла, загущенного парафином, церезином или их воскоподобными производными, различными мылами, загущающими присадками на основе полимеров (полиизобутилена, сополимеров этилена и пропилена, полиметакрилата) или комбинацией этих компонентов, позволяет регулировать вязкость смазочной композиции в широком температурном диапазоне (от -40 до +50°C), а присутствие в композиции адгезионной, антикоррозионной и антиокислительной присадок обеспечивает высокие эксплуатационные свойства. Дополнительное введение смачивающего агента (маслорастворимого поверхностно-активного вещества) обеспечивает возможность получения гомогенной стабилизированной смазочной композиции.

Достижение технического результата при использовании заявляемой композиции обеспечивается использованием всех приведенных в независимом пункте формулы изобретения в заявленном процентном соотношении компонентов состава.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется графиками, где на фиг. 1 представлены графики зависимости коэффициента трения при введении смазочных композиций различного состава (номер кривой на графике соответствует номеру состава композиции в примерах таблицы 1) в узел трения, имитирующий пару трения рельс-колесо, от времени.

Осуществление изобретения

Ниже представлено более детальное описание реализации заявляемого изобретения, которое не ограничивает объем притязаний заявляемого изобретения, а демонстрирует возможность осуществления изобретения с достижением заявляемого технического результата.

Шумоподавляющая смазочная композиция для контактирующих стальных поверхностей узлов трения (модификатор трения) включает порошок фрикционной добавки в виде оксида металла или смеси оксидов металлов с твердостью по шкале Мооса больше твердости стали контактирующих поверхностей (предпочтительно, больше 5), порошок противозадирной антифрикционной добавки - графита; порошок плакирующей добавки - металла, имеющего твердость по шкале Мооса ниже твердости стали контактирующих поверхностей (предпочтительно, ниже 3); порошок модифицирующей антифрикционной добавки материала, состоящей из нано- и субмикроразмерных частиц, имеющих слоистую структуру; а также углеводородную основу, при следующем соотношении компонентов, вес.%:

графит 10-20 оксид металла или смесь оксидов металлов 15-25 плакирующая добавка 8-15 модифицирующая антифрикционная добавка 2-5 углеводородная основа остальное до 100%

В предпочтительном варианте реализации изобретения соотношение компонентов состава может быть следующим:

графит 2-15 оксид металла или смесь оксидов металлов 18-22 плакирующая добавка 10-12 модифицирующая антифрикционная добавка 3-4 углеводородная основа остальное до 100%

Оксид металла может быть выбран из группы, включающей фрикционные добавки, имеющие твердость выше твердости контактирующих поверхностей пары трения рельс-колесо (обычно - сталь с твердостью ~5,0 по шкале Мооса). В предпочтительных вариантах реализации изобретения фрикционная добавка включает Fe₂O₃, Fe₃O₄ или их смеси. В других частных вариантах реализации изобретения в качестве фрикционных добавок могут быть использованы порошки любых природных или синтетических оксидных материалов, имеющих твердость выше твердости контактирующих стальных поверхностей, в том числе магнетит и гематит (основные компоненты Fe₃O₄ и Fe₂O₃, твердость по шкале Мооса 5,5-6,0), кварцевый песок (основной компонент кварц, твердость по шкале Мооса 6,5-7,0). Смеси фрикционных добавок могут быть взяты в любых соотношениях. При этом, во избежание повышенного износа трущихся поверхностей пары рельс-колесо, размер частиц оксидов металлов (фрикционной добавки) составляет, как правило, не более 200 микрометров.

В качестве порошка плакирующего металла композиция содержит, например, порошок алюминия или цинка, имеющих твердость по шкале Мооса (2,9 и 2,5, соответственно) ниже твердости контактирующих стальных поверхностей узлов трения (около 5,0), или их смеси.

В качестве материала модифицирующей антифрикционной добавки используют нано- и субмикроразмерные частицы веществ, имеющих слоистую структуру и толщину менее 100 нм, обладающие, вследствие размерного фактора, повышенной адгезионной способностью к частицам оксидов металла, которые выступают в качестве фрикционной добавки и создают при трении наиболее опасные шумовые эффекты. В частности, в этом качестве могут быть использованы аморфные модификации титаната калия, например, полититанат калия, синтезированный в соответствии с патентом РФ №2326051 или его производные, модифицированные соединениями цинка, синтезированные в соответствии с патентом РФ №2493104, кристаллические титанаты калия, имеющие слоистую структуру, например тетратитанат калия, слоистые двойные гидроксиды, например Zn_0.66Al_0.34(OH)₂(CO₃)_0.17(H₂O), или комбинации порошков этих материалов, синтезированные согласно известным методикам (смотри, например, Gorokhovsky A.V., Tsiganov A.R., Nikityuk T.V., Escalante-Garcia J.I., Burmistrov I.N., Goffman V.G. Synthesis and properties of nanocomposites in the system of potassium polytitanate - layered double hydroxide // J. Mater. Res. Technol. - 2020. - V. 9. - No3. - P. 3924-3934), а также талька. Порошок модифицирующей антифрикционной добавки должен состоять из нано- и субмикроразмерных частиц, способных обволакивать частицы фрикционной добавки при перемешивании. Часть нано- и субмикроразмерных частиц модифицирующей антифрикционной добавки может быть агломерирована в агрегаты, размером до 10 мкм, поскольку при фрикционном контакте трущихся поверхностей неизбежно происходит деструкция агрегатов, которая сопровождается обволакиванием частиц фрикционной добавки (оксиды металлов с высокой твердостью) чешуйчатыми нано- и субмикроразмерными частицами, образующимися при распаде агломератов модифицирующей антифрикционной добавки.

В качестве углеводородной основы композиция может содержать минеральное, синтетическое или полусинтетическое масло, или любую другую известную из уровня техники углеводородную основу (связующее пластичное средство), очевидную для специалиста в данной области техники, включая минеральные, полусинтетические или синтетические масла, загущенные парафином, церезином, кальциевым, литиевым, калиевым или иными мылами, загущающими присадками на основе полимеров, а также их производными или смесями.

Дополнительно, сверх 100%, композиция может содержать функциональные добавки, в частности, адгезионную добавку, например, в форме алкилдиаминов или их производных; антикоррозионную добавку, например, диалкилдитиофосфат цинка; антиокислительную добавку, например, гидрохинон, и смачивающую добавку (маслорастворимое поверхностно-активное вещество), например, олеиновую кислоту. Добавки могут содержаться в количестве, традиционно используемом в смазочных композициях, предпочтительно - до 0,5 % каждая.

Процесс приготовления шумоподавляющей смазочной композиции для контактирующих стальных поверхностей узлов трения (модификатора трения) происходит следующим образом.

Приготавливают смесь предварительно взвешенных в необходимой пропорции сухих порошкообразных компонентов: графита (противозадирная антифрикционная добавка), оксида металла (фрикционная добавка), металла (плакирующая добавка) и модифицирующей антифрикционной добавки.

Полученную сухую смесь интенсивно перемешивают, например, в барабане валковой мельницы IBMU-100-1 без добавления мелющих тел до получения однородной смеси. В процессе перемешивания нано- и субмикроразмерные частицы модифицирующей антифрикционной добавки, состоящей из слоистых чешуйчатых частиц, покрывают поверхность крупных (размером от 20 до 200 мкм) частиц других порошкообразных компонентов, преимущественно - частиц оксида металла, к которым они имеют повышенную адгезию, и которые выступают в качестве фрикционной добавки, создавая на них модифицированный поверхностный слой.

Углеводородную основу приготавливают в виде двух частей: 1-я часть, в виде нефтяного или иного минерального, синтетического или полусинтетического масла, в которое, предварительно, могут быть введены смачивающая добавка маслорастворимого поверхностно-активного вещества и антиокислительная добавка, и 2-я часть, в виде нефтяного или иного минерального, синтетического или полусинтетического масла, загущенного парафином, церезином, кальциевым, литиевым или калиевым мылами, загущающими присадками на основе полиизобутилена их производными или смесями, в которое, предварительно, могут быть введены также антикоррозионная и адгезионная добавки (присадки).

В гомогенизированную сухую смесь порошков порциями добавляют 1-ю часть углеводородной основы и перемешивают до получения однородной массы, например, с помощью смесителя-гомогенизатора РПГ-1,1.

Далее полученную массу добавляют во 2-ю часть углеводородной основы, нагретой до 50-60°C, и гомогенизируют полученную смесь до образования однородной дисперсии, например, с помощью пропеллерной мешалки МПП-55-0,25-1500-800а-90а. Полученную после гомогенизации смазочную композицию охлаждают до комнатной температуры и используют по назначению.

Весовое соотношение частей (долей) углеводородной основы, в виде исходного индустриального масла (часть 1) и загущенного масла (часть 2) определяется требованиями к вязкости конечной смазочной композиции, зависящими от типа оборудования, используемого для нанесения шумоподавляющей смазочной композиции на контактирующие поверхности узлов трения, а также температурой окружающей среды в период использования (временем года). В типовом случае это соотношение составляет примерно 1:1.

Полученная смазочная композиция представляет собой однородную вязкую массу темно-серого или серо-коричневого цвета, характеризуемую пенетрацией при 25±5°C по ГОСТ 5346-78 (метод В) - в пределах 360-430, мм^-1; температурой каплепадения по ГОСТ 6793-74 - не ниже 53°C, коллоидной стабильностью (% выделенного масла при нагрузке 3Н, по ГОСТ 7142-74) - не более 10; температурой текучести (застывания) по ГОСТ 20287-91 - не выше минус 40°C; содержанием воды по ГОСТ 2477-2014 - не более 0,15 %; и имеет следующие трибологические характеристики на четырехшариковой машине трения по ГОСТ 9490-75 при (25±5)°C: нагрузка сваривания - не менее 3920 Н; диаметр пятна износа при нагрузке 196 Н за 1 час - не более 1 мм.

Смазочная композиция может быть нанесена на контактирующие поверхности узлов трения при помощи средств, известных специалистам в данной области. Например, для подавления шума, возникающего в паре колесо-рельс при движении вагонов в кривых и на стрелочных переводах, а также шума, возникающего в паре колесо-тормозная шина замедлителя, нанесение композиции может осуществляться с помощью стационарного путевого рельсосмазывателя типа СПР-02Ш.

В соответствии с заявляемым изобретением были изготовлены различные смазочные композиции с различным составом входящих в них компонентов.

В таблице 1 представлены примеры составов изготовленных композиций, иллюстрирующие, но не ограничивающие изобретение.

В составе смазочных композиций в представленных примерах в качестве противозадирной антифрикционной добавки использовали графит марки С (размер частиц от 4 до 30 мкм) (ТУ 1916-109-71-2000). В качестве оксидов металла с высокой твердостью (фрикционная добавка) использовали порошки оксидов металлов: Fe₂O₃ (ГОСТ 8135-74) и Fe₃O₄ (ГОСТ 19487-74), а также - молотый кварцевый песок по ГОСТ 22551-77 (фракция < 0,16 мм). В качестве плакирующей добавки использовали порошок алюминия (ГОСТ 6058-73) и порошок цинка (ГОСТ 12601-76) с размером частиц (фракция 95%) в пределах 63-160 мкм. В качестве модифицирующей антифрикционной добавки использовали порошок аморфного полититаната калия (ПТК), синтезированного согласно патенту РФ №2326051, порошок этого же полититаната калия, модифицированного в водном растворе сульфата цинка в соответствии с патентом РФ №2493104, а также порошок карбонатной формы слоистого двойного гидроксида Zn_0.66Al_0.34(OH)₂(CO₃)_0.17(H₂O), синтезированный согласно методике, представленной в работе (Gorokhovsky A.V., Tsiganov A.R., Nikityuk T.V., Escalante-Garcia J.I., Burmistrov I.N., Goffman V.G. Synthesis and properties of nanocomposites in the system of potassium polytitanate - layered double hydroxide // J. Mater. Res. Technol. - 2020. - V. 9. - No3. - P. 3924-3934) и тальк (ГОСТ 19729-74).

В качестве углеводородной основы в примерах использовали четыре типа смесей (часть 1 + часть 2).

Основа №1 - смесь (в вес.% от основы) минерального индустриального масла марки И-20А (по ГОСТ 20799-88) (55 вес.%), содержащего смачивающую добавку маслорастворимого ПАВ (олеиновая кислота) (1 вес.% сверх 100% основы), и технического вазелина по ТУ 38.101180-76 (45 вес.%), представляющего собой нефтяное масло, загущенное парафином и церезином, и содержащее антикоррозионную присадку (диалкилдитиофосфат цинка) и адгезионную присадку (ВП-3, продукт реакции между полиэтиленполиаминами и жирными ксилотами).

Основа №2 - смесь минерального трансформаторного масла марки Т-1500У (ГОСТ 982-80) (40 вес.%), содержащего антиокислительную добавку (гидрохинон) (1 вес.% сверх 100% основы), и трансформаторного масла той же марки (48 вес.%), загущенного литиевым мылом (12 вес.%).

Основа № 3 - смесь минерального индустриального масла марки И-20А (по ГОСТ 20799-88) (55 вес.%), содержащего смачивающую добавку маслорастворимого ПАВ (олеиновая кислота) (0,5 вес.% сверх 100% основы) и минерального индустриального масла той же марки (30 вес.%), загущенного кальциевым мылом (10 вес.%) и загущающей присадкой на основе полиизобутилена марки КП-20С (ТУ 38.303-02-107-2002) (5%).

Основа №4 - смесь синтетического силиконового масла по ГОСТ 13032-77 (50 вес.%), содержащего антикоррозионную присадку, и силиконового синтетического масла той же марки (35 вес.%), загущенного литиевым мылом (15 вес.%).

Для сопоставления свойств заявляемой шумоподавляющей смазочной композиции с известными аналогами, параллельно исследовали смазочные композиции, изготовленные согласно известным техническим решениям, в частности: 1) смазочную композицию согласно патенту РФ №2238304, содержащую (вес.%): порошок молотого стекла по ГОСТ 13078-81 (10%), песок по ГОСТ 22551-77 (19%), цемент М500 по ГОСТ 969-91 (6%), битум по ГОСТ 6617-76 (10%), графит по ТУ 1916-109-71-2000 (2%), перманганат калия по ГОСТ 20490-75 (2%), глицерин по ГОСТ 6824-96 (5%), дисульфид молибдена по ГОСТ 16539-79 (2%), порошок полиэтилена по ТУ 2211-06-05796653-98 (2%), порошок меди по ГОСТ 4960-2009 (2%) и углеводородный растворитель (бензин марки А-76 по ГОСТ 2084-77) (40 %); и 2) коммерческую смазочную композицию марки DBM-50 (Elpa d.o.o., Словения).

Свойства смазочных композиций, показывающие достижение результата, приведены в таблице 1.

Изготовленные образцы смазочных композиций тестировали с использованием следующих методик и оборудования.

Уровень шума, возникающего при торможении на сортировочной горке, а также фонового шума, измеряли с использованием шумомера-анализатора спектра ОКТАВА-110А в соответствии с ГОСТ23337-2014 на расстоянии 7 м от тормозной позиции. Температуру текучести (застывания) смазочной композиции определяли по ГОСТ 20287-91.

Для определения минимального содержания фрикционной добавки в заявляемой смазочной композиции, необходимого для эффективного торможения, были также проведены эксперименты по определению значения коэффициента трения при выходе на стационарный режим при работе в режиме трения качения. С этой целью использовали модернизированную машину трения 2070 СМТ-1. Ролики машины трения были изготовлены из стали, по химическому составу близкой к бандажной и рельсовой стали: колесный ролик - из стали 60 Г (ГОСТ 1050-74); нижний (аналог рельса) - из стали 70 Г (ГОСТ 1050-74). Испытания проводили на режимах, соответствующих узлу трения гребень колеса-рельс при удельном контактном давлении 850 МПа. В процессе испытаний при комнатной температуре эти факторы оставались постоянными. В узел трения, имитирующий пару трения гребень колеса-рельс, вводили смазочные композиции различного состава. Непрерывно вели запись момента силы трения, на основании измерений которой рассчитывали величину коэффициента трения (Фиг. 1, таблица 2).

Приведенные в примерах результаты показывают, что применение предлагаемой смазочной композиции позволяет снизить уровень шума, возникающего при трении под нагрузкой, не менее, чем на 30 дБА (примеры 2, 3, 3.1-3.11, 5, таблица 1), что является выше, чем в случае использования известных аналогов (примеры 7, 8, таблица 1). Температура застывания смазочных композиций заявляемых составов не превышает минус 40°C. При этом, на достижение заявляемого результата не влияет соотношение содержания различных фрикционных добавок в составе композиции, включая различные оксиды железа и молотый кварцевый песок, а также использованный в основе тип базового масла (примеры 2, 3, 3.4-3.6, 3.8, 3.10, 3.11, 5). Не влияет на достижение полученного результата и использование различных видов модифицирующей антифрикционной добавки (примеры 3, 3.1, 3.2, 3.3, 3.7). Любые модифицирующие антифрикционные добавки, удовлетворяющие заявляемым требованиям по размеру частиц (нано- и субмикроразмерные частицы, обладающие, вследствие размерного фактора, повышенной поверхностной энергией, обеспечивающей высокую адгезию к крупным частицам оксидов фрикционной добавки), а также по структуре (слоистая структура и способность к расслаиванию при наличии, одновременно, тангенциальных и радиальных механических нагрузок), обеспечивают достижение технического результата, и могут быть использованы в составе заявляемой композиции. При этом, отсутствие в составе смазочной композиции модифицирующей антифрикционной добавки (пример 4, таблица 1) приводит к резкому увеличению уровня шума при торможении, также как и снижение ее содержания ниже 2 вес.% (пример 1, таблица 1).

Полученные результаты также показывают, что в качестве плакирующей добавки, вместо частиц алюминия могут быть использованы частицы другого металла (например, цинка), также имеющего твердость по шкале Мооса ниже твердости поверхности стали, из которой изготовлены рельсы, колеса, а также тормозные шины (пример 3.7).

Проведенные эксперименты также подтверждают, что, при сохранении количественного соотношения компонентов состава, представленных в формуле изобретения, в качестве основы могут быть использованы различные виды минеральных или синтетических масел, загущенных различными традиционными загустителями или их комбинацией (парафин церезин, мыла, загущающие добавки на основе полиизобутилена). При этом, изменение типа базового масла основы и типа загустителя не оказывает существенного влияния на достигнутый эффект шумоподавления (примеры 3.3, 3.4, 3.5, 3.6).

В то же время, снижение содержания фрикционных добавок (порошки оксидов металлов, имеющих твердость по шкале Мооса выше твердости стали, из которой изготовлены рельсы и колеса подвижного состава) в смазочной композиции ниже 15 % (пример 6), несмотря на существенное снижение уровня шума при торможении, приводит к значительному снижению коэффициента трения в узле трения при торможении, который становится ниже величины 0,15 (таблица 2), являющейся оптимальной и общепринятой для обеспечения эффективного торможения вагонов на сортировочной горке. Это делает нецелесообразным использование составов, содержащих менее 15 вес.% порошков фрикционных добавок, для использования в качестве шумоподавляющих смазочных композиций, используемых для уменьшения шумового эффекта, возникающего при торможении поезда или при его движении на криволинейных участках пути, а также увеличения срока службы узлов трения.

Таблица 2. Величина коэффициента трения при выходе на стационарный режим торможения при использовании в узле трения смазочных композиций различных составов, соответствующих примерам, приведенным в таблице 1.

Величина коэффициента трения в стационарном режиме для различных составов Пример №8 (прототип) Пример №7 (аналог) Пример № 2 Пример № 5 Пример №6 0,160 0,158 0,155 0,151 0,132

Эффект шумоподавления при использовании смазочной композиции заявляемого состава возникает благодаря тому, что относительно крупные частицы фрикционной добавки (оксиды металлов, имеющих твердость выше 6 по шкале Мооса), размером от нескольких десятков до 200 мкм, в процессе составления композиции (перемешивания порошков компонентов), а также и непосредственно в процессе трения, покрываются слоем нано- и субмикроразмерных частиц модифицирующей антифрикционной добавки. В результате, при попадании этих частиц между трущимися поверхностями стали, увеличение коэффициента трения (увеличение давления) происходит более медленно, что приводит к снижению амплитуды механических колебаний, возникающих при трении, без существенного изменения времени установления стационарного режима трения (фиг. 1).

Присутствие в составе заявляемой смазочной композиции графита обеспечивает способность выдерживать высокие удельные нагрузки при торможении и снижение износа пар трения колесо-рельс и колесо-тормозная шина вагонного замедлителя.

На Фиг. 1 представлены графики зависимости коэффициента трения от времени приложения нагрузки при использовании образцов изготовленных смазочных композиций в соответствии с примерами №№2, 5, 6, и известных составов смазочных материалов в соответствии с примерами №№7, 8 (таблица 1).

Из графиков видно, что на начальной стадии торможения (приложения силы трения), коэффициент трения при использовании смазочных композиций в соответствии с примерами 2, 5, 6 растет медленнее, чем при использовании композиций в соответствии с примерами 7, 8, что указывает на то, что достижение равновесных условий (режим установившегося трения) происходит более плавно, хотя время выхода на режим установившегося трения, то есть время торможения, практически не меняется, что связано со смягчением действия фрикционной добавки (оксида металла). Именно резкое увеличение коэффициента трения на начальной стадии действия тормозов и вызывает шумовые эффекты. Для предлагаемой композиции рост коэффициента трения происходит медленнее, что вызывает снижение интенсивности шума. Наличие ступенек на графиках зависимости указывает на постепенное вовлечение в процесс трения фрикционных частиц различного размера, которых обволакивают слоистые частицы модифицирующего антифрикционного материала (например, полититаната калия).

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает большее снижение общего уровня шума (не менее, чем на 30 дБА), создаваемого при фрикционном контакте стальных поверхностей узлов трения, включая узлы торможения, используемые на сортировочной горке железнодорожного состава, по сравнению с известными аналогами, а также обеспечивает возможность использования смазочной композиции при отрицательных температурах до -40°C.

Изобретение относится к смазочным составам и может быть использовано при обработке узлов трения машин и механизмов, в частности тяжело нагруженных узлов трения, таких как пара «колесо-рельс», для уменьшения шумового эффекта, возникающего, например, при торможении поезда, а также при торможении вагонов рельсовыми тормозами при маневрировании на сортировочных горках. Шумоподавляющая смазочная композиция для контактирующих стальных поверхностей узлов трения включает графит, оксид металла или смесь оксидов металлов с твердостью по шкале Мооса больше твердости стали контактирующих поверхностей, плакирующую добавку металла, имеющего твердость по шкале Мооса ниже твердости стали контактирующих поверхностей, модифицирующую антифрикционную добавку материала, состоящую из нано- и субмикроразмерных частиц, имеющих слоистую структуру, и углеводородную основу, при следующем соотношении компонентов, вес.%: графит 10-20, оксид металла или смесь оксидов металлов 15-25, плакирующая добавка 8-15, модифицирующая антифрикционная добавка 2-5, углеводородная основа остальное до 100%. Изобретение обеспечивает снижение общего уровня шума, создаваемого при контактировании стальных поверхностей узлов трения. 11 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Шумоподавляющая смазочная композиция для контактирующих стальных поверхностей узлов трения, включающая графит, оксид металла или смесь оксидов металлов с твердостью по шкале Мооса больше твердости стали контактирующих поверхностей, плакирующую добавку металла, имеющего твердость по шкале Мооса ниже твердости стали контактирующих поверхностей, модифицирующую антифрикционную добавку материала, состоящую из нано- и субмикроразмерных частиц, имеющих слоистую структуру, и углеводородную основу, при следующем соотношении компонентов, вес.%:

графит 10-20 оксид металла или смесь оксидов металлов 15-25 плакирующая добавка 8-15 модифицирующая антифрикционная добавка 2-5 углеводородная основа остальное до 100%

2. Смазочная композиция по п.1, характеризующаяся тем, что в качестве оксида металла содержит Fe₂O₃, Fe₃O₄ или их смеси.

3. Смазочная композиция по п.1, характеризующаяся тем, что в качестве модифицирующей антифрикционной добавки содержит порошок аморфного полититаната калия или порошок полититаната калия, модифицированного соединениями цинка.

4. Смазочная композиция по п.1, характеризующаяся тем, что в качестве модифицирующей антифрикционной добавки содержит порошок кристаллического тетратитаната калия.

5. Смазочная композиция по п.1, характеризующаяся тем, что в качестве модифицирующей антифрикционной добавки содержит порошок слоистого двойного гидроксида, например Zn_0.66Al_0.34(OH)₂(CO₃)_0.17(H₂O).

6. Смазочная композиция по п.1, характеризующаяся тем, что в качестве модифицирующей антифрикционной добавки содержит порошок талька.

7. Смазочная композиция по п.1, характеризующаяся тем, что в качестве плакирующей добавки содержит алюминий или цинк.

8. Смазочная композиция по п.1, характеризующаяся тем, что в качестве основы содержит нефтяное или иное минеральное, синтетическое или полусинтетическое масло, загущенное парафином, церезином, кальциевым, литиевым или калиевым мылами, загущающими присадками на основе полимеров, а также их производными или смесями.

9. Смазочная композиция по п.1, характеризующаяся тем, что дополнительно содержит адгезионную присадку, например производные алкилдиаминов.

10. Смазочная композиция по п.1, характеризующаяся тем, что дополнительно содержит антикоррозионную присадку, например диалкилдитиофосфат цинка.

11. Смазочная композиция по п.1, характеризующаяся тем, что дополнительно содержит антиокислительную присадку, например гидрохинон.

12 Смазочная композиция по п.1, характеризующаяся тем, что дополнительно содержит маслорастворимое поверхностно-активное вещество, например олеиновую кислоту.