一种铁路信号设备用润滑脂的制备、性能评价及应用研究

刘伟 李阳 刘大军 张辉

1 中石化石油化工科学研究院有限公司

2 北京兴普精细化工技术开发有限公司

我国领土幅员辽阔，铁路运输线路四通八达，大量铁路信号设备安装在高寒、湿热、风沙、锈蚀等户外复杂环境，人工维护任务重、难度大，如何通过长效润滑保障设备装备安全可靠长周期运行是需要重点解决的课题。受限于实际工况环境，目前较为可靠的润滑方式是采取润滑脂润滑，一方面其优良的润滑性能可以保障设备的各活动部位灵活运转，另一方面其半流体黏附状态可以保护活动工作面防锈蚀、少磨损[1]，同时较长的换脂周期也可以降低铁路工人的维护频次，进而降低劳动强度。

铁路系统中，转辙机、密检器和铁轨与外锁闭等部位是信号系统重要的基础设备，主要负责将转换道岔电信号转换为动作信号，改变铁轨道岔，进而实现机车变道的目的。通过电信号与动作信号之间互相转换，可以很好地保证行车安全，提高运输效率，改善行车人员的劳动强度[2]。从运动方式来看，转辙机主要是通过电动机转动带动丝杠运转，将旋转运动转换为直线运动，运转速度约为10 r/s。受限于室外安装环境，其使用温度、湿度等主要与地域、气候等因素相关。

目前，国内对于铁路用润滑脂的公开报道相对较多，但主要是针对单一装备或特定工作条件，缺乏系统性、通用化的研究。潘濛[3]等报道了一种铁路轮轨润滑脂，具有良好的润滑性能，但胶体安定性和极压性能不足，无法满足较高载荷和较长换脂周期使用。赵伟桦[4]等选用一种壳牌高铁轴箱轴承润滑脂，系统地填补了国内对于铁路用润滑脂轴承寿命试验研究空白。姚立丹[5]等系统地调研了国外轨道交通润滑脂的研究进展，从牵引电机轴承、车轴轴承、轮轨等几个方面分析了国外铁路润滑脂的技术现状，对国内相关产品的开发具有一定的启发意义。贾娜[6]报道了一种电动转辙机减速器内部润滑问题，夏季漏脂、冬季凝固等问题大大降低了铁路设备对润滑脂的选择性。

鉴于目前铁路润滑脂产品性能良莠不齐，市售产品种类繁多，为客户选脂带来困扰，也加大了设备维护保养换脂的难度。为进一步提升产品的性能，制备了一种铁路信号设备用润滑脂，系统地分析了制备产品的理化性能，模拟实际工况条件，开展了低温性能、高温湿热性能和相容性试验研究，并在某高速铁路场站现场进行了为期140 d的阶段性应用试验研究。结果表明，制备产品理化性能优良，在铁路转辙机、密检器和铁轨与外锁闭装置等部位阶段性应用试验结果较好，可以满足使用，与现用产品具有较好的相容性，能够降低设备维护保养换脂难度。

试验部分

原料及试剂

基础油PAO4、PAO6，工业级，埃克森美孚公司；氢氧化锂，工业级，成都天齐锂业有限公司；12-羟基硬脂酸、硬脂酸，工业级，天津乾凯化工有限责任公司；抗氧添加剂T1、复合防锈添加剂T2、极压抗磨剂T3、黏度指数改性剂T4，工业级，北京华瑞新成科技有限公司；固体填料二硫化钼，工业级，北京华瑞新成科技有限公司。

基础油主要理化性能指标见表1。

表1 基础油理化性能

其他原材料主要理化性能指标见表2～表5。

表2 12-羟基硬脂酸和硬脂酸主要理化性能指标

表3 氢氧化锂主要理化性能指标

表4 添加剂主要理化性能指标

表5 二硫化钼主要理化性能指标

试验仪器

润滑脂样品制备仪器：自制润滑脂反应釜；三辊研磨机，型号SM-260。

润滑脂样品应用性能测试仪器：润滑脂锥入度测定仪，型号TSY-6006；低温试验箱，型号BC/BD-318HD烘箱，型号101-2AB；电子天平，型号XPR1202S。

润滑脂样品

样品制备

分别选取PAO4和PAO6作为基础油，投入12-羟基硬脂酸和硬脂酸搅拌升温；温度升至80～90 ℃时，细流状加入用热水融化好的氢氧化锂水溶液，持续升温至210 ℃进行高温炼制；分批次加入冷油，搅拌降温；温度降至120 ℃以下，加入T1、T2、T3、T4等4种添加剂和二硫化钼填料，三辊磨研磨3遍备用。样品组成见表6。

表6 制备样品组成

技术指标

将制备好的润滑脂样品按照标准方法进行分析，测定其理化性能。与用户协定的样品协议技术指标见表7。

性能评价

低温试验

测克计的滑动阻力和锁闭块的移动阻力能够表征转辙机在低温情况下的运转情况，为更加直观描述润滑脂样品在低温条件下的润滑性能，分别将涂抹好样品脂A的转辙机置于-10 ℃及-40 ℃温度环境中，恒温24 h后，启动设备运转，通过测试仪测定设备运转时测克计的滑动阻力和锁闭块的移动阻力，与常温条件进行对比，以此表征样品脂的低温性能。

高温湿热试验

通过模拟室外高温工作环境，选取温度70 ℃、相对湿度74%（实验室相对湿度，实际并非试验环境本身的相对湿度）条件，研究样品的质量损失和状态变化，以此表征其高温湿热性能。分别选取制备样品A以及市售对比样品C和D，称取150 g（含桶重）均匀涂抹至1 L注塑桶内壁，置于温度70 ℃条件下烘烤66 h，通过测定烘烤前后样品质量损失以及状态变化，表征产品在高温湿热环境下的应用性能。

相容性试验

样品A与对比样品C的相容性能，是其能否有效降低设备维护保养时换脂难度的重要性能指标。按照NB/SH/T 6013—2020标准要求，将制备样品A与对比样品C按比例进行混合，通过测定混合物的滴点、十万次剪断和高温储存后锥入度差值，来表征样品与市售产品的混合相容性[7]。

应用试验

将制备样品A在某高速铁路机务段实际工况中进行阶段性应用试验研究，试验时间为2021年2月至6月，通过为期140 d的上机考察，测试其实际应用性能。

结果与讨论

理化性能

分别将试制的3批次样品A和样品B进行理化性能分析，结果见表8。

表8 润滑脂样品理化性能

从表8可以看出，样品A和B均可以满足技术指标要求。分项目来看，样品A低温相似黏度值约为样品B的50%，低温性能较好；两个样品钢网分油控制在相对合适的范围，可以满足长效的润滑要求。综合来看，样品A性能优于样品B，故选择样品A进一步研究其应用性能。

低温性能

将样品A进行-10 ℃和-40 ℃低温试验性能研究，测克计滑动阻力和锁闭块移动阻力结果见表9。

表9 不同温度下测克计滑动阻力

从表9可以看出，随着温度降低，试块在润滑脂样品中的滑动阻力逐渐增大，移动阻力也逐渐增大，低温环境会显著降低润滑脂的流变性能。综合设备的实际使用环境温度和试验建议值，研制润滑脂样品在-40 ℃条件不会明显改变动作杆的工作阻力，可以满足实际工况中的低温使用要求。

高温湿热性能

样品A和对比样品C和D在高温湿热环境中烘烤后，质量和外观状态变化情况见表10。

表10 不同样品高温烘烤后变化情况

从10可以看出，样品在高温湿热环境下，烘烤前后质量无明显变化，工作锥入度变化情况也不明显，表明在高温条件下，润滑脂样品的蒸发损失较小，结构保持完整，且高温烘烤后样品状态变化不明显，析出少量基础油能够保证摩擦接触部位的充分润滑。

相容性试验

制备样品A与对比样品C的相容性试验结果见表11。

表11 制备样品与对比样品的相容性能

从表11可以看出，制备样品A和对比样品C具有较好的相容性，二者混用后不会显著降低混合样品的理化性能。

应用性能试验

制备样品在我国某高速铁路场站转辙机、密检器、铁轨与外锁闭之间的润滑点位开展应用试验研究，试用过程无补脂，连续试用140 d后效果良好。现场检查润滑脂外观正常，无流失、硬化、变质情况，润滑部位无磨损、缺油、生锈现象，可以满足铁路转辙机、密检器、铁轨与外锁闭之间的运动部位润滑使用要求，试验效果见图1。

图1 转辙机丝杠试验效果

结论

☆研制的润滑脂产品理化性能优良，具有较好的低温性能和胶体安定性；

☆研制润滑脂在高温湿热和低温环境下具有较好的应用性能，可以满足在较宽范围温度条件下，铁路信号系统设备的润滑使用；

☆研制样品在高速铁路场站中进行了阶段性应用试验研究，表现出较好的使用性能，能够满足高铁转辙机等先进设备的润滑使用需求，具备进一步向铁路其他设备推广应用的条件和潜力。