專利名稱：減輕滑動－滾動接觸中鋼元件磨損的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制鋼軌磨損、有軌車輪磨損或兩者的方法。更特別地，本發(fā)明涉及控制一個或一個以上鋼軌的磨損、一個或一個以上有軌車輪的磨損或兩者的方法，其中所述一個或一個以上鋼軌和所述一個或一個以上有軌車輪滑動接觸或滑動-滾動接觸。
背景技術(shù)：
滑動接觸或滾動-滑動接觸的金屬機(jī)械部件的摩擦和磨損的控制在許多機(jī)器和機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中具有巨大重要性。例如，許多鋼軌和鋼輪運(yùn)輸系統(tǒng)包括貨物、旅客和公共交通系統(tǒng)受到發(fā)出高噪音水平、機(jī)械部件如輪、鋼軌和其它軌道部件如拉桿的深度磨損的困擾。這種噪聲發(fā)射的起源和機(jī)械部件的磨損可能直接歸因于系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中輪和鋼軌之間產(chǎn)生的摩擦力和行為。
在輪在鋼軌上滾動的動態(tài)系統(tǒng)中，存在不斷移動的接觸區(qū)域。為了討論和分析，簡便地在鋼軌和輪移動通過接觸區(qū)域時將接觸區(qū)域作為靜態(tài)處理。當(dāng)輪正好以與鋼軌相同的方向經(jīng)過接觸區(qū)域時，輪處于在鋼軌上滾動接觸的最佳狀態(tài)。但是，由于輪和鋼軌具有一定的形狀，經(jīng)常方向偏離，并經(jīng)歷嚴(yán)格滾動以外的運(yùn)動，因此輪和鋼軌通過接觸區(qū)域的各自的速度不總是相同的。當(dāng)固定軸有軌車通過轉(zhuǎn)彎時經(jīng)常觀察到這種情況，其中如果內(nèi)和外輪以不同的圓周速度轉(zhuǎn)動，則真正的滾動接觸只保持在兩個鋼軌上。這在大多數(shù)固定軸有軌車上是不可能的。因此，在這種條件下，輪相對于鋼軌進(jìn)行復(fù)合的滾動和滑動運(yùn)動。當(dāng)牽引力在斜坡上消失從而導(dǎo)致驅(qū)動輪滑動時也可能會出現(xiàn)滑動運(yùn)動。
滑動運(yùn)動的大小大致取決于接觸點(diǎn)處鋼軌和輪速度之間以百分率表示的差異。這種百分率差異稱為滑移。
在大于約1％的滑移水平下，由于滑動而產(chǎn)生相當(dāng)大的摩擦力，這些摩擦力導(dǎo)致噪聲和部件的磨損(H.Harrison，T.McCanney和J.Cotter(2000)，Recent Developments in COF Measurements atthe Rail/Wheel Interface，Proceedings The 5thInternationalConference on Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel SystemsCM2000(SEIKEN Symposium No.27)，30-34頁，本文引入其作為參考)。噪聲發(fā)射是輪和鋼軌系統(tǒng)之間存在的負(fù)摩擦特性的結(jié)果。負(fù)摩擦特性為其中在滑移曲線飽和區(qū)域中輪和鋼軌之間的摩擦通常隨系統(tǒng)滑移增加而減少的一種特性。理論上，可通過使機(jī)械系統(tǒng)非常剛硬、減小運(yùn)動部件之間的摩擦力至非常低的水平或通過改變摩擦特性從負(fù)性到正性，也就是通過增加滑移曲線飽和區(qū)域中鋼軌和輪之間的摩擦來減小或消除輪-鋼軌系統(tǒng)上的噪聲和磨損水平。不幸的是，通常是不可能給予機(jī)械系統(tǒng)更大的剛度，如在大多數(shù)火車使用的輪和鋼軌系統(tǒng)的情況下?；蛘撸瑴p小輪和鋼軌之間的摩擦力可能大大妨礙附著和剎車，不總是適用于鋼軌應(yīng)用。在許多情況下，在輪和鋼軌之間提供正摩擦特性能有效降低噪聲水平和部件磨損。
還已知，火車輪和鋼軌的磨損可能被因使火車在軌道上移動需要的間隙的存在引起的持久往復(fù)運(yùn)動而增強(qiáng)。這些影響可在鋼軌表面上產(chǎn)生波動波型，并稱為起皺。起皺增加了噪聲水平，超過光滑鋼軌-輪界面的那些，并最終只能通過磨削或機(jī)械加工鋼軌和輪表面來解決問題。這既費(fèi)時又昂貴。
在本領(lǐng)域中有大量已知的潤滑劑，它們中的一部分被設(shè)計(jì)用于在鐵路和快速交通系統(tǒng)上減少鋼軌和輪磨損。例如，US4915856公開了一種固體抗磨損抗摩擦潤滑劑。產(chǎn)品為懸浮在固體聚合載體中的抗磨損劑和抗摩擦劑的組合，用于施加到鋼軌頂上。載體對輪的摩擦激活抗磨損劑和抗摩擦劑。但是，產(chǎn)品不能表現(xiàn)出正摩擦特性。另外，產(chǎn)品為保持性差的固體組合物。
US 5308516、US 5173204和WO 90/15123涉及具有高和正摩擦特性的固體摩擦改性劑組合物。這些組合物表現(xiàn)出作為滑移函數(shù)的提高的摩擦，并包括樹脂以提供這些配方的固體相容性。使用的樹脂包括胺和聚酰胺環(huán)氧樹脂、聚氨酯、聚酯、聚乙烯或聚丙烯樹脂。但是，為了最佳性能，這些組合物要求在閉環(huán)系統(tǒng)中連續(xù)施加。
歐洲專利申請0372559涉及潤滑用固體涂料組合物，其能為施加它的地方提供最佳摩擦系數(shù)，同時能降低磨損量。但是，該組合物不具有正摩擦特性。此外，沒有顯示這些組合物在施加它們的表面上為了耐久性或保持性而被優(yōu)化。
存在與使用現(xiàn)有技術(shù)的組合物包括固體粘性組合物有關(guān)的幾個缺陷。首先，如果噪聲問題只在鋼軌上少數(shù)幾個特定位置處存在，則用摩擦改性劑粘性組合物裝備有軌車并施加到大段鋼軌上將是浪費(fèi)。其次，一些鐵路具有可能持續(xù)長至120天的維護(hù)周期。目前沒有能使固體潤滑劑或摩擦改性劑維持這段時間的粘合技術(shù)。第三，北美的貨運(yùn)作業(yè)對貨車來說分散在整個洲內(nèi)，因此許多有軌車(如果不是全部的話)需要摩擦改性劑粘合劑，這是昂貴的和不實(shí)際的。同樣，使用固體粘合劑的鋼軌摩擦處理的頂部需要封閉系統(tǒng)以在鋼軌上獲得摩擦改性劑產(chǎn)品的充分堆積。封閉系統(tǒng)基本為沒有外部火車進(jìn)入或離開系統(tǒng)的被控制車隊(duì)。盡管城市運(yùn)輸系統(tǒng)一般是封閉的，但貨運(yùn)系統(tǒng)一般由于車的普遍互換而是開放的。在這種系統(tǒng)中，固體粘合技術(shù)可能是不太實(shí)用的。
由于現(xiàn)有技術(shù)的大多數(shù)潤滑劑組合物被配制成固體粘合劑或?yàn)檎承砸后w(糊)，因此它們不能作為霧化噴霧施加到滑動和滾動-滑動系統(tǒng)上。以霧化噴霧形式使用液體摩擦控制組合物在許多情況下減少了要施加到鋼軌系統(tǒng)上的組合物量，并在所需點(diǎn)處提供了摩擦改性劑組合物的更均勻分布。此外，霧化噴霧迅速干燥，這可能致使不需要的機(jī)車輪滑動的可能性最小。
施加液體基組合物到鋼軌頂部或到有軌車輪上具有超過使用被施加到輪上的固體粘合輸送系統(tǒng)的明顯優(yōu)點(diǎn)。使用液體系統(tǒng)允許通過hirail、路旁或車載系統(tǒng)定點(diǎn)施加。對于連續(xù)施加產(chǎn)品到輪上的固體輸送系統(tǒng)，這種特定施加是不可能的。此外，固體粘合施加方法的低轉(zhuǎn)移速度在軌道完全被處理之前不產(chǎn)生任何益處。由于必須要被覆蓋的大量軌道和不具有固體粘合潤滑劑的有軌車的存在，這對于1類鐵路線是不太可能的情況。液體系統(tǒng)避免了這個問題，因?yàn)楫a(chǎn)品被施加到軌道頂部，使火車的所有軸與它接觸，并立即從產(chǎn)品受益。但是，并不總是這樣，因?yàn)楸皇┘拥谋∧け３终持谲壍郎喜⑻峁┠Σ量刂频哪芰κ怯邢薜?。在有些條件下，液體產(chǎn)品在一列火車經(jīng)過前就已經(jīng)磨損了。
WO 98/13445(本文引入作為參考)描述了幾種水基組合物，這些組合物展現(xiàn)了一系列在滾動-滑動接觸中在兩個鋼體之間包括正摩擦特性的摩擦組合物。盡管表現(xiàn)出與摩擦控制有關(guān)的幾種希望的性質(zhì)，但這些組合物表現(xiàn)出低保持力，不能長期保持與鋼軌結(jié)合在一起，為了最佳性能需要反復(fù)施加。而且，由于這些組合物為水基的，可使用它們的溫度范圍的下限受到限制。這些組合物可用于特殊應(yīng)用，但是，為了最佳性能，需要反復(fù)再施加，并存在相關(guān)的成本增加。另外，由于這些液體組合物的幾種特性，發(fā)現(xiàn)這些組合物不適用于霧化噴霧應(yīng)用。WO 02/26919(本文引入作為參考)，也公開了水基摩擦控制劑，其包括延長組合物在鋼表面上的有益性質(zhì)的保持劑。
美國專利6387854和5492642公開了水基潤滑組合物，包括MW為約2500的聚亞氧烷基二醇潤滑劑、MW為約12000的聚亞氧烷基二醇增稠劑和溶劑(如丙二醇)。但是，美國專利6387854和5492642公開的組合物沒有正摩擦特性。與摩擦改性劑例如本文描述的HPF組合物不同，這些材料為純粹的潤滑劑。如果施加到鋼軌頂部上，這些類型的潤滑劑需要高級、復(fù)雜和昂貴的控制系統(tǒng)來避免輪滑動或剎車的問題。如本文描述的真正摩擦改性劑不需要這種應(yīng)用控制。
轉(zhuǎn)彎處的高橫向力的不利影響在重型運(yùn)輸中正日益受到關(guān)注。盡管定量關(guān)系難以得到，但認(rèn)識到高橫向力在加速軌道結(jié)構(gòu)破壞、鋼軌磨損和鋼軌滾轉(zhuǎn)出軌中是重要的因素。橫向力取決于輪-軌界面處的摩擦系數(shù)(COF)、火車操作、軌道幾何形狀、有軌卡車的轉(zhuǎn)向能力和輪/軌輪廓(D.Creggar，Seventh Annual Advanced Rail ManagementRail/Wheel Interface Seminar，Chicago May 2000)。由于鐵路降低了成本和提高了效率，軌頂部摩擦控制已作為控制橫向力的可行選擇，代表了減輕鐵路應(yīng)力狀態(tài)和相關(guān)軌道結(jié)構(gòu)破壞的替代途徑。取代了為更好適應(yīng)橫向火車力而在軌道部件升級和加強(qiáng)中的連續(xù)投資，這種技術(shù)可通過在輪-軌界面處改進(jìn)的摩擦管理減輕這些力。
本發(fā)明提供減輕表面處于滑動或滑動-滾動接觸的兩個鋼元件中一個或兩個的磨損的方法，兩個鋼元件尤其是處于滑動或滑動-滾動接觸的有軌車輪和鋼軌。該方法包括施加高和正(HPF)摩擦控制組合物到兩個鋼表面中一個或兩個的一個或一個以上表面上。
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。通過結(jié)合主權(quán)利要求中的特征達(dá)到上述目的。從屬權(quán)利要求公開了本發(fā)明的更有利實(shí)施方案。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及控制鋼軌磨損、有軌車輪磨損或兩者的方法。更特別地，本發(fā)明涉及控制一個或一個以上鋼軌的磨損、一個或一個以上有軌車輪的磨損或兩者的方法，其中所述一個或一個以上鋼軌和所述一個或一個以上有軌車輪處于滑動接觸或滑動-滾動接觸。
本發(fā)明提供控制鋼軌磨損、有軌車輪磨損或兩者的方法，包括施加高正摩擦(HPF)組合物到一個或一個以上鋼軌或一個或一個以上有軌車輪的一個或一個以上接觸表面上，其中所述一個或一個以上鋼軌和所述一個或一個以上有軌車輪處于滑動接觸或滑動-滾動接觸。
本發(fā)明還涉及上述方法，其中HPF組合物包括流變控制劑、潤滑劑、摩擦改性劑，以及保持劑、抗氧化劑、稠度改性劑和防凍劑中的一種或一種以上。
本發(fā)明還涉及如上所述的方法，其中HPF組合物包括(a)約30％至約95％的水；(b)約0.5％至約50％的流變控制劑；(c)約0.02wt％至約40wt％的潤滑劑，和(d)約0.5wt％至約30wt％的摩擦改性劑，和以下中的一種或一種以上(i)約0.5wt％至約40wt％的保持劑；(ii)約0.5wt％至約2wt％的抗氧化劑；(iii)約0.1wt％至約20wt％的稠度改性劑，和(iv)約10wt％至約30wt％的防凍劑。
本發(fā)明還提供如上所述的方法，其中HPF組合物包括(a)約40％至約95％的水；(b)約0.5％至約50％的流變控制劑；(c)約0.5％至約40％的保持劑；(d)約0.5wt％至約40wt％的潤滑劑，和(e)約0.5wt％至約25wt％的摩擦改性劑。
本發(fā)明還涉及上述方法，其中HPF組合物包括(a)約40wt％至約95wt％的水；
(b)約0.5wt％至約50wt％的流變控制劑；(c)約0.5wt％至約2wt％的抗氧化劑；(d)約0.5wt％至約40wt％的潤滑劑；(e)約0.5wt％至約25wt％的摩擦改性劑，和(f)約0.5wt％至約40wt％的保持劑。
本發(fā)明甚至還涉及如上所述的方法，其中HPF組合物包括(a)約50wt％至約80wt％的水；(b)約1wt％至約10wt％的流變控制劑；(c)約1wt％至約5wt％的摩擦改性劑；(d)約1wt％至約16wt％的保持劑，和(e)約1wt％至約13wt％的潤滑劑。
本發(fā)明還提供上述方法，其中HPF組合物包括(a)約50wt％至約80wt％的水；(b)約1wt％至約10wt％的流變控制劑；(c)約1wt％至約5wt％的摩擦改性劑；(d)約1wt％至約16wt％的保持劑；(e)約1wt％至約13wt％的潤滑劑，和(f)約0.5wt％至約2wt％的抗氧化劑。
本發(fā)明還涉及上述方法，其中HPF組合物包括(a)約30wt％至約55wt％的水；(b)約0.5wt％至約20wt％的流變控制劑；(c)約0.1wt％至約20wt％的稠度改性劑；(d)約10wt％至約30wt％的防凍劑；(e)約0.5wt％至約20wt％的保持劑；(f)約0.02wt％至約30wt％的潤滑劑，和(g)約0.5wt％至約30wt％的摩擦改性劑。
本發(fā)明還涉及上述方法，其中所述一個或一個以上鋼軌包括各自具有頭部和軌距面/軌距轉(zhuǎn)角的低軌和高軌，其中HPF組合物被施加到低軌的頭部，或低軌和高軌兩者的頭部，并且其中高軌和低軌兩者的磨損被控制。
本發(fā)明還涉及上述方法，其中不施加軌道旁油脂潤滑劑進(jìn)行該方法。
本發(fā)明還涉及上述方法，其中所述一個或一個以上鋼軌包括各自具有頭部和軌距面/軌距轉(zhuǎn)角的低軌和高軌，其中HPF組合物被施加到低軌的頭部，或低軌和高軌兩者的頭部，并且HPF組合物還被施加到低軌、高軌或低軌和高軌兩者的軌距面/軌距轉(zhuǎn)角上，并且其中高軌和低軌兩者的磨損被控制。
本發(fā)明還涉及上述方法，其中所述一個或一個以上鋼軌包括各自具有頭部和軌距面/軌距轉(zhuǎn)角的低軌和高軌，其中HPF組合物被施加到低軌的頭部，或低軌和高軌兩者的頭部，并且中性摩擦特性(LCF)組合物被施加到高軌的軌距面/軌距轉(zhuǎn)角上或低軌和高軌兩者的軌距面/軌距轉(zhuǎn)角上，并且其中高軌和低軌兩者的磨損被控制。
本發(fā)明還涉及剛剛限定的方法，其中LCF組合物包括流變控制劑、潤滑劑，以及保持劑、抗氧化劑、稠度改性劑和防凍劑中的一種或一種以上。
本發(fā)明還涉及剛剛限定的方法，其中LCF組合物包括(a)約30wt％至約95wt％的水；(b)約0.5wt％至約50wt％的流變控制劑；(c)約0.02wt％至約40wt％的潤滑劑，和以下中的一種或一種以上(i)約0.5wt％至約40wt％的保持劑；(ii)約0.5wt％至約2wt％的抗氧化劑；(iii)約0.1wt％至約20wt％的稠度改性劑，和(iv)約10wt％至約30wt％的防凍劑。
在另一例子中，LCF組合物包括(a)約40wt％至約80wt％的水；(b)約0.5wt％至約50wt％的流變控制劑；(c)約0.5wt％至約40wt％的保持劑；和
(d)約1wt％至約40wt％的潤滑劑。
在又一例子中，LCF組合物包括(a)約40wt％至約80wt％的水；(b)約0.5wt％至約50wt％的流變控制劑；(c)約1wt％至約40wt％的潤滑劑；(d)約0.5wt％至約90wt％的保持劑；和(e)約0.5wt％至約2wt％的抗氧化劑。
在又一個例子中，LCF組合物包括(a)約30wt％至約55wt％的水；(b)約0.5wt％至約20wt％的流變控制劑；(c)約0.1wt％至約20wt％的稠度改性劑；(d)約10wt％至約30wt％的防凍劑；(e)約0.5wt％至約20wt％的保持劑，和(f)約1wt％至約30wt％的潤滑劑。
本發(fā)明還提供減輕表面處于滑動-滾動接觸的兩個鋼元件的一個或兩個的磨損的方法，包括施加高正摩擦(HPF)組合物到兩個鋼元件中一個或兩個的一個或一個以上表面上。
本發(fā)明的方法中使用的組合物表現(xiàn)出能很好適于各種使需要施加的組合物量最小的施加技術(shù)的性質(zhì)。通過使用這些施加技術(shù)，可達(dá)到給予精確量的組合物。例如，液體組合物適合于噴涂到表面上，從而確保表面的均勻涂敷，和要使施加的組合物量最佳。此外，通過組合施加技術(shù)，或施加器的位置，可施加組合物的組合到處于滑動-滾動接觸的不同表面上以優(yōu)化磨損，并減少噪聲和其它性質(zhì)，例如橫向力和拉桿牽引力。
由于本發(fā)明的方法不需要施加軌道旁油脂潤滑劑，因此它是節(jié)省成本的，并減少了由噴灑到環(huán)境中的軌道旁油脂引起的污染。
該概述沒有必要描述本發(fā)明的全部必需特征，但是本發(fā)明還可在于所述特征的子組合。
附圖簡述本發(fā)明的這些和其它特征將從下面參考附圖的描述中變得更明顯，其中

圖1顯示了三種不同摩擦改性劑配方的摩擦系數(shù)對滑移％的示意圖。圖1A顯示特征在于具有中性摩擦特性的摩擦改性劑的摩擦系數(shù)對滑移％，參見實(shí)施例1-LCF。圖1B顯示特征在于具有正摩擦特性的摩擦改性劑的摩擦系數(shù)對滑移％，參見實(shí)施例1-HPF。圖1C顯示特征在于具有正摩擦特性更尤其是非常高的正摩擦特性的摩擦改性劑的摩擦系數(shù)對滑移％，參見實(shí)施例1-VHPF。
圖2顯示描述干的輪-軌系統(tǒng)和包括本發(fā)明的液體摩擦控制組合物的輪-軌系統(tǒng)的貨運(yùn)噪音嘯聲的示意圖。
圖3顯示本發(fā)明的液體摩擦控制組合物的保持性的示意圖。圖3A顯示使用Amsler機(jī)測定的保持性作為組合物中保持劑(RhoplexAC264)的重量百分?jǐn)?shù)的函數(shù)。圖3B顯示列車在沒有任何摩擦改性劑組合物時重復(fù)經(jīng)過6°轉(zhuǎn)彎時的橫向力基線。圖3C顯示列車在施加實(shí)施例1的摩擦控制組合物(HPF)而不提供任何凝固時間時重復(fù)經(jīng)過6°轉(zhuǎn)彎時的橫向力的減少。圖3D顯示列車在以0.150L/英里的速度施加實(shí)施例1的摩擦控制組合物(HPF)后重復(fù)經(jīng)過6°轉(zhuǎn)彎時的橫向力的減少。在約5000次輪軸經(jīng)過并允許摩擦改性劑組合物在任何火車經(jīng)過前凝固后觀察到橫向力的增加。在沒有保持劑時，在約100-200次輪軸經(jīng)過后觀察到橫向力的增加(未提供數(shù)據(jù))。圖3E顯示表明隨摩擦控制組合物施加速度增加而橫向力減少的結(jié)果匯總。
圖4顯示本發(fā)明的液體摩擦控制組合物的保持性作為組合物中流變控制劑重量百分比的函數(shù)的示意圖。
圖5顯示包含抗氧化劑(例如但不限于Octolite 424-50)和保持劑(例如但不限于Dow Latex 226)的液體摩擦控制組合物的保持性作為循環(huán)次數(shù)和消耗組合物質(zhì)量的函數(shù)的示意圖。
圖6顯示包含抗氧化劑(例如但不限于Octolite 424-50)但沒有保持劑的液體摩擦控制組合物的保持性作為循環(huán)次數(shù)和消耗組合物質(zhì)量的函數(shù)的示意圖。
圖7顯示在有或沒有保持劑時包含不同抗氧化劑的液體摩擦控制組合物的保持性的示意圖。圖7A顯示在沒有保持劑時包含不同抗氧化劑的液體摩擦控制組合物的保持性作為循環(huán)次數(shù)和消耗組合物質(zhì)量的函數(shù)。圖7B顯示在有丙烯酸基保持劑(Rhoplex AC 264)時包含不同抗氧化劑的液體摩擦控制組合物的保持性作為循環(huán)次數(shù)和消耗組合物質(zhì)量的函數(shù)。
圖8顯示North Vancouver，BC和Squamish，BC之間的一段軌道的標(biāo)準(zhǔn)化為噸位作為曲率的函數(shù)的軌距和頭部磨損速度。圖8A顯示從1997年6月到2001年6月軌道的基軌軌距磨損速度。圖8B顯示軌道在從2001年6月到2002年6月一年內(nèi)的軌距磨損速度，其中軌道的頭部部分在1年內(nèi)用HPF摩擦控制組合物噴涂。圖8C顯示軌道從1997年6月到2001年6月的基軌頭部磨損速度。圖8D顯示軌道在從2001年6月到2002年6月的1年內(nèi)的軌道頭部磨損速度，其中軌道的頭部部分在1年內(nèi)用HPF摩擦控制組合物噴涂。
圖9A-B顯示North Vancouver，BC和Squamish，BC之間半英里軌道段從1999年1月到2000年5月的軌距磨損和軌頭磨損的示意圖。在2002年5月進(jìn)行測量之前，用HPF摩擦控制組合物處理軌道大約1年時間。
優(yōu)選實(shí)施方案描述本發(fā)明涉及控制鋼軌磨損、有軌車輪磨損或兩者的方法。更特別地，本發(fā)明涉及控制一個或一個以上鋼軌的磨損、一個或一個以上有軌車輪的磨損或兩者的方法，其中所述一個或一個以上鋼軌和所述一個或一個以上有軌車輪處于滑動接觸或滑動-滾動接觸。
下面的描述僅僅是舉例性的優(yōu)選實(shí)施方案，不限制實(shí)施本發(fā)明所需的特征組合。
本發(fā)明的高和正(HPF)摩擦控制組合物一般包括流變控制劑、潤滑劑、摩擦改性劑，以及保持劑、抗氧化劑、稠度改性劑和防凍劑中的一種或一種以上。本發(fā)明的組合物中可包括的其它任選組分包括潤濕劑和防腐劑。如果需要液體配方，則本發(fā)明的摩擦控制組合物還可包括水或另一與組合物相容的溶劑。即使本發(fā)明的組合物在包括水或其它相容溶劑時，能有效用于液體配方內(nèi)，組合物可被配制成糊或固體形式，并且這些組合物表現(xiàn)出本文所述摩擦組合物的許多優(yōu)點(diǎn)。本文所述的組合物還可按照需要包括潤濕劑、分散劑、抗菌劑等。
術(shù)語“抗氧化劑”是指在有或沒有保持劑存在下能增加保留在表面上的摩擦控制組合物量的化學(xué)物質(zhì)、化合物或其組合，從而導(dǎo)致摩擦控制組合物有效工作壽命或耐久性的增加?？寡趸瘎┌ǖ幌抻诎沸涂寡趸瘎?，例如但不限于Wingstay29；苯乙烯化酚型抗氧化劑，例如但不限于Wingstay S；受阻型抗氧化劑，例如但不限于WingstayL；硫酯型抗氧化劑(也稱為第二抗氧化劑)，例如但不限于WingstaySN-1；或它們的組合，例如但不限于包括受阻苯酚和硫酯的協(xié)同混合物，例如但不限于Octolite424-50。
優(yōu)選的抗氧化劑為Goodyear Chemicals的WingstayS、WingstayL和WingstaySN-1，和Tiarco Chemical的Octolite424-50。
術(shù)語“正摩擦特性”是指處于滑動或滾動-滑動接觸的兩個表面之間的摩擦系數(shù)隨兩個表面之間的滑移增加而增加。術(shù)語“滑移”為本領(lǐng)域中的常用術(shù)語，它的含義對本領(lǐng)域的技術(shù)人員是容易明白的。例如，在鐵路工業(yè)中，滑移可被描述為鋼軌滑動移動速度的大小相對于輪和鋼軌之間接觸點(diǎn)處輪切線速度大小的百分比差異，假設(shè)接觸區(qū)域不動和動態(tài)的鋼軌和輪。
本領(lǐng)域中的各種方法可用于確定摩擦控制組合物是否表現(xiàn)出正摩擦特性。例如，但不希望被限制，在實(shí)驗(yàn)室中，可使用盤式流變儀或Amsler機(jī)確定正摩擦特性((H.Harrison，T.McCanney and J.Cotter(2000)，Recent Developments in COF Measurements at theRail/Wheel Interface，Proceedings The 5thInternationalConference on Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel SystemsCM 2000(SEIKEN Symposium No.27)，30-34頁，本文引入作為參考)。Amsler機(jī)由兩個平行的盤組成，盤依靠著兩個盤施加的可變載荷彼此運(yùn)行。設(shè)計(jì)這種裝置模擬滑動-滾動接觸的兩個鋼表面。調(diào)整盤使得一個盤的軸比另一個運(yùn)行快約10％。通過改變盤的直徑，可得到不同的滑移水平。測量由盤之間摩擦引起的扭矩，并由扭矩測量值計(jì)算摩擦系數(shù)。在測定摩擦改性劑組合物的摩擦特性時，優(yōu)選摩擦控制組合物在進(jìn)行摩擦特性測量前是充分干燥的。但是，使用濕或半干摩擦控制組合物的測量可提供與摩擦控制組合物有關(guān)的附加信息。同樣，可使用具有專門設(shè)計(jì)的小車和輪的火車測定滑移特性，這些專門設(shè)計(jì)的小車和輪能測量作用在鋼軌和輪之間接觸決處的力，并同時測定橫向和縱向上的滑移速度。
顯然，對于本領(lǐng)域的一些技術(shù)人員來說，可使用其它兩滾輪系統(tǒng)測定組合物的摩擦控制特性(例如A.Matsumo，Y.Sato，H.Ono，Y.Wang，M.Yamamoto，M.Tanimoto and Y.Oka(2000)，Creep forcecharacteristics between rail and wheel on scaled model，Proceedings The 5thInternational Conference on ContactMechanics and Wear of Rail/Wheel Systems CM 2000(SEIKENSymposium No.27)，197-202頁，本文引入作為參考)。在野外時可使用例如但不限于推力摩擦計(jì)或TriboRailer測定組合物的滑動摩擦特性(H.Harrison，T.McCanney和J.Cotter(2000)，RecentDevelopments in COF Measurements at the Rail/WheelInterface，Proceedings The 5thInternational Conference onContact Mechanics and Wear of Rail/Wheel Systems CM2000(SEIKEN Symposium No.27)，30-34頁，本文引入其作為參考)。
圖1A顯示了特征在于具有中性摩擦特性(LCF)的組合物的典型摩擦系數(shù)對滑移％曲線的示意圖，使用amsler機(jī)測定，隨著滑移增加，有低的摩擦系數(shù)。如本文所述，LCF特征在于當(dāng)用推力摩擦計(jì)測量時具有小于約0.2的摩擦系數(shù)。優(yōu)選地，在野外條件下，LCF表現(xiàn)出約0.15或更低的摩擦系數(shù)。正摩擦特性為輪和鋼軌系統(tǒng)之間的摩擦隨系統(tǒng)滑移增加而增加的一種特性。圖1B和圖1C分別顯示了特征在于具有高的正摩擦(HPF)特性和非常高的正摩擦(VHPF)特性的組合物的典型摩擦系數(shù)對滑移％曲線的示意圖。如本文所述，HPF特征在于當(dāng)用推力摩擦計(jì)測量時具有約0.28至約0.4的摩擦系數(shù)。優(yōu)選地，在野外條件下，HPF表現(xiàn)出約0.35的摩擦系數(shù)。VHPF特征在于當(dāng)用推力摩擦計(jì)測量時具有約0.45至約0.55的摩擦系數(shù)。優(yōu)選地，在野外條件下，VHPF表現(xiàn)出0.5的摩擦系數(shù)。
與彎曲軌道有關(guān)的輪嘯聲可能是由幾個因素引起，包括與軌距面接觸的輪緣，和由于輪橫跨軌頭橫向滑移引起的粘滯滑動。不希望受理論約束，輪橫跨軌頭的橫向滑移被認(rèn)為是引起輪嘯聲的最可能原因，而與軌距接觸的輪緣扮演重要但次要的角色。如本文所述，研究證實(shí)，不同的摩擦控制組合物可被施加到鋼軌-輪界面的不同面上以有效控制輪嘯聲。例如，具有正摩擦特性的組合物可被施加到鋼軌-輪界面的頭部，以減少行駛面橫跨軌頭的橫向粘滯滑動，而低摩擦改性劑組合物可被施加到鋼軌-輪緣的軌距面以減少火車牽引軸的車輪貼靠效應(yīng)(flanging effect)。
術(shù)語“接觸表面”是指與第二元件表面接觸的第一元件的表面。例如，如果第一元件是鋼軌，第二表面是有軌車輪，則鋼軌上的接觸表面可為鋼軌頭部，其可與有軌車輪的輪行駛面接觸，或可為鋼軌的軌距面/軌距轉(zhuǎn)角，其可與有軌車輪緣的內(nèi)表面接觸。
術(shù)語“高軌”和“低軌”分別指在橫向傾斜彎道上的一段軌道的外軌和內(nèi)軌。
術(shù)語“軌距面/軌距轉(zhuǎn)角”是指鋼軌的內(nèi)垂直部分(軌距面)和軌距面和軌頭之間的表面(軌距轉(zhuǎn)角)，它們可與輪緣的內(nèi)表面和有軌車輪的凹入-上部-輪緣(或內(nèi)行駛面)表面接觸。
術(shù)語“軌頭”是指與有軌車輪的行駛面接觸的鋼軌的頂部或水平部分。
術(shù)語“流變控制劑”是指能吸收液體例如但不限于水并物理溶脹的化合物。流變控制劑還可用作增稠劑，并幫助保持組合物的組分處于分散形式。這種試劑用于使活性成分以均勻方式懸浮在液相中，并用于控制組合物的流動性質(zhì)和粘度。這種試劑還通過改變摩擦改性劑組合物的干燥特性起作用。此外，流變控制劑可提供能在非連續(xù)相基質(zhì)中保持固體潤滑劑的連續(xù)相基質(zhì)。流變控制劑包括但不限于粘土如膨潤土(蒙脫土)和鋰蒙脫石，例如但不限于Hectabrite；Rheolate244(一種聚氨酯)；酪蛋白(caseine)；羧甲基纖維素(CMC，如Celflow)；羧羥甲基纖維素；包括脫水葡萄糖單元的取代纖維素化合物，脫水葡萄糖單元各自被選自甲基、羥丙基、羥乙基和它們的混合的基團(tuán)取代；乙氧基甲基纖維素、脫乙酰殼多糖、淀粉和它們的混合物。包括脫水葡萄糖單元的取代纖維素化合物的非限制性例子包括METHOCEL(Dow Chemical Company)、Metolose(ShinEtsu)、MecelloseHPMC(Samsung)和HBR(一種羥乙基纖維素)。
在特別的實(shí)施方案中，流變控制劑為包括脫水葡萄糖單元的取代纖維素化合物，脫水葡萄糖單元各自被選自甲基、羥丙基、羥乙基和它們的混合的基團(tuán)取代。在另一實(shí)施方案中，取代纖維素化合物的每個脫水葡萄糖單元被平均約1.3至約1.9個取代基取代。
術(shù)語“稠度改性劑”是指能使本發(fā)明的摩擦控制組合物被配制成所需稠度的任何材料。稠度改性劑的例子包括但不限制于甘油、醇、二醇如丙二醇或它們的組合。另外，稠度改性劑可改變摩擦控制組合物的其它性質(zhì)，如組合物的低溫性質(zhì)，和在一定程度上用作防凍劑，借此能使本發(fā)明的摩擦控制組合物被配制用于在不同溫度下工作。
術(shù)語“防凍劑”是指當(dāng)加入到本發(fā)明的組合物中時會導(dǎo)致組合物的凝固點(diǎn)相對于缺少防凍劑的相同組合物的凝固點(diǎn)降低的任何材料，例如相對于缺少防凍劑的相同組合物能降低組合物的凝固點(diǎn)至少1℃，或至少10℃，或至少15℃。除了稠度改性劑外，可向本發(fā)明的組合物中加入防凍劑。通過施加包括防凍劑的本發(fā)明的HPF組合物產(chǎn)生的薄膜的摩擦系數(shù)應(yīng)為約0.3至約0.4。
防凍劑的非限制性例子包括二醇，如丙二醇，或二醇醚，更特別地，丙二醇醚，或乙二醇醚，例如但不限制于DowanolEB(乙二醇丁醚)。防凍劑還可選自二丙二醇甲醚、二丙二醇二甲醚、二丙二醇一丙醚、丙二醇叔丁醚、丙二醇正丙醚、二丙二醇一丙醚、丙二醇甲醚醋酸酯、丙二醇甲醚醋酸酯和乙二醇丁醚組成的組。但是，應(yīng)認(rèn)識到這個組應(yīng)被視為非限制性的。
防凍劑還可為鹽，例如鹽酸甜菜堿、氯化銫、氯化鉀、醋酸鉀、醋酸鈉、鉻酸鉀、氯化鈉、甲酸鈉或三聚磷酸鈉。
此外，防凍劑可為包括金屬醋酸鹽如醋酸鉀或醋酸鈉的組合物。這種組合物的例子包括但不限制于CryotechE36，其包括醋酸鉀，和CryotechNAAC，其包括醋酸鈉。
防凍劑還可為酸如檸檬酸、乳酸或琥珀酸，雜環(huán)胺如煙酰胺，芳醇如苯酚，氨基酸，氨基酸衍生物，如甜菜堿，或碳水化合物，如D-(+)-木糖。
為了防止火車在用本發(fā)明的HPF或VHPF組合物處理的鋼軌上有可感到的打滑，優(yōu)選這些組合物的溶劑組分，在一些情況下，包括液體稠度改性劑和液體防凍劑，(i)在組合物被施加到鋼軌上后立刻蒸發(fā)，或(ii)在接觸處理的鋼軌的火車輪產(chǎn)生的壓力和熱下容易蒸發(fā)、脫水或分解，或(i)和(ii)兩者。在包括潤滑劑組分的本發(fā)明的一些組合物中，例如HPF和LCF組合物，為組合物提供潤滑性質(zhì)的防凍劑組分的存在是可以接受的，并且防凍劑組分不需要是可以容易地通過蒸發(fā)、脫水或分解從組合物中除去的。希望防凍劑的特征在于具有高閃點(diǎn)，例如為93℃或以上。但是，如本文所述，也可使用具有較低閃點(diǎn)的防凍劑。
在實(shí)施例10中，在模擬移動機(jī)車輪和鋼軌的界面處存在的那些條件的條件下，使用Amsler機(jī)評價幾種非限制性的候選液體防凍劑，以估計(jì)它們中的每一種從一對金屬盤表面蒸發(fā)、脫水或分解需要的時間。在這個實(shí)施例中，認(rèn)為表現(xiàn)出從盤金屬表面除去時間較快的液體防凍劑適用于表現(xiàn)出正摩擦特性的摩擦控制組合物，例如HPF和VHPF組合物。但是，應(yīng)認(rèn)識到這些組合物也可用于LCF組合物。較快的除去時間是指除去時間小于丙二醇(1，2-丙二醇)的除去時間。在實(shí)施例10中使用的條件下，利用丙二醇在約2500秒時得到0.4的摩擦系數(shù)(見表15，實(shí)施例10)。因此，當(dāng)使用實(shí)施例10中限定的裝置和條件試驗(yàn)時，除去時間為約2500秒或更少的防凍劑可用于VHPF、HPF和LCF組合物中。
相反，證實(shí)從盤金屬表面的除去時間較長即除去時間大于約2500秒(使用實(shí)施例10中限定的條件測定)的防凍劑可適用于包括潤滑劑的摩擦控制組合物，例如LCF和HPF組合物。
發(fā)現(xiàn)在實(shí)施例10中試驗(yàn)的防凍劑的除去時間與它們的蒸汽壓值相關(guān)。這種關(guān)聯(lián)表明蒸汽壓也可用于確定候選液體防凍劑是否適用于本發(fā)明的摩擦控制組合物，例如VHPF、HPF或LCF。例如，丙二醇的蒸汽壓為約0.129(20℃；見表15，實(shí)施例10)，因此，特征在于蒸汽壓為約0.1(20℃)或更大的液體防凍劑可用于表現(xiàn)出正摩擦特性的摩擦控制組合物，例如，HPF和VHPF組合物，以及LCF組合物。同樣，特征在于蒸汽壓小于約0.1(20℃)的防凍劑可適用于包括潤滑劑的摩擦控制組合物，例如LCF和HPF組合物。
表現(xiàn)出從盤金屬表面除去時間較快或蒸汽壓大于0.1(20℃)的防凍劑可適用于表現(xiàn)出正摩擦特性的摩擦控制組合物，例如HPF、VHPF和LCF組合物。表現(xiàn)出快除去時間的合適防凍劑的非限制性例子包括ArcosolvPMA(二丙二醇甲醚醋酸酯)、ArcosolvPTB(二丙二醇叔丁醚)、ArcosolvPnP(二丙二醇正丙醚)、ArcosolvPNB(丙二醇正丁醚)、ProglydeDMM(二丙二醇二甲醚)、DowanolDPM(二丙二醇甲醚)、DowanolDPnP(二丙二醇單丙醚)和丙二醇。
表現(xiàn)出從盤金屬表面除去時間較長或蒸汽壓小于0.1(20℃)并可用于包括潤滑劑的摩擦控制組合物例如LCF和HPF組合物的防凍劑的非限制性例子包括己二醇、DowanolDPnB(二丙二醇丁氧醚)和ArcosolvTPM(三丙二醇甲醚)。
應(yīng)認(rèn)識到也可在本文描述的組合物中使用防凍劑的組合，因?yàn)楫?dāng)將兩種或多種防凍劑混合到一起時能觀察到降低凝固點(diǎn)的協(xié)同作用(見表16和17，實(shí)施例11)。
例如，包括7％(w/w)丙二醇的組合物表現(xiàn)出約-3℃的凝固點(diǎn)，包括23.5％(w/w)DowanolDPM的組合物表現(xiàn)出約-6℃的凝固點(diǎn)。但是，包括丙二醇(7％w/w)和DowanolDPM(23.5％w/w)的組合物表現(xiàn)出-24.5℃的凝固點(diǎn)(見表16，實(shí)施例11)。單獨(dú)包含30.5％(w/w，丙二醇和DowanolDPM的總量)的丙二醇或DowanolDPM的組合物分別表現(xiàn)出只有-15℃或-9℃的凝固點(diǎn)。
同樣，包括14.83％(w/w)丙二醇的組合物表現(xiàn)出約-4℃的凝固點(diǎn)，包括19.0％(w/w)ProglydeDMM的組合物表現(xiàn)出約-3℃的凝固點(diǎn)。包括丙二醇(14.83％w/w)和ProglydeDMM(19.0％w/w)的組合物表現(xiàn)出-28.0℃的凝固點(diǎn)(見表16，實(shí)施例11)。但是，單獨(dú)包含33.83％(w/w，丙二醇和DowanolDPM的總量)的丙二醇或ProglydeDPM的組合物分別表現(xiàn)出只有-20℃或-10℃的凝固點(diǎn)。利用防凍劑的其它組合可觀察到類似的協(xié)同作用結(jié)果。
術(shù)語“摩擦改性劑”是指能為本發(fā)明的摩擦控制組合物提供正摩擦特性的材料，或當(dāng)與沒有摩擦改性劑的類似組合物比較時，能增強(qiáng)液體摩擦控制組合物的正摩擦特性的材料。摩擦改性劑優(yōu)選包括粉狀礦物，并具有約0.5微米至約10微米的粒度。另外，摩擦改性劑在水中可為可溶的、不可溶的或部分溶解的，并優(yōu)選在組合物沉積到表面上并且組合物的液體組分蒸發(fā)后粒度保持在約0.5微米至約10微米的范圍內(nèi)。US 5173204和WO 98/13445(本文引入作為參考)中描述的摩擦改性劑可用于本文描述的組合物。摩擦改性劑可包括但不限于·白堊(碳酸鈣)；·碳酸鎂；
·滑石(硅酸鎂)；·膨潤土(天然粘土)；·煤粉(底煤)；·鋇白(硫酸鈣)；·Asbestors(石棉的滑石棉衍生物)·瓷土；高嶺土型粘土(硅酸鋁)；·二氧化硅--無定形(合成)；·天然存在的板巖粉；·硅藻土；·硬脂酸鋅；·硬脂酸鋁；·碳酸鎂；·鉛白(氧化鉛)；·堿式碳酸鉛；·氧化鋅；·氧化銻；·白云石(MgCo CaCo)；·硫酸鈣；·硫酸鋇(例如Baryten)；·聚乙烯纖維；·氧化鋁；·氧化鎂；和·氧化鋯或它們的組合。
術(shù)語“保持劑”是指能增加滑動-滾動接觸的兩個或多個表面之間的摩擦控制組合物的有效使用壽命或耐久性的化學(xué)物質(zhì)、化合物或它們的組合。保持劑提供或增加薄膜強(qiáng)度和對襯底的粘著。優(yōu)選保持劑能與摩擦組合物的組分結(jié)合并在施加組合物的表面上形成薄膜，從而增加在暴露于滑動-滾動接觸的表面上的組合物的耐久性。典型地，在試劑根據(jù)情況聚結(jié)或聚合后，保持劑表現(xiàn)出所需的性質(zhì)(例如增加的薄膜強(qiáng)度和對襯底的粘著)。
優(yōu)選保持劑具有粘合潤滑劑和摩擦改性劑組分的能力，從而這些組分形成薄層并抵抗從輪-鋼軌接觸塊的移動。還優(yōu)選保持劑在使用過程中保持物理完整性并在使用過程中不被燒盡。合適的保持劑表現(xiàn)出高固體裝載量、降低的粘度，和如果需要低的最小成膜溫度。保持劑的例子包括但不限于·丙烯酸類，例如但不限于RhoplexAC 264，RhoplexMV-23LO或MaincoteHG 56(Rohm&Haas)；·聚乙烯類，例如但不限于Airflex728(Air Products andChemicals)，Evanol(Dupont)，Rovace9100或Rovace0165(Rohm&Hass)；·噁唑啉，例如但不限于Aquazol50&500(PolymerChemistry)；·苯乙烯丁二烯化合物，例如但不限于Dow Latex 226&240(Dow Chemical Co.)；·苯乙烯丙烯酸酯，例如但不限于AcronalS 760(BASF)，RhoplexE-323LO RhoplexHG-74P(Rohm&Hass)，EmulsionE-1630，E-3233(Rohm&Hass)；·環(huán)氧樹脂類，包括樹脂和固化劑的雙組分體系。樹脂的選擇可取決于摩擦改性劑組合物所用的溶劑。例如，但不應(yīng)認(rèn)為限制于，在含水配方中，合適的樹脂包括含水的環(huán)氧樹脂類，如AncaresAR 550(為2，2’-[(1-甲基亞乙基)雙(4，1-亞苯氧基亞甲基)]雙環(huán)氧乙烷均聚物；Air Products and Chemicals)，EPOTUF37-147(雙酚A-基環(huán)氧樹脂；Reichbold)。胺或酰胺固化劑，例如但不限于Anquamine419、456和AncamineK54(Air Products and Chemicals)，可與含水環(huán)氧樹脂配方一起使用。但是，當(dāng)在沒有固化劑而單獨(dú)使用環(huán)氧樹脂時，觀察到增加的保持性。優(yōu)選地，環(huán)氧樹脂在使用過程中與固化劑混合。可加入到組合物中的其它組分包括能增加組合物到污染表面粘著性的烴樹脂，例如但不限于EPODIL-L(Air ProductsLtd.)。如果使用有機(jī)基溶劑，則可使用非水性環(huán)氧樹脂和固化劑·醇酸樹脂，改性醇酸樹脂；·丙烯酸乳膠；·丙烯酸環(huán)氧樹脂雜化物；
·聚氨酯丙烯酸衍生物；·聚氨酯分散體；和·各種膠和樹脂。
在包括約0.5wt％至約40wt％保持劑的組合物中觀察到包括保持劑的摩擦改性劑組合物的保持性提高。優(yōu)選地，組合物包括約1wt％至約20wt％的保持劑。
當(dāng)環(huán)氧樹脂為雙組分體系時，可通過改變環(huán)氧樹脂混合物內(nèi)樹脂或固化劑的量調(diào)節(jié)這種保持劑的性質(zhì)。例如，這在下文中更詳細(xì)地描述，在包括約1wt％至約50wt％環(huán)氧樹脂的組合物中觀察到包括環(huán)氧樹脂和固化劑的摩擦改性劑組合物的保持性提高。優(yōu)選地，組合物包括約2wt％至約20wt％的環(huán)氧樹脂。此外，相對于樹脂量，提高固化劑的量到例如但不限于0.005至約0.8(樹脂固化劑比)，也可導(dǎo)致保持性提高。如下面所述，在沒有固化劑時包括環(huán)氧樹脂的摩擦改性劑組合物也表現(xiàn)出高保持性。不希望受理論約束，沒有固化劑時施加的環(huán)氧樹脂薄膜能保持彈性質(zhì)量，這使它能承受由滑動和滾動接觸中的鋼表面引起的高壓。
可使用Amsler機(jī)或如上面提到的其它合適設(shè)備測定組合物的保持性，并記錄保持效果的循環(huán)次數(shù)(參見圖3A)。此外，在鐵路工業(yè)中，可作為軸經(jīng)過次數(shù)的函數(shù)或使用推力摩擦計(jì)測量保持性，對于軸經(jīng)過次數(shù)，要保持所需的效果，如但不限于噪音減弱、拉桿力降低、橫向力降低或摩擦水平(例如見圖3B和3C)。不受理論約束，認(rèn)為保持劑具有在滑動和滾動-滑動接觸的表面之間例如但不限于輪-鋼軌界面之間形成耐久膜的能力。
還可使用溶劑，從而本發(fā)明的摩擦改性組合物可被混合并施加到襯底上。溶劑可為有機(jī)的或水溶性的，取決于應(yīng)用要求，例如組合物的成本、需要的干燥速度、環(huán)境因素等。有機(jī)溶劑可包括但不限于甲醇，但是，可使用其它溶劑以減少施加的組合物的干燥時間，提高組合物與污染襯底的相容性，或既能減少干燥時間又能提高與污染襯底的相容性。優(yōu)選溶劑為水。通常在含水體系中，保持劑不真在溶劑的溶液中，而是為分散體。
術(shù)語“潤滑劑”是指能減小滑動或滾動-滑動接觸的兩個表面之間的摩擦系數(shù)的化學(xué)物質(zhì)、化合物或它們的混合物。潤滑劑包括但不限于二硫化鉬、石墨、硬脂酸鋁、硬脂酸鋅和碳化合物例如但不限于煤粉和碳纖維。優(yōu)選地，如果使用的話，本發(fā)明的組合物中的潤滑劑為二硫化鉬、石墨和Teflon。
本發(fā)明的摩擦控制組合物還可包括其它組分，例如但不限于防腐劑、潤濕劑、稠度改性劑、中和劑和消泡劑，這些組分可單獨(dú)或聯(lián)合地被包含。
防腐劑的非限制性例子包括但不限于氨、醇或殺生物劑，例如但不限于OxabanA。中和劑的非限制性例子為AMP-95(2-氨基-2-甲基-1-丙醇的溶液)。消泡劑的非限制性例子包括Colloids 648或Colloids 675。
可在本發(fā)明的組合物中使用的潤濕劑可包括但不限于壬基苯氧基多元醇或Co-630(Union Carbide)。潤濕劑可有利于流變控制劑、摩擦改性劑和潤滑劑基質(zhì)內(nèi)潤滑劑和摩擦改性劑顆粒周圍水層的形成。潤濕劑可幫助保持劑分散在液體摩擦控制組合物中。潤濕劑還能乳化油脂，所述油脂可能存在于滑動和滾動-滑動接觸的表面之間，這種表面例如但不希望限制于鋼-輪和鋼-軌。潤濕劑還可通過控制組合物內(nèi)固體顆粒分散和使其團(tuán)聚最小來起作用。
如WO 02/26919(引入作為參考)所示，與使用具有提高的保持性的摩擦控制組合物相關(guān)的益處在于減小了與貨物和公共交通系統(tǒng)的鋼-軌和鋼-輪系統(tǒng)有關(guān)的橫向力。橫向力的減小可減輕鋼軌磨損(軌距加寬)和降低鋼軌更換成本?？墒褂醚b備有合適應(yīng)變儀的彎曲或切向軌道測定橫向力。現(xiàn)在參考圖2，其顯示了在有或沒有根據(jù)本發(fā)明的液體摩擦控制組合物時各種不同車型在鋼-輪和鋼-軌系統(tǒng)上的橫向力大小。如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的摩擦控制組合物的使用，在這種情況下為HPF，當(dāng)與在干軌和輪系統(tǒng)上測量的橫向力相比時，減小最大和平均橫向力至少約50％。
與使用具有提高的保持性的摩擦控制組合物相關(guān)的另一益處在于與貨物和公共交通系統(tǒng)的鋼-軌和鋼-輪系統(tǒng)有關(guān)的能耗降低，這通過例如但不限于拉桿力測量。能耗的降低具有相伴的操作成本降低。根據(jù)本發(fā)明的摩擦控制組合物的使用，在這種情況下為HPF，當(dāng)與在干軌和輪系統(tǒng)上測量的拉桿力相比時，隨著HPF施加率的增加，能降低拉桿力至少約13％至約30％。
有幾種施加水基產(chǎn)品到鋼軌頂部的方法。例如但不應(yīng)認(rèn)為限制于，此類方法包括隨車攜帶、路旁(也稱為軌道旁)或hirail系統(tǒng)。隨車攜帶系統(tǒng)從罐(一般位于最后的推動機(jī)車后)噴灑液體到鋼軌上。路旁(軌道旁)系統(tǒng)為位于軌道旁邊的裝置，其在被接近的列車觸發(fā)后泵送產(chǎn)品到軌道上。Hirail為具有沿軌道行駛能力的改進(jìn)輕運(yùn)貨車。貨車裝備有一個儲罐(或幾個)、泵和能施加薄膜到軌道上的空氣噴灑系統(tǒng)。Hirail可在需要的時間和地點(diǎn)施加組合物，不象固定的自動化路旁系統(tǒng)。只需要幾個hirail車輛就能覆蓋大的區(qū)域，而隨車攜帶系統(tǒng)需要每個貨車裝備至少一個機(jī)車來分配產(chǎn)品。
如果本發(fā)明的摩擦控制組合物用作隨車攜帶(可噴灑)組合物，則組合物可具有直到約7000cP(25℃)的粘度，或從約1000至約5000cP(25℃)的粘度。但是，可按照需要可使用低于1000cP的粘度。如果使用較低的粘度，則可能需要粘度使得組合物的內(nèi)含物保持在均勻懸浮液或溶液中?；蛘?，可攪拌組合物以保持組分在溶液中。如果摩擦控制組合物用作軌道旁組合物，則組合物可具有約5000至約200000cP(25℃)或從約7000至約30000cP(25℃)的粘度。但是，超過200000cP的粘度是可以接受的，例如糊，只要最終的組合物可泵送并流動即可。通過改變構(gòu)成本發(fā)明組合物的組分的量可調(diào)整根據(jù)本發(fā)明的組合物的粘度，這對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是已知的。
現(xiàn)在參考圖3，其顯示了保持劑例如但不限于丙烯酸類保持劑對滑動-滾動接觸的兩個鋼表面之間的液體摩擦控制組合物的耐久性的影響。通過摩擦改性劑組合物施加影響的循環(huán)次數(shù)例如但不限于保持摩擦系數(shù)低于約0.4或應(yīng)用要求的其它合適水平來確定這種情況下的Amsler保持性。組合物的保持性與組合物中保持劑的重量百分?jǐn)?shù)近似線性相關(guān)，例如但不限于從約1％重量/重量(w/w)至約15％w/w的保持劑。在這個范圍內(nèi)，使用Amsler機(jī)測定保持性從約5000次循環(huán)增加到約13000次循環(huán)，表示組合物的有效耐久性和使用增加約2.5倍。在野外條件下也觀察到保持性的類似增加，其中對于至少約5000次軸經(jīng)過，觀察到降低的橫向力(圖3B，3C)。對于與施加本發(fā)明的組合物相關(guān)的其它性質(zhì)，包括噪音降低和拉桿力減小，觀察到本文所述的包括保持劑的摩擦改性劑組合物的類似延長效果。在沒有保持劑時，在約幾百次軸經(jīng)過后觀察到橫向力增加，或噪音水平增加，或拉桿力增加。
可使用本領(lǐng)域中已知的任何方法測定本發(fā)明的組合物的粘度。例如使用Brookfield LVDV-E型粘度儀。DV型粘度儀通過校準(zhǔn)的彈簧使錠子(其浸在試驗(yàn)流體中)旋轉(zhuǎn)。通過彈簧偏轉(zhuǎn)測量流體對錠子的粘性拖曳。用能提供扭矩信號的旋轉(zhuǎn)變換器測量彈簧偏轉(zhuǎn)。DV(cP)的測量范圍由錠子的旋轉(zhuǎn)速度、錠子的大小和形狀、錠子在其中旋轉(zhuǎn)的容器和校準(zhǔn)彈簧的滿標(biāo)度扭矩確定。
如果使摩擦改性劑組合物在其施加后和使用前凝固盡可能長的時間，則能使保持劑在延長本發(fā)明組合物效力上的作用最大化。但是，這種時間長度在野外條件下可能變化。在野外研究中，其中如本文所述的摩擦改性劑組合物被施加到軌道上，在施加過程中和施加后在車經(jīng)過處理軌道時測量橫向力，橫向力開始時降低，在約1200次軸經(jīng)過后觀察到橫向力增加。但是，如果使組合物在使用前凝固，則對于約5000至約6000次軸經(jīng)過，才觀察到降低的橫向力。因此，為了減少本文所述的液體摩擦組合物的凝固時間，可在本發(fā)明的液體組合物中使用能允許均勻施加組合物并容易干燥的任何相容溶劑，包括但不限于水。此外，本發(fā)明考慮使用快干或迅速固化型成膜保持劑例如環(huán)氧樹脂基成膜保持劑以減少組合物需要的凝固時間。這種環(huán)氧樹脂基組合物還被發(fā)現(xiàn)能提高膜強(qiáng)度。還可通過向組合物中加入一種或多種抗氧化劑加強(qiáng)延長本發(fā)明組合物的效力，這在下文中更詳細(xì)地描述。另外，如果需要快速凝固時間，則還可使用特征在于具有超過0.1(20℃)的蒸汽壓的防凍劑。
與用丙烯酸類保持劑得到的結(jié)果相比，膨潤土(流變劑)的水平不影響保持性，如圖4所示。
如本文所公開，如果向組合物中加入抗氧化劑，則可進(jìn)一步增強(qiáng)摩擦控制組合物的保持性。圖5和7B顯示了加入抗氧化劑到包含保持劑例如但不限于苯乙烯丁二烯的液體摩擦控制組合物中的效果，在這種情況下，抗氧化劑為Octolite 424-50。系統(tǒng)中抗氧化劑的加入增加了組合物消耗前得到的循環(huán)次數(shù)。較低的消耗速度代表更長的保持性?？寡趸瘎┑姆窍拗菩岳影ǖ幌抻赪ingstayS(苯乙烯化抗氧化劑)、WingstayL(受阻型抗氧化劑)、WingstaySN-1(硫酯抗氧化劑)和Octolite424-50(協(xié)同抗氧化劑)。還可向摩擦控制組合物中加入具有提高組合物保持性效果的其它抗氧化劑。在抗氧化劑存在下觀察到各種組合物消耗速度的降低。
不希望受理論約束，假定當(dāng)加入抗氧化劑時得到的摩擦控制組合物增強(qiáng)的保持性是由于抗氧化劑抑制保持劑氧化的能力，保持劑例如但不限于丙烯酸類聚合物RhoplexAC-264(實(shí)施例8，表13；圖7B)，和苯乙烯-丁二烯無規(guī)共聚物Dow Latex 226NA(圖5)。這兩種保持劑都會被氧化破壞，這在保持劑暴露于空氣中的氧時發(fā)生。這種氧化在高溫環(huán)境如輪-軌界面中可顯著增加。
圖7B顯示了在丙烯酸基保持劑存在下一系列的抗氧化劑的加入對組合物消耗速度的影響。該圖顯示了包括丙烯酸基保持劑(RhoplexAC-264)和下列抗氧化劑之一的組合物的消耗速度的降低苯乙烯化抗氧化劑，例如但不限于WingstayS，受阻型抗氧化劑，例如但不限于WingstayL，硫酯抗氧化劑，例如但不限于WingstaySN-1，和協(xié)同抗氧化劑，例如但不限于Octolite424-50。在抗氧化劑的存在下觀察到各種組合物的消耗速度的降低。
聚合物的氧化通過自由基鏈反應(yīng)發(fā)生。在聚合物的生產(chǎn)中使用過氧化物，一些未反應(yīng)的過氧化物在聚合物形成后仍存在。這些過氧化物由于應(yīng)力、熱等而隨著時間裂解，產(chǎn)生的自由基然后將與空氣氧反應(yīng)形成過氧自由基。將自由基鏈反應(yīng)分解為三個步驟(a)引發(fā)過氧化物分解形成烷基自由基。
(b)增長烷基自由基容易與氧反應(yīng)產(chǎn)生過氧自由基。
過氧自由基反應(yīng)分解聚合物，得到新的自由基和羧酸
(c)終止兩個自由基反應(yīng)形成穩(wěn)定產(chǎn)物
在終止反應(yīng)發(fā)生前可重復(fù)增長反應(yīng)多次，造成對聚合物晶格的破壞。不希望受理論約束，鏈斷開(聚合物鏈的分解)產(chǎn)生較小的分子和分子間更少的連接，這使粘合劑能被從襯底更容易地除去。
對于包括抗氧化劑但沒有保持劑的組合物，也觀察到增強(qiáng)的保持性。圖6顯示了加入抗氧化劑到不包含保持劑的液體摩擦控制組合物中的影響，在這個例子中，抗氧化劑為Octolite424-50。如圖6所示，即使在沒有保持劑時，抗氧化劑的加入也能導(dǎo)致組合物保持性的增加，如得到的循環(huán)次數(shù)的增加所示。對于一系列抗氧化劑，都觀察到組合物沒有保持劑時的這種增強(qiáng)的保持性，如圖7A所示。圖7A顯示了加入以下抗氧化劑的影響胺抗氧化劑，例如但不限于Wingstay29，苯乙烯化抗氧化劑，例如但不限于WingstayS，受阻型抗氧化劑，例如但不限于WingstayL，硫酯抗氧化劑，例如但不限于WingstaySN-1，和協(xié)同抗氧化劑，例如但不限于Octolite424-50。在所有情況下，都存在組合物消耗速度的降低。不希望受理論約束，假定這可歸因于保護(hù)MoS2不被氧化。在氧存在下，MoS2可被轉(zhuǎn)化成MoS3。已知MoS3具有高摩擦系數(shù)，盡管這不影響聚合物膜，但可降低保持性?？寡趸瘎⑴cMoS2競爭空氣氧，因此抗氧化劑的濃度越高，MoS2的消耗速度越低。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供表現(xiàn)出高的正摩擦(HPF)特性的液體摩擦控制組合物，該組合物包括(a)約30％至約95％的水；(b)約0.5％至約50％的流變控制劑；(c)約0.02wt％至約40wt％的潤滑劑，和(d)約0.5wt％至約30wt％的摩擦改性劑，和以下中的一種或一種以上(i)約0.5wt％至約40wt％的保持劑；(ii)約0.5wt％至約2wt％的抗氧化劑；(iii)約0.1wt％至約20wt％的稠度改性劑，和(iv)約10wt％至約30wt％的防凍劑。
任選地，這種組合物還可包括抗菌劑、消泡劑和潤濕劑。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供特征在于具有非常高的正摩擦(VHPF)特性的液體摩擦控制組合物，該組合物包括(a)約30％至約95％的水；(b)約0.5％至約50％的流變控制劑；(c)約0.5wt％至約30wt％的摩擦改性劑，和以下中的一種或一種以上(i)約0.5wt％至約40wt％的保持劑；(ii)約0.5wt％至約2wt％的抗氧化劑；(iii)約0.1wt％至約20wt％的稠度改性劑，和(iv)約10wt％至約30wt％的防凍劑。
任選地，這種組合物還可包括抗菌劑、消泡劑和潤濕劑。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供具有低摩擦系數(shù)(LCF)的液體摩擦控制組合物，該組合物包括(a)約30％至約95％的水；(b)約0.5％至約50％的流變控制劑；(c)約0.02wt％至約40wt％的潤滑劑，和以下中的一種或一種以上(i)約0.5wt％至約40wt％的保持劑；(ii)約0.5wt％至約2wt％的抗氧化劑；(iii)約0.1wt％至約20wt％的稠度改性劑，和(iv)約10wt％至約30wt％的防凍劑。
任選地，這種組合物還可包括抗菌劑、消泡劑和潤濕劑。
本發(fā)明的摩擦控制組合物可用于改變處于滑動或滾動-滑動接觸的表面如鐵路輪緣或軌距面上的摩擦。但是，還認(rèn)為本發(fā)明的摩擦控制組合物可用于改變處于滑動或滾動-滑動接觸的其它金屬、非金屬或部分金屬表面上的摩擦，例如但不限于第五輪應(yīng)用。
可利用本領(lǐng)域中已知的任何方法將本發(fā)明的組合物施加到金屬表面如鋼軌表面或聯(lián)軸器處。例如，但不希望限制于，本發(fā)明的組合物可作為懸浮液、凝膠或糊、或作為具有任何直徑例如直徑約1/8英寸的微珠施加。
可以以凝膠的形式生產(chǎn)本發(fā)明的組合物，例如通過使用防凍劑如ProglydeDMM，以及具有較低取代度的流變控制劑如MethocelK4M，一種包括各自被平均約1.4個取代基取代的脫水葡萄糖單元的取代纖維素化合物。不希望受理論約束，組合物的凝膠化由流變控制劑和防凍劑的溶脹引起。這種組合物的凝膠化程度可通過以下方式降低用親水性程度較高的防凍劑如ArcosolvPnP代替上述防凍劑，或用親水性程度較高的流變控制劑代替所述流變控制劑，或用具有較高取代度的流變控制劑如Metolose60SH-4000代替所述流變控制劑，Metolose60SH-4000為包括各自被平均約1.9個取代基取代的脫水葡萄糖單元的取代纖維素化合物。得到特定凝膠化程度需要的防凍劑和流變控制劑的具體組合可由本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易地確定。
在有些情況下，優(yōu)選使用刷子或作為細(xì)霧化噴霧施加液體摩擦控制組合物。細(xì)霧化的噴霧可提供組合物的更快干燥，材料在鋼軌頂部的更均勻分布，并可提供改進(jìn)的橫向力降低和保持性。本發(fā)明的液體摩擦控制組合物的霧化噴霧施加可優(yōu)選用于隨車攜帶運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)用、隨車機(jī)車應(yīng)用和hi-rail車輛應(yīng)用，但霧化噴霧的使用不限于這些系統(tǒng)。
霧化噴霧施加也適用于施加本發(fā)明的液體摩擦改性劑組合物的組合到不同的鋼軌區(qū)域以優(yōu)化軌-輪界面之間的相互作用。例如，一套施加器和噴嘴系統(tǒng)施加摩擦改性劑例如但不限于HPF組合物到一個鋼軌的頭(頂)部，特別是低(內(nèi))軌或低軌和高軌兩者的頭部，以減輕行駛面橫跨軌頭的橫向粘滯滑移，而另一套施加器和噴嘴系統(tǒng)可施加低摩擦組合物例如但不限于HPF或LCF組合物到高(外)軌的軌距面/軌距轉(zhuǎn)角，或低軌和高軌兩者的軌距面/軌距轉(zhuǎn)角上，以減輕有軌車牽引軸的車輪貼靠效應(yīng)。在另一個例子中，可使用具有雙噴嘴容量的第一施加器施加HPF組合物到一個或兩個鋼軌的頭部部分，使用具有雙噴嘴容量的第二施加器施加相同或不同類型的HPF組合物到高(外)軌的、低(內(nèi))軌的或高軌和低軌兩者的軌距面/軌距轉(zhuǎn)角上?；蛘?，可使用雙噴嘴施加器施加相同或單獨(dú)的組合物到同一鋼軌的頭部和軌距面/軌距轉(zhuǎn)角上。這種施加器的一個例子是Portec Rail Products，Inc的Road-Runner361Hi-Rail潤滑系統(tǒng)。在另一個例子中，可使用單噴嘴施加器通過調(diào)整噴嘴的位置和噴霧模式施加HPF組合物到鋼軌的頭部和軌距面兩者上。還可以作為霧化噴霧施加本發(fā)明的一種摩擦改性劑例如到鋼軌的軌距面上，而第二種摩擦改性劑作為微珠或固體粘合劑施加到軌頭上。
圖8A-D說明，相對于沒有施加摩擦控制組合物的情況，噴霧施加HPF組合物到一段軌道的兩個鋼軌的頭部或單獨(dú)施加到低軌的頭部會導(dǎo)致這段軌道中兩個鋼軌的頭部損耗和軌距磨損速度都降低。特別地，圖8A-D中的數(shù)據(jù)顯示在噴霧施加HPF組合物到一段軌道的低軌后頭部損失％和軌距磨損速度％都有60-75％的降低(取決于彎曲程度)。
因此，本發(fā)明提供控制鋼軌磨損、有軌車輪磨損或兩者的方法，包括施加HPF組合物到一個或一個以上鋼軌或一個或一個以上有軌車輪的一個或一個以上接觸表面上，其中所述一個或一個以上鋼軌和所述一個或一個以上有軌車輪處于滑動或滑動-滾動接觸。
注意到即使HPF組合物只被施加到實(shí)施例15中所試驗(yàn)的一段軌道的低軌上，對于低軌和高軌也都能觀察到頭部和軌距磨損速度的降低。因?yàn)閱为?dú)施加HPF組合物到低軌上導(dǎo)致的高軌頭部和軌距磨損速度的降低可能是橫向力和貼靠力降低的結(jié)果。圖9A-B顯示在1年時間內(nèi)沒有出現(xiàn)可觀察到的軌距磨損或頭部損耗，其中在這一年中HPF摩擦控制組合物被施加到這一段軌道的低軌的頂部。通過噴涂HPF組合物到低軌上，而不施加任何油脂潤滑劑到高軌上或到低軌和高軌兩者上，可實(shí)現(xiàn)類似的頭部和軌距磨損速度和頭部和軌距磨損的降低。由于本發(fā)明的方法不需要施加油脂潤滑劑到高(外)軌或兩個軌的軌距面/軌距轉(zhuǎn)角上，因此它比其它施加方法更節(jié)省成本，并且還是有利的，因?yàn)樗鼫p輕了由軌道旁油脂被噴灑到環(huán)境中引起的污染。
此外，本發(fā)明涉及控制鋼軌磨損、有軌車輪磨損或兩者的方法，包括施加HPF組合物到一個或一個以上鋼軌或一個或一個以上有軌車輪的一個或一個以上接觸表面上，其中所述一個或一個以上鋼軌和所述一個或一個以上有軌車輪處于滑動或滑動-滾動接觸，其中所述一個或一個以上鋼軌包括各自具有頭部和軌距面/軌距轉(zhuǎn)角的低軌和高軌，其中HPF組合物被施加到低軌的頭部上，或施加到低軌和高軌兩者的頭部上，其中低軌和高軌的磨損被控制。
另外，本發(fā)明提供控制鋼軌磨損、有軌車輪磨損或兩者的方法，包括施加HPF組合物到一個或一個以上鋼軌或一個或一個以上有軌車輪的一個或一個以上接觸表面上，其中所述一個或一個以上鋼軌和所述一個或一個以上有軌車輪處于滑動或滑動-滾動接觸，其中HPF組合物被施加到低軌的頭部。
考慮作為霧化噴霧施加的根據(jù)本發(fā)明的液體摩擦控制組合物優(yōu)選表現(xiàn)出如下特性，例如但不限于可能引起輸送裝置噴嘴堵塞的粗污染物的減少，和粘度降低以確保適宜流過輸送裝置的噴霧系統(tǒng)并使顆粒團(tuán)聚最小。材料例如但不限于膨潤土可包括粗顆粒，其會堵塞小直徑噴嘴。但是，粒度控制的材料例如但不限于小于約50μM的顆粒可用于噴霧施加。
或者，但不被認(rèn)為是限制性的，可通過路旁(軌道旁)施加來施加本發(fā)明的液體摩擦控制組合物，其中輪計(jì)數(shù)器可觸發(fā)泵噴射本發(fā)明的組合物通過狹窄的口到鋼軌的頂部。在這種實(shí)施方案中，裝置可優(yōu)選位于轉(zhuǎn)彎的入口前，并且材料通過輪被分散到轉(zhuǎn)彎內(nèi)，在這里本發(fā)明的組合物可降低噪音、橫向力、起皺的發(fā)展或它們的組合。
本發(fā)明的液體摩擦控制組合物的特殊組成可更適于路旁施加。例如，優(yōu)選用于路旁施加的組合物通過在表面上形成輕表皮干燥，而不徹底干燥。干“透”的組合物可能堵塞路旁施加器的噴嘴口并難以除去。優(yōu)選地，用于路旁施加的液體摩擦控制組合物包括羧甲基纖維素(CMC)或取代纖維素形式的化合物取代膨潤土作為粘合劑或流變控制劑。
可使用高速混合器分散組分來制備本發(fā)明的液體摩擦改性劑組合物。在混合桶中放入適宜量的水，并緩慢加入流變控制劑，直到全部流變控制劑被浸濕。然后加入少量摩擦改性劑，使其每次加入的摩擦改性劑在進(jìn)行下次加入前充分分散。如果混合物包括潤滑劑，則這種組分被緩慢加入，并使每次加入的潤滑劑在進(jìn)行下次加入前充分分散。隨后，與余量水一起加入保持劑、防凍劑和其它組分例如潤濕劑、抗菌劑，并使組合物充分混合。
盡管上面公開了制備本發(fā)明的摩擦改性劑組合物的方法，但本領(lǐng)域的那些技術(shù)人員能注意到不脫離本發(fā)明的精神和范圍，可存在制備配方的幾種變化。
本發(fā)明的液體摩擦控制組合物優(yōu)選在施加到表面上后并在作為摩擦控制組合物起作用前脫水。例如，但不希望限制于，本發(fā)明的組合物可在鋼軌表面嚙合火車輪之前被刷到鋼軌表面上。水和本發(fā)明組合物中的任何其它液體組分可在嚙合火車輪之前蒸發(fā)。脫水時，本發(fā)明的液體摩擦控制組合物優(yōu)選形成固體膜，其能增強(qiáng)組合物的其它組分如摩擦改性劑和潤滑劑(如果存在的話)的粘合。另外，脫水后，流變控制劑還可減少水的再吸收，并防止其通過雨水或其它作用從表面除去。但是，在本發(fā)明考慮的一些應(yīng)用中，本發(fā)明的液體摩擦控制組合物可通過位于火車上的泵直接噴灑到鋼軌上，或者，可在感覺到正靠近的火車后將組合物泵送到鋼軌上。本領(lǐng)域的一些技術(shù)人員能認(rèn)識到，與在鋼-軌上行進(jìn)的鋼-輪相關(guān)的摩擦力和高溫可產(chǎn)生足夠的熱來迅速使組合物脫水。
本發(fā)明的摩擦改性劑組合物可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員能認(rèn)識到的可在不脫離本發(fā)明范圍和精神內(nèi)被代替或改變的組分。另外，已充分考慮到本發(fā)明的摩擦改性劑組合物可與其它潤滑劑或摩擦控制組合物聯(lián)合使用。例如，但不希望限于，本發(fā)明的組合物可與其它摩擦控制組合物一起使用，其它摩擦控制組合物如但不限于US5308516和US5173204(本文引入作為參考)中公開的那些。在這種實(shí)施方案中，已充分考慮到本發(fā)明的摩擦控制組合物可被施加到軌頭上，而能降低摩擦系數(shù)的組合物可被施加到軌距面或輪緣上。
上面的描述不用于以任何方式限制要求保護(hù)的發(fā)明，此外，討論的特征組合可能不是發(fā)明解決方案絕對需要的。
將在下面的實(shí)施例中進(jìn)一步說明本發(fā)明。但是，應(yīng)認(rèn)識到這些實(shí)施例只用于說明目的，不應(yīng)用于以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
實(shí)施例l液體摩擦控制組合物的表征Amsler規(guī)程使用Amsler機(jī)測試保持性。這種設(shè)備模擬火車輪和鋼軌之間的接觸，并測量兩個主體隨時間的摩擦系數(shù)。Amsler機(jī)使用兩個不同的盤模擬輪和鋼軌。在恒定力下通過可調(diào)彈簧保持兩個盤接觸。以控制的方式施加組合物到清潔盤上以在盤上產(chǎn)生所需厚度的涂層。對于本文公開的分析，使用細(xì)漆刷施加組合物以確保盤表面的完全涂敷。通過稱量施加組合物前和后的盤重量確定施加組合物的量。組合物涂層為2-12mg/盤。使組合物在試驗(yàn)前完全干燥。典型地，使帶涂層的盤干燥至少8小時時間。將盤裝到amsler機(jī)上，使其接觸，并施加約680-745N的載荷，以便在由使用不同直徑圓盤組合得到的不同滑移水平上得到類似的Hertzian壓力(MPa)。除非另外指明，在3％滑移水平下進(jìn)行試驗(yàn)(圓盤直徑53mm和49.5mm；見表1)。對于全部盤尺寸組合(滑移水平從3％到30％)，下圓盤的旋轉(zhuǎn)速度比上圓盤高10％。用計(jì)算機(jī)由amsler機(jī)測量的扭矩確定摩擦系數(shù)。進(jìn)行試驗(yàn)，直到摩擦系數(shù)達(dá)到0.4，測定每種試驗(yàn)組合物的循環(huán)次數(shù)或秒數(shù)。
表1不同滑移水平的圓盤直徑
LCF、HPF或VHPF的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)過程1)向約一半的水中加入全部量的流變劑，并使混合物分散約5分鐘；2)加入潤濕劑，如果存在的話，例如但不限于Co-630，并分散約5分鐘；3)加入消泡劑，例如但不限于Colloids 675，和中和劑，如果存在的話，例如但不限于AMP-95，并使混合物分散；4)加入少量摩擦改性劑到混合物中，如果存在的話，使每次加入的摩擦改性劑在進(jìn)行下次加入前完全分散；5)加入少量潤滑劑，如果存在的話，使每次加入的潤滑劑在進(jìn)行下次加入前完全分散；6)使混合物分散5分鐘。
7)從桶中取出樣品，如果需要，進(jìn)行粘度、比重和過濾試驗(yàn)，并調(diào)整成分以滿足所需的規(guī)格；8)降低分散器的速度，加入保持劑、稠度劑、防凍劑(如果存在的話)和防腐劑。任選地，可加入先前沒有加入的任何潤濕劑和消泡劑，并分散；9)加入剩余的水，并充分混合。
測定凝固點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)方法使用Nisku Instruments的凝固點(diǎn)裝置測定凝固點(diǎn)溫度。裝置最初為ASTM試驗(yàn)設(shè)計(jì)，用于測定噴氣發(fā)動機(jī)燃料的凝固點(diǎn)(ASTMD2386)。通常，為了進(jìn)行試驗(yàn)，將樣品放在被插入到Dewar燒瓶內(nèi)的管中，燒瓶包含固體二氧化碳冷卻的異丙醇作為制冷劑，溫度計(jì)和攪拌器插入到樣品管內(nèi)樣品液位以下。在操作過程中，使用攪拌器不斷攪拌樣品。通過在冷卻的同時監(jiān)測樣品的溫度行為，可觀察到作為溫度平臺的樣品的凝固點(diǎn)。
下面的表2、3和4中提供了樣品LCF、HPF和VHPF組合物的例子。從amsler實(shí)驗(yàn)得到的這些組合物中每一個的結(jié)果顯示在圖1A、1B和1C中。
表2樣品LCF組合物
按上述制備表2的LCF組合物，并使用amsler機(jī)試驗(yàn)。Amsler試驗(yàn)的LCF組合物的結(jié)果示于圖1A。這些結(jié)果顯示，LCF組合物特征在于隨滑移水平增加具有低的摩擦系數(shù)。
表3樣品HPF組合物
表3中列出的HPF組合物不同滑移水平的amsler結(jié)果示于圖1B中。HPF組合物特征在于隨滑移水平增加具有增加的摩擦系數(shù)。通過加入保持劑延長施加到與另一鋼表面滑動-滾動接觸的鋼表面上的HPF組合物的作用改進(jìn)表3的組合物得到丙烯酸類保持劑(Rhoplex 284)水平為0％、3％、7％和10％。加入的保持劑的增加量代替水，以wt％計(jì)。然后使用Amsler機(jī)(3％滑移水平)試驗(yàn)這些不同的組合物，以測定組合物保持低且穩(wěn)定摩擦系數(shù)的時間長度。當(dāng)摩擦系數(shù)達(dá)到0.4時，停止分析。提供在圖3A中的結(jié)果表明，保持劑的加入增加了HPF組合物作用(降低摩擦系數(shù))的耐久性。缺少任何保持劑的HPF組合物在約3000次循環(huán)后達(dá)到0.4的系數(shù)。包括3％保持劑的HPF組合物循環(huán)次數(shù)增加到4000次。包括7％丙烯酸類保持劑的HPF組合物，在6200次循環(huán)后，摩擦系數(shù)低于0.4，包括10％丙烯酸類保持劑的HPF，達(dá)到8200次循環(huán)。
改進(jìn)表3的組合物得到以16％水平包括幾種不同保持劑的組合物。加入的保持劑代替水，以wt％計(jì)。然后使用Amsler機(jī)(滑移水平3％)試驗(yàn)這些不同的組合物以測定組合物保持摩擦系數(shù)低于0.4的循環(huán)次數(shù)。結(jié)果提供在表3A中。
表3AHPF組合物內(nèi)各種保持劑對滾動滑動接觸的鋼表面上的組合物保持性的影響
這些結(jié)果說明，一系列的成膜保持劑提高了本發(fā)明摩擦控制組合物的保持性。
環(huán)氧樹脂保持劑的影響改進(jìn)表3的組合物得到環(huán)氧樹脂保持劑(AncarezAR 550)水平為0％、8.9％、15％和30％。加入的保持劑的增加量代替水，以wt％計(jì)。然后使用Amsler機(jī)(3％滑移水平)試驗(yàn)這些不同的組合物，以測定組合物保持摩擦系數(shù)低于0.4的循環(huán)次數(shù)。結(jié)果表明，環(huán)氧樹脂保持劑的加入增加了HPF組合物作用(摩擦系數(shù)降低)的耐久性。缺少任何保持劑的HPF組合物在約3200次循環(huán)后表現(xiàn)出摩擦系數(shù)增加。包括8.9％環(huán)氧樹脂保持劑的HPF組合物擴(kuò)大循環(huán)次數(shù)到約7957次。包括15％環(huán)氧樹脂保持劑的HPF，約15983次循環(huán)后，摩擦系數(shù)保持在低水平，包括30％環(huán)氧樹脂保持劑的HPF，約16750次循環(huán)能降低摩擦系數(shù)。
還檢查了不同的固化劑以確定是否對兩個滑動-滾動接觸的鋼表面之間的組合物保持性有任何改進(jìn)。在試驗(yàn)固化劑的范圍內(nèi)，加入約0.075至約0.18(樹脂固化劑，以wt％計(jì))的Anquamine 419或Anquamine 456能保持HPF的保持性在如前面觀察到的高水平，約3000至約4000秒(15480次循環(huán))。這兩種固化劑的任何一種都對包括環(huán)氧樹脂保持劑(AncarezAR 550；在HPF組合物內(nèi)為28wt％)的組合物的保持性的增加或降低沒有影響。但是，增加Ancamine K54的量從0.07到約0.67(樹脂固化劑，以wt％計(jì))，就增加HPF組合物的保持性從0.07(樹脂固化劑，wt％；等價于試驗(yàn)的其它固化劑)時的約4000秒(15500次循環(huán))到0.28(樹脂固化劑，wt％)時的約5000秒(19350次循環(huán))，到0.48(樹脂固化劑，wt％)時的約7000秒(27000次循環(huán))，和到0.67(樹脂固化劑，wt％)時的約9300秒(35990次循環(huán))。
在沒有任何固化劑時，利用28wt％的環(huán)氧樹脂量，通過Amsler試驗(yàn)測定的HPF組合物的保持性提高超過包括環(huán)氧樹脂和固化劑的HPF組合物(約4000秒，15500次循環(huán))，達(dá)到約6900秒(26700次循環(huán))。利用摩擦控制組合物內(nèi)增加量的環(huán)氧樹脂也觀察到更高的保持性，例如包括78％樹脂的組合物為8000秒(通過Amsler試驗(yàn)測定)。但是，可加入到組合物的樹脂量必須不能使摩擦改性劑的作用被超過。在限制使用分開的儲槽來存儲摩擦控制組合物和固化劑時，或如果需要摩擦控制組合物的簡化施加的條件下，缺少任何固化劑的配方可證實(shí)是有用的。
這些結(jié)果說明，環(huán)氧樹脂能提高本發(fā)明的摩擦控制組合物的保持性。
表4樣品VHPF組合物*
*可加入瑪皮珂黑(黑色氧化鐵)使組合物有顏色表4中列出的組合物的Amsler結(jié)果示于圖1C。VHPF組合物特征在于隨滑移水平增加具有增加的摩擦系數(shù)。
實(shí)施例2液體摩擦控制組合物-樣品組合物1這個實(shí)施例描述特征在于表現(xiàn)出高的正摩擦系數(shù)的另一液體摩擦控制組合物的制備。這種組合物的組分列于表5。
表5高正摩擦系數(shù)(HPF)組合物
可增加約20％丙二醇以增強(qiáng)低溫性能。按實(shí)施例1所述制備這種組合物。
使用霧化噴霧系統(tǒng)將表6的組合物施加到鋼軌的頂部，霧化噴霧系統(tǒng)包括通過一組計(jì)量泵從儲罐中供給液體組合物的初始泵。組合物被計(jì)量送入到空氣-液體噴嘴，在這里用100psi空氣霧化初始液體流。以這種方式，控制量的組合物可被施加到鋼軌頂部。使用0.05L/英里、0.1L/英里、0.094L/英里和0.15L/英里的施加速度。在試驗(yàn)軌道上施加組合物，試驗(yàn)軌道為高噸位、封閉、2.7英里長，由在典型條件下遇到的一系列軌道段組成。試驗(yàn)火車一天交通密度累計(jì)(accumilate)1.0百萬總噸數(shù)(MTG)，使用39噸的重軸荷載?；疖囁俣仍O(shè)定到最大40mph。在試驗(yàn)期間，使用標(biāo)準(zhǔn)方法測量拉桿牽引力和橫向力。
在未涂敷軌道上(鋼軌頂部沒有處理，但是，使用路旁潤滑，一般為油)，橫向力從約9千磅變化到約13千磅(見圖3B)。施加HPF(表5的組合物)到鋼軌頂部，導(dǎo)致橫向力從約10千磅(對照，未施加HPF)降低到0.05L/英里時的約7.8千磅，到0.1L/英里時的約6千磅，到0.094L/英里時的約5千磅，和到施加速度為0.15L/英里時的約4千磅(高軌測量值，圖3D)。利用表5的HPF組合物在有或沒有保持劑時觀察到類似的結(jié)果。
為了檢查HPF組合物的保持性，施加HPF(表5的，包括保持劑)到鋼軌頂部，并在火車經(jīng)過前凝固16小時。對于約5000次軸經(jīng)過，觀察到降低的橫向力(圖3C)。在沒有任何保持劑時，在100-200次軸經(jīng)過后觀察到橫向力的增加(數(shù)據(jù)未提供)。當(dāng)在火車通過軌道時施加表5的HPF組合物到鋼軌頂部并且不留出任何凝固時間時，觀察到中等水平的保持性。在這些條件下，當(dāng)關(guān)閉HPF的施加時，在約1200次軸經(jīng)過后觀察到橫向力的增加(圖3D)。
使用表5的液體摩擦控制組合物還觀察到噪音降低。使用B&K噪音計(jì)記錄有或沒有HPF施加時的分貝水平。在沒有任何軌道頂部處理時，噪音水平為約85-95分貝，而以0.047L/英里的速度施加HPF，噪音水平可降低到約80分貝。
在施加HPF到鋼軌頂部后，還觀察到拉桿力(kw/hr)的降低。在沒有HPF施加時，拉桿力在有路旁潤滑時為約307kw/hr，在沒有任何處理時觀察到約332kw/hr。施加HPF(表5的組合物)后，對于0.15L/英里的施加速度，觀察到約130-約228的拉桿力。
因此，表5的HPF組合物降低了鋼軌轉(zhuǎn)彎中的橫向力、噪音，降低了能耗和輕軌系統(tǒng)中起皺的發(fā)生。液體摩擦控制組合物可作為霧化噴霧施加到鋼軌上，但不限制到作為霧化噴霧施加，而且組合物也不只用于鋼軌上。此外，加入保持劑，觀察到HPF組合物保持性的增加，這支持使用Amsler機(jī)觀察到的數(shù)據(jù)。
實(shí)施例3液體摩擦控制組合物-樣品HPF組合物2這個實(shí)施例描述特征在于表現(xiàn)出高和正摩擦系數(shù)的液體組合物。這種組合物的組分列于表6。
表6高和正摩擦系數(shù)(HPF)組合物
按實(shí)施例1所述制備液體摩擦控制組合物，并可作為霧化噴霧施加到鋼軌上，但不限制于作為霧化噴霧施加，組合物也不限制只用于鋼軌上。
這種液體摩擦控制組合物降低了鋼軌轉(zhuǎn)彎中的橫向力、噪音、起皺的發(fā)生，并降低了能耗，適用于軌道系統(tǒng)內(nèi)。
實(shí)施例4液體摩擦控制組合物-樣品組合物3這個實(shí)施例描述特征在于表現(xiàn)出高的正摩擦系數(shù)的幾種路旁液體摩擦控制組合物的制備。這些組合物的組分列于表7。
表7高的正摩擦系數(shù)(HPF)組合物-路旁
丙二醇可增加約20％，以增強(qiáng)低溫性能。MethocelF4M可增加約3％，以增加產(chǎn)品粘度。Methocel還可用膨潤土/甘油組合代替。
上面公開的液體摩擦控制組合物可用作路旁摩擦控制組合物，但不限制于這種應(yīng)用。
實(shí)施例5液體摩擦控制組合物-樣品組合物4這個實(shí)施例描述特征在于表現(xiàn)出高的正摩擦系數(shù)的幾種其它液體摩擦控制組合物的制備。這些組合物的組分列于表8。
表8高的正摩擦系數(shù)(HPF)組合物
丙二醇可增加約20％，以增強(qiáng)低溫性能。
液體摩擦控制組合物和其變體可作為霧化噴霧施加到鋼軌上，但不限制于作為霧化噴霧施加，組合物也不只用于鋼軌上。
本發(fā)明的液體摩擦控制組合物降低了鋼軌轉(zhuǎn)彎中的橫向力、噪音、起皺的發(fā)生，并降低了能耗。
實(shí)施例6液體摩擦控制組合物-樣品組合物5
這個實(shí)施例描述了特征在于表現(xiàn)出非常高的正摩擦系數(shù)的液體摩擦控制組合物的制備。這種組合物的組分列于表9。
表9非常高的正摩擦(VHPF)組合物
丙二醇可增加約20％，以增強(qiáng)低溫性能。
液體摩擦控制組合物和其變體可作為霧化噴霧施加到鋼軌上，但不限制于作為霧化噴霧施加，組合物也不用于只在鋼軌上使用。
本發(fā)明的液體摩擦控制組合物降低了鋼軌轉(zhuǎn)彎中的橫向力、噪音、起皺的發(fā)生，并降低了能耗。
實(shí)施例7液體摩擦控制組合物-樣品組合物6這個實(shí)施例描述特征在于表現(xiàn)出低摩擦系數(shù)的液體摩擦控制組合物的制備。這種組合物的組分列于表10中。
表10低摩擦系數(shù)(LCF)組合物
實(shí)施例7液體摩擦控制組合物-樣品組合物7這個實(shí)施例描述特征在于表現(xiàn)出低摩擦系數(shù)并包括或不包括保持劑RhoplexAC 264的液體摩擦控制組合物的制備。這些組合物的組分列于表11中。
表11低摩擦系數(shù)(LCF)組合物
按實(shí)施例1所述使用Amsler機(jī)測定這些組合物的保持性。在摩擦系數(shù)達(dá)到0.4的點(diǎn)處測定30％滑移水平下的每種組合物的循環(huán)次數(shù)。在沒有保持劑時，在達(dá)到0.4的摩擦系數(shù)前，LCF的循環(huán)次數(shù)為300-1100次循環(huán)。在有保持劑時，循環(huán)次數(shù)增加到20000-52000次循環(huán)。
實(shí)施例8在有或沒有保持劑時包括抗氧化劑的組合物苯乙烯丁二烯保持劑按實(shí)施例1所述制備組合物，但是，在標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)過程的步驟1中向組合物中與保持劑(如Dow 226)一起加入硫酯和受阻型苯酚的協(xié)同混合物作為抗氧化劑，在這種情況下，為Octolite424-50?？寡趸瘎┗Σ量刂平M合物的例子列在表12中。這種組合物包括苯乙烯丁二烯基保持劑(Dow 226NA)。
表12具有苯乙烯丁二烯基保持劑的抗氧化劑樣品組合物
使用Amsler機(jī)測定這些組合物的保持性，基本如實(shí)施例1所述。每種組合物都被刷到8個圓盤上，干重為1-7克。使圓盤干燥至少2小時，然后在3％滑移下在Amsler上試驗(yàn)。每次試驗(yàn)都轉(zhuǎn)化到基于消耗的摩擦控制組合物質(zhì)量和達(dá)到0.40摩擦系數(shù)(CoF)所需時間的點(diǎn)。用這些點(diǎn)(質(zhì)量，時間)作圖，并進(jìn)行回歸。這得到點(diǎn)的集合和每個樣品的最佳擬合線。用于建立回歸的點(diǎn)被轉(zhuǎn)化成消耗速度(質(zhì)量/時間)。求這些消耗速度的平均值，根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)誤差。較低的消耗速度代表較長的保持性。
在保持劑存在和有或沒有抗氧化劑時的典型實(shí)驗(yàn)的一個例子示于圖5。圖5所示的具有Dow Laytex 226(苯乙烯基保持劑)但沒有抗氧化劑的組合物的消耗速度為0.0013mg/min。具有Dow Laytex226和抗氧化劑(Octolite424-50)的組合物的消耗速度為0.0005mg/min，這說明在有抗氧化劑時，組合物保持性增加。
使用WingstayS(苯乙烯化苯酚抗氧化劑)聯(lián)合保持劑也得到類似的結(jié)果，此時組合物表現(xiàn)出0.0009mg/min的消耗速度(數(shù)據(jù)未示出)。
此外，在沒有保持劑和有抗氧化劑Octolite424-50時觀察到組合物保持性的類似增加(圖6)。
丙烯酸基保持劑按實(shí)施例1所述制備組合物，但是，在標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)過程的步驟1中向組合物中與保持劑一起加入抗氧化劑(在這種情況下，為Octolite424-50)。保持劑在這種情況下為丙烯酸類保持劑RhoplexAC-264?？寡趸瘎┗Σ量刂平M合物的一個例子列在表13中。
表13具有丙烯酸基保持劑的抗氧化劑樣品組合物
如實(shí)施例8中一樣，使用Amsler機(jī)測定表13中所列組合物的保持性。與包括丙烯酸基保持劑RhoplexAC-264的組合物的消耗速度(其為約0.0019)相比，沒有抗氧化劑的組合物的消耗速度為約0.0026mg.min，這說明在保持劑存在下組合物的保持性增加。
實(shí)施例9包括不同抗氧化劑的組合物按實(shí)施例1所述制備組合物，但是，在標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)過程中，在有或沒有保持劑下在步驟1中向組合物中加入各種抗氧化劑。試驗(yàn)的抗氧化劑包括胺型抗氧化劑，例如Wingstay29(Goodyear Chemicals)；苯乙烯化苯酚型抗氧化劑，例如WingstayS(GoodyearChemicals)；受阻型抗氧化劑，例如WingstayL(Goodyear Chemicals)；硫酯型抗氧化劑，例如WingstaySN-1(Goodyear Chemicals)；包括受阻酚和硫酯的協(xié)同混合物，例如Octolite424-50(Tiarco Chemical)。
試驗(yàn)的組合物列于表14。
表14具有抗氧化劑(不加入保持劑)的摩擦控制組合物
如實(shí)施例8中一樣，使用Amsler機(jī)測定表14中所列組合物的保持性。每種組合物的消耗速度提供在圖7A中。如圖7A所示，與不包含抗氧化劑的摩擦控制組合物相比，所有抗氧化劑都表現(xiàn)出了摩擦控制組合物的保持性增加?？寡趸瘎┑臐舛仍黾?“協(xié)合劑HC”)產(chǎn)生更顯著的降低消耗速度的效果。
按表14所示制備一組類似的組合物，但是，向組合物中加入(8.82wt％)保持劑(RhoplexAC-264)，并減少相應(yīng)wt％的水。如實(shí)施例8所述，使用Amsler機(jī)測定組合物的保持性。每種組合物的消耗速度提供在圖7B中。與沒有抗氧化劑的摩擦控制組合物相比，試驗(yàn)的全部抗氧化劑都表現(xiàn)出摩擦控制組合物保持性的增加。同樣，抗氧化劑的濃度增加(“協(xié)合劑HC”)產(chǎn)生更顯著的降低消耗速度的效果。
實(shí)施例10從金屬表面除去液體防凍劑需要的時間為了減少已用包括防凍劑的HPF或VHPF組合物處理的處于滑動滾動接觸的金屬表面的滑移，可選擇這些組合物的防凍劑組分使得它們具有在鋼表面之間產(chǎn)生的壓力和熱下蒸發(fā)、脫水或分解的特性，所述產(chǎn)生壓力和熱例如通過火車車輪接觸處理過的鋼軌。
在這個實(shí)施例中，評價了幾種備選液體防凍劑在從模擬鋼軌/有軌車輪界面的一對接觸金屬表面中除去所需要的時間，其中這些液體防凍劑可形成摩擦控制組合物液體組分的一部分。從接觸金屬表面的除去時間表現(xiàn)為低于丙二醇的除去時間的防凍劑被認(rèn)為適用于本發(fā)明的VHPF、HPF和LCF組合物。除去時間表現(xiàn)為大于丙二醇的除去時間的防凍劑可在HPF和LCF組合物內(nèi)使用。
通過使用Freezing Point Device(來自Nisku Instruments)測試凝固點(diǎn)溫度來確定防凍劑。將樣品防凍劑放到樣品管內(nèi)，樣品管插入包含固體二氧化碳冷卻的異丙醇的Dewar燒瓶內(nèi)。在樣品管內(nèi)放置溫度計(jì)和攪拌器。在樣品溫度下降過程中觀察作為平臺段的樣品的凝固點(diǎn)。通過使防凍劑與水混合確定防凍劑，并確定得到-20℃的凝固點(diǎn)需要的防凍劑量(數(shù)據(jù)未示出)。在防凍劑-水混合物中以50％(w/w)或更少存在并表現(xiàn)出-20℃或更低的凝固點(diǎn)的防凍劑被認(rèn)為適于進(jìn)一步試驗(yàn)。
如實(shí)施例1所述，使用Amsler機(jī)測定防凍劑的除去時間，除了以控制方式只將防凍劑施加到清潔鋼軌盤上以在鋼軌盤上產(chǎn)生所需厚度的涂層。使用細(xì)漆刷施加防凍劑以確保完全涂敷鋼軌盤的表面。通過稱量施加組合物前和后的盤的重量來確定施加組合物的量。涂層量從2到12mg/盤。將盤裝到Amsler機(jī)上，使其彼此接觸，并放在約760N的載荷下。在施加它們到鋼軌盤上后立即測試施加的樣品，在測試前沒有干燥時間。在3-4％滑移水平(盤直徑53mm和49.5mm)下進(jìn)行測試。用計(jì)算機(jī)由使Amsler機(jī)的兩個輪以恒定速度(232.2RPM)轉(zhuǎn)動測量的扭矩確定摩擦系數(shù)。從盤除去每種樣品需要的時間即除去時間被看作是達(dá)到0.4的摩擦系數(shù)需要的時間。該試驗(yàn)的結(jié)果提供在表15中。
表15防凍劑的保持性性質(zhì)
這些試驗(yàn)證實(shí)，幾種防凍劑表現(xiàn)出比丙二醇除去時間(2468s)低的除去時間，因此，適用于HPF、VHPF和LCF組合物。
在本發(fā)明包括潤滑劑組分的一些組合物中，例如HPF和LCF組合物，能為組合物提供潤滑性質(zhì)的溶劑組分的存在是可以接受的，防凍劑組分不需要通過蒸發(fā)、脫水或分解從組合物中容易地除去。因此，除去時間表現(xiàn)得比丙二醇除去時間高的防凍劑也可用于本發(fā)明的HPF或LCF組合物中。
防凍劑的除去時間與它們的蒸汽壓值相關(guān)。蒸汽壓值因此還可用作從一組備選化合物中選擇合適的備選防凍劑的手段。特征在于蒸汽壓為約0.1(20℃)或更大的防凍劑可用于表現(xiàn)出正摩擦特性的摩擦控制組合物中，例如HPF和VHPF組合物，以及LCF組合物。類似地，特征在于蒸汽壓小于約0.1(20℃)的防凍劑可適用于包括潤滑劑的摩擦控制組合物，例如LCF和HPF組合物。
實(shí)施例11HPF液體摩擦控制組合物這個實(shí)施例描述特征在于表現(xiàn)出高和正摩擦系數(shù)的液體組合物。這些組合物的組分和相關(guān)的凝固點(diǎn)列在表16和17中。在表16和17中，從左至右依次為PG(丙二醇)；DowanolDPM；ProglydeDMM(兩種濃度)；AcrosolvPTB；AcrosolvPnP；和CryotechPnP，它們都用作防凍劑(FDP)。
在本文描述的組合物中還可以使用防凍劑的組合，因?yàn)楫?dāng)兩種或多種防凍劑被混合到一起時能觀察到降低凝固點(diǎn)的協(xié)同效應(yīng)。例如，既包括丙二醇(7％w/w)又包括DowanolDPM(23.5％w/w)的組合物表現(xiàn)出-24.5℃的凝固點(diǎn)(見表16)，但單獨(dú)包括30.5％(w/w，丙二醇和DowanolDPM的總量)丙二醇或DowanolDPM的組合物分別只表現(xiàn)出-15℃或-9℃的凝固點(diǎn)。類似地，既包括丙二醇(14.83％w/w)又包括ProglydeDMM(19.0％w/w)的組合物表現(xiàn)出-28.0℃的凝固點(diǎn)(見表16)。但是，單獨(dú)包括33.83％(w/w，丙二醇和DowanolDPM的總量)丙二醇或ProglydeDPM的組合物分別只表現(xiàn)出-20℃或-10℃的凝固點(diǎn)。防凍劑的其它組合(例如見表16)觀察到類似的協(xié)同結(jié)果。
表16高和正摩擦系數(shù)(HPF)隨車攜帶組合物(FPD防凍劑)
表17高和正摩擦系數(shù)(HPF)軌道旁貨運(yùn)組合物
按實(shí)施例1所述制備液體摩擦控制組合物，并可作為霧化噴霧施加到鋼軌上，但不限制于作為霧化噴霧施加，組合物也不只在鋼軌上使用。
施加每種液體控制組合物到暴露于日光的一段鋼軌上，由18個車軸組成的火車在施加產(chǎn)品后立即通過鋼軌。使用推力摩擦計(jì)測量鋼軌頂部的摩擦系數(shù)，發(fā)現(xiàn)在每種情況下都為約0.33，其在產(chǎn)品的要求范圍內(nèi)。
所述液體摩擦控制組合物降低了鋼軌轉(zhuǎn)彎中的橫向力、噪音、起皺的發(fā)生，并降低了能耗，適合用于鋼軌系統(tǒng)內(nèi)。
實(shí)施例12摩擦控制組合物(HPF)這個實(shí)施例描述特征在于表現(xiàn)出高和正摩擦系數(shù)的替換組合物。這種組合物的組分列于表18。這種組合物經(jīng)證實(shí)凝固點(diǎn)為-28℃。
表18高和正摩擦系數(shù)(HPF)組合物(沒有保持劑)
通過在室溫下向包含總量水的35％的混合筒中緩慢加入流變劑(即膨潤土(鈉蒙脫石)和潤濕劑(即壬基苯氧基多元醇))制備摩擦控制組合物。充分混合混合物的組分，直到形成稠的凝膠。在混合時，按以下順序加入下列余量成分水(剩余的65％)、氨、醚E.B.(如果有的話)、任何其它液體、按照需要的固體潤滑劑(例如鉬)和任何其它固體。充分混合這些組分，直到得到光滑的混合物，以確保固體潤滑劑被良好分散。得到的組合物為粘稠觸變液體，在靜置時為凍膠狀。當(dāng)攪拌或泵送時，組合物的粘度降低。組合物為其連續(xù)相是流變劑并還包含不連續(xù)相固體潤滑劑的基質(zhì)。
可借助本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的設(shè)備如泵或刷子將上述組合物施加到聯(lián)軸器或鋼軌表面等的上面。施加組合物使得組合物薄膜被均勻散布在鋼軌上。薄膜優(yōu)選為直徑大約1/8英寸的微珠。
粘合劑通過吸收組合物中的水起作用。隨著時間流逝，組合物脫水留下固體微珠，從而與以前使用的油脂或聚合物潤滑劑組合物相比增加了潤滑劑和摩擦改性劑到鋼軌的粘合。粘合劑另外保持潤滑劑和摩擦改性劑處于分散狀態(tài)，即使在車輪經(jīng)過鋼軌后，并且還減少了水的再吸收。因此，組合物不會容易地被雨水除去。
該摩擦控制組合物降低了鋼軌轉(zhuǎn)彎中的橫向力、噪音、起皺的發(fā)生，并降低了能耗，適用于鋼軌系統(tǒng)內(nèi)。
實(shí)施例13液體摩擦控制組合物(VHPF)這個實(shí)施例描述了特征在于表現(xiàn)出高和正摩擦系數(shù)的液體組合物。這種組合物的組分列在表19中。這種組合物經(jīng)證實(shí)凝固點(diǎn)為-28℃。
表19非常高的正摩擦系數(shù)(VHPF)組合物(沒有保持劑)
按實(shí)施例22所述制備液體摩擦控制組合物，并可作為霧化噴霧旋加到鋼軌上，但不限制于作為霧化噴霧施加，組合物也不用于只在鋼軌上使用。
當(dāng)滑動的相對速度(滑移)從0增加到約2.5％時組合物產(chǎn)生了在0-0.45范圍內(nèi)的正鋼-鋼摩擦特性，并在滑移增加到約30％時增加到約0.72。這些摩擦系數(shù)水平基本超過用常規(guī)潤滑劑得到的鋼-鋼摩擦系數(shù)水平，并超過美國專利5173204和5308516中公開的潤滑劑組合物的摩擦系數(shù)水平。
實(shí)施例14液體摩擦控制組合物(LCF)這個實(shí)施例描述了特征在于表現(xiàn)出高和正摩擦系數(shù)的液體組合物。這種組合物的組分列在表20中。這種組合物經(jīng)證實(shí)凝固點(diǎn)為-28℃。
表20低摩擦系數(shù)(LCF)組合物(沒有保持劑)
按實(shí)施例22所述制備液體摩擦控制組合物，并可作為霧化噴霧施加到鋼軌上，但不限制于作為霧化噴霧施加，組合物也不用于只在鋼軌上使用。
進(jìn)行類似于實(shí)施例12中所述的試驗(yàn)，記錄得到類似的結(jié)果。
實(shí)施例15通過施加HPF摩擦控制組合物到鋼軌頂部減輕鋼軌磨損這個實(shí)施例說明可通過施加HPF摩擦控制組合物到鋼軌頂部減小鋼軌的軌距和頭部磨損速度。在這個實(shí)施例中，在North Vancouver和Squamish(3.5英里處至39英里處)之間35.5英里的主軌道段上從Hi-rail輸送系統(tǒng)施加作為霧化噴霧的下列HPF摩擦控制組合物。
每周5天進(jìn)行噴霧施加。對于3.5英里處至14英里處的全部彎道，以每個鋼軌1.5L/英里在兩個鋼軌的頂部提供覆蓋層。從14英里處至39英里處，只施加到彎道的低軌上，速度為0.5L/英里每個鋼軌。
下面的表顯示了軌道段的特征。
上述軌道段上的平均年噸數(shù)一貫為13-14MGT。貨車為268000磅(33.5噸軸荷載)。大部分鋼軌頭部都被特級硬化。水壓和機(jī)械軌距面油脂潤滑劑潤滑軌道的軌距面。
使用安裝在卡車上的光學(xué)鋼軌磨損測量系統(tǒng)基于1997到現(xiàn)在收集的數(shù)據(jù)測定鋼軌磨損速度和年度軌道計(jì)劃要求(N.E.Hooper，“Reducing Rail Costs through Innovative Methods”，RailwayTrack and Structures，1993年7月)。使用Industrial MetricsInc.的Rail Wear Analyst軟件(Ver.8.1)分析施加摩擦改性劑前和后在North Vancouver和Squamish之間收集的鋼軌磨損數(shù)據(jù)。該軟件允許詳細(xì)處理和分析大量基于激光或光學(xué)的鋼軌磨損數(shù)據(jù)。軟件尤其用于將鋼軌磨損速度和歷史值進(jìn)行對比。圖8A-D中的結(jié)果顯示了作為曲率函數(shù)的對噸數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化了的頭部損失％和軌距磨損速度，其中A)從1997年6月到2001年6月期間(基線)，和B)從2001年6月到200年6月(施加摩擦改性劑)。數(shù)據(jù)表明，在引入TOR摩擦改性劑噴霧施加后，頭部損失％和軌距磨損速度都降低60-75％(取決于曲率度數(shù))。在這期間噸數(shù)水平保持相對不變。圖9A-B分別圖示了一個特定半英里段的軌距磨損和頭部損失，顯示了從1997年開始的每年的連續(xù)測量結(jié)果。2002年5月(施加摩擦改性劑1年后)的測量值顯示為黑色，表明從前一年開始實(shí)質(zhì)上沒有另外的磨損。
不施加軌道旁油脂潤滑劑進(jìn)行類似的試驗(yàn)，產(chǎn)生類似的頭部％和軌距磨損速度降低，并顯示出對鋼軌軌距和頭部磨損的類似控制。
本文引入所有參考文獻(xiàn)作為參考。
已結(jié)合優(yōu)選的實(shí)施方案描述了本發(fā)明。但是，顯然，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，不脫離本文描述的本發(fā)明的范圍，就可進(jìn)行大量變化和變更。在說明書中，術(shù)語“包括”用作可擴(kuò)展術(shù)語，基本等同于術(shù)語“包括但不限于”，并且詞語“包括”具有相應(yīng)的含義。參考文獻(xiàn)的引用并不是承認(rèn)這種參考文獻(xiàn)為本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種控制鋼軌磨損、有軌車輪磨損或兩者的方法，包括施加高的正摩擦(HPF)組合物到一個或一個以上鋼軌或一個或一個以上有軌車輪的一個或一個以上接觸表面上，其中所述一個或一個以上鋼軌和所述一個或一個以上有軌車輪處于滑動接觸或滑動-滾動接觸。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述一個或一個以上鋼軌包括各自具有頭部和軌距面/軌距轉(zhuǎn)角的低軌和高軌，其中HPF組合物被施加到低軌的頭部，或施加到低軌和高軌兩者的頭部，并且其中低軌和高軌兩者的磨損被控制。
3.權(quán)利要求2的方法，其中HPF組合物被施加到低軌的頭部。
4.權(quán)利要求2的方法，其中HPF組合物被施加到低軌和高軌兩者的頭部。
5.權(quán)利要求2的方法，其中不施加軌道旁油脂潤滑劑就進(jìn)行該方法。
6.權(quán)利要求2的方法，還包括施加HPF組合物到低軌、高軌或低軌和高軌兩者的軌距面/軌距轉(zhuǎn)角上。
7.權(quán)利要求1的方法，其中HPF組合物包括(a)約30％至約95％的水；(b)約0.5％至約50％的流變控制劑；(c)約0.02wt％至約40wt％的潤滑劑，和(d)約0.5wt％至約30wt％的摩擦改性劑，和以下中的一種或一種以上(i)約0.5wt％至約40wt％的保持劑；(ii)約0.5wt％至約2wt％的抗氧化劑；(iii)約0.1wt％至約20wt％的稠度改性劑，和(iv)約10wt％至約30wt％的防凍劑。
8.權(quán)利要求7的方法，其中HPF組合物包括(a)約40％至約95％的水；(b)約0.5％至約50％的流變控制劑；(c)約0.5％至約40％的保持劑；(d)約0.5wt％至約40wt％的潤滑劑，和(e)約0.5wt％至約25wt％的摩擦改性劑。
9.權(quán)利要求7的方法，其中HPF組合物包括(a)約40wt％至約95wt％的水；(b)約0.5wt％至約50wt％的流變控制劑；(c)約0.5wt％至約2wt％的抗氧化劑；(d)約0.5wt％至約40wt％的潤滑劑；(e)約0.5wt％至約25wt％的摩擦改性劑，和(f)約0.5wt％至約40wt％的保持劑。
10.權(quán)利要求7的方法，其中HPF組合物包括(a)約50wt％至約80wt％的水；(b)約1wt％至約10wt％的流變控制劑；(c)約1wt％至約5wt％的摩擦改性劑；(d)約1wt％至約16wt％的保持劑，和(e)約1wt％至約13wt％的潤滑劑。
11.權(quán)利要求7的方法，其中HPF組合物包括(a)約50wt％至約80wt％的水；(b)約1wt％至約10wt％的流變控制劑；(c)約1wt％至約5wt％的摩擦改性劑；(d)約1wt％至約16wt％的保持劑；(e)約1wt％至約13wt％的潤滑劑，和(f)約0.5wt％至約2wt％的抗氧化劑。
12.權(quán)利要求7的方法，其中HPF組合物包括(a)約30wt％至約55wt％的水；(b)約0.5wt％至約20wt％的流變控制劑；(c)約0.1wt％至約20wt％的稠度改性劑；(d)約10wt％至約30wt％的防凍劑；(e)約0.5wt％至約20wt％的保持劑；(f)約0.02wt％至約30wt％的潤滑劑，和(g)約0.5wt％至約30wt％的摩擦改性劑。
13.權(quán)利要求2的方法，還包括施加中性摩擦特性(LCF)組合物到高軌或低軌和高軌兩者的軌距面/軌距轉(zhuǎn)角上。
14.權(quán)利要求13的方法，其中中性摩擦特性(LCF)組合物被施加到高軌的軌距面上。
15.權(quán)利要求13的方法，其中中性摩擦特性(LCF)組合物被施加到低軌和高軌兩者的軌距面上。
16.權(quán)利要求13的方法，其中LCF組合物包括(a)約30％至約95％的水；(b)約0.5％至約50％的流變控制劑；(c)約0.02wt％至約40wt％的潤滑劑，和以下中的一種或一種以上(i)約0.5wt％至約40wt％的保持劑；(ii)約0.5wt％至約2wt％的抗氧化劑；(iii)約0.1wt％至約20wt％的稠度改性劑，和(iv)約10wt％至約30wt％的防凍劑。
17.權(quán)利要求16的方法，其中LCF組合物包括(a)約40wt％至約80wt％的水；(b)約0.5wt％至約50wt％的流變控制劑；(c)約0.5wt％至約40wt％的保持劑；和(d)約1wt％至約40wt％的潤滑劑。
18.權(quán)利要求16的方法，其中LCF組合物包括(a)約40wt％至約80wt％的水；(b)約0.5wt％至約50wt％的流變控制劑；(c)約1wt％至約40wt％的潤滑劑；(d)約0.5wt％至約90wt％的保持劑；和(e)約0.5wt％至約2wt％的抗氧化劑。
19.權(quán)利要求16的方法，其中LCF組合物包括(a)約30wt％至約55wt％的水；(b)約0.5wt％至約20wt％的流變控制劑；(c)約0.1wt％至約20wt％的稠度改性劑；(d)約10wt％至約30wt％的防凍劑；(e)約0.5wt％至約20wt％的保持劑，和(f)約1wt％至約30wt％的潤滑劑。
20.減輕兩個鋼元件中的一個或兩個的磨損的方法，包括施加高的正摩擦(HPF)組合物到兩個鋼元件中一個或兩個的一個或一個以上表面上，其中兩個鋼元件處于滑動或滑動-滾動接觸。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明，提供一種減輕表面處于滑動或滑動－滾動接觸的兩個鋼元件的一個或兩個的磨損的方法。該方法包括施加HPF摩擦控制組合物到兩個鋼元件中一個或兩個的一個或一個以上接觸表面上。在具體的例子中，HPF摩擦控制組合物包括流變控制劑、潤滑劑、摩擦改性劑，以及保持劑、抗氧化劑、稠度改性劑和防凍劑中的一種或一種以上。
文檔編號B61K3/00GK1816612SQ200480019038
公開日2006年8月9日 申請日期2004年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月2日
發(fā)明者D·T·伊迪 申請人:凱爾桑技術(shù)公司