减轻滑动－滚动接触中钢元件磨损的方法

专利名称：减轻滑动－滚动接触中钢元件磨损的方法
技术领域：
本发明涉及控制钢轨磨损、有轨车轮磨损或两者的方法。更特别地，本发明涉及控制一个或一个以上钢轨的磨损、一个或一个以上有轨车轮的磨损或两者的方法，其中所述一个或一个以上钢轨和所述一个或一个以上有轨车轮滑动接触或滑动-滚动接触。
背景技术：
滑动接触或滚动-滑动接触的金属机械部件的摩擦和磨损的控制在许多机器和机械系统的设计和运行中具有巨大重要性。例如，许多钢轨和钢轮运输系统包括货物、旅客和公共交通系统受到发出高噪音水平、机械部件如轮、钢轨和其它轨道部件如拉杆的深度磨损的困扰。这种噪声发射的起源和机械部件的磨损可能直接归因于系统运转过程中轮和钢轨之间产生的摩擦力和行为。
在轮在钢轨上滚动的动态系统中，存在不断移动的接触区域。为了讨论和分析，简便地在钢轨和轮移动通过接触区域时将接触区域作为静态处理。当轮正好以与钢轨相同的方向经过接触区域时，轮处于在钢轨上滚动接触的最佳状态。但是，由于轮和钢轨具有一定的形状，经常方向偏离，并经历严格滚动以外的运动，因此轮和钢轨通过接触区域的各自的速度不总是相同的。当固定轴有轨车通过转弯时经常观察到这种情况，其中如果内和外轮以不同的圆周速度转动，则真正的滚动接触只保持在两个钢轨上。这在大多数固定轴有轨车上是不可能的。因此，在这种条件下，轮相对于钢轨进行复合的滚动和滑动运动。当牵引力在斜坡上消失从而导致驱动轮滑动时也可能会出现滑动运动。
滑动运动的大小大致取决于接触点处钢轨和轮速度之间以百分率表示的差异。这种百分率差异称为滑移。
在大于约1％的滑移水平下，由于滑动而产生相当大的摩擦力，这些摩擦力导致噪声和部件的磨损(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页，本文引入其作为参考)。噪声发射是轮和钢轨系统之间存在的负摩擦特性的结果。负摩擦特性为其中在滑移曲线饱和区域中轮和钢轨之间的摩擦通常随系统滑移增加而减少的一种特性。理论上，可通过使机械系统非常刚硬、减小运动部件之间的摩擦力至非常低的水平或通过改变摩擦特性从负性到正性，也就是通过增加滑移曲线饱和区域中钢轨和轮之间的摩擦来减小或消除轮-钢轨系统上的噪声和磨损水平。不幸的是，通常是不可能给予机械系统更大的刚度，如在大多数火车使用的轮和钢轨系统的情况下。或者，减小轮和钢轨之间的摩擦力可能大大妨碍附着和刹车，不总是适用于钢轨应用。在许多情况下，在轮和钢轨之间提供正摩擦特性能有效降低噪声水平和部件磨损。
还已知，火车轮和钢轨的磨损可能被因使火车在轨道上移动需要的间隙的存在引起的持久往复运动而增强。这些影响可在钢轨表面上产生波动波型，并称为起皱。起皱增加了噪声水平，超过光滑钢轨-轮界面的那些，并最终只能通过磨削或机械加工钢轨和轮表面来解决问题。这既费时又昂贵。
在本领域中有大量已知的润滑剂，它们中的一部分被设计用于在铁路和快速交通系统上减少钢轨和轮磨损。例如，US4915856公开了一种固体抗磨损抗摩擦润滑剂。产品为悬浮在固体聚合载体中的抗磨损剂和抗摩擦剂的组合，用于施加到钢轨顶上。载体对轮的摩擦激活抗磨损剂和抗摩擦剂。但是，产品不能表现出正摩擦特性。另外，产品为保持性差的固体组合物。
US 5308516、US 5173204和WO 90/15123涉及具有高和正摩擦特性的固体摩擦改性剂组合物。这些组合物表现出作为滑移函数的提高的摩擦，并包括树脂以提供这些配方的固体相容性。使用的树脂包括胺和聚酰胺环氧树脂、聚氨酯、聚酯、聚乙烯或聚丙烯树脂。但是，为了最佳性能，这些组合物要求在闭环系统中连续施加。
欧洲专利申请0372559涉及润滑用固体涂料组合物，其能为施加它的地方提供最佳摩擦系数，同时能降低磨损量。但是，该组合物不具有正摩擦特性。此外，没有显示这些组合物在施加它们的表面上为了耐久性或保持性而被优化。
存在与使用现有技术的组合物包括固体粘性组合物有关的几个缺陷。首先，如果噪声问题只在钢轨上少数几个特定位置处存在，则用摩擦改性剂粘性组合物装备有轨车并施加到大段钢轨上将是浪费。其次，一些铁路具有可能持续长至120天的维护周期。目前没有能使固体润滑剂或摩擦改性剂维持这段时间的粘合技术。第三，北美的货运作业对货车来说分散在整个洲内，因此许多有轨车(如果不是全部的话)需要摩擦改性剂粘合剂，这是昂贵的和不实际的。同样，使用固体粘合剂的钢轨摩擦处理的顶部需要封闭系统以在钢轨上获得摩擦改性剂产品的充分堆积。封闭系统基本为没有外部火车进入或离开系统的被控制车队。尽管城市运输系统一般是封闭的，但货运系统一般由于车的普遍互换而是开放的。在这种系统中，固体粘合技术可能是不太实用的。
由于现有技术的大多数润滑剂组合物被配制成固体粘合剂或为粘性液体(糊)，因此它们不能作为雾化喷雾施加到滑动和滚动-滑动系统上。以雾化喷雾形式使用液体摩擦控制组合物在许多情况下减少了要施加到钢轨系统上的组合物量，并在所需点处提供了摩擦改性剂组合物的更均匀分布。此外，雾化喷雾迅速干燥，这可能致使不需要的机车轮滑动的可能性最小。
施加液体基组合物到钢轨顶部或到有轨车轮上具有超过使用被施加到轮上的固体粘合输送系统的明显优点。使用液体系统允许通过hirail、路旁或车载系统定点施加。对于连续施加产品到轮上的固体输送系统，这种特定施加是不可能的。此外，固体粘合施加方法的低转移速度在轨道完全被处理之前不产生任何益处。由于必须要被覆盖的大量轨道和不具有固体粘合润滑剂的有轨车的存在，这对于1类铁路线是不太可能的情况。液体系统避免了这个问题，因为产品被施加到轨道顶部，使火车的所有轴与它接触，并立即从产品受益。但是，并不总是这样，因为被施加的薄膜保持粘着在轨道上并提供摩擦控制的能力是有限的。在有些条件下，液体产品在一列火车经过前就已经磨损了。
WO 98/13445(本文引入作为参考)描述了几种水基组合物，这些组合物展现了一系列在滚动-滑动接触中在两个钢体之间包括正摩擦特性的摩擦组合物。尽管表现出与摩擦控制有关的几种希望的性质，但这些组合物表现出低保持力，不能长期保持与钢轨结合在一起，为了最佳性能需要反复施加。而且，由于这些组合物为水基的，可使用它们的温度范围的下限受到限制。这些组合物可用于特殊应用，但是，为了最佳性能，需要反复再施加，并存在相关的成本增加。另外，由于这些液体组合物的几种特性，发现这些组合物不适用于雾化喷雾应用。WO 02/26919(本文引入作为参考)，也公开了水基摩擦控制剂，其包括延长组合物在钢表面上的有益性质的保持剂。
美国专利6387854和5492642公开了水基润滑组合物，包括MW为约2500的聚亚氧烷基二醇润滑剂、MW为约12000的聚亚氧烷基二醇增稠剂和溶剂(如丙二醇)。但是，美国专利6387854和5492642公开的组合物没有正摩擦特性。与摩擦改性剂例如本文描述的HPF组合物不同，这些材料为纯粹的润滑剂。如果施加到钢轨顶部上，这些类型的润滑剂需要高级、复杂和昂贵的控制系统来避免轮滑动或刹车的问题。如本文描述的真正摩擦改性剂不需要这种应用控制。
转弯处的高横向力的不利影响在重型运输中正日益受到关注。尽管定量关系难以得到，但认识到高横向力在加速轨道结构破坏、钢轨磨损和钢轨滚转出轨中是重要的因素。横向力取决于轮-轨界面处的摩擦系数(COF)、火车操作、轨道几何形状、有轨卡车的转向能力和轮/轨轮廓(D.Creggar，Seventh Annual Advanced Rail ManagementRail/Wheel Interface Seminar，Chicago May 2000)。由于铁路降低了成本和提高了效率，轨顶部摩擦控制已作为控制横向力的可行选择，代表了减轻铁路应力状态和相关轨道结构破坏的替代途径。取代了为更好适应横向火车力而在轨道部件升级和加强中的连续投资，这种技术可通过在轮-轨界面处改进的摩擦管理减轻这些力。
本发明提供减轻表面处于滑动或滑动-滚动接触的两个钢元件中一个或两个的磨损的方法，两个钢元件尤其是处于滑动或滑动-滚动接触的有轨车轮和钢轨。该方法包括施加高和正(HPF)摩擦控制组合物到两个钢表面中一个或两个的一个或一个以上表面上。
本发明的目的是克服现有技术的缺陷。通过结合主权利要求中的特征达到上述目的。从属权利要求公开了本发明的更有利实施方案。
发明概述本发明涉及控制钢轨磨损、有轨车轮磨损或两者的方法。更特别地，本发明涉及控制一个或一个以上钢轨的磨损、一个或一个以上有轨车轮的磨损或两者的方法，其中所述一个或一个以上钢轨和所述一个或一个以上有轨车轮处于滑动接触或滑动-滚动接触。
本发明提供控制钢轨磨损、有轨车轮磨损或两者的方法，包括施加高正摩擦(HPF)组合物到一个或一个以上钢轨或一个或一个以上有轨车轮的一个或一个以上接触表面上，其中所述一个或一个以上钢轨和所述一个或一个以上有轨车轮处于滑动接触或滑动-滚动接触。
本发明还涉及上述方法，其中HPF组合物包括流变控制剂、润滑剂、摩擦改性剂，以及保持剂、抗氧化剂、稠度改性剂和防冻剂中的一种或一种以上。
本发明还涉及如上所述的方法，其中HPF组合物包括(a)约30％至约95％的水；(b)约0.5％至约50％的流变控制剂；(c)约0.02wt％至约40wt％的润滑剂，和(d)约0.5wt％至约30wt％的摩擦改性剂，和以下中的一种或一种以上(i)约0.5wt％至约40wt％的保持剂；(ii)约0.5wt％至约2wt％的抗氧化剂；(iii)约0.1wt％至约20wt％的稠度改性剂，和(iv)约10wt％至约30wt％的防冻剂。
本发明还提供如上所述的方法，其中HPF组合物包括(a)约40％至约95％的水；(b)约0.5％至约50％的流变控制剂；(c)约0.5％至约40％的保持剂；(d)约0.5wt％至约40wt％的润滑剂，和(e)约0.5wt％至约25wt％的摩擦改性剂。
本发明还涉及上述方法，其中HPF组合物包括(a)约40wt％至约95wt％的水；
(b)约0.5wt％至约50wt％的流变控制剂；(c)约0.5wt％至约2wt％的抗氧化剂；(d)约0.5wt％至约40wt％的润滑剂；(e)约0.5wt％至约25wt％的摩擦改性剂，和(f)约0.5wt％至约40wt％的保持剂。
本发明甚至还涉及如上所述的方法，其中HPF组合物包括(a)约50wt％至约80wt％的水；(b)约1wt％至约10wt％的流变控制剂；(c)约1wt％至约5wt％的摩擦改性剂；(d)约1wt％至约16wt％的保持剂，和(e)约1wt％至约13wt％的润滑剂。
本发明还提供上述方法，其中HPF组合物包括(a)约50wt％至约80wt％的水；(b)约1wt％至约10wt％的流变控制剂；(c)约1wt％至约5wt％的摩擦改性剂；(d)约1wt％至约16wt％的保持剂；(e)约1wt％至约13wt％的润滑剂，和(f)约0.5wt％至约2wt％的抗氧化剂。
本发明还涉及上述方法，其中HPF组合物包括(a)约30wt％至约55wt％的水；(b)约0.5wt％至约20wt％的流变控制剂；(c)约0.1wt％至约20wt％的稠度改性剂；(d)约10wt％至约30wt％的防冻剂；(e)约0.5wt％至约20wt％的保持剂；(f)约0.02wt％至约30wt％的润滑剂，和(g)约0.5wt％至约30wt％的摩擦改性剂。
本发明还涉及上述方法，其中所述一个或一个以上钢轨包括各自具有头部和轨距面/轨距转角的低轨和高轨，其中HPF组合物被施加到低轨的头部，或低轨和高轨两者的头部，并且其中高轨和低轨两者的磨损被控制。
本发明还涉及上述方法，其中不施加轨道旁油脂润滑剂进行该方法。
本发明还涉及上述方法，其中所述一个或一个以上钢轨包括各自具有头部和轨距面/轨距转角的低轨和高轨，其中HPF组合物被施加到低轨的头部，或低轨和高轨两者的头部，并且HPF组合物还被施加到低轨、高轨或低轨和高轨两者的轨距面/轨距转角上，并且其中高轨和低轨两者的磨损被控制。
本发明还涉及上述方法，其中所述一个或一个以上钢轨包括各自具有头部和轨距面/轨距转角的低轨和高轨，其中HPF组合物被施加到低轨的头部，或低轨和高轨两者的头部，并且中性摩擦特性(LCF)组合物被施加到高轨的轨距面/轨距转角上或低轨和高轨两者的轨距面/轨距转角上，并且其中高轨和低轨两者的磨损被控制。
本发明还涉及刚刚限定的方法，其中LCF组合物包括流变控制剂、润滑剂，以及保持剂、抗氧化剂、稠度改性剂和防冻剂中的一种或一种以上。
本发明还涉及刚刚限定的方法，其中LCF组合物包括(a)约30wt％至约95wt％的水；(b)约0.5wt％至约50wt％的流变控制剂；(c)约0.02wt％至约40wt％的润滑剂，和以下中的一种或一种以上(i)约0.5wt％至约40wt％的保持剂；(ii)约0.5wt％至约2wt％的抗氧化剂；(iii)约0.1wt％至约20wt％的稠度改性剂，和(iv)约10wt％至约30wt％的防冻剂。
在另一例子中，LCF组合物包括(a)约40wt％至约80wt％的水；(b)约0.5wt％至约50wt％的流变控制剂；(c)约0.5wt％至约40wt％的保持剂；和
(d)约1wt％至约40wt％的润滑剂。
在又一例子中，LCF组合物包括(a)约40wt％至约80wt％的水；(b)约0.5wt％至约50wt％的流变控制剂；(c)约1wt％至约40wt％的润滑剂；(d)约0.5wt％至约90wt％的保持剂；和(e)约0.5wt％至约2wt％的抗氧化剂。
在又一个例子中，LCF组合物包括(a)约30wt％至约55wt％的水；(b)约0.5wt％至约20wt％的流变控制剂；(c)约0.1wt％至约20wt％的稠度改性剂；(d)约10wt％至约30wt％的防冻剂；(e)约0.5wt％至约20wt％的保持剂，和(f)约1wt％至约30wt％的润滑剂。
本发明还提供减轻表面处于滑动-滚动接触的两个钢元件的一个或两个的磨损的方法，包括施加高正摩擦(HPF)组合物到两个钢元件中一个或两个的一个或一个以上表面上。
本发明的方法中使用的组合物表现出能很好适于各种使需要施加的组合物量最小的施加技术的性质。通过使用这些施加技术，可达到给予精确量的组合物。例如，液体组合物适合于喷涂到表面上，从而确保表面的均匀涂敷，和要使施加的组合物量最佳。此外，通过组合施加技术，或施加器的位置，可施加组合物的组合到处于滑动-滚动接触的不同表面上以优化磨损，并减少噪声和其它性质，例如横向力和拉杆牵引力。
由于本发明的方法不需要施加轨道旁油脂润滑剂，因此它是节省成本的，并减少了由喷洒到环境中的轨道旁油脂引起的污染。
该概述没有必要描述本发明的全部必需特征，但是本发明还可在于所述特征的子组合。
附图简述本发明的这些和其它特征将从下面参考附图的描述中变得更明显，其中

图1显示了三种不同摩擦改性剂配方的摩擦系数对滑移％的示意图。图1A显示特征在于具有中性摩擦特性的摩擦改性剂的摩擦系数对滑移％，参见实施例1-LCF。图1B显示特征在于具有正摩擦特性的摩擦改性剂的摩擦系数对滑移％，参见实施例1-HPF。图1C显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剂的摩擦系数对滑移％，参见实施例1-VHPF。
图2显示描述干的轮-轨系统和包括本发明的液体摩擦控制组合物的轮-轨系统的货运噪音啸声的示意图。
图3显示本发明的液体摩擦控制组合物的保持性的示意图。图3A显示使用Amsler机测定的保持性作为组合物中保持剂(RhoplexAC264)的重量百分数的函数。图3B显示列车在没有任何摩擦改性剂组合物时重复经过6°转弯时的横向力基线。图3C显示列车在施加实施例1的摩擦控制组合物(HPF)而不提供任何凝固时间时重复经过6°转弯时的横向力的减少。图3D显示列车在以0.150L/英里的速度施加实施例1的摩擦控制组合物(HPF)后重复经过6°转弯时的横向力的减少。在约5000次轮轴经过并允许摩擦改性剂组合物在任何火车经过前凝固后观察到横向力的增加。在没有保持剂时，在约100-200次轮轴经过后观察到横向力的增加(未提供数据)。图3E显示表明随摩擦控制组合物施加速度增加而横向力减少的结果汇总。
图4显示本发明的液体摩擦控制组合物的保持性作为组合物中流变控制剂重量百分比的函数的示意图。
图5显示包含抗氧化剂(例如但不限于Octolite 424-50)和保持剂(例如但不限于Dow Latex 226)的液体摩擦控制组合物的保持性作为循环次数和消耗组合物质量的函数的示意图。
图6显示包含抗氧化剂(例如但不限于Octolite 424-50)但没有保持剂的液体摩擦控制组合物的保持性作为循环次数和消耗组合物质量的函数的示意图。
图7显示在有或没有保持剂时包含不同抗氧化剂的液体摩擦控制组合物的保持性的示意图。图7A显示在没有保持剂时包含不同抗氧化剂的液体摩擦控制组合物的保持性作为循环次数和消耗组合物质量的函数。图7B显示在有丙烯酸基保持剂(Rhoplex AC 264)时包含不同抗氧化剂的液体摩擦控制组合物的保持性作为循环次数和消耗组合物质量的函数。
图8显示North Vancouver，BC和Squamish，BC之间的一段轨道的标准化为吨位作为曲率的函数的轨距和头部磨损速度。图8A显示从1997年6月到2001年6月轨道的基轨轨距磨损速度。图8B显示轨道在从2001年6月到2002年6月一年内的轨距磨损速度，其中轨道的头部部分在1年内用HPF摩擦控制组合物喷涂。图8C显示轨道从1997年6月到2001年6月的基轨头部磨损速度。图8D显示轨道在从2001年6月到2002年6月的1年内的轨道头部磨损速度，其中轨道的头部部分在1年内用HPF摩擦控制组合物喷涂。
图9A-B显示North Vancouver，BC和Squamish，BC之间半英里轨道段从1999年1月到2000年5月的轨距磨损和轨头磨损的示意图。在2002年5月进行测量之前，用HPF摩擦控制组合物处理轨道大约1年时间。
优选实施方案描述本发明涉及控制钢轨磨损、有轨车轮磨损或两者的方法。更特别地，本发明涉及控制一个或一个以上钢轨的磨损、一个或一个以上有轨车轮的磨损或两者的方法，其中所述一个或一个以上钢轨和所述一个或一个以上有轨车轮处于滑动接触或滑动-滚动接触。
下面的描述仅仅是举例性的优选实施方案，不限制实施本发明所需的特征组合。
本发明的高和正(HPF)摩擦控制组合物一般包括流变控制剂、润滑剂、摩擦改性剂，以及保持剂、抗氧化剂、稠度改性剂和防冻剂中的一种或一种以上。本发明的组合物中可包括的其它任选组分包括润湿剂和防腐剂。如果需要液体配方，则本发明的摩擦控制组合物还可包括水或另一与组合物相容的溶剂。即使本发明的组合物在包括水或其它相容溶剂时，能有效用于液体配方内，组合物可被配制成糊或固体形式，并且这些组合物表现出本文所述摩擦组合物的许多优点。本文所述的组合物还可按照需要包括润湿剂、分散剂、抗菌剂等。
术语“抗氧化剂”是指在有或没有保持剂存在下能增加保留在表面上的摩擦控制组合物量的化学物质、化合物或其组合，从而导致摩擦控制组合物有效工作寿命或耐久性的增加。抗氧化剂包括但不限于胺型抗氧化剂，例如但不限于Wingstay29；苯乙烯化酚型抗氧化剂，例如但不限于Wingstay S；受阻型抗氧化剂，例如但不限于WingstayL；硫酯型抗氧化剂(也称为第二抗氧化剂)，例如但不限于WingstaySN-1；或它们的组合，例如但不限于包括受阻苯酚和硫酯的协同混合物，例如但不限于Octolite424-50。
优选的抗氧化剂为Goodyear Chemicals的WingstayS、WingstayL和WingstaySN-1，和Tiarco Chemical的Octolite424-50。
术语“正摩擦特性”是指处于滑动或滚动-滑动接触的两个表面之间的摩擦系数随两个表面之间的滑移增加而增加。术语“滑移”为本领域中的常用术语，它的含义对本领域的技术人员是容易明白的。例如，在铁路工业中，滑移可被描述为钢轨滑动移动速度的大小相对于轮和钢轨之间接触点处轮切线速度大小的百分比差异，假设接触区域不动和动态的钢轨和轮。
本领域中的各种方法可用于确定摩擦控制组合物是否表现出正摩擦特性。例如，但不希望被限制，在实验室中，可使用盘式流变仪或Amsler机确定正摩擦特性((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页，本文引入作为参考)。Amsler机由两个平行的盘组成，盘依靠着两个盘施加的可变载荷彼此运行。设计这种装置模拟滑动-滚动接触的两个钢表面。调整盘使得一个盘的轴比另一个运行快约10％。通过改变盘的直径，可得到不同的滑移水平。测量由盘之间摩擦引起的扭矩，并由扭矩测量值计算摩擦系数。在测定摩擦改性剂组合物的摩擦特性时，优选摩擦控制组合物在进行摩擦特性测量前是充分干燥的。但是，使用湿或半干摩擦控制组合物的测量可提供与摩擦控制组合物有关的附加信息。同样，可使用具有专门设计的小车和轮的火车测定滑移特性，这些专门设计的小车和轮能测量作用在钢轨和轮之间接触决处的力，并同时测定横向和纵向上的滑移速度。
显然，对于本领域的一些技术人员来说，可使用其它两滚轮系统测定组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页，本文引入作为参考)。在野外时可使用例如但不限于推力摩擦计或TriboRailer测定组合物的滑动摩擦特性(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页，本文引入其作为参考)。
图1A显示了特征在于具有中性摩擦特性(LCF)的组合物的典型摩擦系数对滑移％曲线的示意图，使用amsler机测定，随着滑移增加，有低的摩擦系数。如本文所述，LCF特征在于当用推力摩擦计测量时具有小于约0.2的摩擦系数。优选地，在野外条件下，LCF表现出约0.15或更低的摩擦系数。正摩擦特性为轮和钢轨系统之间的摩擦随系统滑移增加而增加的一种特性。图1B和图1C分别显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)特性的组合物的典型摩擦系数对滑移％曲线的示意图。如本文所述，HPF特征在于当用推力摩擦计测量时具有约0.28至约0.4的摩擦系数。优选地，在野外条件下，HPF表现出约0.35的摩擦系数。VHPF特征在于当用推力摩擦计测量时具有约0.45至约0.55的摩擦系数。优选地，在野外条件下，VHPF表现出0.5的摩擦系数。
与弯曲轨道有关的轮啸声可能是由几个因素引起，包括与轨距面接触的轮缘，和由于轮横跨轨头横向滑移引起的粘滞滑动。不希望受理论约束，轮横跨轨头的横向滑移被认为是引起轮啸声的最可能原因，而与轨距接触的轮缘扮演重要但次要的角色。如本文所述，研究证实，不同的摩擦控制组合物可被施加到钢轨-轮界面的不同面上以有效控制轮啸声。例如，具有正摩擦特性的组合物可被施加到钢轨-轮界面的头部，以减少行驶面横跨轨头的横向粘滞滑动，而低摩擦改性剂组合物可被施加到钢轨-轮缘的轨距面以减少火车牵引轴的车轮贴靠效应(flanging effect)。
术语“接触表面”是指与第二元件表面接触的第一元件的表面。例如，如果第一元件是钢轨，第二表面是有轨车轮，则钢轨上的接触表面可为钢轨头部，其可与有轨车轮的轮行驶面接触，或可为钢轨的轨距面/轨距转角，其可与有轨车轮缘的内表面接触。
术语“高轨”和“低轨”分别指在横向倾斜弯道上的一段轨道的外轨和内轨。
术语“轨距面/轨距转角”是指钢轨的内垂直部分(轨距面)和轨距面和轨头之间的表面(轨距转角)，它们可与轮缘的内表面和有轨车轮的凹入-上部-轮缘(或内行驶面)表面接触。
术语“轨头”是指与有轨车轮的行驶面接触的钢轨的顶部或水平部分。
术语“流变控制剂”是指能吸收液体例如但不限于水并物理溶胀的化合物。流变控制剂还可用作增稠剂，并帮助保持组合物的组分处于分散形式。这种试剂用于使活性成分以均匀方式悬浮在液相中，并用于控制组合物的流动性质和粘度。这种试剂还通过改变摩擦改性剂组合物的干燥特性起作用。此外，流变控制剂可提供能在非连续相基质中保持固体润滑剂的连续相基质。流变控制剂包括但不限于粘土如膨润土(蒙脱土)和锂蒙脱石，例如但不限于Hectabrite；Rheolate244(一种聚氨酯)；酪蛋白(caseine)；羧甲基纤维素(CMC，如Celflow)；羧羟甲基纤维素；包括脱水葡萄糖单元的取代纤维素化合物，脱水葡萄糖单元各自被选自甲基、羟丙基、羟乙基和它们的混合的基团取代；乙氧基甲基纤维素、脱乙酰壳多糖、淀粉和它们的混合物。包括脱水葡萄糖单元的取代纤维素化合物的非限制性例子包括METHOCEL(Dow Chemical Company)、Metolose(ShinEtsu)、MecelloseHPMC(Samsung)和HBR(一种羟乙基纤维素)。
在特别的实施方案中，流变控制剂为包括脱水葡萄糖单元的取代纤维素化合物，脱水葡萄糖单元各自被选自甲基、羟丙基、羟乙基和它们的混合的基团取代。在另一实施方案中，取代纤维素化合物的每个脱水葡萄糖单元被平均约1.3至约1.9个取代基取代。
术语“稠度改性剂”是指能使本发明的摩擦控制组合物被配制成所需稠度的任何材料。稠度改性剂的例子包括但不限制于甘油、醇、二醇如丙二醇或它们的组合。另外，稠度改性剂可改变摩擦控制组合物的其它性质，如组合物的低温性质，和在一定程度上用作防冻剂，借此能使本发明的摩擦控制组合物被配制用于在不同温度下工作。
术语“防冻剂”是指当加入到本发明的组合物中时会导致组合物的凝固点相对于缺少防冻剂的相同组合物的凝固点降低的任何材料，例如相对于缺少防冻剂的相同组合物能降低组合物的凝固点至少1℃，或至少10℃，或至少15℃。除了稠度改性剂外，可向本发明的组合物中加入防冻剂。通过施加包括防冻剂的本发明的HPF组合物产生的薄膜的摩擦系数应为约0.3至约0.4。
防冻剂的非限制性例子包括二醇，如丙二醇，或二醇醚，更特别地，丙二醇醚，或乙二醇醚，例如但不限制于DowanolEB(乙二醇丁醚)。防冻剂还可选自二丙二醇甲醚、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组成的组。但是，应认识到这个组应被视为非限制性的。
防冻剂还可为盐，例如盐酸甜菜碱、氯化铯、氯化钾、醋酸钾、醋酸钠、铬酸钾、氯化钠、甲酸钠或三聚磷酸钠。
此外，防冻剂可为包括金属醋酸盐如醋酸钾或醋酸钠的组合物。这种组合物的例子包括但不限制于CryotechE36，其包括醋酸钾，和CryotechNAAC，其包括醋酸钠。
防冻剂还可为酸如柠檬酸、乳酸或琥珀酸，杂环胺如烟酰胺，芳醇如苯酚，氨基酸，氨基酸衍生物，如甜菜碱，或碳水化合物，如D-(+)-木糖。
为了防止火车在用本发明的HPF或VHPF组合物处理的钢轨上有可感到的打滑，优选这些组合物的溶剂组分，在一些情况下，包括液体稠度改性剂和液体防冻剂，(i)在组合物被施加到钢轨上后立刻蒸发，或(ii)在接触处理的钢轨的火车轮产生的压力和热下容易蒸发、脱水或分解，或(i)和(ii)两者。在包括润滑剂组分的本发明的一些组合物中，例如HPF和LCF组合物，为组合物提供润滑性质的防冻剂组分的存在是可以接受的，并且防冻剂组分不需要是可以容易地通过蒸发、脱水或分解从组合物中除去的。希望防冻剂的特征在于具有高闪点，例如为93℃或以上。但是，如本文所述，也可使用具有较低闪点的防冻剂。
在实施例10中，在模拟移动机车轮和钢轨的界面处存在的那些条件的条件下，使用Amsler机评价几种非限制性的候选液体防冻剂，以估计它们中的每一种从一对金属盘表面蒸发、脱水或分解需要的时间。在这个实施例中，认为表现出从盘金属表面除去时间较快的液体防冻剂适用于表现出正摩擦特性的摩擦控制组合物，例如HPF和VHPF组合物。但是，应认识到这些组合物也可用于LCF组合物。较快的除去时间是指除去时间小于丙二醇(1，2-丙二醇)的除去时间。在实施例10中使用的条件下，利用丙二醇在约2500秒时得到0.4的摩擦系数(见表15，实施例10)。因此，当使用实施例10中限定的装置和条件试验时，除去时间为约2500秒或更少的防冻剂可用于VHPF、HPF和LCF组合物中。
相反，证实从盘金属表面的除去时间较长即除去时间大于约2500秒(使用实施例10中限定的条件测定)的防冻剂可适用于包括润滑剂的摩擦控制组合物，例如LCF和HPF组合物。
发现在实施例10中试验的防冻剂的除去时间与它们的蒸汽压值相关。这种关联表明蒸汽压也可用于确定候选液体防冻剂是否适用于本发明的摩擦控制组合物，例如VHPF、HPF或LCF。例如，丙二醇的蒸汽压为约0.129(20℃；见表15，实施例10)，因此，特征在于蒸汽压为约0.1(20℃)或更大的液体防冻剂可用于表现出正摩擦特性的摩擦控制组合物，例如，HPF和VHPF组合物，以及LCF组合物。同样，特征在于蒸汽压小于约0.1(20℃)的防冻剂可适用于包括润滑剂的摩擦控制组合物，例如LCF和HPF组合物。
表现出从盘金属表面除去时间较快或蒸汽压大于0.1(20℃)的防冻剂可适用于表现出正摩擦特性的摩擦控制组合物，例如HPF、VHPF和LCF组合物。表现出快除去时间的合适防冻剂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(二丙二醇单丙醚)和丙二醇。
表现出从盘金属表面除去时间较长或蒸汽压小于0.1(20℃)并可用于包括润滑剂的摩擦控制组合物例如LCF和HPF组合物的防冻剂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)。
应认识到也可在本文描述的组合物中使用防冻剂的组合，因为当将两种或多种防冻剂混合到一起时能观察到降低凝固点的协同作用(见表16和17，实施例11)。
例如，包括7％(w/w)丙二醇的组合物表现出约-3℃的凝固点，包括23.5％(w/w)DowanolDPM的组合物表现出约-6℃的凝固点。但是，包括丙二醇(7％w/w)和DowanolDPM(23.5％w/w)的组合物表现出-24.5℃的凝固点(见表16，实施例11)。单独包含30.5％(w/w，丙二醇和DowanolDPM的总量)的丙二醇或DowanolDPM的组合物分别表现出只有-15℃或-9℃的凝固点。
同样，包括14.83％(w/w)丙二醇的组合物表现出约-4℃的凝固点，包括19.0％(w/w)ProglydeDMM的组合物表现出约-3℃的凝固点。包括丙二醇(14.83％w/w)和ProglydeDMM(19.0％w/w)的组合物表现出-28.0℃的凝固点(见表16，实施例11)。但是，单独包含33.83％(w/w，丙二醇和DowanolDPM的总量)的丙二醇或ProglydeDPM的组合物分别表现出只有-20℃或-10℃的凝固点。利用防冻剂的其它组合可观察到类似的协同作用结果。
术语“摩擦改性剂”是指能为本发明的摩擦控制组合物提供正摩擦特性的材料，或当与没有摩擦改性剂的类似组合物比较时，能增强液体摩擦控制组合物的正摩擦特性的材料。摩擦改性剂优选包括粉状矿物，并具有约0.5微米至约10微米的粒度。另外，摩擦改性剂在水中可为可溶的、不可溶的或部分溶解的，并优选在组合物沉积到表面上并且组合物的液体组分蒸发后粒度保持在约0.5微米至约10微米的范围内。US 5173204和WO 98/13445(本文引入作为参考)中描述的摩擦改性剂可用于本文描述的组合物。摩擦改性剂可包括但不限于·白垩(碳酸钙)；·碳酸镁；
·滑石(硅酸镁)；·膨润土(天然粘土)；·煤粉(底煤)；·钡白(硫酸钙)；·Asbestors(石棉的滑石棉衍生物)·瓷土；高岭土型粘土(硅酸铝)；·二氧化硅--无定形(合成)；·天然存在的板岩粉；·硅藻土；·硬脂酸锌；·硬脂酸铝；·碳酸镁；·铅白(氧化铅)；·碱式碳酸铅；·氧化锌；·氧化锑；·白云石(MgCo CaCo)；·硫酸钙；·硫酸钡(例如Baryten)；·聚乙烯纤维；·氧化铝；·氧化镁；和·氧化锆或它们的组合。
术语“保持剂”是指能增加滑动-滚动接触的两个或多个表面之间的摩擦控制组合物的有效使用寿命或耐久性的化学物质、化合物或它们的组合。保持剂提供或增加薄膜强度和对衬底的粘着。优选保持剂能与摩擦组合物的组分结合并在施加组合物的表面上形成薄膜，从而增加在暴露于滑动-滚动接触的表面上的组合物的耐久性。典型地，在试剂根据情况聚结或聚合后，保持剂表现出所需的性质(例如增加的薄膜强度和对衬底的粘着)。
优选保持剂具有粘合润滑剂和摩擦改性剂组分的能力，从而这些组分形成薄层并抵抗从轮-钢轨接触块的移动。还优选保持剂在使用过程中保持物理完整性并在使用过程中不被烧尽。合适的保持剂表现出高固体装载量、降低的粘度，和如果需要低的最小成膜温度。保持剂的例子包括但不限于·丙烯酸类，例如但不限于RhoplexAC 264，RhoplexMV-23LO或MaincoteHG 56(Rohm&Haas)；·聚乙烯类，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)；·环氧树脂类，包括树脂和固化剂的双组分体系。树脂的选择可取决于摩擦改性剂组合物所用的溶剂。例如，但不应认为限制于，在含水配方中，合适的树脂包括含水的环氧树脂类，如AncaresAR 550(为2，2’-[(1-甲基亚乙基)双(4，1-亚苯氧基亚甲基)]双环氧乙烷均聚物；Air Products and Chemicals)，EPOTUF37-147(双酚A-基环氧树脂；Reichbold)。胺或酰胺固化剂，例如但不限于Anquamine419、456和AncamineK54(Air Products and Chemicals)，可与含水环氧树脂配方一起使用。但是，当在没有固化剂而单独使用环氧树脂时，观察到增加的保持性。优选地，环氧树脂在使用过程中与固化剂混合。可加入到组合物中的其它组分包括能增加组合物到污染表面粘着性的烃树脂，例如但不限于EPODIL-L(Air ProductsLtd.)。如果使用有机基溶剂，则可使用非水性环氧树脂和固化剂·醇酸树脂，改性醇酸树脂；·丙烯酸乳胶；·丙烯酸环氧树脂杂化物；
·聚氨酯丙烯酸衍生物；·聚氨酯分散体；和·各种胶和树脂。
在包括约0.5wt％至约40wt％保持剂的组合物中观察到包括保持剂的摩擦改性剂组合物的保持性提高。优选地，组合物包括约1wt％至约20wt％的保持剂。
当环氧树脂为双组分体系时，可通过改变环氧树脂混合物内树脂或固化剂的量调节这种保持剂的性质。例如，这在下文中更详细地描述，在包括约1wt％至约50wt％环氧树脂的组合物中观察到包括环氧树脂和固化剂的摩擦改性剂组合物的保持性提高。优选地，组合物包括约2wt％至约20wt％的环氧树脂。此外，相对于树脂量，提高固化剂的量到例如但不限于0.005至约0.8(树脂固化剂比)，也可导致保持性提高。如下面所述，在没有固化剂时包括环氧树脂的摩擦改性剂组合物也表现出高保持性。不希望受理论约束，没有固化剂时施加的环氧树脂薄膜能保持弹性质量，这使它能承受由滑动和滚动接触中的钢表面引起的高压。
可使用Amsler机或如上面提到的其它合适设备测定组合物的保持性，并记录保持效果的循环次数(参见图3A)。此外，在铁路工业中，可作为轴经过次数的函数或使用推力摩擦计测量保持性，对于轴经过次数，要保持所需的效果，如但不限于噪音减弱、拉杆力降低、横向力降低或摩擦水平(例如见图3B和3C)。不受理论约束，认为保持剂具有在滑动和滚动-滑动接触的表面之间例如但不限于轮-钢轨界面之间形成耐久膜的能力。
还可使用溶剂，从而本发明的摩擦改性组合物可被混合并施加到衬底上。溶剂可为有机的或水溶性的，取决于应用要求，例如组合物的成本、需要的干燥速度、环境因素等。有机溶剂可包括但不限于甲醇，但是，可使用其它溶剂以减少施加的组合物的干燥时间，提高组合物与污染衬底的相容性，或既能减少干燥时间又能提高与污染衬底的相容性。优选溶剂为水。通常在含水体系中，保持剂不真在溶剂的溶液中，而是为分散体。
术语“润滑剂”是指能减小滑动或滚动-滑动接触的两个表面之间的摩擦系数的化学物质、化合物或它们的混合物。润滑剂包括但不限于二硫化钼、石墨、硬脂酸铝、硬脂酸锌和碳化合物例如但不限于煤粉和碳纤维。优选地，如果使用的话，本发明的组合物中的润滑剂为二硫化钼、石墨和Teflon。
本发明的摩擦控制组合物还可包括其它组分，例如但不限于防腐剂、润湿剂、稠度改性剂、中和剂和消泡剂，这些组分可单独或联合地被包含。
防腐剂的非限制性例子包括但不限于氨、醇或杀生物剂，例如但不限于OxabanA。中和剂的非限制性例子为AMP-95(2-氨基-2-甲基-1-丙醇的溶液)。消泡剂的非限制性例子包括Colloids 648或Colloids 675。
可在本发明的组合物中使用的润湿剂可包括但不限于壬基苯氧基多元醇或Co-630(Union Carbide)。润湿剂可有利于流变控制剂、摩擦改性剂和润滑剂基质内润滑剂和摩擦改性剂颗粒周围水层的形成。润湿剂可帮助保持剂分散在液体摩擦控制组合物中。润湿剂还能乳化油脂，所述油脂可能存在于滑动和滚动-滑动接触的表面之间，这种表面例如但不希望限制于钢-轮和钢-轨。润湿剂还可通过控制组合物内固体颗粒分散和使其团聚最小来起作用。
如WO 02/26919(引入作为参考)所示，与使用具有提高的保持性的摩擦控制组合物相关的益处在于减小了与货物和公共交通系统的钢-轨和钢-轮系统有关的横向力。横向力的减小可减轻钢轨磨损(轨距加宽)和降低钢轨更换成本。可使用装备有合适应变仪的弯曲或切向轨道测定横向力。现在参考图2，其显示了在有或没有根据本发明的液体摩擦控制组合物时各种不同车型在钢-轮和钢-轨系统上的横向力大小。如图2所示，根据本发明的摩擦控制组合物的使用，在这种情况下为HPF，当与在干轨和轮系统上测量的横向力相比时，减小最大和平均横向力至少约50％。
与使用具有提高的保持性的摩擦控制组合物相关的另一益处在于与货物和公共交通系统的钢-轨和钢-轮系统有关的能耗降低，这通过例如但不限于拉杆力测量。能耗的降低具有相伴的操作成本降低。根据本发明的摩擦控制组合物的使用，在这种情况下为HPF，当与在干轨和轮系统上测量的拉杆力相比时，随着HPF施加率的增加，能降低拉杆力至少约13％至约30％。
有几种施加水基产品到钢轨顶部的方法。例如但不应认为限制于，此类方法包括随车携带、路旁(也称为轨道旁)或hirail系统。随车携带系统从罐(一般位于最后的推动机车后)喷洒液体到钢轨上。路旁(轨道旁)系统为位于轨道旁边的装置，其在被接近的列车触发后泵送产品到轨道上。Hirail为具有沿轨道行驶能力的改进轻运货车。货车装备有一个储罐(或几个)、泵和能施加薄膜到轨道上的空气喷洒系统。Hirail可在需要的时间和地点施加组合物，不象固定的自动化路旁系统。只需要几个hirail车辆就能覆盖大的区域，而随车携带系统需要每个货车装备至少一个机车来分配产品。
如果本发明的摩擦控制组合物用作随车携带(可喷洒)组合物，则组合物可具有直到约7000cP(25℃)的粘度，或从约1000至约5000cP(25℃)的粘度。但是，可按照需要可使用低于1000cP的粘度。如果使用较低的粘度，则可能需要粘度使得组合物的内含物保持在均匀悬浮液或溶液中。或者，可搅拌组合物以保持组分在溶液中。如果摩擦控制组合物用作轨道旁组合物，则组合物可具有约5000至约200000cP(25℃)或从约7000至约30000cP(25℃)的粘度。但是，超过200000cP的粘度是可以接受的，例如糊，只要最终的组合物可泵送并流动即可。通过改变构成本发明组合物的组分的量可调整根据本发明的组合物的粘度，这对于本领域的技术人员而言是已知的。
现在参考图3，其显示了保持剂例如但不限于丙烯酸类保持剂对滑动-滚动接触的两个钢表面之间的液体摩擦控制组合物的耐久性的影响。通过摩擦改性剂组合物施加影响的循环次数例如但不限于保持摩擦系数低于约0.4或应用要求的其它合适水平来确定这种情况下的Amsler保持性。组合物的保持性与组合物中保持剂的重量百分数近似线性相关，例如但不限于从约1％重量/重量(w/w)至约15％w/w的保持剂。在这个范围内，使用Amsler机测定保持性从约5000次循环增加到约13000次循环，表示组合物的有效耐久性和使用增加约2.5倍。在野外条件下也观察到保持性的类似增加，其中对于至少约5000次轴经过，观察到降低的横向力(图3B，3C)。对于与施加本发明的组合物相关的其它性质，包括噪音降低和拉杆力减小，观察到本文所述的包括保持剂的摩擦改性剂组合物的类似延长效果。在没有保持剂时，在约几百次轴经过后观察到横向力增加，或噪音水平增加，或拉杆力增加。
可使用本领域中已知的任何方法测定本发明的组合物的粘度。例如使用Brookfield LVDV-E型粘度仪。DV型粘度仪通过校准的弹簧使锭子(其浸在试验流体中)旋转。通过弹簧偏转测量流体对锭子的粘性拖曳。用能提供扭矩信号的旋转变换器测量弹簧偏转。DV(cP)的测量范围由锭子的旋转速度、锭子的大小和形状、锭子在其中旋转的容器和校准弹簧的满标度扭矩确定。
如果使摩擦改性剂组合物在其施加后和使用前凝固尽可能长的时间，则能使保持剂在延长本发明组合物效力上的作用最大化。但是，这种时间长度在野外条件下可能变化。在野外研究中，其中如本文所述的摩擦改性剂组合物被施加到轨道上，在施加过程中和施加后在车经过处理轨道时测量横向力，横向力开始时降低，在约1200次轴经过后观察到横向力增加。但是，如果使组合物在使用前凝固，则对于约5000至约6000次轴经过，才观察到降低的横向力。因此，为了减少本文所述的液体摩擦组合物的凝固时间，可在本发明的液体组合物中使用能允许均匀施加组合物并容易干燥的任何相容溶剂，包括但不限于水。此外，本发明考虑使用快干或迅速固化型成膜保持剂例如环氧树脂基成膜保持剂以减少组合物需要的凝固时间。这种环氧树脂基组合物还被发现能提高膜强度。还可通过向组合物中加入一种或多种抗氧化剂加强延长本发明组合物的效力，这在下文中更详细地描述。另外，如果需要快速凝固时间，则还可使用特征在于具有超过0.1(20℃)的蒸汽压的防冻剂。
与用丙烯酸类保持剂得到的结果相比，膨润土(流变剂)的水平不影响保持性，如图4所示。
如本文所公开，如果向组合物中加入抗氧化剂，则可进一步增强摩擦控制组合物的保持性。图5和7B显示了加入抗氧化剂到包含保持剂例如但不限于苯乙烯丁二烯的液体摩擦控制组合物中的效果，在这种情况下，抗氧化剂为Octolite 424-50。系统中抗氧化剂的加入增加了组合物消耗前得到的循环次数。较低的消耗速度代表更长的保持性。抗氧化剂的非限制性例子包括但不限于WingstayS(苯乙烯化抗氧化剂)、WingstayL(受阻型抗氧化剂)、WingstaySN-1(硫酯抗氧化剂)和Octolite424-50(协同抗氧化剂)。还可向摩擦控制组合物中加入具有提高组合物保持性效果的其它抗氧化剂。在抗氧化剂存在下观察到各种组合物消耗速度的降低。
不希望受理论约束，假定当加入抗氧化剂时得到的摩擦控制组合物增强的保持性是由于抗氧化剂抑制保持剂氧化的能力，保持剂例如但不限于丙烯酸类聚合物RhoplexAC-264(实施例8，表13；图7B)，和苯乙烯-丁二烯无规共聚物Dow Latex 226NA(图5)。这两种保持剂都会被氧化破坏，这在保持剂暴露于空气中的氧时发生。这种氧化在高温环境如轮-轨界面中可显著增加。
图7B显示了在丙烯酸基保持剂存在下一系列的抗氧化剂的加入对组合物消耗速度的影响。该图显示了包括丙烯酸基保持剂(RhoplexAC-264)和下列抗氧化剂之一的组合物的消耗速度的降低苯乙烯化抗氧化剂，例如但不限于WingstayS，受阻型抗氧化剂，例如但不限于WingstayL，硫酯抗氧化剂，例如但不限于WingstaySN-1，和协同抗氧化剂，例如但不限于Octolite424-50。在抗氧化剂的存在下观察到各种组合物的消耗速度的降低。
聚合物的氧化通过自由基链反应发生。在聚合物的生产中使用过氧化物，一些未反应的过氧化物在聚合物形成后仍存在。这些过氧化物由于应力、热等而随着时间裂解，产生的自由基然后将与空气氧反应形成过氧自由基。将自由基链反应分解为三个步骤(a)引发过氧化物分解形成烷基自由基。
(b)增长烷基自由基容易与氧反应产生过氧自由基。
过氧自由基反应分解聚合物，得到新的自由基和羧酸
(c)终止两个自由基反应形成稳定产物
在终止反应发生前可重复增长反应多次，造成对聚合物晶格的破坏。不希望受理论约束，链断开(聚合物链的分解)产生较小的分子和分子间更少的连接，这使粘合剂能被从衬底更容易地除去。
对于包括抗氧化剂但没有保持剂的组合物，也观察到增强的保持性。图6显示了加入抗氧化剂到不包含保持剂的液体摩擦控制组合物中的影响，在这个例子中，抗氧化剂为Octolite424-50。如图6所示，即使在没有保持剂时，抗氧化剂的加入也能导致组合物保持性的增加，如得到的循环次数的增加所示。对于一系列抗氧化剂，都观察到组合物没有保持剂时的这种增强的保持性，如图7A所示。图7A显示了加入以下抗氧化剂的影响胺抗氧化剂，例如但不限于Wingstay29，苯乙烯化抗氧化剂，例如但不限于WingstayS，受阻型抗氧化剂，例如但不限于WingstayL，硫酯抗氧化剂，例如但不限于WingstaySN-1，和协同抗氧化剂，例如但不限于Octolite424-50。在所有情况下，都存在组合物消耗速度的降低。不希望受理论约束，假定这可归因于保护MoS2不被氧化。在氧存在下，MoS2可被转化成MoS3。已知MoS3具有高摩擦系数，尽管这不影响聚合物膜，但可降低保持性。抗氧化剂将与MoS2竞争空气氧，因此抗氧化剂的浓度越高，MoS2的消耗速度越低。
根据本发明的一个方面，提供表现出高的正摩擦(HPF)特性的液体摩擦控制组合物，该组合物包括(a)约30％至约95％的水；(b)约0.5％至约50％的流变控制剂；(c)约0.02wt％至约40wt％的润滑剂，和(d)约0.5wt％至约30wt％的摩擦改性剂，和以下中的一种或一种以上(i)约0.5wt％至约40wt％的保持剂；(ii)约0.5wt％至约2wt％的抗氧化剂；(iii)约0.1wt％至约20wt％的稠度改性剂，和(iv)约10wt％至约30wt％的防冻剂。
任选地，这种组合物还可包括抗菌剂、消泡剂和润湿剂。
根据本发明的另一个方面，提供特征在于具有非常高的正摩擦(VHPF)特性的液体摩擦控制组合物，该组合物包括(a)约30％至约95％的水；(b)约0.5％至约50％的流变控制剂；(c)约0.5wt％至约30wt％的摩擦改性剂，和以下中的一种或一种以上(i)约0.5wt％至约40wt％的保持剂；(ii)约0.5wt％至约2wt％的抗氧化剂；(iii)约0.1wt％至约20wt％的稠度改性剂，和(iv)约10wt％至约30wt％的防冻剂。
任选地，这种组合物还可包括抗菌剂、消泡剂和润湿剂。
根据本发明的又一个方面，提供具有低摩擦系数(LCF)的液体摩擦控制组合物，该组合物包括(a)约30％至约95％的水；(b)约0.5％至约50％的流变控制剂；(c)约0.02wt％至约40wt％的润滑剂，和以下中的一种或一种以上(i)约0.5wt％至约40wt％的保持剂；(ii)约0.5wt％至约2wt％的抗氧化剂；(iii)约0.1wt％至约20wt％的稠度改性剂，和(iv)约10wt％至约30wt％的防冻剂。
任选地，这种组合物还可包括抗菌剂、消泡剂和润湿剂。
本发明的摩擦控制组合物可用于改变处于滑动或滚动-滑动接触的表面如铁路轮缘或轨距面上的摩擦。但是，还认为本发明的摩擦控制组合物可用于改变处于滑动或滚动-滑动接触的其它金属、非金属或部分金属表面上的摩擦，例如但不限于第五轮应用。
可利用本领域中已知的任何方法将本发明的组合物施加到金属表面如钢轨表面或联轴器处。例如，但不希望限制于，本发明的组合物可作为悬浮液、凝胶或糊、或作为具有任何直径例如直径约1/8英寸的微珠施加。
可以以凝胶的形式生产本发明的组合物，例如通过使用防冻剂如ProglydeDMM，以及具有较低取代度的流变控制剂如MethocelK4M，一种包括各自被平均约1.4个取代基取代的脱水葡萄糖单元的取代纤维素化合物。不希望受理论约束，组合物的凝胶化由流变控制剂和防冻剂的溶胀引起。这种组合物的凝胶化程度可通过以下方式降低用亲水性程度较高的防冻剂如ArcosolvPnP代替上述防冻剂，或用亲水性程度较高的流变控制剂代替所述流变控制剂，或用具有较高取代度的流变控制剂如Metolose60SH-4000代替所述流变控制剂，Metolose60SH-4000为包括各自被平均约1.9个取代基取代的脱水葡萄糖单元的取代纤维素化合物。得到特定凝胶化程度需要的防冻剂和流变控制剂的具体组合可由本领域的技术人员容易地确定。
在有些情况下，优选使用刷子或作为细雾化喷雾施加液体摩擦控制组合物。细雾化的喷雾可提供组合物的更快干燥，材料在钢轨顶部的更均匀分布，并可提供改进的横向力降低和保持性。本发明的液体摩擦控制组合物的雾化喷雾施加可优选用于随车携带运输系统应用、随车机车应用和hi-rail车辆应用，但雾化喷雾的使用不限于这些系统。
雾化喷雾施加也适用于施加本发明的液体摩擦改性剂组合物的组合到不同的钢轨区域以优化轨-轮界面之间的相互作用。例如，一套施加器和喷嘴系统施加摩擦改性剂例如但不限于HPF组合物到一个钢轨的头(顶)部，特别是低(内)轨或低轨和高轨两者的头部，以减轻行驶面横跨轨头的横向粘滞滑移，而另一套施加器和喷嘴系统可施加低摩擦组合物例如但不限于HPF或LCF组合物到高(外)轨的轨距面/轨距转角，或低轨和高轨两者的轨距面/轨距转角上，以减轻有轨车牵引轴的车轮贴靠效应。在另一个例子中，可使用具有双喷嘴容量的第一施加器施加HPF组合物到一个或两个钢轨的头部部分，使用具有双喷嘴容量的第二施加器施加相同或不同类型的HPF组合物到高(外)轨的、低(内)轨的或高轨和低轨两者的轨距面/轨距转角上。或者，可使用双喷嘴施加器施加相同或单独的组合物到同一钢轨的头部和轨距面/轨距转角上。这种施加器的一个例子是Portec Rail Products，Inc的Road-Runner361Hi-Rail润滑系统。在另一个例子中，可使用单喷嘴施加器通过调整喷嘴的位置和喷雾模式施加HPF组合物到钢轨的头部和轨距面两者上。还可以作为雾化喷雾施加本发明的一种摩擦改性剂例如到钢轨的轨距面上，而第二种摩擦改性剂作为微珠或固体粘合剂施加到轨头上。
图8A-D说明，相对于没有施加摩擦控制组合物的情况，喷雾施加HPF组合物到一段轨道的两个钢轨的头部或单独施加到低轨的头部会导致这段轨道中两个钢轨的头部损耗和轨距磨损速度都降低。特别地，图8A-D中的数据显示在喷雾施加HPF组合物到一段轨道的低轨后头部损失％和轨距磨损速度％都有60-75％的降低(取决于弯曲程度)。
因此，本发明提供控制钢轨磨损、有轨车轮磨损或两者的方法，包括施加HPF组合物到一个或一个以上钢轨或一个或一个以上有轨车轮的一个或一个以上接触表面上，其中所述一个或一个以上钢轨和所述一个或一个以上有轨车轮处于滑动或滑动-滚动接触。
注意到即使HPF组合物只被施加到实施例15中所试验的一段轨道的低轨上，对于低轨和高轨也都能观察到头部和轨距磨损速度的降低。因为单独施加HPF组合物到低轨上导致的高轨头部和轨距磨损速度的降低可能是横向力和贴靠力降低的结果。图9A-B显示在1年时间内没有出现可观察到的轨距磨损或头部损耗，其中在这一年中HPF摩擦控制组合物被施加到这一段轨道的低轨的顶部。通过喷涂HPF组合物到低轨上，而不施加任何油脂润滑剂到高轨上或到低轨和高轨两者上，可实现类似的头部和轨距磨损速度和头部和轨距磨损的降低。由于本发明的方法不需要施加油脂润滑剂到高(外)轨或两个轨的轨距面/轨距转角上，因此它比其它施加方法更节省成本，并且还是有利的，因为它减轻了由轨道旁油脂被喷洒到环境中引起的污染。
此外，本发明涉及控制钢轨磨损、有轨车轮磨损或两者的方法，包括施加HPF组合物到一个或一个以上钢轨或一个或一个以上有轨车轮的一个或一个以上接触表面上，其中所述一个或一个以上钢轨和所述一个或一个以上有轨车轮处于滑动或滑动-滚动接触，其中所述一个或一个以上钢轨包括各自具有头部和轨距面/轨距转角的低轨和高轨，其中HPF组合物被施加到低轨的头部上，或施加到低轨和高轨两者的头部上，其中低轨和高轨的磨损被控制。
另外，本发明提供控制钢轨磨损、有轨车轮磨损或两者的方法，包括施加HPF组合物到一个或一个以上钢轨或一个或一个以上有轨车轮的一个或一个以上接触表面上，其中所述一个或一个以上钢轨和所述一个或一个以上有轨车轮处于滑动或滑动-滚动接触，其中HPF组合物被施加到低轨的头部。
考虑作为雾化喷雾施加的根据本发明的液体摩擦控制组合物优选表现出如下特性，例如但不限于可能引起输送装置喷嘴堵塞的粗污染物的减少，和粘度降低以确保适宜流过输送装置的喷雾系统并使颗粒团聚最小。材料例如但不限于膨润土可包括粗颗粒，其会堵塞小直径喷嘴。但是，粒度控制的材料例如但不限于小于约50μM的颗粒可用于喷雾施加。
或者，但不被认为是限制性的，可通过路旁(轨道旁)施加来施加本发明的液体摩擦控制组合物，其中轮计数器可触发泵喷射本发明的组合物通过狭窄的口到钢轨的顶部。在这种实施方案中，装置可优选位于转弯的入口前，并且材料通过轮被分散到转弯内，在这里本发明的组合物可降低噪音、横向力、起皱的发展或它们的组合。
本发明的液体摩擦控制组合物的特殊组成可更适于路旁施加。例如，优选用于路旁施加的组合物通过在表面上形成轻表皮干燥，而不彻底干燥。干“透”的组合物可能堵塞路旁施加器的喷嘴口并难以除去。优选地，用于路旁施加的液体摩擦控制组合物包括羧甲基纤维素(CMC)或取代纤维素形式的化合物取代膨润土作为粘合剂或流变控制剂。
可使用高速混合器分散组分来制备本发明的液体摩擦改性剂组合物。在混合桶中放入适宜量的水，并缓慢加入流变控制剂，直到全部流变控制剂被浸湿。然后加入少量摩擦改性剂，使其每次加入的摩擦改性剂在进行下次加入前充分分散。如果混合物包括润滑剂，则这种组分被缓慢加入，并使每次加入的润滑剂在进行下次加入前充分分散。随后，与余量水一起加入保持剂、防冻剂和其它组分例如润湿剂、抗菌剂，并使组合物充分混合。
尽管上面公开了制备本发明的摩擦改性剂组合物的方法，但本领域的那些技术人员能注意到不脱离本发明的精神和范围，可存在制备配方的几种变化。
本发明的液体摩擦控制组合物优选在施加到表面上后并在作为摩擦控制组合物起作用前脱水。例如，但不希望限制于，本发明的组合物可在钢轨表面啮合火车轮之前被刷到钢轨表面上。水和本发明组合物中的任何其它液体组分可在啮合火车轮之前蒸发。脱水时，本发明的液体摩擦控制组合物优选形成固体膜，其能增强组合物的其它组分如摩擦改性剂和润滑剂(如果存在的话)的粘合。另外，脱水后，流变控制剂还可减少水的再吸收，并防止其通过雨水或其它作用从表面除去。但是，在本发明考虑的一些应用中，本发明的液体摩擦控制组合物可通过位于火车上的泵直接喷洒到钢轨上，或者，可在感觉到正靠近的火车后将组合物泵送到钢轨上。本领域的一些技术人员能认识到，与在钢-轨上行进的钢-轮相关的摩擦力和高温可产生足够的热来迅速使组合物脱水。
本发明的摩擦改性剂组合物可包括本领域技术人员能认识到的可在不脱离本发明范围和精神内被代替或改变的组分。另外，已充分考虑到本发明的摩擦改性剂组合物可与其它润滑剂或摩擦控制组合物联合使用。例如，但不希望限于，本发明的组合物可与其它摩擦控制组合物一起使用，其它摩擦控制组合物如但不限于US5308516和US5173204(本文引入作为参考)中公开的那些。在这种实施方案中，已充分考虑到本发明的摩擦控制组合物可被施加到轨头上，而能降低摩擦系数的组合物可被施加到轨距面或轮缘上。
上面的描述不用于以任何方式限制要求保护的发明，此外，讨论的特征组合可能不是发明解决方案绝对需要的。
将在下面的实施例中进一步说明本发明。但是，应认识到这些实施例只用于说明目的，不应用于以任何方式限制本发明的范围。
实施例l液体摩擦控制组合物的表征Amsler规程使用Amsler机测试保持性。这种设备模拟火车轮和钢轨之间的接触，并测量两个主体随时间的摩擦系数。Amsler机使用两个不同的盘模拟轮和钢轨。在恒定力下通过可调弹簧保持两个盘接触。以控制的方式施加组合物到清洁盘上以在盘上产生所需厚度的涂层。对于本文公开的分析，使用细漆刷施加组合物以确保盘表面的完全涂敷。通过称量施加组合物前和后的盘重量确定施加组合物的量。组合物涂层为2-12mg/盘。使组合物在试验前完全干燥。典型地，使带涂层的盘干燥至少8小时时间。将盘装到amsler机上，使其接触，并施加约680-745N的载荷，以便在由使用不同直径圆盘组合得到的不同滑移水平上得到类似的Hertzian压力(MPa)。除非另外指明，在3％滑移水平下进行试验(圆盘直径53mm和49.5mm；见表1)。对于全部盘尺寸组合(滑移水平从3％到30％)，下圆盘的旋转速度比上圆盘高10％。用计算机由amsler机测量的扭矩确定摩擦系数。进行试验，直到摩擦系数达到0.4，测定每种试验组合物的循环次数或秒数。
表1不同滑移水平的圆盘直径
LCF、HPF或VHPF的标准生产过程1)向约一半的水中加入全部量的流变剂，并使混合物分散约5分钟；2)加入润湿剂，如果存在的话，例如但不限于Co-630，并分散约5分钟；3)加入消泡剂，例如但不限于Colloids 675，和中和剂，如果存在的话，例如但不限于AMP-95，并使混合物分散；4)加入少量摩擦改性剂到混合物中，如果存在的话，使每次加入的摩擦改性剂在进行下次加入前完全分散；5)加入少量润滑剂，如果存在的话，使每次加入的润滑剂在进行下次加入前完全分散；6)使混合物分散5分钟。
7)从桶中取出样品，如果需要，进行粘度、比重和过滤试验，并调整成分以满足所需的规格；8)降低分散器的速度，加入保持剂、稠度剂、防冻剂(如果存在的话)和防腐剂。任选地，可加入先前没有加入的任何润湿剂和消泡剂，并分散；9)加入剩余的水，并充分混合。
测定凝固点温度的标准方法使用Nisku Instruments的凝固点装置测定凝固点温度。装置最初为ASTM试验设计，用于测定喷气发动机燃料的凝固点(ASTMD2386)。通常，为了进行试验，将样品放在被插入到Dewar烧瓶内的管中，烧瓶包含固体二氧化碳冷却的异丙醇作为制冷剂，温度计和搅拌器插入到样品管内样品液位以下。在操作过程中，使用搅拌器不断搅拌样品。通过在冷却的同时监测样品的温度行为，可观察到作为温度平台的样品的凝固点。
下面的表2、3和4中提供了样品LCF、HPF和VHPF组合物的例子。从amsler实验得到的这些组合物中每一个的结果显示在图1A、1B和1C中。
表2样品LCF组合物
按上述制备表2的LCF组合物，并使用amsler机试验。Amsler试验的LCF组合物的结果示于图1A。这些结果显示，LCF组合物特征在于随滑移水平增加具有低的摩擦系数。
表3样品HPF组合物
表3中列出的HPF组合物不同滑移水平的amsler结果示于图1B中。HPF组合物特征在于随滑移水平增加具有增加的摩擦系数。通过加入保持剂延长施加到与另一钢表面滑动-滚动接触的钢表面上的HPF组合物的作用改进表3的组合物得到丙烯酸类保持剂(Rhoplex 284)水平为0％、3％、7％和10％。加入的保持剂的增加量代替水，以wt％计。然后使用Amsler机(3％滑移水平)试验这些不同的组合物，以测定组合物保持低且稳定摩擦系数的时间长度。当摩擦系数达到0.4时，停止分析。提供在图3A中的结果表明，保持剂的加入增加了HPF组合物作用(降低摩擦系数)的耐久性。缺少任何保持剂的HPF组合物在约3000次循环后达到0.4的系数。包括3％保持剂的HPF组合物循环次数增加到4000次。包括7％丙烯酸类保持剂的HPF组合物，在6200次循环后，摩擦系数低于0.4，包括10％丙烯酸类保持剂的HPF，达到8200次循环。
改进表3的组合物得到以16％水平包括几种不同保持剂的组合物。加入的保持剂代替水，以wt％计。然后使用Amsler机(滑移水平3％)试验这些不同的组合物以测定组合物保持摩擦系数低于0.4的循环次数。结果提供在表3A中。
表3AHPF组合物内各种保持剂对滚动滑动接触的钢表面上的组合物保持性的影响
这些结果说明，一系列的成膜保持剂提高了本发明摩擦控制组合物的保持性。
环氧树脂保持剂的影响改进表3的组合物得到环氧树脂保持剂(AncarezAR 550)水平为0％、8.9％、15％和30％。加入的保持剂的增加量代替水，以wt％计。然后使用Amsler机(3％滑移水平)试验这些不同的组合物，以测定组合物保持摩擦系数低于0.4的循环次数。结果表明，环氧树脂保持剂的加入增加了HPF组合物作用(摩擦系数降低)的耐久性。缺少任何保持剂的HPF组合物在约3200次循环后表现出摩擦系数增加。包括8.9％环氧树脂保持剂的HPF组合物扩大循环次数到约7957次。包括15％环氧树脂保持剂的HPF，约15983次循环后，摩擦系数保持在低水平，包括30％环氧树脂保持剂的HPF，约16750次循环能降低摩擦系数。
还检查了不同的固化剂以确定是否对两个滑动-滚动接触的钢表面之间的组合物保持性有任何改进。在试验固化剂的范围内，加入约0.075至约0.18(树脂固化剂，以wt％计)的Anquamine 419或Anquamine 456能保持HPF的保持性在如前面观察到的高水平，约3000至约4000秒(15480次循环)。这两种固化剂的任何一种都对包括环氧树脂保持剂(AncarezAR 550；在HPF组合物内为28wt％)的组合物的保持性的增加或降低没有影响。但是，增加Ancamine K54的量从0.07到约0.67(树脂固化剂，以wt％计)，就增加HPF组合物的保持性从0.07(树脂固化剂，wt％；等价于试验的其它固化剂)时的约4000秒(15500次循环)到0.28(树脂固化剂，wt％)时的约5000秒(19350次循环)，到0.48(树脂固化剂，wt％)时的约7000秒(27000次循环)，和到0.67(树脂固化剂，wt％)时的约9300秒(35990次循环)。
在没有任何固化剂时，利用28wt％的环氧树脂量，通过Amsler试验测定的HPF组合物的保持性提高超过包括环氧树脂和固化剂的HPF组合物(约4000秒，15500次循环)，达到约6900秒(26700次循环)。利用摩擦控制组合物内增加量的环氧树脂也观察到更高的保持性，例如包括78％树脂的组合物为8000秒(通过Amsler试验测定)。但是，可加入到组合物的树脂量必须不能使摩擦改性剂的作用被超过。在限制使用分开的储槽来存储摩擦控制组合物和固化剂时，或如果需要摩擦控制组合物的简化施加的条件下，缺少任何固化剂的配方可证实是有用的。
这些结果说明，环氧树脂能提高本发明的摩擦控制组合物的保持性。
表4样品VHPF组合物*
*可加入玛皮珂黑(黑色氧化铁)使组合物有颜色表4中列出的组合物的Amsler结果示于图1C。VHPF组合物特征在于随滑移水平增加具有增加的摩擦系数。
实施例2液体摩擦控制组合物-样品组合物1这个实施例描述特征在于表现出高的正摩擦系数的另一液体摩擦控制组合物的制备。这种组合物的组分列于表5。
表5高正摩擦系数(HPF)组合物
可增加约20％丙二醇以增强低温性能。按实施例1所述制备这种组合物。
使用雾化喷雾系统将表6的组合物施加到钢轨的顶部，雾化喷雾系统包括通过一组计量泵从储罐中供给液体组合物的初始泵。组合物被计量送入到空气-液体喷嘴，在这里用100psi空气雾化初始液体流。以这种方式，控制量的组合物可被施加到钢轨顶部。使用0.05L/英里、0.1L/英里、0.094L/英里和0.15L/英里的施加速度。在试验轨道上施加组合物，试验轨道为高吨位、封闭、2.7英里长，由在典型条件下遇到的一系列轨道段组成。试验火车一天交通密度累计(accumilate)1.0百万总吨数(MTG)，使用39吨的重轴荷载。火车速度设定到最大40mph。在试验期间，使用标准方法测量拉杆牵引力和横向力。
在未涂敷轨道上(钢轨顶部没有处理，但是，使用路旁润滑，一般为油)，横向力从约9千磅变化到约13千磅(见图3B)。施加HPF(表5的组合物)到钢轨顶部，导致横向力从约10千磅(对照，未施加HPF)降低到0.05L/英里时的约7.8千磅，到0.1L/英里时的约6千磅，到0.094L/英里时的约5千磅，和到施加速度为0.15L/英里时的约4千磅(高轨测量值，图3D)。利用表5的HPF组合物在有或没有保持剂时观察到类似的结果。
为了检查HPF组合物的保持性，施加HPF(表5的，包括保持剂)到钢轨顶部，并在火车经过前凝固16小时。对于约5000次轴经过，观察到降低的横向力(图3C)。在没有任何保持剂时，在100-200次轴经过后观察到横向力的增加(数据未提供)。当在火车通过轨道时施加表5的HPF组合物到钢轨顶部并且不留出任何凝固时间时，观察到中等水平的保持性。在这些条件下，当关闭HPF的施加时，在约1200次轴经过后观察到横向力的增加(图3D)。
使用表5的液体摩擦控制组合物还观察到噪音降低。使用B&K噪音计记录有或没有HPF施加时的分贝水平。在没有任何轨道顶部处理时，噪音水平为约85-95分贝，而以0.047L/英里的速度施加HPF，噪音水平可降低到约80分贝。
在施加HPF到钢轨顶部后，还观察到拉杆力(kw/hr)的降低。在没有HPF施加时，拉杆力在有路旁润滑时为约307kw/hr，在没有任何处理时观察到约332kw/hr。施加HPF(表5的组合物)后，对于0.15L/英里的施加速度，观察到约130-约228的拉杆力。
因此，表5的HPF组合物降低了钢轨转弯中的横向力、噪音，降低了能耗和轻轨系统中起皱的发生。液体摩擦控制组合物可作为雾化喷雾施加到钢轨上，但不限制到作为雾化喷雾施加，而且组合物也不只用于钢轨上。此外，加入保持剂，观察到HPF组合物保持性的增加，这支持使用Amsler机观察到的数据。
实施例3液体摩擦控制组合物-样品HPF组合物2这个实施例描述特征在于表现出高和正摩擦系数的液体组合物。这种组合物的组分列于表6。
表6高和正摩擦系数(HPF)组合物
按实施例1所述制备液体摩擦控制组合物，并可作为雾化喷雾施加到钢轨上，但不限制于作为雾化喷雾施加，组合物也不限制只用于钢轨上。
这种液体摩擦控制组合物降低了钢轨转弯中的横向力、噪音、起皱的发生，并降低了能耗，适用于轨道系统内。
实施例4液体摩擦控制组合物-样品组合物3这个实施例描述特征在于表现出高的正摩擦系数的几种路旁液体摩擦控制组合物的制备。这些组合物的组分列于表7。
表7高的正摩擦系数(HPF)组合物-路旁
丙二醇可增加约20％，以增强低温性能。MethocelF4M可增加约3％，以增加产品粘度。Methocel还可用膨润土/甘油组合代替。
上面公开的液体摩擦控制组合物可用作路旁摩擦控制组合物，但不限制于这种应用。
实施例5液体摩擦控制组合物-样品组合物4这个实施例描述特征在于表现出高的正摩擦系数的几种其它液体摩擦控制组合物的制备。这些组合物的组分列于表8。
表8高的正摩擦系数(HPF)组合物
丙二醇可增加约20％，以增强低温性能。
液体摩擦控制组合物和其变体可作为雾化喷雾施加到钢轨上，但不限制于作为雾化喷雾施加，组合物也不只用于钢轨上。
本发明的液体摩擦控制组合物降低了钢轨转弯中的横向力、噪音、起皱的发生，并降低了能耗。
实施例6液体摩擦控制组合物-样品组合物5
这个实施例描述了特征在于表现出非常高的正摩擦系数的液体摩擦控制组合物的制备。这种组合物的组分列于表9。
表9非常高的正摩擦(VHPF)组合物
丙二醇可增加约20％，以增强低温性能。
液体摩擦控制组合物和其变体可作为雾化喷雾施加到钢轨上，但不限制于作为雾化喷雾施加，组合物也不用于只在钢轨上使用。
本发明的液体摩擦控制组合物降低了钢轨转弯中的横向力、噪音、起皱的发生，并降低了能耗。
实施例7液体摩擦控制组合物-样品组合物6这个实施例描述特征在于表现出低摩擦系数的液体摩擦控制组合物的制备。这种组合物的组分列于表10中。
表10低摩擦系数(LCF)组合物
实施例7液体摩擦控制组合物-样品组合物7这个实施例描述特征在于表现出低摩擦系数并包括或不包括保持剂RhoplexAC 264的液体摩擦控制组合物的制备。这些组合物的组分列于表11中。
表11低摩擦系数(LCF)组合物
按实施例1所述使用Amsler机测定这些组合物的保持性。在摩擦系数达到0.4的点处测定30％滑移水平下的每种组合物的循环次数。在没有保持剂时，在达到0.4的摩擦系数前，LCF的循环次数为300-1100次循环。在有保持剂时，循环次数增加到20000-52000次循环。
实施例8在有或没有保持剂时包括抗氧化剂的组合物苯乙烯丁二烯保持剂按实施例1所述制备组合物，但是，在标准生产过程的步骤1中向组合物中与保持剂(如Dow 226)一起加入硫酯和受阻型苯酚的协同混合物作为抗氧化剂，在这种情况下，为Octolite424-50。抗氧化剂基摩擦控制组合物的例子列在表12中。这种组合物包括苯乙烯丁二烯基保持剂(Dow 226NA)。
表12具有苯乙烯丁二烯基保持剂的抗氧化剂样品组合物
使用Amsler机测定这些组合物的保持性，基本如实施例1所述。每种组合物都被刷到8个圆盘上，干重为1-7克。使圆盘干燥至少2小时，然后在3％滑移下在Amsler上试验。每次试验都转化到基于消耗的摩擦控制组合物质量和达到0.40摩擦系数(CoF)所需时间的点。用这些点(质量，时间)作图，并进行回归。这得到点的集合和每个样品的最佳拟合线。用于建立回归的点被转化成消耗速度(质量/时间)。求这些消耗速度的平均值，根据数据计算标准误差。较低的消耗速度代表较长的保持性。
在保持剂存在和有或没有抗氧化剂时的典型实验的一个例子示于图5。图5所示的具有Dow Laytex 226(苯乙烯基保持剂)但没有抗氧化剂的组合物的消耗速度为0.0013mg/min。具有Dow Laytex226和抗氧化剂(Octolite424-50)的组合物的消耗速度为0.0005mg/min，这说明在有抗氧化剂时，组合物保持性增加。
使用WingstayS(苯乙烯化苯酚抗氧化剂)联合保持剂也得到类似的结果，此时组合物表现出0.0009mg/min的消耗速度(数据未示出)。
此外，在没有保持剂和有抗氧化剂Octolite424-50时观察到组合物保持性的类似增加(图6)。
丙烯酸基保持剂按实施例1所述制备组合物，但是，在标准生产过程的步骤1中向组合物中与保持剂一起加入抗氧化剂(在这种情况下，为Octolite424-50)。保持剂在这种情况下为丙烯酸类保持剂RhoplexAC-264。抗氧化剂基摩擦控制组合物的一个例子列在表13中。
表13具有丙烯酸基保持剂的抗氧化剂样品组合物
如实施例8中一样，使用Amsler机测定表13中所列组合物的保持性。与包括丙烯酸基保持剂RhoplexAC-264的组合物的消耗速度(其为约0.0019)相比，没有抗氧化剂的组合物的消耗速度为约0.0026mg.min，这说明在保持剂存在下组合物的保持性增加。
实施例9包括不同抗氧化剂的组合物按实施例1所述制备组合物，但是，在标准生产过程中，在有或没有保持剂下在步骤1中向组合物中加入各种抗氧化剂。试验的抗氧化剂包括胺型抗氧化剂，例如Wingstay29(Goodyear Chemicals)；苯乙烯化苯酚型抗氧化剂，例如WingstayS(GoodyearChemicals)；受阻型抗氧化剂，例如WingstayL(Goodyear Chemicals)；硫酯型抗氧化剂，例如WingstaySN-1(Goodyear Chemicals)；包括受阻酚和硫酯的协同混合物，例如Octolite424-50(Tiarco Chemical)。
试验的组合物列于表14。
表14具有抗氧化剂(不加入保持剂)的摩擦控制组合物
如实施例8中一样，使用Amsler机测定表14中所列组合物的保持性。每种组合物的消耗速度提供在图7A中。如图7A所示，与不包含抗氧化剂的摩擦控制组合物相比，所有抗氧化剂都表现出了摩擦控制组合物的保持性增加。抗氧化剂的浓度增加(“协合剂HC”)产生更显著的降低消耗速度的效果。
按表14所示制备一组类似的组合物，但是，向组合物中加入(8.82wt％)保持剂(RhoplexAC-264)，并减少相应wt％的水。如实施例8所述，使用Amsler机测定组合物的保持性。每种组合物的消耗速度提供在图7B中。与没有抗氧化剂的摩擦控制组合物相比，试验的全部抗氧化剂都表现出摩擦控制组合物保持性的增加。同样，抗氧化剂的浓度增加(“协合剂HC”)产生更显著的降低消耗速度的效果。
实施例10从金属表面除去液体防冻剂需要的时间为了减少已用包括防冻剂的HPF或VHPF组合物处理的处于滑动滚动接触的金属表面的滑移，可选择这些组合物的防冻剂组分使得它们具有在钢表面之间产生的压力和热下蒸发、脱水或分解的特性，所述产生压力和热例如通过火车车轮接触处理过的钢轨。
在这个实施例中，评价了几种备选液体防冻剂在从模拟钢轨/有轨车轮界面的一对接触金属表面中除去所需要的时间，其中这些液体防冻剂可形成摩擦控制组合物液体组分的一部分。从接触金属表面的除去时间表现为低于丙二醇的除去时间的防冻剂被认为适用于本发明的VHPF、HPF和LCF组合物。除去时间表现为大于丙二醇的除去时间的防冻剂可在HPF和LCF组合物内使用。
通过使用Freezing Point Device(来自Nisku Instruments)测试凝固点温度来确定防冻剂。将样品防冻剂放到样品管内，样品管插入包含固体二氧化碳冷却的异丙醇的Dewar烧瓶内。在样品管内放置温度计和搅拌器。在样品温度下降过程中观察作为平台段的样品的凝固点。通过使防冻剂与水混合确定防冻剂，并确定得到-20℃的凝固点需要的防冻剂量(数据未示出)。在防冻剂-水混合物中以50％(w/w)或更少存在并表现出-20℃或更低的凝固点的防冻剂被认为适于进一步试验。
如实施例1所述，使用Amsler机测定防冻剂的除去时间，除了以控制方式只将防冻剂施加到清洁钢轨盘上以在钢轨盘上产生所需厚度的涂层。使用细漆刷施加防冻剂以确保完全涂敷钢轨盘的表面。通过称量施加组合物前和后的盘的重量来确定施加组合物的量。涂层量从2到12mg/盘。将盘装到Amsler机上，使其彼此接触，并放在约760N的载荷下。在施加它们到钢轨盘上后立即测试施加的样品，在测试前没有干燥时间。在3-4％滑移水平(盘直径53mm和49.5mm)下进行测试。用计算机由使Amsler机的两个轮以恒定速度(232.2RPM)转动测量的扭矩确定摩擦系数。从盘除去每种样品需要的时间即除去时间被看作是达到0.4的摩擦系数需要的时间。该试验的结果提供在表15中。
表15防冻剂的保持性性质
这些试验证实，几种防冻剂表现出比丙二醇除去时间(2468s)低的除去时间，因此，适用于HPF、VHPF和LCF组合物。
在本发明包括润滑剂组分的一些组合物中，例如HPF和LCF组合物，能为组合物提供润滑性质的溶剂组分的存在是可以接受的，防冻剂组分不需要通过蒸发、脱水或分解从组合物中容易地除去。因此，除去时间表现得比丙二醇除去时间高的防冻剂也可用于本发明的HPF或LCF组合物中。
防冻剂的除去时间与它们的蒸汽压值相关。蒸汽压值因此还可用作从一组备选化合物中选择合适的备选防冻剂的手段。特征在于蒸汽压为约0.1(20℃)或更大的防冻剂可用于表现出正摩擦特性的摩擦控制组合物中，例如HPF和VHPF组合物，以及LCF组合物。类似地，特征在于蒸汽压小于约0.1(20℃)的防冻剂可适用于包括润滑剂的摩擦控制组合物，例如LCF和HPF组合物。
实施例11HPF液体摩擦控制组合物这个实施例描述特征在于表现出高和正摩擦系数的液体组合物。这些组合物的组分和相关的凝固点列在表16和17中。在表16和17中，从左至右依次为PG(丙二醇)；DowanolDPM；ProglydeDMM(两种浓度)；AcrosolvPTB；AcrosolvPnP；和CryotechPnP，它们都用作防冻剂(FDP)。
在本文描述的组合物中还可以使用防冻剂的组合，因为当两种或多种防冻剂被混合到一起时能观察到降低凝固点的协同效应。例如，既包括丙二醇(7％w/w)又包括DowanolDPM(23.5％w/w)的组合物表现出-24.5℃的凝固点(见表16)，但单独包括30.5％(w/w，丙二醇和DowanolDPM的总量)丙二醇或DowanolDPM的组合物分别只表现出-15℃或-9℃的凝固点。类似地，既包括丙二醇(14.83％w/w)又包括ProglydeDMM(19.0％w/w)的组合物表现出-28.0℃的凝固点(见表16)。但是，单独包括33.83％(w/w，丙二醇和DowanolDPM的总量)丙二醇或ProglydeDPM的组合物分别只表现出-20℃或-10℃的凝固点。防冻剂的其它组合(例如见表16)观察到类似的协同结果。
表16高和正摩擦系数(HPF)随车携带组合物(FPD防冻剂)
表17高和正摩擦系数(HPF)轨道旁货运组合物
按实施例1所述制备液体摩擦控制组合物，并可作为雾化喷雾施加到钢轨上，但不限制于作为雾化喷雾施加，组合物也不只在钢轨上使用。
施加每种液体控制组合物到暴露于日光的一段钢轨上，由18个车轴组成的火车在施加产品后立即通过钢轨。使用推力摩擦计测量钢轨顶部的摩擦系数，发现在每种情况下都为约0.33，其在产品的要求范围内。
所述液体摩擦控制组合物降低了钢轨转弯中的横向力、噪音、起皱的发生，并降低了能耗，适合用于钢轨系统内。
实施例12摩擦控制组合物(HPF)这个实施例描述特征在于表现出高和正摩擦系数的替换组合物。这种组合物的组分列于表18。这种组合物经证实凝固点为-28℃。
表18高和正摩擦系数(HPF)组合物(没有保持剂)
通过在室温下向包含总量水的35％的混合筒中缓慢加入流变剂(即膨润土(钠蒙脱石)和润湿剂(即壬基苯氧基多元醇))制备摩擦控制组合物。充分混合混合物的组分，直到形成稠的凝胶。在混合时，按以下顺序加入下列余量成分水(剩余的65％)、氨、醚E.B.(如果有的话)、任何其它液体、按照需要的固体润滑剂(例如钼)和任何其它固体。充分混合这些组分，直到得到光滑的混合物，以确保固体润滑剂被良好分散。得到的组合物为粘稠触变液体，在静置时为冻胶状。当搅拌或泵送时，组合物的粘度降低。组合物为其连续相是流变剂并还包含不连续相固体润滑剂的基质。
可借助本领域技术人员已知的设备如泵或刷子将上述组合物施加到联轴器或钢轨表面等的上面。施加组合物使得组合物薄膜被均匀散布在钢轨上。薄膜优选为直径大约1/8英寸的微珠。
粘合剂通过吸收组合物中的水起作用。随着时间流逝，组合物脱水留下固体微珠，从而与以前使用的油脂或聚合物润滑剂组合物相比增加了润滑剂和摩擦改性剂到钢轨的粘合。粘合剂另外保持润滑剂和摩擦改性剂处于分散状态，即使在车轮经过钢轨后，并且还减少了水的再吸收。因此，组合物不会容易地被雨水除去。
该摩擦控制组合物降低了钢轨转弯中的横向力、噪音、起皱的发生，并降低了能耗，适用于钢轨系统内。
实施例13液体摩擦控制组合物(VHPF)这个实施例描述了特征在于表现出高和正摩擦系数的液体组合物。这种组合物的组分列在表19中。这种组合物经证实凝固点为-28℃。
表19非常高的正摩擦系数(VHPF)组合物(没有保持剂)
按实施例22所述制备液体摩擦控制组合物，并可作为雾化喷雾旋加到钢轨上，但不限制于作为雾化喷雾施加，组合物也不用于只在钢轨上使用。
当滑动的相对速度(滑移)从0增加到约2.5％时组合物产生了在0-0.45范围内的正钢-钢摩擦特性，并在滑移增加到约30％时增加到约0.72。这些摩擦系数水平基本超过用常规润滑剂得到的钢-钢摩擦系数水平，并超过美国专利5173204和5308516中公开的润滑剂组合物的摩擦系数水平。
实施例14液体摩擦控制组合物(LCF)这个实施例描述了特征在于表现出高和正摩擦系数的液体组合物。这种组合物的组分列在表20中。这种组合物经证实凝固点为-28℃。
表20低摩擦系数(LCF)组合物(没有保持剂)
按实施例22所述制备液体摩擦控制组合物，并可作为雾化喷雾施加到钢轨上，但不限制于作为雾化喷雾施加，组合物也不用于只在钢轨上使用。
进行类似于实施例12中所述的试验，记录得到类似的结果。
实施例15通过施加HPF摩擦控制组合物到钢轨顶部减轻钢轨磨损这个实施例说明可通过施加HPF摩擦控制组合物到钢轨顶部减小钢轨的轨距和头部磨损速度。在这个实施例中，在North Vancouver和Squamish(3.5英里处至39英里处)之间35.5英里的主轨道段上从Hi-rail输送系统施加作为雾化喷雾的下列HPF摩擦控制组合物。
每周5天进行喷雾施加。对于3.5英里处至14英里处的全部弯道，以每个钢轨1.5L/英里在两个钢轨的顶部提供覆盖层。从14英里处至39英里处，只施加到弯道的低轨上，速度为0.5L/英里每个钢轨。
下面的表显示了轨道段的特征。
上述轨道段上的平均年吨数一贯为13-14MGT。货车为268000磅(33.5吨轴荷载)。大部分钢轨头部都被特级硬化。水压和机械轨距面油脂润滑剂润滑轨道的轨距面。
使用安装在卡车上的光学钢轨磨损测量系统基于1997到现在收集的数据测定钢轨磨损速度和年度轨道计划要求(N.E.Hooper，“Reducing Rail Costs through Innovative Methods”，RailwayTrack and Structures，1993年7月)。使用Industrial MetricsInc.的Rail Wear Analyst软件(Ver.8.1)分析施加摩擦改性剂前和后在North Vancouver和Squamish之间收集的钢轨磨损数据。该软件允许详细处理和分析大量基于激光或光学的钢轨磨损数据。软件尤其用于将钢轨磨损速度和历史值进行对比。图8A-D中的结果显示了作为曲率函数的对吨数进行标准化了的头部损失％和轨距磨损速度，其中A)从1997年6月到2001年6月期间(基线)，和B)从2001年6月到200年6月(施加摩擦改性剂)。数据表明，在引入TOR摩擦改性剂喷雾施加后，头部损失％和轨距磨损速度都降低60-75％(取决于曲率度数)。在这期间吨数水平保持相对不变。图9A-B分别图示了一个特定半英里段的轨距磨损和头部损失，显示了从1997年开始的每年的连续测量结果。2002年5月(施加摩擦改性剂1年后)的测量值显示为黑色，表明从前一年开始实质上没有另外的磨损。
不施加轨道旁油脂润滑剂进行类似的试验，产生类似的头部％和轨距磨损速度降低，并显示出对钢轨轨距和头部磨损的类似控制。
本文引入所有参考文献作为参考。
已结合优选的实施方案描述了本发明。但是，显然，对本领域的技术人员来说，不脱离本文描述的本发明的范围，就可进行大量变化和变更。在说明书中，术语“包括”用作可扩展术语，基本等同于术语“包括但不限于”，并且词语“包括”具有相应的含义。参考文献的引用并不是承认这种参考文献为本发明的现有技术。
权利要求
1.一种控制钢轨磨损、有轨车轮磨损或两者的方法，包括施加高的正摩擦(HPF)组合物到一个或一个以上钢轨或一个或一个以上有轨车轮的一个或一个以上接触表面上，其中所述一个或一个以上钢轨和所述一个或一个以上有轨车轮处于滑动接触或滑动-滚动接触。
2.权利要求1的方法，其中所述一个或一个以上钢轨包括各自具有头部和轨距面/轨距转角的低轨和高轨，其中HPF组合物被施加到低轨的头部，或施加到低轨和高轨两者的头部，并且其中低轨和高轨两者的磨损被控制。
3.权利要求2的方法，其中HPF组合物被施加到低轨的头部。
4.权利要求2的方法，其中HPF组合物被施加到低轨和高轨两者的头部。
5.权利要求2的方法，其中不施加轨道旁油脂润滑剂就进行该方法。
6.权利要求2的方法，还包括施加HPF组合物到低轨、高轨或低轨和高轨两者的轨距面/轨距转角上。
7.权利要求1的方法，其中HPF组合物包括(a)约30％至约95％的水；(b)约0.5％至约50％的流变控制剂；(c)约0.02wt％至约40wt％的润滑剂，和(d)约0.5wt％至约30wt％的摩擦改性剂，和以下中的一种或一种以上(i)约0.5wt％至约40wt％的保持剂；(ii)约0.5wt％至约2wt％的抗氧化剂；(iii)约0.1wt％至约20wt％的稠度改性剂，和(iv)约10wt％至约30wt％的防冻剂。
8.权利要求7的方法，其中HPF组合物包括(a)约40％至约95％的水；(b)约0.5％至约50％的流变控制剂；(c)约0.5％至约40％的保持剂；(d)约0.5wt％至约40wt％的润滑剂，和(e)约0.5wt％至约25wt％的摩擦改性剂。
9.权利要求7的方法，其中HPF组合物包括(a)约40wt％至约95wt％的水；(b)约0.5wt％至约50wt％的流变控制剂；(c)约0.5wt％至约2wt％的抗氧化剂；(d)约0.5wt％至约40wt％的润滑剂；(e)约0.5wt％至约25wt％的摩擦改性剂，和(f)约0.5wt％至约40wt％的保持剂。
10.权利要求7的方法，其中HPF组合物包括(a)约50wt％至约80wt％的水；(b)约1wt％至约10wt％的流变控制剂；(c)约1wt％至约5wt％的摩擦改性剂；(d)约1wt％至约16wt％的保持剂，和(e)约1wt％至约13wt％的润滑剂。
11.权利要求7的方法，其中HPF组合物包括(a)约50wt％至约80wt％的水；(b)约1wt％至约10wt％的流变控制剂；(c)约1wt％至约5wt％的摩擦改性剂；(d)约1wt％至约16wt％的保持剂；(e)约1wt％至约13wt％的润滑剂，和(f)约0.5wt％至约2wt％的抗氧化剂。
12.权利要求7的方法，其中HPF组合物包括(a)约30wt％至约55wt％的水；(b)约0.5wt％至约20wt％的流变控制剂；(c)约0.1wt％至约20wt％的稠度改性剂；(d)约10wt％至约30wt％的防冻剂；(e)约0.5wt％至约20wt％的保持剂；(f)约0.02wt％至约30wt％的润滑剂，和(g)约0.5wt％至约30wt％的摩擦改性剂。
13.权利要求2的方法，还包括施加中性摩擦特性(LCF)组合物到高轨或低轨和高轨两者的轨距面/轨距转角上。
14.权利要求13的方法，其中中性摩擦特性(LCF)组合物被施加到高轨的轨距面上。
15.权利要求13的方法，其中中性摩擦特性(LCF)组合物被施加到低轨和高轨两者的轨距面上。
16.权利要求13的方法，其中LCF组合物包括(a)约30％至约95％的水；(b)约0.5％至约50％的流变控制剂；(c)约0.02wt％至约40wt％的润滑剂，和以下中的一种或一种以上(i)约0.5wt％至约40wt％的保持剂；(ii)约0.5wt％至约2wt％的抗氧化剂；(iii)约0.1wt％至约20wt％的稠度改性剂，和(iv)约10wt％至约30wt％的防冻剂。
17.权利要求16的方法，其中LCF组合物包括(a)约40wt％至约80wt％的水；(b)约0.5wt％至约50wt％的流变控制剂；(c)约0.5wt％至约40wt％的保持剂；和(d)约1wt％至约40wt％的润滑剂。
18.权利要求16的方法，其中LCF组合物包括(a)约40wt％至约80wt％的水；(b)约0.5wt％至约50wt％的流变控制剂；(c)约1wt％至约40wt％的润滑剂；(d)约0.5wt％至约90wt％的保持剂；和(e)约0.5wt％至约2wt％的抗氧化剂。
19.权利要求16的方法，其中LCF组合物包括(a)约30wt％至约55wt％的水；(b)约0.5wt％至约20wt％的流变控制剂；(c)约0.1wt％至约20wt％的稠度改性剂；(d)约10wt％至约30wt％的防冻剂；(e)约0.5wt％至约20wt％的保持剂，和(f)约1wt％至约30wt％的润滑剂。
20.减轻两个钢元件中的一个或两个的磨损的方法，包括施加高的正摩擦(HPF)组合物到两个钢元件中一个或两个的一个或一个以上表面上，其中两个钢元件处于滑动或滑动-滚动接触。
全文摘要
根据本发明，提供一种减轻表面处于滑动或滑动－滚动接触的两个钢元件的一个或两个的磨损的方法。该方法包括施加HPF摩擦控制组合物到两个钢元件中一个或两个的一个或一个以上接触表面上。在具体的例子中，HPF摩擦控制组合物包括流变控制剂、润滑剂、摩擦改性剂，以及保持剂、抗氧化剂、稠度改性剂和防冻剂中的一种或一种以上。
文档编号B61K3/00GK1816612SQ200480019038
公开日2006年8月9日 申请日期2004年4月30日 优先权日2003年5月2日
发明者D·T·伊迪 申请人:凯尔桑技术公司