鐵道的扣件、螺栓等配件是軌道的重要組成部分，長(zhǎng)期暴露于自然環(huán)境中，日曬雨淋，風(fēng)侵雪蝕，工作條件惡劣；此外，列車經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力作用及運(yùn)載貨物中酸、堿、鹽等的侵蝕作用，容易造成扣件、螺栓等配件發(fā)生氧化腐蝕、化學(xué)腐蝕及電化學(xué)腐蝕等，出現(xiàn)扣件、螺栓等配件銹死失效和緊固失效等不良后果。銹蝕的螺栓會(huì)導(dǎo)致螺栓與連接的扣件、螺母等銹死，更換、拆卸困難，還會(huì)使螺栓的受力性能降低，可能導(dǎo)致螺栓的緊固失效、斷裂等，危及列車行駛安全。 

鐵道螺栓的腐蝕原因

鐵道螺栓是由一個(gè)帶螺紋的螺栓、凸耳或螺母以及鎖緊墊圈等三部分組成的緊固件，其作用在于將鋼軌扣接在軌枕上，并固定兩軌間的軌距，如圖1所示。

圖1 鐵路扣件系統(tǒng)套管螺栓

有砟軌道螺栓一般使用的是立螺栓，預(yù)先將一部分螺紋道釘固定在混凝土軌枕中，通過(guò)螺母將彈條壓緊固定在道釘上，如圖2所示。

圖2 有砟軌道立螺栓

從圖2可以看出，與預(yù)埋套管螺栓相比，立螺栓有更多的部分暴露在外，更容易受到外部因素影響而銹蝕。

研究表明：大氣成分對(duì)腐蝕速率影響很大，當(dāng)大氣中有鹽霧、二氧化硫、硫化氫及灰塵時(shí)，金屬與其在表面反應(yīng)會(huì)生成相應(yīng)的化合物，造成不同程度的化學(xué)腐蝕，如遇到雨水時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕；另外土壤、生物等的腐蝕也會(huì)存在。

此外，力的作用也會(huì)加快螺栓的腐蝕，在不經(jīng)過(guò)列車時(shí)，扣件會(huì)熱脹冷縮，在不同溫度受到拉升或壓縮方向的橫向力；在列車經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)受到列車經(jīng)過(guò)振動(dòng)而產(chǎn)生的上下方向的縱向力。

國(guó)內(nèi)外已有研究者對(duì)不同軌道的振動(dòng)受力模型開(kāi)展過(guò)研究，如Ahlbeck等對(duì)有砟道床的受力模型進(jìn)行了研究，提出了道床錐體受荷假設(shè)，表明有砟軌道道床縱向離散為各個(gè)軌枕下的參振塊，如圖3所示。

圖3 有砟軌道道床受力模型

從圖3的模型中可以看到，道岔第i個(gè)離散的道床參振塊上部受到道枕給予的非均勻分布力，其下部受到路基在垂向上的支撐力，兩側(cè)則受到道床其余部分對(duì)其施加的剪切力。詹彩娟通過(guò)對(duì)動(dòng)力學(xué)仿真分析和減振性能測(cè)試的方式對(duì)地鐵的無(wú)砟軌道受力進(jìn)行了分析，其振動(dòng)模型如圖4所示。

圖4 無(wú)砟軌道振動(dòng)模型

從圖4的模型可以看出，車輛經(jīng)過(guò)產(chǎn)生的振動(dòng)力基本分布在扣件系統(tǒng)上，最終受力由扣件上的固定螺栓來(lái)抵消。

上述研究表明，無(wú)論在有砟和無(wú)砟鐵路軌道，螺栓均受到鋼軌熱脹冷縮和車輛經(jīng)過(guò)振動(dòng)帶來(lái)的作用力，因此螺栓防護(hù)不僅僅是簡(jiǎn)單的防銹，還應(yīng)防止螺栓微振動(dòng)導(dǎo)致的微動(dòng)磨損腐蝕；此外，電流也會(huì)加劇螺栓的腐蝕，特別是道岔區(qū)螺栓的腐蝕還會(huì)受到雜散電流的影響，相比于自然腐蝕，雜散電流腐蝕具有加速腐蝕、局部集中的特點(diǎn)，會(huì)加速電化學(xué)腐蝕，這就對(duì)軌道螺栓的防護(hù)提出了更高的要求。

鐵道螺栓的防護(hù)研究

為了防止鐵道線路、橋梁等相關(guān)螺栓的銹蝕，通常要在螺栓的安裝和日常養(yǎng)護(hù)中涂抹鐵道螺栓防護(hù)潤(rùn)滑脂進(jìn)行防護(hù)。

01 潤(rùn)滑脂的防護(hù)機(jī)理

潤(rùn)滑脂的防護(hù)機(jī)理主要有兩種：一種是物理隔離防護(hù)，即在金屬表面涂覆一層潤(rùn)滑脂，使金屬表面與環(huán)境隔離，以保護(hù)金屬不受環(huán)境中腐蝕介質(zhì)的侵蝕，防止金屬銹蝕；另一種為化學(xué)反應(yīng)防護(hù)，即通過(guò)在潤(rùn)滑脂中添加抗腐蝕劑，抗腐蝕劑與金屬表面接觸后在金屬表面形成一層牢固的緊密排列的吸附膜，形成一種多分子層的防護(hù)膜，從而防止空氣中的氧氣、水分及酸性物質(zhì)對(duì)金屬表面的侵蝕而起到防護(hù)作用。

潤(rùn)滑脂主要由基礎(chǔ)油和添加劑組成，基礎(chǔ)油具有油效應(yīng)，即基礎(chǔ)油能在極性分子吸附少的金屬表面進(jìn)行物理吸附，同時(shí)基礎(chǔ)油分子中的烴基會(huì)深入到定向吸附的防銹劑分子之間，借助范德華力與防銹劑分子共同堵塞孔隙，使金屬表面上的吸附膜更致密完整，并使吸附不夠牢固的極性分子不易脫落，從而能更有效地保護(hù)金屬。

然而，單憑基礎(chǔ)油并不能有效地阻擋腐蝕介質(zhì)，一般會(huì)在潤(rùn)滑脂中加入一定量的防銹劑、金屬緩蝕劑等來(lái)提高潤(rùn)滑脂的防護(hù)性能，此時(shí)基礎(chǔ)油起到載體的作用，使防銹劑、金屬緩蝕劑等在潤(rùn)滑脂中分散均勻。

金屬表面是具有多個(gè)活性中心的高能晶體結(jié)構(gòu)，極易在有水及氧氣的情況下發(fā)生電化學(xué)腐蝕。而潤(rùn)滑脂中的油溶性緩蝕劑一般是具有極性基團(tuán)和較長(zhǎng)碳鏈的有機(jī)化合物，也具有一定的表面活性，由不對(duì)稱的極性基團(tuán)和非極性基團(tuán)組成。當(dāng)其分子極性比水分子極性更強(qiáng)，與金屬的親和力比水更大時(shí)，便可以將金屬表面的水膜置換掉，從而減緩金屬的銹蝕程度，當(dāng)防銹劑的含量超過(guò)臨界膠束含量時(shí)，防銹劑分子就會(huì)以極性基團(tuán)朝里、非極性基團(tuán)朝外的“逆型膠束”狀態(tài)溶存于油中，吸附和捕集極性的腐蝕性物質(zhì)，并將其封存于膠束之中，使之不與金屬接觸，起到防銹作用。

潤(rùn)滑脂中的堿性防銹劑可與酸性腐蝕介質(zhì)進(jìn)行中和反應(yīng)，高分子羧酸皂除了部分游離的羧酸能中和堿外，還可與腐蝕性酸發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)生成新鹽和高分子羧酸，這就使得潤(rùn)滑脂對(duì)某些極性物質(zhì)具有中和、置換和增溶的作用。

潤(rùn)滑脂中的油溶性緩蝕劑是具有不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的表面活性物質(zhì)，防銹劑分子的極性部分依靠庫(kù)侖力或化學(xué)鍵作用在油-金屬表面形成定向吸附，從而降低金屬表面活性中心的活性，阻擋水分子和氧分子的侵蝕，極大地減緩了銹蝕過(guò)程；防銹劑分子的非極性部分在金屬表面形成一層疏水性保護(hù)膜，阻擋了參加腐蝕反應(yīng)的有關(guān)電荷或物質(zhì)的移動(dòng)，從而也極大地降低了銹蝕的幾率和速率。 

02 鐵道螺栓對(duì)防護(hù)脂性能的要求

我國(guó)鐵道螺栓防護(hù)脂執(zhí)行的技術(shù)條件見(jiàn)表1。

分析近5年100多個(gè)鐵道螺栓防護(hù)脂的檢測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)鹽霧箱試驗(yàn)合格的潤(rùn)滑脂也均可通過(guò)濕熱箱試驗(yàn)，比較鹽霧箱試驗(yàn)與濕熱箱試驗(yàn)，鹽霧箱試驗(yàn)比濕熱箱試驗(yàn)的條件更苛刻。

表1的技術(shù)條件中對(duì)鐵道螺栓防護(hù)脂的低溫性能提出了要求，檢測(cè)方法為SH/T 0387—2014《鋼絲繩用潤(rùn)滑脂低溫性能測(cè)定法》附錄C方法，該方法是將潤(rùn)滑脂涂覆在鋼片表面，在-40 ℃條件下折疊鋼片，觀察潤(rùn)滑脂的脆裂情況（SH/T 0387—2014附錄C方法主要適用于考察鋼絲繩脂的低溫性能，與鐵道螺栓防護(hù)脂在低溫條件下的實(shí)際工況相差較遠(yuǎn)，不能有效區(qū)分鐵道螺栓防護(hù)脂的低溫性能，也與現(xiàn)場(chǎng)使用的實(shí)際工況不符）。

鐵道螺栓防護(hù)脂的使用工況是直接暴露在自然環(huán)境中，在使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)與水接觸，為了防止鐵道螺栓防護(hù)脂被雨水沖走，對(duì)潤(rùn)滑脂的抗水性能有較高的要求。表1的技術(shù)條件中對(duì)鐵道螺栓防護(hù)脂的抗水淋性提出了一定的要求，采用SH/T 0109—2018《潤(rùn)滑脂 抗水淋性能測(cè)定法》中的方法進(jìn)行測(cè)試（但SH/T 0109—2018方法考察的是動(dòng)態(tài)軸承中潤(rùn)滑脂的抗水性能，而鐵道螺栓防護(hù)脂實(shí)際工況需要考慮的是靜態(tài)抗水性能和抗雨淋性能）。

對(duì)5條線路（包括預(yù)埋套管螺栓和立螺栓）鐵道螺栓防護(hù)脂的防護(hù)效果進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)預(yù)埋套管螺栓的潤(rùn)滑脂經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用后會(huì)流失，螺栓銹蝕明顯，且套管中有存水，在寒冷的冬季還會(huì)有凍漲現(xiàn)象發(fā)生，如圖5所示。

圖5 預(yù)埋套管螺栓銹蝕情況

從圖5中可以很明顯地看到螺栓銹蝕嚴(yán)重，套管中有存水，基本已看不到有潤(rùn)滑脂，這可能是由于車輛經(jīng)過(guò)引起的振動(dòng)、外界雨雪的進(jìn)入等原因造成了潤(rùn)滑脂流失，從而導(dǎo)致預(yù)埋套管螺栓銹蝕。

圖6是有砟線路立螺栓的銹蝕情況。

圖6 有砟線路立螺栓銹蝕情況

從圖6中可以很明顯地看到有砟線路的立螺栓銹蝕嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)了解，該線路每年的春秋兩季要對(duì)所有聯(lián)結(jié)零配件進(jìn)行涂脂，防止聯(lián)結(jié)零件銹蝕，由于該線路干旱少雨，運(yùn)輸中粉塵較大，螺栓銹蝕較快，因此要對(duì)螺栓的涂脂保養(yǎng)定期進(jìn)行復(fù)查以保證潤(rùn)滑脂附著良好，防止螺栓氧化、開(kāi)裂和生銹，但即便如此，螺栓的防護(hù)效果仍然不佳，主要是道岔螺栓容易折斷，線路扣件容易銹蝕。

對(duì)5個(gè)路局有砟線路立螺栓使用的鐵道螺栓防護(hù)脂進(jìn)行抽樣檢測(cè)，所用的螺栓防護(hù)脂均不能全項(xiàng)符合表1的技術(shù)要求，調(diào)研發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)天窗時(shí)間有限，為方便作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)通常使用稠度較稀的防護(hù)脂，但通常該類防護(hù)脂不符合表1中的技術(shù)要求。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，螺栓防護(hù)脂的使用主要存在以下問(wèn)題： 

（1）預(yù)埋套管螺栓所用的防護(hù)脂的性能基本能符合表1中的技術(shù)要求，但在實(shí)際使用中防護(hù)效果不佳，螺栓多有銹蝕，管內(nèi)有存水且北方地區(qū)有發(fā)生凍漲損壞尼龍預(yù)埋套管的情況；

（2）有砟線路所用的防護(hù)脂稠度較低（稠度為00號(hào)~000號(hào)）或直接涂刷廢機(jī)油，防護(hù)效果差、周期短，螺栓銹蝕嚴(yán)重；

（3）經(jīng)過(guò)估算，我國(guó)鐵道線路螺栓每年使用的防護(hù)潤(rùn)滑脂超過(guò)5000噸，但多為劣質(zhì)防銹脂，在高溫或雨水沖刷下會(huì)流失到自然環(huán)境中，污染線路環(huán)境；

（4）螺栓防護(hù)脂的種類、生產(chǎn)廠家和品牌多，給采購(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)使用和管理帶來(lái)了很大的不便，也常出現(xiàn)有不合格產(chǎn)品。

根據(jù)鐵道螺栓防護(hù)脂的作用機(jī)理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工作需求，螺栓防護(hù)脂需要具有以下性能：

1. 具有良好的防銹作用，螺栓防護(hù)脂須具有良好且長(zhǎng)效的對(duì)鐵金屬的防銹作用；

2. 具有防止螺栓微振動(dòng)磨損腐蝕的作用，需要防護(hù)脂具有一定的抗微動(dòng)磨損性能；

3. 具有較長(zhǎng)的防護(hù)周期，需要防護(hù)脂具有較強(qiáng)的黏附性能與良好的抗水疏水性能，考慮到鐵道螺栓防護(hù)脂的使用工況，想要達(dá)到較長(zhǎng)的使用時(shí)間，防護(hù)脂必須能較好地粘附在螺栓上，同時(shí)能夠很好地抵抗雨水的沖刷和浸泡；

4. 對(duì)環(huán)境污染或影響小，鐵路螺栓防護(hù)脂在自然界中直接裸露使用，對(duì)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生直接的影響，由于用量較大，需考慮使用時(shí)對(duì)環(huán)境的影響，考慮延長(zhǎng)潤(rùn)滑脂的使用周期，減少使用量；

5. 與預(yù)埋套管材料兼容，防護(hù)脂不能對(duì)預(yù)埋套管材料產(chǎn)生不良影響；

6. 現(xiàn)場(chǎng)使用的便捷性，預(yù)埋套管涂脂施工基本是使用泵脂機(jī)注入或定裝包裝直接放入的方式，既有線多使用涂刷方式，作業(yè)工作量大，若防護(hù)脂的稠度較大（1號(hào)或2號(hào)稠度），則需要配套便捷的涂脂設(shè)備；

7. 北方寒冷地區(qū)對(duì)防護(hù)脂抗低溫凍漲性能有較高的要求。

結(jié)束語(yǔ) 

隨著我國(guó)鐵道技術(shù)的快速發(fā)展和對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，高質(zhì)量、長(zhǎng)壽命、環(huán)保型的鐵道螺栓防護(hù)脂是未來(lái)發(fā)展的方向。隨著鐵路工務(wù)維保技術(shù)的發(fā)展，為滿足鐵道螺栓的維保防護(hù)要求、節(jié)約人工成本和提高作業(yè)質(zhì)量，專業(yè)自動(dòng)化的涂脂作業(yè)設(shè)備或便捷涂脂設(shè)備必將得到廣泛應(yīng)用。