鐵道車(chē)輛單元制動(dòng)缸用耐低溫橡膠皮碗的研制

高新文，王付勝，曹江勇，馬宗斌

（中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

鐵道車(chē)輛單元制動(dòng)缸關(guān)系到鐵道車(chē)輛的行駛安全，是鐵道車(chē)輛的關(guān)鍵零部件。鐵道車(chē)輛單元制動(dòng)缸利用橡膠皮碗的彈性密封作用在壓縮空氣的推動(dòng)下實(shí)現(xiàn)單元制動(dòng)缸的制動(dòng)和緩解，因此保持橡膠皮碗的彈性是單元制動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)其制動(dòng)功能的關(guān)鍵。眾所周知，橡膠的性能受溫度的影響較大，在低溫環(huán)境下橡膠皮碗的彈性會(huì)降低，密封性能下降。我國(guó)幅員遼闊，東北地區(qū)冬季溫度可達(dá)到－40 ℃，部分地區(qū)極端情況下可達(dá)到－50 ℃，如果橡膠皮碗不能通過(guò)－50 ℃低溫氣密性試驗(yàn)，單元制動(dòng)缸在－50 ℃環(huán)境中將會(huì)失去制動(dòng)性能，導(dǎo)致鐵道車(chē)輛出現(xiàn)行駛安全問(wèn)題。因此，提高橡膠皮碗的耐低溫性能是一項(xiàng)非常有必要和有意義的工作。

本工作對(duì)比研究丁腈橡膠（NBR）牌號(hào)、增塑劑和填料對(duì)橡膠皮碗膠料耐低溫性能的影響，以期提高皮碗膠料的耐低溫性能，解決單元制動(dòng)缸－50 ℃低溫漏風(fēng)問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

NBR，牌號(hào)1965，丙烯腈質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.19，門(mén)尼粘度[ML（1＋4）100 ℃] 65，鎮(zhèn)江南帝化工有限公司產(chǎn)品；NBR，牌號(hào)N250S，丙烯腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.18，門(mén)尼粘度 45，日本合成橡膠公司產(chǎn)品；NBR，牌號(hào)1846F，丙烯腈質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.2，門(mén)尼粘度 63，朗盛化學(xué)有限公司產(chǎn)品；炭黑N330，上海卡博特化工有限公司產(chǎn)品；噴霧炭黑，撫順龍達(dá)色素炭黑有限公司產(chǎn)品；氧化鋅，大連氧化鋅廠(chǎng)產(chǎn)品；斯達(dá)粉，上海鎧立化工科技有限公司產(chǎn)品；增塑劑DOS，山東藍(lán)帆化工有限公司產(chǎn)品；增塑劑TP-95和TP-90B，沈陽(yáng)東方昊炅化工有限公司產(chǎn)品。

1.2 主要設(shè)備和儀器

YS-3L型密煉機(jī)，無(wú)錫陽(yáng)明橡膠機(jī)械有限公司產(chǎn)品；GT-M2000-A型硫化儀、AI-7000S型電子拉力機(jī)、GT-7017-M型老化箱和GT-7061-ND型低溫脆性試驗(yàn)機(jī)，高特威爾檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；XDY型橡膠壓縮耐寒試驗(yàn)機(jī)，天津市材料試驗(yàn)機(jī)廠(chǎng)產(chǎn)品；90型步入式高低溫試驗(yàn)室，東莞市瑞凱環(huán)境檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品；氣密試驗(yàn)機(jī)和疲勞試驗(yàn)機(jī)，中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司產(chǎn)品。

1.3 試樣制備

膠料采用兩段混煉工藝混煉，一段混煉在密煉機(jī)中進(jìn)行，加入生膠、小料和炭黑；二段混煉在開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行，加入硫化劑。

檢測(cè)試樣在平板硫化機(jī)中硫化，硫化條件為160 ℃×15 min；單元制動(dòng)缸橡膠皮碗在抽真空平板硫化機(jī)中硫化，硫化條件為160 ℃×25 min。

1.4 性能測(cè)試

（1）硫化膠的性能按照相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

（2）單元制動(dòng)缸橡膠皮碗性能按照TB/T 3106—2005《鐵道車(chē)輛單元制動(dòng)缸》進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 配方設(shè)計(jì)

2.1.1 主體材料

NBR是通用耐油膠種，其丙烯腈含量對(duì)耐低溫性能有較大影響。鑒于丙烯腈含量小的NBR具有分子極性小、柔順性和耐寒性好的特點(diǎn)，選用丙烯腈含量較小的NBR1965、NBR1846F和N250S三種低丙烯腈含量的NBR進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同牌號(hào)NBR膠料的性能

從表1可以看出：3種牌號(hào)NBR膠料硬度、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度、恒定壓縮永久變形、耐油性能和耐老化性能基本相同；NBR1965在－50 ℃下壓縮耐寒系數(shù)最高，其耐低溫性能優(yōu)于另外兩種NBR。因此，選用NBR1965作為主體材料。

2.1.2 補(bǔ)強(qiáng)體系

NBR是非結(jié)晶無(wú)定型聚合物（非自補(bǔ)強(qiáng)橡膠），生膠強(qiáng)度低，必須經(jīng)補(bǔ)強(qiáng)后才具有使用價(jià)值[1]。炭黑是目前補(bǔ)強(qiáng)效果最好、用量最大的補(bǔ)強(qiáng)劑。炭黑品種對(duì)膠料性能的影響如表2所示。

表2 炭黑品種對(duì)膠料性能的影響

從表2可以看出：添加炭黑N330的膠料200%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度較高，耐低溫性和耐油性較差；添加噴霧炭黑的膠料耐低溫性能和耐油性較好，拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度較低，但仍能滿(mǎn)足TB/T 3106的技術(shù)要求（拉伸強(qiáng)度≥10 MPa，撕裂強(qiáng)度≥20 kN·m-1）；添加炭黑N550的膠料性能介于上述二者之間。因此為提高膠料的耐低溫性能，選用噴霧炭黑作為補(bǔ)強(qiáng)材料。

2.1.3 增塑體系

在NBR中加入增塑劑，不僅能夠改善NBR的加工性能，而且能夠改進(jìn)制品的耐低溫性能和耐溶劑性能[2]。增塑劑對(duì)NBR耐寒性的影響與增塑劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)，具有亞甲基直鏈結(jié)構(gòu)的脂肪酸類(lèi)增塑劑可賦予硫化膠良好的耐寒性[3]。增塑劑DOS、TP-95和TP-90B的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，添加增塑劑TP-90B的膠料耐低溫性和耐油性最好，添加增塑劑DOS的膠料耐低溫性最差。增塑劑TP-90B具有較長(zhǎng)的直鏈結(jié)構(gòu)和較大相對(duì)分子質(zhì)量，能夠賦予膠料較好的耐低溫性能和耐油性能，因此確定采用TP-90B作為增塑劑。

表3 增塑劑品種對(duì)膠料性能的影響

最后確定耐低溫單元制動(dòng)缸橡膠皮碗膠料優(yōu)化配方為：NBR1965 100，噴霧炭黑 80，氧化鋅3.5，硬脂酸 1.5，斯達(dá)粉 50，增塑劑TP-90B 25，防老劑MB 1.5，防老劑RD 1.5，硫黃1.2，促進(jìn)劑DM 1.5，其他 3.8。

2.2 成品性能

采用優(yōu)化配方膠料試制單元制動(dòng)缸橡膠皮碗，將橡膠皮碗安裝在3個(gè)單元制動(dòng)缸中按照技術(shù)要求進(jìn)行氣密性試驗(yàn)、制動(dòng)靈敏度試驗(yàn)和性能測(cè)試。3個(gè)單元制動(dòng)缸的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，3個(gè)裝有優(yōu)化配方的橡膠皮碗單元制動(dòng)缸的總調(diào)整量、氣密性、制動(dòng)靈敏度均滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求。

表4 橡膠皮碗性能測(cè)試結(jié)果

對(duì)3個(gè)裝有優(yōu)化配方的橡膠皮碗的單元制動(dòng)缸進(jìn)行50萬(wàn)次制動(dòng)/緩解疲勞試驗(yàn)，測(cè)試疲勞后的制動(dòng)缸靈敏度、氣密性和總調(diào)整量，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 橡膠皮碗疲勞后性能測(cè)試結(jié)果

從表5可以看出，裝有優(yōu)化配方的橡膠皮碗的單元制動(dòng)缸經(jīng)50萬(wàn)次疲勞后仍能滿(mǎn)足靈敏度、常溫氣密性、低溫氣密性和總調(diào)整量的要求。

圖1和2分別為50萬(wàn)次疲勞后耐低溫橡膠皮碗的外貌和制動(dòng)缸后蓋外貌。

圖1 50萬(wàn)次疲勞后橡膠皮碗外貌

圖2 50萬(wàn)次疲勞后制動(dòng)缸后蓋壁外貌

從圖1和2可以看出：50萬(wàn)次疲勞后皮碗有少量的磨損，唇口部位變得圓滑；制動(dòng)缸后蓋上粘附有少量磨損下來(lái)的黑色橡膠。

3 結(jié)論

本工作研制的NBR膠料具有優(yōu)異的耐低溫性能，能夠滿(mǎn)足單元制動(dòng)缸－50 ℃下的低溫氣密性、疲勞壽命等性能要求。裝有所研制膠料皮碗的單元制動(dòng)缸于2014年5月開(kāi)始在哈爾濱進(jìn)行裝車(chē)運(yùn)用驗(yàn)證，裝車(chē)驗(yàn)證周期為1年。裝車(chē)運(yùn)用驗(yàn)證期間現(xiàn)場(chǎng)最低溫度達(dá)到了－44 ℃，所研制膠料皮碗經(jīng)受住了低溫環(huán)境下實(shí)際應(yīng)用考驗(yàn)，各項(xiàng)功能穩(wěn)定可靠。