一種標準地鐵單元制動缸用石墨烯橡膠皮碗延壽研究

張東升 虞曉峰 周易文

（1.南京中車浦鎮海泰制動設備有限公司，江蘇 南京 211800；2.中國航發北京航空材料研究院，北京 100095）

南京某公司承擔中國系列化標準地鐵列車研制中的基礎制動攻關項目，擬開發設計新一代地鐵列車基礎制動單元。采用一種橡膠皮碗密封件來實現對單元制動缸內壓縮空氣的密封，從而實現地鐵車輛的制動和緩解動作。雖然橡膠皮碗是單元制動缸的核心零部件之一，但目前該產品的通用使用壽命僅為3 a～4 a，與基礎制動單元其他零配件的檢修周期嚴重不匹配。為此系列化中國標準地鐵希望對橡膠皮碗進行攻關研究，將其使用壽命提高到8 a，減少檢修次數。該文研究石墨烯對改善丁腈橡膠耐老化性能和耐動態疲勞性能的作用，并對新研石墨烯丁腈橡膠單元制動缸橡膠皮碗進行延壽試驗和評價。

1 單元制動缸橡膠皮碗工作原理

標準地鐵單元制動缸如圖1所示，主要由缸體、活塞和橡膠皮碗等組成，設計最大工作密封壓力為1 MPa，最低使用溫度為-40 ℃。橡膠皮碗結構如圖2所示，橡膠皮碗唇口與制動缸壁貼合，橡膠在氣壓的作用下產生壓縮變形填塞氣體泄露通道，從而達到密封的效果，其密封力隨氣壓的增大而變大，具有自緊的作用。在制動緩解過程中，橡膠皮碗沿著制動缸壁往復運動，屬于氣動密封。

圖1 單元制動缸橡膠皮碗密封示意圖

圖2 橡膠皮碗結構簡圖

2 標準地鐵單元制動缸橡膠皮碗延壽要求

根據TCAMET 04004.7—2018 《城市軌道交通車輛制動系統 第7部分：制動夾鉗單元技術規范》要求，標準地鐵列車單元制動缸橡膠皮碗要滿足使用壽命為8 a的要求，橡膠皮碗必須能夠承受在（450±50） kPa內任意值的壓縮空氣以及不少于2×106次的制動、緩解疲勞試驗。并且確認橡膠皮碗疲勞前后都能通過常溫、-40 ℃低溫氣密試驗。

首先，必須了解橡膠皮碗產品在制動、緩解疲勞工況下的受力情況，該文采用ANSYS軟件建立橡膠皮碗密封模型如圖3所示，有限元分析結果表明：橡膠皮碗在制動、緩解疲勞工況下，橡膠材料主要為壓縮受力形式，橡膠材料的最大應變為36.4%，最大應力為1.09 MPa。

圖3 標準地鐵橡膠皮碗密封有限元模型及疲勞工況下橡膠材料應力應變云圖

橡膠皮碗的密封力與橡膠材料的模量、彈性有關[1]，隨著橡膠材料的老化，其彈性變差，橡膠模量降低到一定程度后密封力完全消失，會導致密封泄露。為了延長橡膠皮碗的使用壽命，需要綜合考慮老化和疲勞對橡膠材料壓縮模量和彈性的影響，因此制定橡膠材料的耐老化和耐動態疲勞性能指標如下：1） 以回彈性下降20%為臨界值，要求橡膠材料在23 ℃下的使用壽命≥8 a。2） 在壓縮變形率為40%且經過2×106次動態壓縮疲勞后，橡膠壓縮模量和回彈性下降幅度≤20%。

3 高性能長壽命石墨烯丁腈橡膠材料研制

3.1 石墨烯丁腈橡膠材料與普通丁腈橡膠材料性能對比

該文研究了用石墨烯來提升丁腈橡膠材料的性能和使用壽命。石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型（呈蜂巢晶格）的平面薄膜，它是一種二維材料[2-3]。石墨烯的比表面積高達2 630 m2/g，比炭黑高40～80倍。同時石墨烯強度比傳統炭黑高100～500倍。根據橡膠材料的補強原理[4]，石墨烯對橡膠材料有非常高的補強效率，可避免添加大量的炭黑，有利于提高橡膠材料的回彈性能和耐疲勞性能。表1為研制的石墨烯丁腈橡膠材料與普通丁腈橡膠基本物理性能參數的對比。從表1可以看出：石墨烯丁腈橡膠的拉伸強度、撕裂強度有大幅提升，其中撕裂強度提升到78%；回彈性能也有提升，主要是由于石墨烯的高補強性減少了炭黑的填充，提高了含膠率；其耐老化性能優于普通丁腈橡膠，因為石墨烯的超大比表面積和二維片層分布具有“曲折道路效應”，可以阻礙熱、臭氧等滲透，所以可以提升橡膠材料的耐老化性能和使用壽命[5]。

表1 石墨烯丁腈橡膠與普通丁腈橡膠橡膠材料物理性能對比表

3.2 石墨烯丁腈橡膠材料使用壽命和疲勞試驗評估

對石墨烯丁腈橡膠進行熱老化和壓縮疲勞試驗，評估其材料的疲勞性能。其中，加速熱老化壽命試驗按照GB/T20028—2005的要求進行試驗，壓縮疲勞按照GB/T 1687.1—2016的要求進行試驗，回彈性按照GB/T 1681—2009的要求進行試驗，壓縮模量按照GB 7757—2009的要求進行試驗。石墨烯丁腈橡膠加速熱老化的試驗條件和回彈性老化數據見表2。變化趨勢和推算的阿累尼烏斯圖如圖4、圖5所示。

圖4 回彈性能隨老化時間變化曲線

圖5 回彈性能阿累尼烏斯圖

表2 石墨烯丁腈橡膠不同溫度、不同老化時間下的回彈性能變化

以橡膠回彈性下降20%為臨界，石墨烯丁腈橡膠在23 ℃常溫下使用壽命為15.5 a，滿足橡膠材料使用壽命≥8 a的技術要求。

經過2×106次壓縮疲勞試驗，石墨烯丁腈橡膠壓縮模量下降了8.8%，回彈性下降了-12.7%，滿足標準地鐵車輛橡膠皮碗橡膠材料中下降幅度不大于20%的指標要求。

4 單元制動缸橡膠皮碗使用壽命試驗與評價

4.1 單元制動缸皮碗使用壽命試驗

橡膠皮碗使用壽命評估試驗必須綜合考慮長時間環境因素、制動以及緩解疲勞對產品的影響。橡膠皮碗裝在制動缸內，不受外界光照的影響，只需要考慮溫度對橡膠材料的老化作用。但常溫下橡膠材料老化的速度緩慢，試驗周期太長；為了縮短研究時間，需要對橡膠皮碗進行加速老化試驗。根據石墨烯丁腈橡膠的老化數據和阿尼烏斯原理[6]可以推算加速老化等效條件：高溫加速老化110 ℃×340 h等效在常溫23 ℃×8 a。

表3 2×106次壓縮疲勞石墨烯丁腈橡膠性能變化

表4 石墨烯丁腈橡膠加速老化等效條件推算阿雷尼烏斯方程

疊加考慮熱老化和力疲勞對橡膠皮碗產品使用壽命的影響，設計如下試驗方案對橡膠皮碗的使用壽命進行評估：1） 產品加速熱老化，經過110 ℃×340 h熱老化后檢查外觀，確定外觀良好后進行常溫、低溫-40 ℃氣密試驗并通過氣密試驗。2） 經過2×106次制動、緩解疲勞試驗后，檢查外觀，并進行常溫、低溫-40 ℃氣密試驗。經過加速熱老化、制動和緩解疲勞疊加試驗的石墨烯丁腈橡膠皮碗的常溫、低溫-40 ℃密封性能滿足制動要求，說明石墨烯丁腈橡膠皮碗能夠滿足延壽設計的要求。

表5 標準地鐵單元制動缸皮碗疲勞前后氣密試驗結果

4.2 單元制動缸皮碗使用壽命安全裕度

進一步評估石墨烯丁腈橡膠皮碗使用壽命的安全裕度，對其進行疊加疲勞考核試驗（見表6），試驗結果表明：石墨烯丁腈橡膠皮碗經過110 ℃×680 h加速熱老化后不失效，比設計110 ℃×340 h多1倍，說明產品的耐熱老化壽命的安全系數為2倍，石墨烯丁腈橡膠皮碗經過3×106次疲勞后不失效，比設計大0.5倍，其耐制動疲勞次數的安全系數為1.5倍。制動、緩解疲勞對橡膠皮碗的使用壽命的影響較大。在橡膠皮碗使用壽命的制定過程中，需要考慮不同地鐵列車運營頻次的問題，綜合考慮日歷使用壽命和運行里程數。

表6 石墨烯丁腈橡膠不同疲勞條件下產品狀態

5 結論

該文分析了影響單元制動缸橡膠皮碗密封性能的橡膠材料參數，并結合產品實際工況下橡膠材料的應力應變水平，制定了標準地鐵單元制動缸橡膠皮碗延壽用橡膠材料的性能指標。研制試驗表明石墨烯能夠提升丁腈橡膠的性能和使用壽命，研制的石墨烯丁腈橡膠材料性能滿足標準地鐵橡膠皮碗材料技術指標。對橡膠皮碗產品的使用壽命進行加速熱老化、制動和緩解疲勞疊加評估試驗，結果表明：新研制的石墨烯丁腈橡膠皮碗產品滿足標準地鐵基礎制動8 a的使用壽命，并且具有一定安全裕度。