鐵道車輛單元制動缸用耐低溫橡膠皮碗的研制

高新文，王付勝，曹江勇，馬宗斌

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

鐵道車輛單元制動缸關系到鐵道車輛的行駛安全，是鐵道車輛的關鍵零部件。鐵道車輛單元制動缸利用橡膠皮碗的彈性密封作用在壓縮空氣的推動下實現單元制動缸的制動和緩解，因此保持橡膠皮碗的彈性是單元制動缸實現其制動功能的關鍵。眾所周知，橡膠的性能受溫度的影響較大，在低溫環境下橡膠皮碗的彈性會降低，密封性能下降。我國幅員遼闊，東北地區冬季溫度可達到－40 ℃，部分地區極端情況下可達到－50 ℃，如果橡膠皮碗不能通過－50 ℃低溫氣密性試驗，單元制動缸在－50 ℃環境中將會失去制動性能，導致鐵道車輛出現行駛安全問題。因此，提高橡膠皮碗的耐低溫性能是一項非常有必要和有意義的工作。

本工作對比研究丁腈橡膠（NBR）牌號、增塑劑和填料對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，解決單元制動缸－50 ℃低溫漏風問題。

1 實驗

1.1 主要原材料

NBR，牌號1965，丙烯腈質量分數 0.19，門尼粘度[ML（1＋4）100 ℃] 65，鎮江南帝化工有限公司產品；NBR，牌號N250S，丙烯腈質量分數0.18，門尼粘度 45，日本合成橡膠公司產品；NBR，牌號1846F，丙烯腈質量分數 0.2，門尼粘度 63，朗盛化學有限公司產品；炭黑N330，上海卡博特化工有限公司產品；噴霧炭黑，撫順龍達色素炭黑有限公司產品；氧化鋅，大連氧化鋅廠產品；斯達粉，上海鎧立化工科技有限公司產品；增塑劑DOS，山東藍帆化工有限公司產品；增塑劑TP-95和TP-90B，沈陽東方昊炅化工有限公司產品。

1.2 主要設備和儀器

YS-3L型密煉機，無錫陽明橡膠機械有限公司產品；GT-M2000-A型硫化儀、AI-7000S型電子拉力機、GT-7017-M型老化箱和GT-7061-ND型低溫脆性試驗機，高特威爾檢測儀器有限公司產品；XDY型橡膠壓縮耐寒試驗機，天津市材料試驗機廠產品；90型步入式高低溫試驗室，東莞市瑞凱環境檢測儀器有限公司產品；氣密試驗機和疲勞試驗機，中車青島四方車輛研究所有限公司產品。

1.3 試樣制備

膠料采用兩段混煉工藝混煉，一段混煉在密煉機中進行，加入生膠、小料和炭黑；二段混煉在開煉機上進行，加入硫化劑。

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

1.4 性能測試

（1）硫化膠的性能按照相應的國家標準進行測試。

（2）單元制動缸橡膠皮碗性能按照TB/T 3106—2005《鐵道車輛單元制動缸》進行測試。

2 結果與討論

2.1 配方設計

2.1.1 主體材料

NBR是通用耐油膠種，其丙烯腈含量對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，選用丙烯腈含量較小的NBR1965、NBR1846F和N250S三種低丙烯腈含量的NBR進行對比驗證，試驗結果如表1所示。

表1 不同牌號NBR膠料的性能

從表1可以看出：3種牌號NBR膠料硬度、拉伸強度、拉斷伸長率、撕裂強度、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 ℃下壓縮耐寒系數最高，其耐低溫性能優于另外兩種NBR。因此，選用NBR1965作為主體材料。

2.1.2 補強體系

NBR是非結晶無定型聚合物（非自補強橡膠），生膠強度低，必須經補強后才具有使用價值[1]。炭黑是目前補強效果最好、用量最大的補強劑。炭黑品種對膠料性能的影響如表2所示。

表2 炭黑品種對膠料性能的影響

從表2可以看出：添加炭黑N330的膠料200%定伸應力、拉伸強度和撕裂強度較高，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，拉伸強度和撕裂強度較低，但仍能滿足TB/T 3106的技術要求（拉伸強度≥10 MPa，撕裂強度≥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強材料。

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，而且能夠改進制品的耐低溫性能和耐溶劑性能[2]。增塑劑對NBR耐寒性的影響與增塑劑的化學結構有關，具有亞甲基直鏈結構的脂肪酸類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的對比試驗結果如表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具有較長的直鏈結構和較大相對分子質量，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 增塑劑品種對膠料性能的影響

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

2.2 成品性能

采用優化配方膠料試制單元制動缸橡膠皮碗，將橡膠皮碗安裝在3個單元制動缸中按照技術要求進行氣密性試驗、制動靈敏度試驗和性能測試。3個單元制動缸的試驗結果如表4所示。

從表4可以看出，3個裝有優化配方的橡膠皮碗單元制動缸的總調整量、氣密性、制動靈敏度均滿足技術指標要求。

表4 橡膠皮碗性能測試結果

對3個裝有優化配方的橡膠皮碗的單元制動缸進行50萬次制動/緩解疲勞試驗，測試疲勞后的制動缸靈敏度、氣密性和總調整量，試驗結果如表5所示。

表5 橡膠皮碗疲勞后性能測試結果

從表5可以看出，裝有優化配方的橡膠皮碗的單元制動缸經50萬次疲勞后仍能滿足靈敏度、常溫氣密性、低溫氣密性和總調整量的要求。

圖1和2分別為50萬次疲勞后耐低溫橡膠皮碗的外貌和制動缸后蓋外貌。

圖1 50萬次疲勞后橡膠皮碗外貌

圖2 50萬次疲勞后制動缸后蓋壁外貌

從圖1和2可以看出：50萬次疲勞后皮碗有少量的磨損，唇口部位變得圓滑；制動缸后蓋上粘附有少量磨損下來的黑色橡膠。

3 結論

本工作研制的NBR膠料具有優異的耐低溫性能，能夠滿足單元制動缸－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缸于2014年5月開始在哈爾濱進行裝車運用驗證，裝車驗證周期為1年。裝車運用驗證期間現場最低溫度達到了－44 ℃，所研制膠料皮碗經受住了低溫環境下實際應用考驗，各項功能穩定可靠。