王付勝,趙國(guó)艷,高志樺,夏迎旭

(中車青島四方車輛研究所有限公司 技術(shù)中心,山東 青島 266031)

為了降低車輛運(yùn)行噪聲、有效提高乘坐舒適性,現(xiàn)代軌道車輛在懸掛系統(tǒng)、設(shè)備安裝系統(tǒng)以及連接、限位等部位中大量使用各種橡膠彈性元件。橡膠膠料的性能是影響橡膠彈性元件性能的主要因素之一,然而橡膠膠料的性能受溫度的影響較大,橡膠膠料隨著溫度降低彈性下降、硬度上升,從而導(dǎo)致橡膠彈性元件的剛度上升,對(duì)其功能產(chǎn)生不利影響,嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致功能喪失,這會(huì)降低車輛的運(yùn)行安全性和乘坐舒適性。因此,在低溫環(huán)境中使用的橡膠彈性元件以及橡膠膠料都有低溫性能要求。橡膠彈性元件的低溫性能一般用低溫剛度變化率或低溫剛度系數(shù)來(lái)表征,其大小可以直接反映出橡膠彈性元件低溫性能優(yōu)劣;橡膠膠料低溫性能的表征參數(shù)較多,國(guó)內(nèi)鐵路行業(yè)常用脆性溫度來(lái)表征[1-5]。

一般認(rèn)為,橡膠膠料的脆性溫度越低,其耐低溫性能就越好,相應(yīng)產(chǎn)品的低溫性能也會(huì)越好,橡膠膠料在高于脆性溫度值5～10 ℃的低溫環(huán)境中就能正常應(yīng)用。然而在實(shí)際運(yùn)用及試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn),對(duì)于橡膠彈性元件,其膠料的脆性溫度高低與彈性元件的低溫性能優(yōu)劣的相關(guān)性不強(qiáng)。

本文通過(guò)橡膠彈性元件低溫失效案例、膠料低溫性能參數(shù)特點(diǎn)以及低溫性能試驗(yàn)研究,提出了更適用于表征橡膠彈性元件膠料低溫性能的參數(shù)。

1 軌道車輛橡膠彈性元件低溫失效典型案例

2017年12月,在長(zhǎng)春對(duì)時(shí)速160 km動(dòng)力集中動(dòng)車組車輛進(jìn)行小曲線線路試驗(yàn)時(shí),多次出現(xiàn)空氣彈簧漏風(fēng)故障,漏風(fēng)后的空氣彈簧再次充氣不能成功。2018年12月中旬,在北京進(jìn)行兩列短編時(shí)速160 km動(dòng)力集中動(dòng)車組車輛道路救援試驗(yàn)時(shí),車輛通過(guò)環(huán)線曲線線路時(shí)兩列車的空氣彈簧皆出現(xiàn)漏風(fēng)氣囊打褶故障,進(jìn)入直線線路后再次充氣也不能成功,造成試驗(yàn)中斷。圖1為低溫環(huán)境漏風(fēng)故障空氣彈簧。

圖1 低溫環(huán)境漏風(fēng)故障空氣彈簧

時(shí)速160 km動(dòng)力集中動(dòng)車組車輛裝用的φ580型空氣彈簧,其結(jié)構(gòu)型式如圖2所示。

1—上蓋;2—?dú)饽?3—支撐座;4—疊層彈簧。

經(jīng)分析確認(rèn)故障原因?yàn)榀B層彈簧在低溫環(huán)境下經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間加載放置后橡膠硬化,致使其水平剛度變大,水平變形能力下降到不能滿足車輛經(jīng)過(guò)小曲線軌道時(shí)水平位移需求,造成了氣囊和支承座裝配組合部位機(jī)械脫離而漏風(fēng)。

2 軌道車輛彈性元件膠料低溫性能的影響因素

橡膠彈性元件的膠料一般需具有良好的物理機(jī)械強(qiáng)度、彈性、疲勞性能、耐低溫性能、與金屬骨架粘合性能、加工工藝性能等。天然橡膠綜合性能好,基本可以滿足橡膠彈性元件的機(jī)械性能要求,是該類產(chǎn)品膠料的主體材料,是用量最大的品種。另外,通過(guò)順丁橡膠與天然橡膠并用以改善天然橡膠膠料的彈性、疲勞性能或低溫性能[6-7]。天然橡膠膠料、天然橡膠/順丁橡膠并用膠料是軌道車輛橡膠彈性元件中最常用的兩種膠料。

天然橡膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為-72 ℃,順丁橡膠的Tg為-105 ℃,故用少量順丁橡膠與天然橡膠并用就可以明顯降低膠料的脆性溫度,因此,一般認(rèn)為順丁橡膠與天然橡膠并用可改善膠料的低溫性能。

上述低溫失效案例中,疊層彈簧膠料就是一種天然橡膠/順丁橡膠并用的膠料,該膠料的脆性溫度值為-69 ℃,該值表明膠料的低溫性能良好;然而,出現(xiàn)故障時(shí)的氣溫僅有-30～-10 ℃,并非極寒溫度,故障問(wèn)題表明疊層彈簧膠料的低溫性能較差,這種矛盾說(shuō)明脆性溫度值不能反映出軌道車輛橡膠彈性元件膠料的低溫性能好壞。

橡膠的耐低溫性實(shí)質(zhì)上取決于兩個(gè)基本特性:Tg和結(jié)晶性。

Tg是橡膠類材料使用的最低溫度;實(shí)際上,在脆性溫度Tb(一般Tb>Tg)以下,橡膠膠料就基本喪失了彈性,失去了使用價(jià)值。因此,工業(yè)上常以脆性溫度作為橡膠制品耐低溫性的指標(biāo)。

橡膠結(jié)晶也會(huì)使其彈性下降而硬化,模量大幅增加。橡膠在較低的溫度下或應(yīng)變條件下都能產(chǎn)生結(jié)晶,結(jié)晶度隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大。

天然橡膠、順丁橡膠都是結(jié)晶性橡膠,因此,對(duì)于以天然橡膠、天然橡膠/順丁橡膠并用膠為主的軌道車輛橡膠彈性元件膠料,Tg和結(jié)晶性都是影響其低溫性能的因素。

橡膠的結(jié)晶過(guò)程和玻璃化轉(zhuǎn)變過(guò)程不同,結(jié)晶過(guò)程需要一定的時(shí)間,彈性喪失的速度和程度,與持續(xù)的溫度和時(shí)間有關(guān)。表1是兩種橡膠發(fā)生結(jié)晶時(shí)的溫度參數(shù)[8]。

表1 不同品種橡膠的結(jié)晶溫度 ℃

在結(jié)晶速率最大的溫度下,天然橡膠從 120～180 min開始喪失彈性,順丁橡膠從10～15 min開始喪失彈性。

結(jié)晶性橡膠在低溫下工作能力的降低,短則幾小時(shí),長(zhǎng)則幾個(gè)月不等。因此,對(duì)結(jié)晶性橡膠耐寒性的評(píng)價(jià)不能只憑試樣在低溫下短時(shí)間的試驗(yàn),需考慮到在儲(chǔ)存和使用期間結(jié)晶過(guò)程的發(fā)展。

3 表征膠料低溫性能的參數(shù)特點(diǎn)

目前,工業(yè)上表征橡膠低溫性能的常用參數(shù)有:單試樣法脆性溫度、多試樣法脆性溫度、低溫回縮溫度TR10、低溫剛性溫度t2、壓縮耐寒系數(shù)、低溫壓縮永久變形等。

脆性溫度是橡膠材料在規(guī)定條件下經(jīng)受沖擊時(shí)不出現(xiàn)脆性破壞的最低溫度,單試樣法脆性溫度測(cè)試時(shí)冷凍試樣3 min,多試樣法脆性溫度測(cè)試時(shí)冷凍試樣5 min,時(shí)間都較短,橡膠材料還不能完成結(jié)晶。因此,對(duì)于天然橡膠、順丁橡膠這種結(jié)晶性橡膠,脆性溫度僅體現(xiàn)了材料Tg因素對(duì)低溫性能的影響,沒(méi)有體現(xiàn)結(jié)晶因素對(duì)低溫性能的影響,故從原理上講,脆性溫度并不能真實(shí)反映出低溫性能的好壞。

低溫回縮溫度TR10、低溫剛性溫度t2、壓縮耐寒系數(shù)測(cè)試時(shí)冷凍試樣的時(shí)間最長(zhǎng)的也只有10 min左右,類似于脆性溫度的測(cè)試,故這些參數(shù)值也不能體現(xiàn)出結(jié)晶性對(duì)橡膠材料低溫性能的影響。

低溫壓縮永久變形測(cè)試是把圓柱形試樣在試驗(yàn)室溫度下加載壓縮至一定比例,然后放入低溫環(huán)境中冷凍,冷凍結(jié)束后在低溫環(huán)境中釋放壓縮,恢復(fù)一定時(shí)間后測(cè)量高度并計(jì)算出壓縮永久變形。圓柱形試樣變形大小反映出了膠料在低溫下保持其彈性的能力,膠料的低溫壓縮永久變形越小,其低溫下的彈性越好。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間最短為24 h,可見,該參數(shù)測(cè)試過(guò)程涵蓋了橡膠材料結(jié)晶所需的低溫條件、應(yīng)變因素、時(shí)間歷程。因此,從原理上講,低溫壓縮永久變形量既受橡膠材料的Tg的影響,又受其結(jié)晶性的影響。

4 試驗(yàn)研究

根據(jù)對(duì)橡膠低溫性能影響因素的分析,選取了非結(jié)晶性的低順式聚丁二烯橡膠和溶聚丁苯橡膠(Tg低的牌號(hào)),這兩種橡膠常以與天然橡膠并用的方式應(yīng)用于輪胎膠料中,膠料性能優(yōu)良,可達(dá)到改善輪胎性能的目的[9-12];其性能特點(diǎn)也十分適用于橡膠彈性元件膠料,分別把這兩種橡膠與天然橡膠并用研發(fā)出兩種物理機(jī)械性能適用于橡膠彈性元件的新型耐低溫膠料NR-1和NR-2,并和上述圖2中所示疊層彈簧的膠料BR-1進(jìn)行對(duì)比測(cè)試脆性溫度、低溫壓縮永久變形;并用這3種膠料分別硫化疊層彈簧(圖2)、彈性節(jié)點(diǎn)(圖3)、沙漏彈簧(圖4),然后測(cè)試疊層彈簧的低溫水平靜態(tài)剛度變化率、彈性節(jié)點(diǎn)的低溫軸向靜態(tài)剛度變化率、沙漏彈簧低溫垂向靜態(tài)剛度變化率。研究膠料的低溫性能參數(shù)和橡膠彈性元件低溫剛度變化率間的相關(guān)性。

圖3 軌道車輛用彈性節(jié)點(diǎn)示意圖

圖4 軌道車輛用沙漏彈簧示意圖

測(cè)試橡膠彈性元件低溫剛度參數(shù)時(shí)參照TB/T 2843—2015《機(jī)車車輛用橡膠彈性元件通用技術(shù)條件》要求進(jìn)行,先測(cè)試樣件在常溫23 ℃時(shí)的靜態(tài)剛度,然后把樣件放置到低溫環(huán)境中停放48 h,滿48 h后在環(huán)境箱中測(cè)試低溫靜態(tài)剛度,計(jì)算低溫靜態(tài)剛度相比于常溫靜態(tài)剛度的變化率。

3種膠料的脆性溫度和低溫壓縮永久變形、相應(yīng)橡膠彈性元件的低溫靜態(tài)剛度變化率測(cè)試結(jié)果列于表2。由表2數(shù)據(jù)可見,膠料BR-1和NR-1相比,它們的脆性溫度十分相近,然而NR-1的結(jié)晶性小,其低溫壓縮永久變形和相應(yīng)橡膠彈性元件的低溫靜態(tài)剛度變化率很小;膠料BR-1和NR-2相比,BR-1的脆性溫度Tb優(yōu)勢(shì)明顯,然而也是結(jié)晶性小的膠料NR-2的低溫壓縮永久變形和相應(yīng)橡膠彈性元件的低溫靜態(tài)剛度變化率小;對(duì)于結(jié)晶性都很小的膠料NR-1和NR-2,膠料的低溫壓縮永久變形和相應(yīng)橡膠彈性元件的低溫靜態(tài)剛度變化率大小才與脆性溫度高低相對(duì)應(yīng)。

表2 3種膠料的脆性溫度和低溫壓縮永久變形以及橡膠彈性元件低溫靜態(tài)剛度變化率

顯然,軌道車輛橡膠彈性元件的低溫性能不僅受其膠料的脆性溫度影響,還受到其膠料結(jié)晶性的嚴(yán)重影響,這和本文前述理論分析相一致;且軌道車輛橡膠彈性元件的低溫性能優(yōu)劣與其膠料的脆性溫度高低不存在對(duì)應(yīng)性,而與膠料的低溫壓縮永久變形大小完全對(duì)應(yīng)。分析低溫壓縮永久變形參數(shù)特點(diǎn)時(shí),已從原理上表明了其大小能同時(shí)反映橡膠膠料的脆性溫度和結(jié)晶性,可見,膠料低溫壓縮永久變形量與其橡膠彈性元件的低溫靜態(tài)剛度變化率大小相對(duì)應(yīng)是正常的。

一般認(rèn)為,橡膠彈性元件的低溫靜態(tài)剛度變化率不超過(guò)50%時(shí),該溫度下其低溫性能是良好的。由表2數(shù)據(jù)可知,只要膠料的低溫壓縮永久變形小于40%,相應(yīng)低溫下的橡膠彈性元件靜態(tài)剛度變化率一般不超過(guò)50%。

5 結(jié)語(yǔ)

由于主要使用天然橡膠、順丁橡膠制造軌道車輛橡膠彈性元件,而這兩種橡膠具有結(jié)晶性,致使膠料的脆性溫度高低不能有效地反映橡膠彈性元件的低溫性能優(yōu)劣。

基于膠料低溫性能參數(shù)測(cè)試原理及試驗(yàn)研究表明,對(duì)于軌道車輛橡膠彈性元件,用低溫壓縮永久變形參數(shù)代替脆性溫度參數(shù)來(lái)表征膠料的低溫性能,可以反映出膠料在低溫下的彈性大小,可以對(duì)應(yīng)地有效反映出橡膠彈性元件的低溫性能優(yōu)劣。

TB/T 2841、TB/T 3267、TB/T 3268、TB/T 3269等標(biāo)準(zhǔn)中所涉及的橡膠彈性元件都有低溫性能方面的要求,膠料的性能指標(biāo)中都提出了脆性溫度的要求,建議在新版的修訂中,能增加低溫壓縮永久變形量來(lái)表征膠料的低溫性能。