铁道车辆单元制动缸用耐低温橡胶皮碗的研制

高新文，王付胜，曹江勇，马宗斌

（中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031）

铁道车辆单元制动缸关系到铁道车辆的行驶安全，是铁道车辆的关键零部件。铁道车辆单元制动缸利用橡胶皮碗的弹性密封作用在压缩空气的推动下实现单元制动缸的制动和缓解，因此保持橡胶皮碗的弹性是单元制动缸实现其制动功能的关键。众所周知，橡胶的性能受温度的影响较大，在低温环境下橡胶皮碗的弹性会降低，密封性能下降。我国幅员辽阔，东北地区冬季温度可达到－40 ℃，部分地区极端情况下可达到－50 ℃，如果橡胶皮碗不能通过－50 ℃低温气密性试验，单元制动缸在－50 ℃环境中将会失去制动性能，导致铁道车辆出现行驶安全问题。因此，提高橡胶皮碗的耐低温性能是一项非常有必要和有意义的工作。

本工作对比研究丁腈橡胶（NBR）牌号、增塑剂和填料对橡胶皮碗胶料耐低温性能的影响，以期提高皮碗胶料的耐低温性能，解决单元制动缸－50 ℃低温漏风问题。

1 实验

1.1 主要原材料

NBR，牌号1965，丙烯腈质量分数 0.19，门尼粘度[ML（1＋4）100 ℃] 65，镇江南帝化工有限公司产品；NBR，牌号N250S，丙烯腈质量分数0.18，门尼粘度 45，日本合成橡胶公司产品；NBR，牌号1846F，丙烯腈质量分数 0.2，门尼粘度 63，朗盛化学有限公司产品；炭黑N330，上海卡博特化工有限公司产品；喷雾炭黑，抚顺龙达色素炭黑有限公司产品；氧化锌，大连氧化锌厂产品；斯达粉，上海铠立化工科技有限公司产品；增塑剂DOS，山东蓝帆化工有限公司产品；增塑剂TP-95和TP-90B，沈阳东方昊炅化工有限公司产品。

1.2 主要设备和仪器

YS-3L型密炼机，无锡阳明橡胶机械有限公司产品；GT-M2000-A型硫化仪、AI-7000S型电子拉力机、GT-7017-M型老化箱和GT-7061-ND型低温脆性试验机，高特威尔检测仪器有限公司产品；XDY型橡胶压缩耐寒试验机，天津市材料试验机厂产品；90型步入式高低温试验室，东莞市瑞凯环境检测仪器有限公司产品；气密试验机和疲劳试验机，中车青岛四方车辆研究所有限公司产品。

1.3 试样制备

胶料采用两段混炼工艺混炼，一段混炼在密炼机中进行，加入生胶、小料和炭黑；二段混炼在开炼机上进行，加入硫化剂。

检测试样在平板硫化机中硫化，硫化条件为160 ℃×15 min；单元制动缸橡胶皮碗在抽真空平板硫化机中硫化，硫化条件为160 ℃×25 min。

1.4 性能测试

（1）硫化胶的性能按照相应的国家标准进行测试。

（2）单元制动缸橡胶皮碗性能按照TB/T 3106—2005《铁道车辆单元制动缸》进行测试。

2 结果与讨论

2.1 配方设计

2.1.1 主体材料

NBR是通用耐油胶种，其丙烯腈含量对耐低温性能有较大影响。鉴于丙烯腈含量小的NBR具有分子极性小、柔顺性和耐寒性好的特点，选用丙烯腈含量较小的NBR1965、NBR1846F和N250S三种低丙烯腈含量的NBR进行对比验证，试验结果如表1所示。

表1 不同牌号NBR胶料的性能

从表1可以看出：3种牌号NBR胶料硬度、拉伸强度、拉断伸长率、撕裂强度、恒定压缩永久变形、耐油性能和耐老化性能基本相同；NBR1965在－50 ℃下压缩耐寒系数最高，其耐低温性能优于另外两种NBR。因此，选用NBR1965作为主体材料。

2.1.2 补强体系

NBR是非结晶无定型聚合物（非自补强橡胶），生胶强度低，必须经补强后才具有使用价值[1]。炭黑是目前补强效果最好、用量最大的补强剂。炭黑品种对胶料性能的影响如表2所示。

表2 炭黑品种对胶料性能的影响

从表2可以看出：添加炭黑N330的胶料200%定伸应力、拉伸强度和撕裂强度较高，耐低温性和耐油性较差；添加喷雾炭黑的胶料耐低温性能和耐油性较好，拉伸强度和撕裂强度较低，但仍能满足TB/T 3106的技术要求（拉伸强度≥10 MPa，撕裂强度≥20 kN·m-1）；添加炭黑N550的胶料性能介于上述二者之间。因此为提高胶料的耐低温性能，选用喷雾炭黑作为补强材料。

2.1.3 增塑体系

在NBR中加入增塑剂，不仅能够改善NBR的加工性能，而且能够改进制品的耐低温性能和耐溶剂性能[2]。增塑剂对NBR耐寒性的影响与增塑剂的化学结构有关，具有亚甲基直链结构的脂肪酸类增塑剂可赋予硫化胶良好的耐寒性[3]。增塑剂DOS、TP-95和TP-90B的对比试验结果如表3所示。

从表3可以看出，添加增塑剂TP-90B的胶料耐低温性和耐油性最好，添加增塑剂DOS的胶料耐低温性最差。增塑剂TP-90B具有较长的直链结构和较大相对分子质量，能够赋予胶料较好的耐低温性能和耐油性能，因此确定采用TP-90B作为增塑剂。

表3 增塑剂品种对胶料性能的影响

最后确定耐低温单元制动缸橡胶皮碗胶料优化配方为：NBR1965 100，喷雾炭黑 80，氧化锌3.5，硬脂酸 1.5，斯达粉 50，增塑剂TP-90B 25，防老剂MB 1.5，防老剂RD 1.5，硫黄1.2，促进剂DM 1.5，其他 3.8。

2.2 成品性能

采用优化配方胶料试制单元制动缸橡胶皮碗，将橡胶皮碗安装在3个单元制动缸中按照技术要求进行气密性试验、制动灵敏度试验和性能测试。3个单元制动缸的试验结果如表4所示。

从表4可以看出，3个装有优化配方的橡胶皮碗单元制动缸的总调整量、气密性、制动灵敏度均满足技术指标要求。

表4 橡胶皮碗性能测试结果

对3个装有优化配方的橡胶皮碗的单元制动缸进行50万次制动/缓解疲劳试验，测试疲劳后的制动缸灵敏度、气密性和总调整量，试验结果如表5所示。

表5 橡胶皮碗疲劳后性能测试结果

从表5可以看出，装有优化配方的橡胶皮碗的单元制动缸经50万次疲劳后仍能满足灵敏度、常温气密性、低温气密性和总调整量的要求。

图1和2分别为50万次疲劳后耐低温橡胶皮碗的外貌和制动缸后盖外貌。

图1 50万次疲劳后橡胶皮碗外貌

图2 50万次疲劳后制动缸后盖壁外貌

从图1和2可以看出：50万次疲劳后皮碗有少量的磨损，唇口部位变得圆滑；制动缸后盖上粘附有少量磨损下来的黑色橡胶。

3 结论

本工作研制的NBR胶料具有优异的耐低温性能，能够满足单元制动缸－50 ℃下的低温气密性、疲劳寿命等性能要求。装有所研制胶料皮碗的单元制动缸于2014年5月开始在哈尔滨进行装车运用验证，装车验证周期为1年。装车运用验证期间现场最低温度达到了－44 ℃，所研制胶料皮碗经受住了低温环境下实际应用考验，各项功能稳定可靠。