橡胶缓冲器的研制

2021-07-23孙军平张作鑫朱鹏刚迟洲勋

橡胶工业 2021年3期

孙军平，张作鑫，朱鹏刚，李楠，迟洲勋

（中车青岛四方车辆研究所有限公司减振事业部，山东青岛 266000）

橡胶缓冲器主要应用于地铁车辆上，作用于列车车钩位置（见图1），吸收相应的缓冲和牵引载荷，同时允许车钩在水平和垂直方向摆动以及一定角度的扭转运动[1]。橡胶缓冲器的自由端形状像法兰（见图2），安装时先将套管连接在法兰上，再把缓冲器连接在车钩杆上，列车运行时产生的牵引力和缓冲载荷由缓冲器各橡胶缓冲单元吸收[2]。如果橡胶缓冲器失效，列车运行时产生的巨大纵向冲击和牵引载荷会直接作用到转向架上[3]，造成列车运行不稳，振动严重，乘客乘坐舒适性降低，严重时会造成列车出轨、翻车等重大安全事故，使国家和人民群众财产造成重大损失，因此橡胶缓冲器在地铁车辆上具有不可替代的作用。

图1 橡胶缓冲器应用实例Fig.1 Application example of rubber buffer

图2 橡胶缓冲器Fig.2 Rubber buffer

但是目前国内市场上的橡胶缓冲器均为进口件，其价格较高，质量不稳定，同时供货周期受外方控制，经常出现断供等情况，严重影响了国内地铁车辆生产。为了实现橡胶缓冲器的国产化，进一步提高产品的质量和稳定性，我公司按照地铁产品技术要求，依靠自主创新，对橡胶缓冲器进行了研发。通过故障件分析，经过胶料配方确定以及硫化工艺和模型结构优化，研制出满足性能要求的橡胶缓冲器。现将其研制情况简介如下。

1 实验

1.1 主要原材料

氯丁橡胶（CR），牌号S-40V，日本电气化学公司产品；天然橡胶（NR），RSS-1，印度尼西亚产品；丁苯橡胶（SBR），牌号1502，中国石化齐鲁石化公司产品。

1.2 配方

配方1：CR 100，炭黑N550 50，轻质碳酸钙20，氧化锌 5，氧化镁 4，硬脂酸 2，防老剂ODPA 4，环烷油 8，促进剂（变品种） 2。

配方2：NR 100，炭黑N550 50，氧化锌 5，硬脂酸 2，芳烃油 5，防老剂4020 2.5，防焦剂CTP 0.5，硫黄 1，促进剂NOBS 1.5，促进剂D 1，促进剂MBT 1。

配方3：NR 70，SBR 30，炭黑N550 50，氧化锌 10，硬脂酸 2，芳烃油 5，防老剂4010NA 1.5，防老剂RD 2，硫黄 0.5，促进剂CBS 1。

1.3 主要设备和仪器

X（S）K-160型开炼机，上海双翼橡塑机械有限公司产品；QLN-N 400×400型平板硫化机，上海第一橡胶机械有限公司产品；M-3000A型无转子硫化仪，中国台湾高铁科技股份有限公司产品；JDL-2500N型电子万能试验机，扬州市天发试验机械有限公司产品；401A型老化试验箱，上海实验仪器有限公司产品；Ozone Test Cabinet 903型臭氧老化箱，英国SATRA测试仪器公司产品；HZ-7004型橡胶低温脆性试验仪，东莞市力显仪器科技有限公司产品；YHD32-40型四柱压力机，江苏铭格锻压设备有限公司产品。

1.4 试样制备

首先将开炼机的辊距调到1 mm，生胶加入后薄通3次，下片待用。将开炼机辊距调到2 mm，投入薄通好的生胶，待其包辊后先加入小料，左右割刀各3次，打3次三角包；再加入炭黑等填料，左右割刀各3次，打3次三角包；最后加入硫化体系等，左右割刀各3次，打5次三角包，调大辊距，下片。混炼胶停放16 h后采用无转子硫化仪测试硫化特性。混炼胶在平板硫化机上硫化，硫化条件为150℃/10 MPa×t90。硫化胶片停放6 h以上进行裁片和性能测试。

1.5 测试分析

（1）硫化特性：采用无转子硫化仪按照GB/T 16584—1996《橡胶用无转子硫化仪测定硫化特性》测试，测试温度为150 ℃。

（2）物理性能：采用邵氏硬度计按照GB/T 531.1—2008《硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验方法第1部分：邵氏硬度计法（邵尔硬度）》测试邵尔A型硬度，测试温度为室温；采用电子万能试验机按照GB/T 528—2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》测试拉伸性能和按照GB/T 529—2008《硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的测定（裤形、直角形和新月形试样）》测试撕裂强度（直角形试样），测试温度均为室温，拉伸速率均为500 mm·min-1。

（3）耐热空气老化性能：采用热空气老化试验箱按照GB/T 3512—2001《硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验》测试，老化条件为100 ℃×96 h。

（4）耐臭氧老化性能：采用臭氧老化箱按照GB/T 7762—2014《硫化橡胶或热塑性橡胶耐臭氧龟裂静态拉伸试验》测试，试样伸长率为20%，臭氧质量分数为100×10-8，老化条件为40 ℃×48 h。

（5）压缩永久变形：压缩试样放入热空气老化试验箱按照GB/T 7759.1—2015《硫化橡胶或热塑性橡胶压缩永久变形的测定第1部分：在常温及高温条件下》测试，试样压缩率为25%，测试条件为100 ℃×24 h。

（6）低温脆性温度：采用低温脆性试验仪按照GB/T 1682—1991《硫化橡胶低温脆性的测定单试样法》测试。

（7）静压性能：采用四柱压力机按照公司标准测试，常温下将产品静压（40±2） mm，压缩速度为1 mm·s-1，记录最大压力值，试验方法如图3所示。

图3 静压性能试验方法示意Fig.3 Example of static pressure performance test method

2 结果与讨论

2.1 故障件分析

目前国内市场上的橡胶缓冲器均为进口件，质量不稳定。通过对故障件（见图4）进行分析发现，部分产品在承受大载荷冲击时会出现压溃情况，从而无法吸收冲击能，直接失效。同时，发现破损产品内部出现局部较光滑的融合界面，说明此处的胶料在混炼或/和硫化过程中未充分融合。结合使用过程中的受力工况，初步判断该产品胶料存在自粘性差的问题，造成产品在承受较大冲击载荷时从融合不良处断裂，进而导致整个产品压溃。

图4 压溃的橡胶缓冲器Fig.4 Crushed rubber buffer

通过对产品进一步分析发现，尽管该产品外形结构简单，但使用工况比较恶劣，性能要求极为苛刻，需要承受高达500 kN的载荷，而变形量仅为40 mm。为了避免上述问题，在研制橡胶缓冲器时应从胶料配方、硫化工艺和模具结构等方面进行综合考虑。

2.2 胶料配方研究

2.2.1 主体材料选择

根据橡胶缓冲器的性能特点，分别采用以CR，NR[4-5]和NR/SBR并用胶为主体材料的配方1—3进行产品试制[6-7]。

对试制的产品进行静压性能试验，结果如表1和图5所示。

从表1和图5可以看出：采用NR或NR/SBR并用胶为主体材料的两种产品可承受的冲击载荷较小，同时静压试验后永久变形较大，表面出现裂纹；采用CR为主体材料的产品[8]可承受的冲击载荷和拉伸载荷符合产品性能要求，同时静压试验后无永久变形，无裂纹。

表1 3种配方产品静压性能测试结果Tab.1 Results of three formulua products static pressure performance test

图5 3种配方产品静压试验后的状态Fig.5 States of three formulua products after static pressure performance test

在产品开发过程中发现，采用CR为主体材料生产橡胶缓冲器这种厚制品，存在胶料自粘性差、对硫化温度较敏感和硫化过程中产生较多挥发性气体等缺陷，造成产品容易出现炸边、裂口和融痕等问题，因此需要对配方和硫化工艺进行调整。

2.2.2 促进剂选择

针对CR胶料在硫化过程中产生挥发性刺激性气体、自粘性差和焦烧时间短的问题，首先从促进剂入手进行改进。

CR[9-10]常用的促进剂是硫脲类促进剂，最常用的硫脲类促进剂有1，2-亚乙基硫脲、N，N′-二乙基硫脲、N，N，N′-三甲基硫脲和四甲基硫脲等。由于促进剂种类对胶料的焦烧时间有较大影响，因此分别对这几种促进剂混炼胶的硫化特性（150℃）进行测试，结果如表2所示（采用配方1）。

表2 促进剂种类对CR胶料硫化特性的影响Tab.2 Effect of accelerator types on curing characteristics of CR compounds

由于本产品采用注射充模方式进行生产，因此胶料的t10不能太短。根据实际工艺条件，要求胶料的t10在2 min以上，以保证胶料的加工安全性。由表2可知，促进剂种类对胶料的FL和Fmax影响不大，对t10和t90影响较大。由于1，2-亚乙基硫脲和N，N′-二乙基硫脲作为促进剂，胶料的t10较短，影响其加工安全性，会对产品性能造成不良影响，因此选择N，N，N′-三甲基硫脲和四甲基硫脲进行胶料物理性能对比试验，结果如表3所示。

从表3可以看出，两种促进剂胶料的拉断伸长率和压缩永久变形差异较大，其他性能基本相同。考虑到产品的实际使用工况，要求产品压缩后恢复性较好，即产品的压缩永久变形要小，因此最终选用N，N，N′-三甲基硫脲作为促进剂。

表3 促进剂种类对CR胶料物理性能的影响Tab.3 Effect of accelerator types on physical properties of CR compounds

2.3 硫化工艺和模具结构优化

由于该产品为纯CR厚制品，硫化温度、压力、时间和注胶量控制不好，都容易引发产品质量问题，比如炸边和融痕等，需要在试制过程中不断调整硫化工艺，以在保证产品质量的前提下提高生产效率。

在产品试制过程中出现了注胶柱断裂的情况，简称拔坑，如图6所示。经分析主要是由于CR的抗热撕裂性能较差，产品硫化后注胶塞拔出注料腔时模具及注料腔内形成真空环境，对注胶柱有非常大的向外拉扯力，导致注胶柱断裂。通过硫化工艺调整，即产品硫化完成后先下沉模具再拔出注胶塞，避免了模具及注料腔内形成真空，解决了该问题。

图6 产品拔坑现象Fig.6 Product pit phenomenon

在产品试制过程中出现了分型面处轻微炸边现象，如图7所示。经分析这主要是由于注胶孔、溢胶孔和排气孔开设位置不合理造成的，即注胶孔、溢胶孔和排气孔全部开设在下模与上模分型面上，使这些孔的位置全部集中在模具的合模线上，从而易使产品出现炸边现象。鉴于此，合理设置产品的分型面并调整注胶孔、溢胶孔和排气孔的位置，避免了此问题。