軌道車輛橡膠彈性元件膠料低溫性能表征的研究與探討

王付勝,趙國艷,高志樺,夏迎旭

(中車青島四方車輛研究所有限公司 技術中心,山東 青島 266031)

為了降低車輛運行噪聲、有效提高乘坐舒適性,現代軌道車輛在懸掛系統、設備安裝系統以及連接、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,從而導致橡膠彈性元件的剛度上升,對其功能產生不利影響,嚴重情況下會導致功能喪失,這會降低車輛的運行安全性和乘坐舒適性。因此,在低溫環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來表征,其大小可以直接反映出橡膠彈性元件低溫性能優劣;橡膠膠料低溫性能的表征參數較多,國內鐵路行業常用脆性溫度來表征[1-5]。

一般認為,橡膠膠料的脆性溫度越低,其耐低溫性能就越好,相應產品的低溫性能也會越好,橡膠膠料在高于脆性溫度值5～10 ℃的低溫環境中就能正常應用。然而在實際運用及試驗研究中發現,對于橡膠彈性元件,其膠料的脆性溫度高低與彈性元件的低溫性能優劣的相關性不強。

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

1 軌道車輛橡膠彈性元件低溫失效典型案例

2017年12月,在長春對時速160 km動力集中動車組車輛進行小曲線線路試驗時,多次出現空氣彈簧漏風故障,漏風后的空氣彈簧再次充氣不能成功。2018年12月中旬,在北京進行兩列短編時速160 km動力集中動車組車輛道路救援試驗時,車輛通過環線曲線線路時兩列車的空氣彈簧皆出現漏風氣囊打褶故障,進入直線線路后再次充氣也不能成功,造成試驗中斷。圖1為低溫環境漏風故障空氣彈簧。

圖1 低溫環境漏風故障空氣彈簧

時速160 km動力集中動車組車輛裝用的φ580型空氣彈簧,其結構型式如圖2所示。

1—上蓋;2—氣囊;3—支撐座;4—疊層彈簧。

經分析確認故障原因為疊層彈簧在低溫環境下經長時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過小曲線軌道時水平位移需求,造成了氣囊和支承座裝配組合部位機械脫離而漏風。

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械強度、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械性能要求,是該類產品膠料的主體材料,是用量最大的品種。另外,通過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,出現故障時的氣溫僅有-30～-10 ℃,并非極寒溫度,故障問題表明疊層彈簧膠料的低溫性能較差,這種矛盾說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。

橡膠的耐低溫性實質上取決于兩個基本特性:Tg和結晶性。

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

橡膠結晶也會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變條件下都能產生結晶,結晶度隨時間延長而增大。

天然橡膠、順丁橡膠都是結晶性橡膠,因此,對于以天然橡膠、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和結晶性都是影響其低溫性能的因素。

橡膠的結晶過程和玻璃化轉變過程不同,結晶過程需要一定的時間,彈性喪失的速度和程度,與持續的溫度和時間有關。表1是兩種橡膠發生結晶時的溫度參數[8]。

表1 不同品種橡膠的結晶溫度 ℃

在結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。

結晶性橡膠在低溫下工作能力的降低,短則幾小時,長則幾個月不等。因此,對結晶性橡膠耐寒性的評價不能只憑試樣在低溫下短時間的試驗,需考慮到在儲存和使用期間結晶過程的發展。

3 表征膠料低溫性能的參數特點

目前,工業上表征橡膠低溫性能的常用參數有: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、低溫壓縮永久變形等。

脆性溫度是橡膠材料在規定條件下經受沖擊時不出現脆性破壞的最低溫度,單試樣法脆性溫度測試時冷凍試樣3 min,多試樣法脆性溫度測試時冷凍試樣5 min,時間都較短,橡膠材料還不能完成結晶。因此,對于天然橡膠、順丁橡膠這種結晶性橡膠,脆性溫度僅體現了材料Tg因素對低溫性能的影響,沒有體現結晶因素對低溫性能的影響,故從原理上講,脆性溫度并不能真實反映出低溫性能的好壞。

低溫回縮溫度TR10、低溫剛性溫度t2、壓縮耐寒系數測試時冷凍試樣的時間最長的也只有10 min左右,類似于脆性溫度的測試,故這些參數值也不能體現出結晶性對橡膠材料低溫性能的影響。

低溫壓縮永久變形測試是把圓柱形試樣在試驗室溫度下加載壓縮至一定比例,然后放入低溫環境中冷凍,冷凍結束后在低溫環境中釋放壓縮,恢復一定時間后測量高度并計算出壓縮永久變形。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。測試標準中規定的試驗時間最短為24 h,可見,該參數測試過程涵蓋了橡膠材料結晶所需的低溫條件、應變因素、時間歷程。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,又受其結晶性的影響。

4 試驗研究

根據對橡膠低溫性能影響因素的分析,選取了非結晶性的低順式聚丁二烯橡膠和溶聚丁苯橡膠(Tg低的牌號),這兩種橡膠常以與天然橡膠并用的方式應用于輪胎膠料中,膠料性能優良,可達到改善輪胎性能的目的[9-12];其性能特點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出兩種物理機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進行對比測試脆性溫度、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)、彈性節點(圖3)、沙漏彈簧(圖4),然后測試疊層彈簧的低溫水平靜態剛度變化率、彈性節點的低溫軸向靜態剛度變化率、沙漏彈簧低溫垂向靜態剛度變化率。研究膠料的低溫性能參數和橡膠彈性元件低溫剛度變化率間的相關性。

圖3 軌道車輛用彈性節點示意圖

圖4 軌道車輛用沙漏彈簧示意圖

測試橡膠彈性元件低溫剛度參數時參照TB/T 2843—2015《機車車輛用橡膠彈性元件通用技術條件》要求進行,先測試樣件在常溫23 ℃時的靜態剛度,然后把樣件放置到低溫環境中停放48 h,滿48 h后在環境箱中測試低溫靜態剛度,計算低溫靜態剛度相比于常溫靜態剛度的變化率。

3種膠料的脆性溫度和低溫壓縮永久變形、相應橡膠彈性元件的低溫靜態剛度變化率測試結果列于表2。由表2數據可見,膠料BR-1和NR-1相比,它們的脆性溫度十分相近,然而NR-1的結晶性小,其低溫壓縮永久變形和相應橡膠彈性元件的低溫靜態剛度變化率很小;膠料BR-1和NR-2相比,BR-1的脆性溫度Tb優勢明顯,然而也是結晶性小的膠料NR-2的低溫壓縮永久變形和相應橡膠彈性元件的低溫靜態剛度變化率小;對于結晶性都很小的膠料NR-1和NR-2,膠料的低溫壓縮永久變形和相應橡膠彈性元件的低溫靜態剛度變化率大小才與脆性溫度高低相對應。

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,還受到其膠料結晶性的嚴重影響,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劣與其膠料的脆性溫度高低不存在對應性,而與膠料的低溫壓縮永久變形大小完全對應。分析低溫壓縮永久變形參數特點時,已從原理上表明了其大小能同時反映橡膠膠料的脆性溫度和結晶性,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剛度變化率大小相對應是正常的。

一般認為,橡膠彈性元件的低溫靜態剛度變化率不超過50%時,該溫度下其低溫性能是良好的。由表2數據可知,只要膠料的低溫壓縮永久變形小于40%,相應低溫下的橡膠彈性元件靜態剛度變化率一般不超過50%。

5 結語

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劣。

基于膠料低溫性能參數測試原理及試驗研究表明,對于軌道車輛橡膠彈性元件,用低溫壓縮永久變形參數代替脆性溫度參數來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,可以對應地有效反映出橡膠彈性元件的低溫性能優劣。

TB/T 2841、TB/T 3267、TB/T 3268、TB/T 3269等標準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表征膠料的低溫性能。