制动装置耐低温橡胶密封材料的研制及其与润滑脂适配性的研究

刘金朋，刘志国，曹江勇，张晓林，丁 琦，宋传云

（1.青岛博锐智远减振科技有限公司，山东 青岛 266114；2.中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031）

橡胶密封件是影响轨道车辆制动装置基本功能的关键元件之一，作为制动装置基础构件，其一旦失效便会导致整个制动系统瘫痪。丁腈橡胶（NBR）因具有良好的耐介质性能、耐磨性能、耐热性能和气密性等，被广泛用于制造制动皮碗、O形圈、K形圈等密封制品[1-2]。在低温环境下NBR材料收缩、变硬，其密封制品尺寸减小、失去弹性且易脆断，进而导致密封失效。我公司目前所研制的耐低温橡胶密封材料可以满足－50 ℃的低温要求，并在东北地区成功应用。但针对－55 ℃的高寒环境，还需进一步提高橡胶密封材料的耐低温性能。

本工作分析了制动装置橡胶密封件在低温下的失效形式及原理，简述了提高NBR材料的耐低温性能的途径，通过优化配方研制了耐低温橡胶密封材料，研究了耐低温橡胶密封材料与润滑脂的适配性，通过橡胶密封件的低温密封试验以及疲劳试验对耐低温橡胶密封材料进行验证。

1 耐低温橡胶密封材料的研制

1.1 制动装置橡胶密封件在低温下的失效形式及原理

制动装置橡胶密封件在低温下的失效形式主要有：（1）低温下发生收缩，体积减小，有时的收缩率约为钢材元件的5倍，即低温下橡胶密封件的尺寸减小程度远远大于金属外套，从而影响二者的过盈配合，导致介质泄漏；（2）低温下硬化，失去弹性，尤其是在动密封工况下极易泄漏；（3）低温下脆化，失去韧性和弯屈变形能力，在动密封工况下唇口易撕裂；（4）低温下形变不易恢复，密封接触面压力减小，密封能力下降。

以上4种失效形式归结于橡胶材料的低温收缩、低温结晶和低温玻璃化转变[3-5]。不同于金属材料，橡胶材料在常温下呈弹性状态，能够反复弯屈变形，当温度下降到玻璃化温度（Tg）时，橡胶材料迅速变硬、变脆、失去弯屈变形能力。玻璃化转变是橡胶分子链段被冻结的过程，当环境温度下降时，橡胶分子链段的活动能力减弱，在Tg以下时橡胶分子链段被冻结，橡胶从熵弹性体转为类似玻璃的脆性固体。

1.2 提高NBR材料的耐低温性能的途径

NBR由丁二烯和丙烯腈两种结构单元无规共聚而成，属于非结晶橡胶。提高NBR材料的耐低温性能的主要途径是降低其Tg和减小收缩率。

（1）选择Tg低的NBR。NBR的Tg随丙烯腈含量的增大而提高[6-8]，当丙烯睛含量为20%时，NBR的Tg为－50 ℃[9-10]。为获得Tg低的NBR，应使用低丙烯腈含量的NBR，即NBR的丙烯腈含量在20%以下。

（2）添加降低NBR材料的Tg效果较好的耐寒增塑剂。耐寒增塑剂渗透到NBR分子之间，一是增大NBR分子间的距离，削弱NBR分子间的相互作用；二是隔离NBR的极性基团，破坏相邻极性基团的极性联结[11-13]。在温度较低的情况下，耐寒增塑剂可以使NBR材料仍保持一定的弹性。选择耐寒增塑剂时需要考虑增塑剂与NBR的相容性、增塑剂的耐挥发和耐抽出性能[14-15]，因为橡胶密封件也会在高温环境下使用，且长期与润滑脂接触。

（3）减小NBR材料的收缩率。对橡胶材料的收缩率影响最大的配合剂是填充剂[16]，填充剂的线膨胀系数较小，与金属相近，比橡胶约小20倍。设计耐低温NBR材料配方时，在保持NBR材料的硬度不变的前提下，大量使用填充剂和耐寒增塑剂，不但可以降低NBR材料的脆性温度，还能减小收缩率。

1.3 耐低温橡胶密封材料的配方

通过配方变量试验，确定制动装置耐低温橡胶密封材料的配方（用量/份）如下：NBR1846F 80，顺丁橡胶 20，炭黑N330 35，炭黑N550 45，炭黑N774 45，氧化锌 5，硬脂酸 1，防老剂TMQ 2，防老剂MB 1，增塑剂W-90B 15，增塑剂DBEEA 20，交联剂BIPB-40 3.5，硫黄0.5，促进剂 2.5。

耐低温橡胶密封材料的性能如表1所示。

表1 耐低温橡胶密封材料的性能Tab.1 Properties of low-temperature resistant rubber sealing material

从表1可以看出，耐低温橡胶密封材料除耐油性能外，低温脆性温度和压缩耐寒因数等其余性能均满足要求。Mobil Grease 28润滑脂既会渗入橡胶密封材料中，也会从橡胶密封材料中抽出增塑剂等可析出物，当配合剂抽出量超过润滑脂渗入量时，橡胶密封材料表现为收缩。由于添加了大量的耐寒增塑剂，橡胶密封材料与润滑脂长时间接触时耐寒增塑剂被大量抽出，导致橡胶密封材料的体积减小。

由于润滑脂会抽出增塑剂，导致橡胶密封件收缩，致使其密封性下降，同时橡胶密封件的耐低温性能也会下降，在低温下会发生脆断或永久变形而导致密封失效。

综合得出，目前制动装置使用的Mobil Grease 28润滑脂已不适用于耐低温橡胶密封材料，需要重新选择润滑脂。

2 耐 低温橡胶密封材料与制动装置润滑脂的适配性研究

耐低温橡胶密封材料与制动装置润滑脂的适配性关系到轨道车辆制动系统能否安全运行。橡胶密封件长期与润滑脂接触，还受到动态负荷、温度等因素的影响，在这些因素作用下发生着各种物理和化学反应[10]。在选择润滑脂时必须考虑这些反应对橡胶密封材料性能的影响，尤其要考虑橡胶密封材料中增塑剂的扩散，它直接影响橡胶密封材料的耐低温性能[17]。

耐低温橡胶密封材料出现过度膨胀或收缩都会导致密封失效，但其可以适当膨胀，以弥补增塑剂等被抽出而引起的收缩，减少橡胶密封件在使用过程中的泄漏失效[11]。选择4种常用的制动装置润滑脂进行溶胀试验，评价其与耐低温橡胶密封材料的适配性，试验结果见表2。

表2 4种润滑脂浸泡后耐低温橡胶密封材料的体积变化率Tab.2 Volume change rates of low-temperature resistant rubber sealing materials after soaking in 4 types of lubricating greases %

从表2可以看出：制动缸89D润滑脂是溶胀型润滑脂，其使耐低温橡胶密封材料的体积变化率超出上限；Mobil Grease 28润滑脂和DOW Corning 4润滑脂是抽出型润滑脂，容易导致橡胶密封材料中的增塑剂被抽出，致使橡胶密封材料的密封性能和耐低温性能下降。从橡胶密封材料的体积变化率来看，只有Molykote 55润滑脂满足技术要求，可以适当弥补橡胶密封材料在低温下的体积减小。Molykote 55润滑脂的工作温度低至－65 ℃，满足橡胶密封件在－55 ℃低温环境下使用的严苛要求。

在选择润滑脂时，除要考察润滑脂对耐低温橡胶密封材料的体积的影响外，还要考虑对橡胶密封材料的其他性能，如硬度、拉伸强度、拉断伸长率和耐低温性能等的影响。Molykote 55润滑脂浸泡前后耐低温橡胶密封材料的性能对比见表3。

表3 Molykote 55润滑脂浸泡前后耐低温橡胶密封材料的性能对比Tab.3 Property comparison of low-temperature resistant rubber sealing materials before and after soaking in Molykote 55 lubricating grease

从表3可以看出，耐低温橡胶密封材料在Molykote 55润滑脂浸泡前后的性能基本一致。在试验过程中，既有润滑脂溶胀引起的橡胶密封材料软化，也有老化导致的橡胶密封材料的交联密度增大，因而橡胶密封材料的硬度、拉伸强度和拉断伸长率变化不明显；另外，橡胶密封材料的低温脆性温度和压缩耐寒因数变化也不明显，说明橡胶密封材料中的增塑剂抽出量较小，橡胶密封材料依然能够保持较好的耐低温性能。

综上所述，Molykote 55润滑脂对耐低温橡胶密封材料的体积及性能影响较小，耐低温橡胶密封材料与其适配性好。

3 橡胶密封件的验证试验

为评估耐低温橡胶密封材料的低温使用性能，将其试制的橡胶密封件进行低温气密性试验：将安装橡胶密封件的制动装置置于－55 ℃的环境箱中保温48 h，分别向制动装置充入低压和高压空气，稳压0.5 min后保压3 min，要求制动装置的泄漏量不超过30 kPa，试验结果见表4。可以看出，橡胶密封件满足－55 ℃的气密性要求。

表4 制动装置的低温气密性试验结果Tab.4 Low-temperature air tightness test results of braking devices

为评估橡胶密封件的疲劳寿命，对其进行充排风循环疲劳验证。橡胶密封件经过疲劳试验后安装于制动装置，制动装置的气密性试验结果见表5。

表5 橡胶密封件疲劳试验前后制动装置的气密性试验结果Tab.5 Air tightness test results of braking devices before and after fatigue testing of rubber sealing parts

从表5可以看出，橡胶密封件在－55 ℃低温环境下经过5万次的疲劳试验后仍能够正常工作，制动装置的各项技术指标均合格，表明橡胶密封件具备一定的耐低温疲劳性能，可以适应国内轨道车辆可能遭遇的低温环境；常温305万次疲劳试验后，橡胶密封件仍能满足气密性要求，其疲劳寿命远远超过要求。

4 结论

（1）耐低温橡胶密封材料具有优良的耐低温性能，其脆性温度可低至－59 ℃，－55 ℃下的压缩耐寒因数为0.50，两项指标均满足技术要求。

（2）经Molykote 55润滑脂浸泡后耐低温橡胶密封材料的体积变化率满足指标要求，同时橡胶密封材料的硬度、拉伸性能和耐低温性能变化很小，耐低温橡胶密封材料与Molykote 55润滑脂的适配性好。

（3）低温密封试验和疲劳试验结果表明，橡胶密封件可满足－55 ℃低温气密性要求，常温疲劳305万次后仍不失效，使用寿命较长。