轨道车辆橡胶弹性元件胶料低温性能表征的研究与探讨

王付胜,赵国艳,高志桦,夏迎旭

(中车青岛四方车辆研究所有限公司 技术中心,山东 青岛 266031)

为了降低车辆运行噪声、有效提高乘坐舒适性,现代轨道车辆在悬挂系统、设备安装系统以及连接、限位等部位中大量使用各种橡胶弹性元件。橡胶胶料的性能是影响橡胶弹性元件性能的主要因素之一,然而橡胶胶料的性能受温度的影响较大,橡胶胶料随着温度降低弹性下降、硬度上升,从而导致橡胶弹性元件的刚度上升,对其功能产生不利影响,严重情况下会导致功能丧失,这会降低车辆的运行安全性和乘坐舒适性。因此,在低温环境中使用的橡胶弹性元件以及橡胶胶料都有低温性能要求。橡胶弹性元件的低温性能一般用低温刚度变化率或低温刚度系数来表征,其大小可以直接反映出橡胶弹性元件低温性能优劣;橡胶胶料低温性能的表征参数较多,国内铁路行业常用脆性温度来表征[1-5]。

一般认为,橡胶胶料的脆性温度越低,其耐低温性能就越好,相应产品的低温性能也会越好,橡胶胶料在高于脆性温度值5～10 ℃的低温环境中就能正常应用。然而在实际运用及试验研究中发现,对于橡胶弹性元件,其胶料的脆性温度高低与弹性元件的低温性能优劣的相关性不强。

本文通过橡胶弹性元件低温失效案例、胶料低温性能参数特点以及低温性能试验研究,提出了更适用于表征橡胶弹性元件胶料低温性能的参数。

1 轨道车辆橡胶弹性元件低温失效典型案例

2017年12月,在长春对时速160 km动力集中动车组车辆进行小曲线线路试验时,多次出现空气弹簧漏风故障,漏风后的空气弹簧再次充气不能成功。2018年12月中旬,在北京进行两列短编时速160 km动力集中动车组车辆道路救援试验时,车辆通过环线曲线线路时两列车的空气弹簧皆出现漏风气囊打褶故障,进入直线线路后再次充气也不能成功,造成试验中断。图1为低温环境漏风故障空气弹簧。

图1 低温环境漏风故障空气弹簧

时速160 km动力集中动车组车辆装用的φ580型空气弹簧,其结构型式如图2所示。

1—上盖;2—气囊;3—支撑座;4—叠层弹簧。

经分析确认故障原因为叠层弹簧在低温环境下经长时间加载放置后橡胶硬化,致使其水平刚度变大,水平变形能力下降到不能满足车辆经过小曲线轨道时水平位移需求,造成了气囊和支承座装配组合部位机械脱离而漏风。

2 轨道车辆弹性元件胶料低温性能的影响因素

橡胶弹性元件的胶料一般需具有良好的物理机械强度、弹性、疲劳性能、耐低温性能、与金属骨架粘合性能、加工工艺性能等。天然橡胶综合性能好,基本可以满足橡胶弹性元件的机械性能要求,是该类产品胶料的主体材料,是用量最大的品种。另外,通过顺丁橡胶与天然橡胶并用以改善天然橡胶胶料的弹性、疲劳性能或低温性能[6-7]。天然橡胶胶料、天然橡胶/顺丁橡胶并用胶料是轨道车辆橡胶弹性元件中最常用的两种胶料。

天然橡胶的玻璃化转变温度Tg为-72 ℃,顺丁橡胶的Tg为-105 ℃,故用少量顺丁橡胶与天然橡胶并用就可以明显降低胶料的脆性温度,因此,一般认为顺丁橡胶与天然橡胶并用可改善胶料的低温性能。

上述低温失效案例中,叠层弹簧胶料就是一种天然橡胶/顺丁橡胶并用的胶料,该胶料的脆性温度值为-69 ℃,该值表明胶料的低温性能良好;然而,出现故障时的气温仅有-30～-10 ℃,并非极寒温度,故障问题表明叠层弹簧胶料的低温性能较差,这种矛盾说明脆性温度值不能反映出轨道车辆橡胶弹性元件胶料的低温性能好坏。

橡胶的耐低温性实质上取决于两个基本特性:Tg和结晶性。

Tg是橡胶类材料使用的最低温度;实际上,在脆性温度Tb(一般Tb>Tg)以下,橡胶胶料就基本丧失了弹性,失去了使用价值。因此,工业上常以脆性温度作为橡胶制品耐低温性的指标。

橡胶结晶也会使其弹性下降而硬化,模量大幅增加。橡胶在较低的温度下或应变条件下都能产生结晶,结晶度随时间延长而增大。

天然橡胶、顺丁橡胶都是结晶性橡胶,因此,对于以天然橡胶、天然橡胶/顺丁橡胶并用胶为主的轨道车辆橡胶弹性元件胶料,Tg和结晶性都是影响其低温性能的因素。

橡胶的结晶过程和玻璃化转变过程不同,结晶过程需要一定的时间,弹性丧失的速度和程度,与持续的温度和时间有关。表1是两种橡胶发生结晶时的温度参数[8]。

表1 不同品种橡胶的结晶温度 ℃

在结晶速率最大的温度下,天然橡胶从 120～180 min开始丧失弹性,顺丁橡胶从10～15 min开始丧失弹性。

结晶性橡胶在低温下工作能力的降低,短则几小时,长则几个月不等。因此,对结晶性橡胶耐寒性的评价不能只凭试样在低温下短时间的试验,需考虑到在储存和使用期间结晶过程的发展。

3 表征胶料低温性能的参数特点

目前,工业上表征橡胶低温性能的常用参数有:单试样法脆性温度、多试样法脆性温度、低温回缩温度TR10、低温刚性温度t2、压缩耐寒系数、低温压缩永久变形等。

脆性温度是橡胶材料在规定条件下经受冲击时不出现脆性破坏的最低温度,单试样法脆性温度测试时冷冻试样3 min,多试样法脆性温度测试时冷冻试样5 min,时间都较短,橡胶材料还不能完成结晶。因此,对于天然橡胶、顺丁橡胶这种结晶性橡胶,脆性温度仅体现了材料Tg因素对低温性能的影响,没有体现结晶因素对低温性能的影响,故从原理上讲,脆性温度并不能真实反映出低温性能的好坏。

低温回缩温度TR10、低温刚性温度t2、压缩耐寒系数测试时冷冻试样的时间最长的也只有10 min左右,类似于脆性温度的测试,故这些参数值也不能体现出结晶性对橡胶材料低温性能的影响。

低温压缩永久变形测试是把圆柱形试样在试验室温度下加载压缩至一定比例,然后放入低温环境中冷冻,冷冻结束后在低温环境中释放压缩,恢复一定时间后测量高度并计算出压缩永久变形。圆柱形试样变形大小反映出了胶料在低温下保持其弹性的能力,胶料的低温压缩永久变形越小,其低温下的弹性越好。测试标准中规定的试验时间最短为24 h,可见,该参数测试过程涵盖了橡胶材料结晶所需的低温条件、应变因素、时间历程。因此,从原理上讲,低温压缩永久变形量既受橡胶材料的Tg的影响,又受其结晶性的影响。

4 试验研究

根据对橡胶低温性能影响因素的分析,选取了非结晶性的低顺式聚丁二烯橡胶和溶聚丁苯橡胶(Tg低的牌号),这两种橡胶常以与天然橡胶并用的方式应用于轮胎胶料中,胶料性能优良,可达到改善轮胎性能的目的[9-12];其性能特点也十分适用于橡胶弹性元件胶料,分别把这两种橡胶与天然橡胶并用研发出两种物理机械性能适用于橡胶弹性元件的新型耐低温胶料NR-1和NR-2,并和上述图2中所示叠层弹簧的胶料BR-1进行对比测试脆性温度、低温压缩永久变形;并用这3种胶料分别硫化叠层弹簧(图2)、弹性节点(图3)、沙漏弹簧(图4),然后测试叠层弹簧的低温水平静态刚度变化率、弹性节点的低温轴向静态刚度变化率、沙漏弹簧低温垂向静态刚度变化率。研究胶料的低温性能参数和橡胶弹性元件低温刚度变化率间的相关性。

图3 轨道车辆用弹性节点示意图

图4 轨道车辆用沙漏弹簧示意图

测试橡胶弹性元件低温刚度参数时参照TB/T 2843—2015《机车车辆用橡胶弹性元件通用技术条件》要求进行,先测试样件在常温23 ℃时的静态刚度,然后把样件放置到低温环境中停放48 h,满48 h后在环境箱中测试低温静态刚度,计算低温静态刚度相比于常温静态刚度的变化率。

3种胶料的脆性温度和低温压缩永久变形、相应橡胶弹性元件的低温静态刚度变化率测试结果列于表2。由表2数据可见,胶料BR-1和NR-1相比,它们的脆性温度十分相近,然而NR-1的结晶性小,其低温压缩永久变形和相应橡胶弹性元件的低温静态刚度变化率很小;胶料BR-1和NR-2相比,BR-1的脆性温度Tb优势明显,然而也是结晶性小的胶料NR-2的低温压缩永久变形和相应橡胶弹性元件的低温静态刚度变化率小;对于结晶性都很小的胶料NR-1和NR-2,胶料的低温压缩永久变形和相应橡胶弹性元件的低温静态刚度变化率大小才与脆性温度高低相对应。

表2 3种胶料的脆性温度和低温压缩永久变形以及橡胶弹性元件低温静态刚度变化率

显然,轨道车辆橡胶弹性元件的低温性能不仅受其胶料的脆性温度影响,还受到其胶料结晶性的严重影响,这和本文前述理论分析相一致;且轨道车辆橡胶弹性元件的低温性能优劣与其胶料的脆性温度高低不存在对应性,而与胶料的低温压缩永久变形大小完全对应。分析低温压缩永久变形参数特点时,已从原理上表明了其大小能同时反映橡胶胶料的脆性温度和结晶性,可见,胶料低温压缩永久变形量与其橡胶弹性元件的低温静态刚度变化率大小相对应是正常的。

一般认为,橡胶弹性元件的低温静态刚度变化率不超过50%时,该温度下其低温性能是良好的。由表2数据可知,只要胶料的低温压缩永久变形小于40%,相应低温下的橡胶弹性元件静态刚度变化率一般不超过50%。

5 结语

由于主要使用天然橡胶、顺丁橡胶制造轨道车辆橡胶弹性元件,而这两种橡胶具有结晶性,致使胶料的脆性温度高低不能有效地反映橡胶弹性元件的低温性能优劣。

基于胶料低温性能参数测试原理及试验研究表明,对于轨道车辆橡胶弹性元件,用低温压缩永久变形参数代替脆性温度参数来表征胶料的低温性能,可以反映出胶料在低温下的弹性大小,可以对应地有效反映出橡胶弹性元件的低温性能优劣。

TB/T 2841、TB/T 3267、TB/T 3268、TB/T 3269等标准中所涉及的橡胶弹性元件都有低温性能方面的要求,胶料的性能指标中都提出了脆性温度的要求,建议在新版的修订中,能增加低温压缩永久变形量来表征胶料的低温性能。