橡膠緩沖器的研制

孫軍平，張作鑫，朱鵬剛，李 楠，遲洲勛

（中車青島四方車輛研究所有限公司 減振事業(yè)部，山東 青島 266000）

橡膠緩沖器主要應用于地鐵車輛上，作用于列車車鉤位置（見圖1），吸收相應的緩沖和牽引載荷，同時允許車鉤在水平和垂直方向擺動以及一定角度的扭轉運動[1]。橡膠緩沖器的自由端形狀像法蘭（見圖2），安裝時先將套管連接在法蘭上，再把緩沖器連接在車鉤桿上，列車運行時產生的牽引力和緩沖載荷由緩沖器各橡膠緩沖單元吸收[2]。如果橡膠緩沖器失效，列車運行時產生的巨大縱向沖擊和牽引載荷會直接作用到轉向架上[3]，造成列車運行不穩(wěn)，振動嚴重，乘客乘坐舒適性降低，嚴重時會造成列車出軌、翻車等重大安全事故，使國家和人民群眾財產造成重大損失，因此橡膠緩沖器在地鐵車輛上具有不可替代的作用。

圖1 橡膠緩沖器應用實例Fig.1 Application example of rubber buffer

圖2 橡膠緩沖器Fig.2 Rubber buffer

但是目前國內市場上的橡膠緩沖器均為進口件，其價格較高，質量不穩(wěn)定，同時供貨周期受外方控制，經常出現(xiàn)斷供等情況，嚴重影響了國內地鐵車輛生產。為了實現(xiàn)橡膠緩沖器的國產化，進一步提高產品的質量和穩(wěn)定性，我公司按照地鐵產品技術要求，依靠自主創(chuàng)新，對橡膠緩沖器進行了研發(fā)。通過故障件分析，經過膠料配方確定以及硫化工藝和模型結構優(yōu)化，研制出滿足性能要求的橡膠緩沖器?，F(xiàn)將其研制情況簡介如下。

1 實驗

1.1 主要原材料

氯丁橡膠（CR），牌號S-40V，日本電氣化學公司產品；天然橡膠（NR），RSS-1，印度尼西亞產品；丁苯橡膠（SBR），牌號1502，中國石化齊魯石化公司產品。

1.2 配方

配方1：CR 100，炭黑N550 50，輕質碳酸鈣20，氧化鋅 5，氧化鎂 4，硬脂酸 2，防老劑ODPA 4，環(huán)烷油 8，促進劑（變品種） 2。

配方2：NR 100，炭黑N550 50，氧化鋅 5，硬脂酸 2，芳烴油 5，防老劑4020 2.5，防焦劑CTP 0.5，硫黃 1，促進劑NOBS 1.5，促進劑D 1，促進劑MBT 1。

配方3：NR 70，SBR 30，炭黑N550 50，氧化鋅 10，硬脂酸 2，芳烴油 5，防老劑4010NA 1.5，防老劑RD 2，硫黃 0.5，促進劑CBS 1。

1.3 主要設備和儀器

X（S）K-160型開煉機，上海雙翼橡塑機械有限公司產品；QLN-N 400×400型平板硫化機，上海第一橡膠機械有限公司產品；M-3000A型無轉子硫化儀，中國臺灣高鐵科技股份有限公司產品；JDL-2500N型電子萬能試驗機，揚州市天發(fā)試驗機械有限公司產品；401A型老化試驗箱，上海實驗儀器有限公司產品；Ozone Test Cabinet 903型臭氧老化箱，英國SATRA測試儀器公司產品；HZ-7004型橡膠低溫脆性試驗儀，東莞市力顯儀器科技有限公司產品；YHD32-40型四柱壓力機，江蘇銘格鍛壓設備有限公司產品。

1.4 試樣制備

首先將開煉機的輥距調到1 mm，生膠加入后薄通3次，下片待用。將開煉機輥距調到2 mm，投入薄通好的生膠，待其包輥后先加入小料，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；最后加入硫化體系等，左右割刀各3次，打5次三角包，調大輥距，下片?；鞜捘z停放16 h后采用無轉子硫化儀測試硫化特性?；鞜捘z在平板硫化機上硫化，硫化條件為150℃/10 MPa×t90。硫化膠片停放6 h以上進行裁片和性能測試。

1.5 測試分析

（1）硫化特性：采用無轉子硫化儀按照GB/T 16584—1996《橡膠 用無轉子硫化儀測定硫化特性》測試，測試溫度為150 ℃。

（2）物理性能：采用邵氏硬度計按照GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠 壓入硬度試驗方法 第1部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度）》測試邵爾A型硬度，測試溫度為室溫；采用電子萬能試驗機按照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應力應變性能的測定》測試拉伸性能和按照GB/T 529—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強度的測定（褲形、直角形和新月形試樣）》測試撕裂強度（直角形試樣），測試溫度均為室溫，拉伸速率均為500 mm·min-1。

（3）耐熱空氣老化性能：采用熱空氣老化試驗箱按照GB/T 3512—2001《硫化橡膠或熱塑性橡膠熱空氣加速老化和耐熱試驗》測試，老化條件為100 ℃×96 h。

（4）耐臭氧老化性能：采用臭氧老化箱按照GB/T 7762—2014《硫化橡膠或熱塑性橡膠 耐臭氧龜裂 靜態(tài)拉伸試驗》測試，試樣伸長率為20%，臭氧質量分數(shù)為100×10-8，老化條件為40 ℃×48 h。

（5）壓縮永久變形：壓縮試樣放入熱空氣老化試驗箱按照GB/T 7759.1—2015《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓縮永久變形的測定 第1部分：在常溫及高溫條件下》測試，試樣壓縮率為25%，測試條件為100 ℃×24 h。

（6）低溫脆性溫度：采用低溫脆性試驗儀按照GB/T 1682—1991《硫化橡膠低溫脆性的測定 單試樣法》測試。

（7）靜壓性能：采用四柱壓力機按照公司標準測試，常溫下將產品靜壓（40±2） mm，壓縮速度為1 mm·s-1，記錄最大壓力值，試驗方法如圖3所示。

圖3 靜壓性能試驗方法示意Fig.3 Example of static pressure performance test method

2 結果與討論

2.1 故障件分析

目前國內市場上的橡膠緩沖器均為進口件，質量不穩(wěn)定。通過對故障件（見圖4）進行分析發(fā)現(xiàn)，部分產品在承受大載荷沖擊時會出現(xiàn)壓潰情況，從而無法吸收沖擊能，直接失效。同時，發(fā)現(xiàn)破損產品內部出現(xiàn)局部較光滑的融合界面，說明此處的膠料在混煉或/和硫化過程中未充分融合。結合使用過程中的受力工況，初步判斷該產品膠料存在自粘性差的問題，造成產品在承受較大沖擊載荷時從融合不良處斷裂，進而導致整個產品壓潰。

圖4 壓潰的橡膠緩沖器Fig.4 Crushed rubber buffer

通過對產品進一步分析發(fā)現(xiàn)，盡管該產品外形結構簡單，但使用工況比較惡劣，性能要求極為苛刻，需要承受高達500 kN的載荷，而變形量僅為40 mm。為了避免上述問題，在研制橡膠緩沖器時應從膠料配方、硫化工藝和模具結構等方面進行綜合考慮。

2.2 膠料配方研究

2.2.1 主體材料選擇

根據(jù)橡膠緩沖器的性能特點，分別采用以CR，NR[4-5]和NR/SBR并用膠為主體材料的配方1—3進行產品試制[6-7]。

對試制的產品進行靜壓性能試驗，結果如表1和圖5所示。

從表1和圖5可以看出：采用NR或NR/SBR并用膠為主體材料的兩種產品可承受的沖擊載荷較小，同時靜壓試驗后永久變形較大，表面出現(xiàn)裂紋；采用CR為主體材料的產品[8]可承受的沖擊載荷和拉伸載荷符合產品性能要求，同時靜壓試驗后無永久變形，無裂紋。

表1 3種配方產品靜壓性能測試結果Tab.1 Results of three formulua products static pressure performance test

圖5 3種配方產品靜壓試驗后的狀態(tài)Fig.5 States of three formulua products after static pressure performance test

在產品開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，采用CR為主體材料生產橡膠緩沖器這種厚制品，存在膠料自粘性差、對硫化溫度較敏感和硫化過程中產生較多揮發(fā)性氣體等缺陷，造成產品容易出現(xiàn)炸邊、裂口和融痕等問題，因此需要對配方和硫化工藝進行調整。

2.2.2 促進劑選擇

針對CR膠料在硫化過程中產生揮發(fā)性刺激性氣體、自粘性差和焦燒時間短的問題，首先從促進劑入手進行改進。

CR[9-10]常用的促進劑是硫脲類促進劑，最常用的硫脲類促進劑有1，2-亞乙基硫脲、N，N′-二乙基硫脲、N，N，N′-三甲基硫脲和四甲基硫脲等。由于促進劑種類對膠料的焦燒時間有較大影響，因此分別對這幾種促進劑混煉膠的硫化特性（150℃）進行測試，結果如表2所示（采用配方1）。

表2 促進劑種類對CR膠料硫化特性的影響Tab.2 Effect of accelerator types on curing characteristics of CR compounds

由于本產品采用注射充模方式進行生產，因此膠料的t10不能太短。根據(jù)實際工藝條件，要求膠料的t10在2 min以上，以保證膠料的加工安全性。由表2可知，促進劑種類對膠料的FL和Fmax影響不大，對t10和t90影響較大。由于1，2-亞乙基硫脲和N，N′-二乙基硫脲作為促進劑，膠料的t10較短，影響其加工安全性，會對產品性能造成不良影響，因此選擇N，N，N′-三甲基硫脲和四甲基硫脲進行膠料物理性能對比試驗，結果如表3所示。

從表3可以看出，兩種促進劑膠料的拉斷伸長率和壓縮永久變形差異較大，其他性能基本相同。考慮到產品的實際使用工況，要求產品壓縮后恢復性較好，即產品的壓縮永久變形要小，因此最終選用N，N，N′-三甲基硫脲作為促進劑。

表3 促進劑種類對CR膠料物理性能的影響Tab.3 Effect of accelerator types on physical properties of CR compounds

2.3 硫化工藝和模具結構優(yōu)化

由于該產品為純CR厚制品，硫化溫度、壓力、時間和注膠量控制不好，都容易引發(fā)產品質量問題，比如炸邊和融痕等，需要在試制過程中不斷調整硫化工藝，以在保證產品質量的前提下提高生產效率。

在產品試制過程中出現(xiàn)了注膠柱斷裂的情況，簡稱拔坑，如圖6所示。經分析主要是由于CR的抗熱撕裂性能較差，產品硫化后注膠塞拔出注料腔時模具及注料腔內形成真空環(huán)境，對注膠柱有非常大的向外拉扯力，導致注膠柱斷裂。通過硫化工藝調整，即產品硫化完成后先下沉模具再拔出注膠塞，避免了模具及注料腔內形成真空，解決了該問題。

圖6 產品拔坑現(xiàn)象Fig.6 Product pit phenomenon

在產品試制過程中出現(xiàn)了分型面處輕微炸邊現(xiàn)象，如圖7所示。經分析這主要是由于注膠孔、溢膠孔和排氣孔開設位置不合理造成的，即注膠孔、溢膠孔和排氣孔全部開設在下模與上模分型面上，使這些孔的位置全部集中在模具的合模線上，從而易使產品出現(xiàn)炸邊現(xiàn)象。鑒于此，合理設置產品的分型面并調整注膠孔、溢膠孔和排氣孔的位置，避免了此問題。

圖7 產品炸邊現(xiàn)象Fig.7 Product edge brust phenomenon

對于易炸邊的CR產品，一般采用低溫長時間硫化。但低溫長時間硫化的生產效率較低，因此對模具進一步改進，將模腔數(shù)量從一模兩腔增大到一模四腔，極大地提高了生產效率。

在產品試制過程中出現(xiàn)了融痕現(xiàn)象，如圖8所示。在膠料配方和模具結構優(yōu)化的基礎上，通過一體成型硫化技術和不斷優(yōu)化硫化參數(shù)，提高充模的初始溫度，改善膠料的流動性，增大其自粘性，避免了此問題。

圖8 產品融痕現(xiàn)象Fig.8 Product melting mark phenomenon

3 成品性能

對最終產品進行靜壓試驗，結果證明該橡膠緩沖器性能滿足要求，產品合格。通過對橡膠緩沖器進行剖析，未發(fā)現(xiàn)產品變形、融痕以及表面和內部裂紋等不良現(xiàn)象。

4 結論

（1）根據(jù)橡膠緩沖器故障件和產品性能要求，分別選擇CR為膠料的主體材料和N，N，N′-三甲基硫脲為膠料的促進劑。

（2）通過硫化工藝和模具結構優(yōu)化，制得滿足性能要求的橡膠緩沖器，且該產品已投入批量生產。