轨道交通用橡胶减振材料及制品的应用与发展

1 轨道交通用橡胶减振材料及制品的应用与发展杨军王雪飞王进陈忠海（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲，412007）摘要：本文概述了轨道交通用橡胶减振制品的材料技术和产品的应用和发展情况。关键词：轨道交通减振橡胶制品橡胶橡胶材料具有以下特性[1]：（1）橡胶具有良好的阻尼特性，在弹性范围内的相对滞后值可以达到10～65%，动、静模数之比为1.5左右；（2）橡胶的弹性变形比金属大的多（可达10000倍以上），而弹性模数比金属的小得多（为1/700到1/4000）；（3）橡胶的声速为40～200m/s，钢的声速却为5000m/s。因此具有良好的减振、隔音和缓冲性能 [2] 。现代轨道交通为有效减少轮轨作用力和改善系统走行性能，降低高速重载所引起的机车车辆以及线路的系统振动和噪声问题，大量使用各种橡胶弹性元件用于牵引、驱动、连接、支承等，以达到舒适、平稳、快速的更高要求［3］。1.橡胶材料减振所用橡胶的品种很多，用量比较大的有：天然橡胶（NR）、丁苯橡胶（SBR）、顺丁橡胶（BR）、丁腈橡胶（NBR）、氯丁橡胶（CR）、丁基橡胶（IR）、乙丙橡胶（EPDM）等。通常针对不同的应用环境和使用要求，选用不同的橡胶材料或将几种橡胶共混以及采用某些改性方法来提高橡胶材料的某一项和几项性能。1.1共混技术 NR 是橡胶减振领域中用量最大的品种，许多共混的研究都是以其为主体进行的。如 Yoshiharu等人 [4] 采用NR和BR共混制成减振橡胶，在 150℃硫化 30min后，发现材料具有很好的衰减性能；他们还研究采用天然橡胶和氯丁橡胶共混制成减振橡胶，硫化促进剂只促进其中的天然橡胶硫化而不促进氯丁橡胶硫化，使得减振橡胶的减振特性由材料中的氯丁橡胶组份体现出来 [5] ；Nishiue Takeshi 等人 [6] 使用天然橡胶、含有不饱和键的顺丁橡胶、以及碳原子数大于 4 的含有­OH 基团有机酸的金属盐，和一些其他的添加剂制成的减振器具有较好的耐久性，在 70 ℃压缩22小时和在40℃压缩148小时的压缩永久变形分别是 17.0 和 11.7%；除 NR 外，以 CR、SBR、EPDM等为主体进行共混研究的实例也很多，此外其它材料的共混研究还有：Toshiaki 等人 [7, 8] 采用不能硫化的异戊二烯­苯乙烯嵌段共聚物和可硫化的溴化对甲基苯乙烯－异丁烯共聚物的混合物以比例 80：20到 25：75 配制成的共混橡胶材料，在应用到减振橡胶配方中时材料的损耗因子 Tanδ大于 0.5，同时在­30℃到 20℃的范围内损耗因子 Tanδ的变化小于 0.5，使材料不仅具有很好的减振性能，而且还具有很好的减振稳定性，同时材料还有很好的耐氧化和耐臭氧化性能； Masashi 等人 [9] 采用溴化乙烯基共聚物橡胶（Br 含量 0.2～5%）和 NR 以及异丁烯橡胶制成的减振橡胶材料具有很好的耐热老化、拉伸疲劳性能和臭氧裂解性能，在 90℃条件下处理 1000 小时后拉伸强度保持 62％，压缩永久变形保持 39％； Wang Xiaorog等人 [10] 采用聚（芳香烯烃­co­马来酰亚胺）共聚物与马来酸化的烷基烯烃和烷基双胺在充分干燥的条件下形成聚烯烃接枝聚（芳香烯烃­co­马来酰亚胺）共聚物，将这种材料和橡胶混合可以制备高阻尼材料； Kentaro 等人 [11， 12] 由芳香乙烯基单体和丁二烯共聚物形成的减振用绝缘橡胶材料具有很好的防止振动和防止噪音的特性；同时这种材料还具有很好的屈挠疲劳性能；Okada 等人 [13] 采用不饱和的乙烯、芳香族烯烃、非共轭烯烃以一定比例形成的不饱和共聚物制成的橡胶共混物使得减振橡胶在力学性能、耐热性、耐老化性能、减振性能、振动性能消失和耐屈挠疲劳性能上都具有很好的性能。1.2纳米改性技术利用少量的蒙脱土和炭黑共同补强天然橡胶，可使材料的综合性能改善。表1反映了10份蒙脱土替代10份炭黑时对天然橡胶各项性能的影响，由表可见，材料的硬度减小，定伸强度、拉伸强度、断裂伸长率都明显提高，耐水、耐油、耐热氧老化、耐臭氧老化等性能较以前都明显提高。对于露天使用的轨道交通用橡胶减振器，蒙脱土纳米复合橡胶技术显示出明显的优势。2 刘岚等人 [14] 进行了NBR/蒙脱土橡胶层状硅酸盐纳米复合材料的制备，发现可以显著提高材料的定伸应力、拉伸强度、撕裂强度等性能。表1蒙脱土对天然橡胶性能的影响1.3炭黑（白炭黑）原位接枝橡胶技术炭黑与白炭黑是减振橡胶中的主要补强填充剂，但是炭黑与白炭黑粒子间的自聚作用较大，难于在橡胶基体中分散，而且由于自身是强极性无机粒子，与天然橡胶等非极性有机物间的相互作用力较弱，影响了其应用效果。炭黑表面含有羧基、羟基等多种官能团，白炭黑的表面也有大量的羟基官能团，可以利用这些高活性的基团来改善炭黑与白炭黑对橡胶的作用。图1原位接枝改性作用机理示意图炭黑（白炭黑）原位接枝橡胶技术采用具有双亲化学活性的小分子偶联剂，在橡胶混炼过程中使其同时与炭黑（白炭黑）表面、橡胶大分子发生接枝反应，使炭黑（白炭黑）与橡胶间实现部分化学键作用力，可大大加强炭黑和橡胶间的界面作用力，同时增加了橡胶对炭黑（白炭黑）附聚体的破坏作用，使分散水平也大幅度提高。这样不仅可以显著提高减振材料定伸应力、拉伸强度、撕裂强度等性能，而且能显著降低高结构炭黑的用量，改进交联网络的结构，由于界面化学作用强度高，从而使材料的疲劳生热显著降低，延缓疲劳破坏过程，提高弹性体结构材料与制品的承载性能和使用寿命。此外，还能提高橡胶抵抗热氧、臭氧、光老化的能力（见图1）。 2. 橡胶减振制品轨道交通控制振动的途径和其它领域相同 [15] ：1）降低振源的激发力；2）将振动与激发源离开（隔振）；3）缓和振动体的振动。橡胶减振主要用于后两个方面。橡胶减振器具有许多优点 [1] ：1）可以通过设计结构、调整橡胶性能来满足对各个方向刚度的要求；2）兼具衰减和吸能两种能力，减振效果好，容易越过共振区；3）弹性模量比金属小得多，能够产生较大弹性形变；4）没有滑动部分，因此无磨耗，易于保养；5）重量轻，安装、拆卸方便。当然，橡胶减振器也有一些缺点：1）高温低温性能不如金属；耐油性能不如金属；2）对于直射日光需要注意用薄膜遮蔽等；3）长期用于大载荷时弹性减弱。蒙脱土/炭黑用量，phr0/3010/20硬度，邵氏度6359拉伸强度，MPa25.931.6扯断伸长率，%453541300%定伸，MPa13.015.7压缩永久变形（70℃×24h）1621硬度变化，邵氏度+5+3拉伸强度变化率，%-49-18伸长率变化率，%-43-26老化前撕裂强度KN/mm46.249.0热老化（110℃×24h）老化后撕裂强度KN/mm36.142.3硬度变化，邵氏度-1-2拉伸强度变化率，%+1-2伸长率变化率，%+2-0耐5%NaOH（70℃×1h）体积变化率，%-0+0硬度变化，邵氏度-2-2拉伸强度变化率，%-24-14伸长率变化率，%-19-8质量变化率，%+2+1耐蒸馏水（70℃×7d）体积变化率，%+3+2硬度变化，邵氏度-13-10拉伸强度变化率，%-75-55伸长率变化率，%-55-40耐3#油（23℃×70h）体积变化率+52+43拉伸强度变化率，%-9-4臭氧老化(100pphm40℃，24h)伸长率变化率，%-8-1提高炭黑（白炭黑）与橡胶界面作用力炭黑（白炭黑）原位接枝橡胶改善炭黑 (白炭黑) 分散性改善蠕变改善疲劳改善老化改善力学性能3 2.1 机车车辆用减振橡胶制品的应用及发展机车车辆用橡胶减振器主要应用在转向架上，按安装的部位可分为：一系悬挂装置、二系悬挂装置、牵引悬挂装置、牵引缓冲装置等[16]。2.1.1一系悬挂用减振橡胶制品1）V型弹簧图 2  V型弹簧表 2  V型弹簧静压蠕变对比时代新材美国公司 72h静压蠕变，mm 1.96 2.20V型橡胶弹簧是一系悬挂橡胶减振器的代表产品之一，与金属悬挂相比，能有效地降低磨损，隔离噪音，并能提供所需的垂、横、纵三向刚度，控制横向、纵向摆动，提供适宜的牵引力。国外Dunlop、phonex等公司已具有成熟技术。由于V型弹簧承受周向剪切和垂向压缩变形，因此橡胶的抗蠕变性能成为衡量该产品技术水平的主要标志。株洲时代新材料科技股份公司对提高产品的抗蠕变性能进行专题研究[17，18]，实验室检测结果表明，新研制的V型橡胶弹簧抗蠕变性能优于国外同类产品。 2) 锥型弹簧锥型弹簧和 V型弹簧相比，其特点主要有：①采用圆柱衬套结构，可根据三向刚度要求进行槽孔的不同设计；②根据橡胶弹簧的压、剪锥体理论，采用等应力层设计方法及特选的弹性橡胶，更有利于减小产品的蠕变；③能提供最大的牵引力，平衡车轮荷重，控制纵、横摆动。因此目前国内外新设计的城轨地铁转向架上，大都采用锥型弹簧取代 V 型弹簧，其关键技术也是抗蠕变能力，即使用期中蠕变不能超过产品工作载荷下垂向位移的 20%。时代新材公司生产的锥型弹簧经德国 Contitech公司检测和计算，10 年的蠕变值不到 5mm，仅为工作载荷下垂向位移的 12%（见图 4）。图 3 锥型弹簧图 4锥型弹簧的 10年蠕变值 3) 滚环橡胶弹簧图 5 滚环橡胶弹簧滚环橡胶弹簧具有较强的非线性特性，可提供动力学性能所需的不同纵向和横向刚度值，可满足减振和定位要求。在车辆运行过程中，橡胶弹簧在横向和垂向产生变形，吸收车辆振动的部分能量，这种特性对吸收车辆高频振动和降低噪声十分有益。滚环式橡胶弹簧垂向承载能力4 10～200kN，垂向挠度可达 60mm，甚至到 132mm。在横向载荷作用下，当载荷等于最大垂向载荷的 30％～60％时，横向可产生约 4mm的位移［19,20］，其纵向刚度约为垂向刚度的 3～6倍，而其它钢簧的纵向接近刚性，其转向架具有更好的曲线通过能力。滚环橡胶弹簧最早用于德国 Talbot 工厂设计制造的DRRS（Double rubber rolling spring）转向架上。目前 DRRS 转向架大量应用于欧洲境内德国、瑞士、挪威、奥地利、丹麦、芬兰等国家的货车上，其具有轮轨作用小、轮缘磨耗好等特点。国内时代新材与西南交大已经联合开发出了此类产品，但尚未得到推广应用。 4）液体复合橡胶弹簧图 6 金属橡胶液体复合弹簧液体复合橡胶弹簧减振器（简称液体复合弹簧），也称液力减振器，是以橡胶弹性体密封流体（通常是不冻液，如乙二醇和丙二醇的混合液），利用流体的液压支撑和橡胶共同起缓冲作用的，也属非线性减振器。1979 年液体复合橡胶弹簧首次用于奥迪轿车的发动机的减振，而后得到迅速推广，并发展了缸式液压发动机底座、电子控制液压发动机底座等，技术日益成熟 [15， 21，22，23] ，从结构的角度成功地解决了产品动态倍率与损耗因子之间的非相容问题而获得近乎完美的新型减振器 [24] ，其中，惯性通道式液力减振器应用最为广泛。德国 Contitech公司于 20 世纪 90 年代首次在轴箱弹簧定位器的基础上开发出剪切压缩型的金属橡胶复合弹簧，在载荷作用下有挠度较大的优点，能够在空车、重载以及低速、高速等不同的使用工况下有效地保证良好的运行舒适度，同时，能提供所需的三向刚度，以满足车辆特别是货车车辆的动力品质 [25] 。国内由齐齐哈尔车辆厂开发的的 160Km 货车转向架上即装配了由时代新材提供的液体复合弹簧，该转向架在滚动实验台上跑出 240Km 的中国货车最高速，弹性悬挂系统完全满足车辆动力学要求，平稳性优良。 2.1.2 二系悬挂用减振橡胶制品 1）橡胶堆图 7 橡胶堆橡胶堆产品是车体与转向架的弹性连接元件，弹性地承担车体的垂向载荷，并给机车车辆各轴以一定的重量分配，以使所分配的重量在车轮行经不平线路时不发生显著变化；同时，橡胶堆能有效地缓和铅垂面内的有害振动，改善机车车辆的抗蛇行稳定性。与刚弹簧相比，其具有如下优点：①提供适宜的垂向静挠度，有利于机车车辆获得良好的粘着重量利用率。②能充分利用车体提供的垂向预压，使橡胶堆获得优良的横向剪切性能，这有利于机车车辆的横