一種標(biāo)準(zhǔn)地鐵單元制動(dòng)缸用石墨烯橡膠皮碗延壽研究

張東升 虞曉峰 周易文

（1.南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司，江蘇 南京 211800；2.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

南京某公司承擔(dān)中國系列化標(biāo)準(zhǔn)地鐵列車研制中的基礎(chǔ)制動(dòng)攻關(guān)項(xiàng)目，擬開發(fā)設(shè)計(jì)新一代地鐵列車基礎(chǔ)制動(dòng)單元。采用一種橡膠皮碗密封件來實(shí)現(xiàn)對(duì)單元制動(dòng)缸內(nèi)壓縮空氣的密封，從而實(shí)現(xiàn)地鐵車輛的制動(dòng)和緩解動(dòng)作。雖然橡膠皮碗是單元制動(dòng)缸的核心零部件之一，但目前該產(chǎn)品的通用使用壽命僅為3 a～4 a，與基礎(chǔ)制動(dòng)單元其他零配件的檢修周期嚴(yán)重不匹配。為此系列化中國標(biāo)準(zhǔn)地鐵希望對(duì)橡膠皮碗進(jìn)行攻關(guān)研究，將其使用壽命提高到8 a，減少檢修次數(shù)。該文研究石墨烯對(duì)改善丁腈橡膠耐老化性能和耐動(dòng)態(tài)疲勞性能的作用，并對(duì)新研石墨烯丁腈橡膠單元制動(dòng)缸橡膠皮碗進(jìn)行延壽試驗(yàn)和評(píng)價(jià)。

1 單元制動(dòng)缸橡膠皮碗工作原理

標(biāo)準(zhǔn)地鐵單元制動(dòng)缸如圖1所示，主要由缸體、活塞和橡膠皮碗等組成，設(shè)計(jì)最大工作密封壓力為1 MPa，最低使用溫度為-40 ℃。橡膠皮碗結(jié)構(gòu)如圖2所示，橡膠皮碗唇口與制動(dòng)缸壁貼合，橡膠在氣壓的作用下產(chǎn)生壓縮變形填塞氣體泄露通道，從而達(dá)到密封的效果，其密封力隨氣壓的增大而變大，具有自緊的作用。在制動(dòng)緩解過程中，橡膠皮碗沿著制動(dòng)缸壁往復(fù)運(yùn)動(dòng)，屬于氣動(dòng)密封。

圖1 單元制動(dòng)缸橡膠皮碗密封示意圖

圖2 橡膠皮碗結(jié)構(gòu)簡圖

2 標(biāo)準(zhǔn)地鐵單元制動(dòng)缸橡膠皮碗延壽要求

根據(jù)TCAMET 04004.7—2018 《城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng) 第7部分：制動(dòng)夾鉗單元技術(shù)規(guī)范》要求，標(biāo)準(zhǔn)地鐵列車單元制動(dòng)缸橡膠皮碗要滿足使用壽命為8 a的要求，橡膠皮碗必須能夠承受在（450±50） kPa內(nèi)任意值的壓縮空氣以及不少于2×106次的制動(dòng)、緩解疲勞試驗(yàn)。并且確認(rèn)橡膠皮碗疲勞前后都能通過常溫、-40 ℃低溫氣密試驗(yàn)。

首先，必須了解橡膠皮碗產(chǎn)品在制動(dòng)、緩解疲勞工況下的受力情況，該文采用ANSYS軟件建立橡膠皮碗密封模型如圖3所示，有限元分析結(jié)果表明：橡膠皮碗在制動(dòng)、緩解疲勞工況下，橡膠材料主要為壓縮受力形式，橡膠材料的最大應(yīng)變?yōu)?6.4%，最大應(yīng)力為1.09 MPa。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)地鐵橡膠皮碗密封有限元模型及疲勞工況下橡膠材料應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

橡膠皮碗的密封力與橡膠材料的模量、彈性有關(guān)[1]，隨著橡膠材料的老化，其彈性變差，橡膠模量降低到一定程度后密封力完全消失，會(huì)導(dǎo)致密封泄露。為了延長橡膠皮碗的使用壽命，需要綜合考慮老化和疲勞對(duì)橡膠材料壓縮模量和彈性的影響，因此制定橡膠材料的耐老化和耐動(dòng)態(tài)疲勞性能指標(biāo)如下：1） 以回彈性下降20%為臨界值，要求橡膠材料在23 ℃下的使用壽命≥8 a。2） 在壓縮變形率為40%且經(jīng)過2×106次動(dòng)態(tài)壓縮疲勞后，橡膠壓縮模量和回彈性下降幅度≤20%。

3 高性能長壽命石墨烯丁腈橡膠材料研制

3.1 石墨烯丁腈橡膠材料與普通丁腈橡膠材料性能對(duì)比

該文研究了用石墨烯來提升丁腈橡膠材料的性能和使用壽命。石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型（呈蜂巢晶格）的平面薄膜，它是一種二維材料[2-3]。石墨烯的比表面積高達(dá)2 630 m2/g，比炭黑高40～80倍。同時(shí)石墨烯強(qiáng)度比傳統(tǒng)炭黑高100～500倍。根據(jù)橡膠材料的補(bǔ)強(qiáng)原理[4]，石墨烯對(duì)橡膠材料有非常高的補(bǔ)強(qiáng)效率，可避免添加大量的炭黑，有利于提高橡膠材料的回彈性能和耐疲勞性能。表1為研制的石墨烯丁腈橡膠材料與普通丁腈橡膠基本物理性能參數(shù)的對(duì)比。從表1可以看出：石墨烯丁腈橡膠的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度有大幅提升，其中撕裂強(qiáng)度提升到78%；回彈性能也有提升，主要是由于石墨烯的高補(bǔ)強(qiáng)性減少了炭黑的填充，提高了含膠率；其耐老化性能優(yōu)于普通丁腈橡膠，因?yàn)槭┑某蟊缺砻娣e和二維片層分布具有“曲折道路效應(yīng)”，可以阻礙熱、臭氧等滲透，所以可以提升橡膠材料的耐老化性能和使用壽命[5]。

表1 石墨烯丁腈橡膠與普通丁腈橡膠橡膠材料物理性能對(duì)比表

3.2 石墨烯丁腈橡膠材料使用壽命和疲勞試驗(yàn)評(píng)估

對(duì)石墨烯丁腈橡膠進(jìn)行熱老化和壓縮疲勞試驗(yàn)，評(píng)估其材料的疲勞性能。其中，加速熱老化壽命試驗(yàn)按照GB/T20028—2005的要求進(jìn)行試驗(yàn)，壓縮疲勞按照GB/T 1687.1—2016的要求進(jìn)行試驗(yàn)，回彈性按照GB/T 1681—2009的要求進(jìn)行試驗(yàn)，壓縮模量按照GB 7757—2009的要求進(jìn)行試驗(yàn)。石墨烯丁腈橡膠加速熱老化的試驗(yàn)條件和回彈性老化數(shù)據(jù)見表2。變化趨勢和推算的阿累尼烏斯圖如圖4、圖5所示。

圖4 回彈性能隨老化時(shí)間變化曲線

圖5 回彈性能阿累尼烏斯圖

表2 石墨烯丁腈橡膠不同溫度、不同老化時(shí)間下的回彈性能變化

以橡膠回彈性下降20%為臨界，石墨烯丁腈橡膠在23 ℃常溫下使用壽命為15.5 a，滿足橡膠材料使用壽命≥8 a的技術(shù)要求。

經(jīng)過2×106次壓縮疲勞試驗(yàn)，石墨烯丁腈橡膠壓縮模量下降了8.8%，回彈性下降了-12.7%，滿足標(biāo)準(zhǔn)地鐵車輛橡膠皮碗橡膠材料中下降幅度不大于20%的指標(biāo)要求。

4 單元制動(dòng)缸橡膠皮碗使用壽命試驗(yàn)與評(píng)價(jià)

4.1 單元制動(dòng)缸皮碗使用壽命試驗(yàn)

橡膠皮碗使用壽命評(píng)估試驗(yàn)必須綜合考慮長時(shí)間環(huán)境因素、制動(dòng)以及緩解疲勞對(duì)產(chǎn)品的影響。橡膠皮碗裝在制動(dòng)缸內(nèi)，不受外界光照的影響，只需要考慮溫度對(duì)橡膠材料的老化作用。但常溫下橡膠材料老化的速度緩慢，試驗(yàn)周期太長；為了縮短研究時(shí)間，需要對(duì)橡膠皮碗進(jìn)行加速老化試驗(yàn)。根據(jù)石墨烯丁腈橡膠的老化數(shù)據(jù)和阿尼烏斯原理[6]可以推算加速老化等效條件：高溫加速老化110 ℃×340 h等效在常溫23 ℃×8 a。

表3 2×106次壓縮疲勞石墨烯丁腈橡膠性能變化

表4 石墨烯丁腈橡膠加速老化等效條件推算阿雷尼烏斯方程

疊加考慮熱老化和力疲勞對(duì)橡膠皮碗產(chǎn)品使用壽命的影響，設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)方案對(duì)橡膠皮碗的使用壽命進(jìn)行評(píng)估：1） 產(chǎn)品加速熱老化，經(jīng)過110 ℃×340 h熱老化后檢查外觀，確定外觀良好后進(jìn)行常溫、低溫-40 ℃氣密試驗(yàn)并通過氣密試驗(yàn)。2） 經(jīng)過2×106次制動(dòng)、緩解疲勞試驗(yàn)后，檢查外觀，并進(jìn)行常溫、低溫-40 ℃氣密試驗(yàn)。經(jīng)過加速熱老化、制動(dòng)和緩解疲勞疊加試驗(yàn)的石墨烯丁腈橡膠皮碗的常溫、低溫-40 ℃密封性能滿足制動(dòng)要求，說明石墨烯丁腈橡膠皮碗能夠滿足延壽設(shè)計(jì)的要求。

表5 標(biāo)準(zhǔn)地鐵單元制動(dòng)缸皮碗疲勞前后氣密試驗(yàn)結(jié)果

4.2 單元制動(dòng)缸皮碗使用壽命安全裕度

進(jìn)一步評(píng)估石墨烯丁腈橡膠皮碗使用壽命的安全裕度，對(duì)其進(jìn)行疊加疲勞考核試驗(yàn)（見表6），試驗(yàn)結(jié)果表明：石墨烯丁腈橡膠皮碗經(jīng)過110 ℃×680 h加速熱老化后不失效，比設(shè)計(jì)110 ℃×340 h多1倍，說明產(chǎn)品的耐熱老化壽命的安全系數(shù)為2倍，石墨烯丁腈橡膠皮碗經(jīng)過3×106次疲勞后不失效，比設(shè)計(jì)大0.5倍，其耐制動(dòng)疲勞次數(shù)的安全系數(shù)為1.5倍。制動(dòng)、緩解疲勞對(duì)橡膠皮碗的使用壽命的影響較大。在橡膠皮碗使用壽命的制定過程中，需要考慮不同地鐵列車運(yùn)營頻次的問題，綜合考慮日歷使用壽命和運(yùn)行里程數(shù)。

表6 石墨烯丁腈橡膠不同疲勞條件下產(chǎn)品狀態(tài)

5 結(jié)論

該文分析了影響單元制動(dòng)缸橡膠皮碗密封性能的橡膠材料參數(shù)，并結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際工況下橡膠材料的應(yīng)力應(yīng)變水平，制定了標(biāo)準(zhǔn)地鐵單元制動(dòng)缸橡膠皮碗延壽用橡膠材料的性能指標(biāo)。研制試驗(yàn)表明石墨烯能夠提升丁腈橡膠的性能和使用壽命，研制的石墨烯丁腈橡膠材料性能滿足標(biāo)準(zhǔn)地鐵橡膠皮碗材料技術(shù)指標(biāo)。對(duì)橡膠皮碗產(chǎn)品的使用壽命進(jìn)行加速熱老化、制動(dòng)和緩解疲勞疊加評(píng)估試驗(yàn)，結(jié)果表明：新研制的石墨烯丁腈橡膠皮碗產(chǎn)品滿足標(biāo)準(zhǔn)地鐵基礎(chǔ)制動(dòng)8 a的使用壽命，并且具有一定安全裕度。