軌道車輛制動產品橡膠件加速壽命試驗研究

王 瑞，金 哲，金宇智，韓海山，鄭林祺，樊貴新，邵 林

（1 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081）

城市軌道車輛和復興號動車組制動產品在國內已投入運營多年，而且很多制動產品完成了以6 年或12 年為周期的高級修，大量收集了高級修周期內的制動產品性能數據。但是制動產品橡膠件能否繼續(xù)使用到下一個檢修階段或能否延長檢修周期，尚無理論和試驗支撐，因此經常發(fā)生過度修或欠修的情況，導致制動產品的檢修成本居高不下，或者給軌道車輛的運營埋下嚴重的安全隱患。

在運營過程中，除了制動產品本身的性能衰減外，橡膠件的性能是限制制動產品使用壽命的主要因素之一。雖然橡膠件不屬于尖端技術產品，但是對制動產品來說是非常關鍵的部件，甚至決定制動產品的使用壽命。不同配方、不同環(huán)境對橡膠件性能的影響非常明顯，因此通過簡單的疲勞試驗無法分析和驗證成品橡膠件的使用壽命。

加速試驗是為縮短試驗時間，在不改變故障機理和故障模式的前提下，用提高應力水平的方法進行的壽命試驗［1］，但是尚缺乏適用于制動產品橡膠件的、具備可操作性的加速壽命試驗方法，需要深入研究。

1 制動產品橡膠件失效機理

力學載荷、環(huán)境條件、配方是橡膠件疲勞壽命的主要因素。在使用過程中，橡膠件對于應力—應變條件非常敏感，其中最主要的影響因素有應力、應變波形、應變速率等。當最小應變與載荷比較大時，裂紋尖端的應變伸長和鈍化效應會引起橡膠結晶，阻礙裂紋增長。

在高溫環(huán)境下，橡膠的內部高聚物的分子鏈產生斷裂，形成非?；钴S的游離基，這些游離基進一步引起橡膠高分子鏈的裂解或交聯(lián)，并使之發(fā)生變化，最后導致橡膠高分子材料老化變質。如果空氣中的濕度過高，橡膠會在固體表面附著一層肉眼看不見的水膜，水膜與空氣中的酸性氣體作用而具有稀酸性質。水膜中的水分子通過橡膠的毛細孔和分子間隙滲透、擴散到其內部，使其絕緣性能降低、體積膨脹變形，加速老化變質［2］。

制動產品橡膠件主要有膜板、O 型圈、K 型圈等，起到靜密封和動密封的作用。無論是靜密封還是動密封，制動產品橡膠件都會受到外部應力載荷和高溫高濕等環(huán)境影響，而且橡膠件是熱的不良導體，在摩擦中產生熱和表面破壞，最后造成磨損和磨耗，因此使用一段時間后，會出現橡膠件拉斷、開裂、壓縮永久變形、拉伸永久變形、拉伸蠕變等失效模式，使制動產品漏泄或內部竄風。

2 加速試驗方法

2.1 剩余壓縮變形與老化時間模型

橡膠樣塊壓縮永久變形的大小，涉及到硫化橡膠的彈性與恢復。如果分子鏈的伸張引起橡膠的變形，橡膠樣塊的彈性將決定變形的恢復，如果橡膠樣塊的變形還伴有網絡的破壞和分子鏈的相對流動，此變形不可恢復，與彈性無關。

在選定的測試溫度下，把所選的性能（壓縮永久變形）的數值變化看作是時間的函數，繼續(xù)該步驟直至達到相應性能的臨界值為止，從而得出在該溫度下老化的失效時間，以所獲得的失效時間數值與溫度的函數作出阿累尼烏斯圖［3］，如圖1所示。

圖1 橡膠樣塊壓縮永久變形示意圖

計算壓縮永久變形公式為式（1）：

式中：τ為壓縮永久變形；H0為試驗前橡膠樣塊厚度；Hmin為壓縮試驗中橡膠樣塊最小厚度；Ht為試驗t（小時）時間后橡膠樣塊恢復厚度。

根據壓縮永久變形，可求得橡膠樣塊的剩余壓縮變形1-τ為式（2）：

由橡膠件的失效機理可知，不同配方橡膠件的壓縮變形原理相同，只是壓縮永久變形閾值有一定的差異。因此，必須通過大量的試驗獲得不同配方橡膠材料的永久壓縮變形數據。如果已積累各種橡膠材料永久壓縮變形數據，就可以通過文中的試驗方法進一步研究橡膠件成品的加速壽命試驗，從而獲得成品橡膠件的壽命。

NBR70 丁腈橡膠是制動產品主要采用的橡膠件，其永久變形數據具有很高的代表性，加速壽命試驗方法均適用于其他橡膠件。在70、80、100 ℃這3 種不同老化溫度下，依據GB/T 20028 標準的試驗程序進行了橡膠樣塊的永久壓縮變形測試試驗。各溫度老化試驗用的試樣，應該用同一批膠料一次性制備，試樣規(guī)格要符合 GB/T 7759.1 標準［4］。測定每個試驗點壓縮永久變形的試樣不得少于 3 個，試樣硫化條件為170 ℃×13 min。

結合公式（2）的方法，獲得不同溫度和不同試驗時間情況下的橡膠樣塊剩余壓縮變形，繪制出NBR70 丁腈橡膠樣塊的阿累尼烏斯圖，如圖2所示。

圖2 剩余壓縮變形與老化時間

根據試驗數據，將擬合出對應于70、80、100 ℃的橡膠老化試驗時間t與剩余壓縮變形1-τ的對應關系式為式（3）：

2.2 老化時間與試驗溫度模型

由橡膠件失效機理可知，制動產品橡膠件的壽命與溫度的關系非常密切，而且橡膠的化學反應速率通常隨溫度的升高而加快，而且成指數關系，可以用Arrhenius 公式來定量描述。橡膠件的老化速率與溫度的關系為式（4）：

式中：k為反應速率的常數；A為指數因素；R為摩爾氣體常量；E為活化能；T為熱力學溫度。

由公式（3）可求得不同剩余壓縮變形條件下，老化時間與試驗溫度的對應關系，見表1。

表1 老化試驗時間與試驗溫度

通過表1 可求得，老化試驗時間與老化試驗熱力學溫度之間的關系為式（5）：

一年的試驗日期假設為360 天時，不同環(huán)境溫度下的老化時間如圖3 所示。由圖3 可知，在30 ℃（303.15 K）試驗溫度下，老化試驗6.11 年后NBR70 丁腈橡膠的剩余壓縮變形為57%；老化試驗8.09 年后剩余壓縮變形為54%；老化試驗10.26年后剩余壓縮變形為51%。即老化時間延長2 年左右時，剩余壓縮變形由57%降低為54%，老化試驗延長4 年左右時，剩余壓縮變形由57% 降低為51%。

圖3 老化時間與試驗溫度

為了縮短老化試驗的時間，在加速壽命試驗時，應該根據實際情況選擇合適老化試驗溫度和老化試驗時間。根據老化試驗與試驗溫度模型可知，老化試驗溫度提高至70 ℃（343.15 K）時，剩余壓縮變形達到57%需要0.51 年，達到54%和51%分別需要0.63 年和0.76 年，需要進行0.12 年和0.25 年的老化試驗。

如果把老化試驗溫度提高至80 ℃（353.15 K），剩余壓縮變形達到57% 只要進行0.27 年老化試驗，老化試驗溫度提高至100 ℃（373.15 K）時，只需要0.08 年老化試驗，而且在此基礎上繼續(xù)老化0.06 年/0.12 年或0.015 年/0.029 年時，剩余壓縮變形分別達到54%和51%。

可見，對于剩余壓縮變形為57% 的橡膠樣件來說，在80 ℃老化試驗溫度下驗證8 年和10 年使用壽命，其加速老化試驗時間要比70 ℃老化試驗溫度能縮短0.06 年和0.13 年；在100 ℃老化試驗溫度下可縮短0.11 年和0.22 年，有效縮短試驗時間，能降低試驗成本。

3 試驗驗證

3.1 試驗對象的選擇

由于橡膠樣塊和成品的應力條件不同，橡膠樣塊的壽命試驗不能很好地反映出橡膠件成品的壽命特性，因此在不破壞橡膠件成品工作狀態(tài)的前提下進行橡膠件加速壽命試驗。為了縮短加速壽命試驗時間，選取3 個已運營使用6 年的空重閥進行80 ℃下的加速壽命試驗，再選取3 個空重閥進行100 ℃下的加速壽命試驗。空重閥內部結構及組成如圖4 所示。

圖4 空重閥內部結構及組成

空重閥是由主閥體、調整支點杠桿、支承杠桿、作用部鞲鞴、總風部、止回閥部、稱重部鞲鞴、彈簧座1、滾輪和彈簧座2 等部件組成。2 個轉向架的空簧壓力進入空重閥主閥體后，稱重部鞲鞴對其進行平均，并作用于調整支點杠桿上。作用力以滾輪作為支點，通過支承杠桿的杠桿作用，與作用部鞲鞴進行平衡，輸出與空簧壓力成比例的制動壓力，實現制動壓力隨載重的變化而調整。

空重閥內部橡膠件如圖5 所示。由空重閥內部結構組成和工作原理可知，作用部鞲鞴和稱重部鞲鞴都配有不同規(guī)格的橡膠膜板，在空重閥工作過程中，該膜板表面受到壓縮空氣壓力的作用力，同時膜板將起到動密封作用。不僅如此，總風部和止回閥部也分別配有橡膠O 型圈，該O 型圈將起到靜密封作用。可見，空重閥既有橡膠膜板，又有O 型圈，而且能反映出動密封、靜密封和橡膠表面的受力情況，具有很好的代表性。

圖5 空重閥內部橡膠件

3.2 試驗驗證

為了更真實地模擬橡膠件的實際老化工況，采用了高溫加速和工作應力結合的綜合加速試驗方法。根據老化時間與試驗溫度模型，在正常環(huán)境溫度下加速老化6 年就相當于80 ℃高溫下加速老化0.27 年，因此在80 ℃下只要進行0.06 年（520 h）就相當于正常環(huán)境溫度下運營2 年。在100 ℃下，只要進行0.015 年（130 h）就相當于正常環(huán)境溫度下運營2 年。

以8 h 為一個加速循環(huán)周期，把高溫老化箱的溫度由常溫上升至80 ℃，在此期間，以12 s 為一個循環(huán)周期，給3 個空重閥依次輸入300、400、500 kPa 的空簧壓力，模擬空重閥在不同車重下的緊急制動壓力的輸出。同樣的方法，再選取3 個空重閥把高溫老化箱的溫度由常溫上升至100 ℃進行高溫綜合加速壽命試驗。綜合應力可靠性剖面如圖6 所示。

圖6 綜合應力可靠性剖面

空重閥工作應力模擬試驗原理如圖7 所示。通過3 個減壓閥，將1 000 kPa 壓縮空氣分別調整為300、400、500 kPa，模擬不同車重所對應的空簧壓力，然后以4 s 為一個周期，通過工控機依次控制對應的3 個電磁閥開啟和關閉，給試驗用空重閥施加工作應力。

圖7 工作應力模擬試驗原理

按此方法，在8 h 的溫度應力周期內，共施加7 200 次工作應力。在80 ℃下，高溫綜合加速壽命試驗共進行65 個溫度應力循環(huán)，可施加468 000 次的工作應力。在100 ℃下，共進行16 個溫度應力循環(huán)，施加117 000 次的工作應力。

為了實時掌握空重閥橡膠件的狀態(tài)，每10 個溫度應力周期進行一次空重閥的性能測試。在80 ℃下經過520 h，在100 ℃下經過130 h 的高溫綜合加速壽命試驗后，6 個空重閥的緊急制動輸出壓力和氣密性均滿足技術要求，而且性能變化基本穩(wěn)定，并沒有明顯的衰減。另外，從已經運營8 年的某廣州地鐵車輛中抽選了6 個空重閥，并對空重閥進行了性能測試。

加速壽命試驗結束后的性能測試結果和實際運營8 年的空重閥性能測試結果如圖8 所示。主要針對與橡膠件關聯(lián)的空重閥輸出壓力和氣密性。由圖8 可知，加速壽命試驗結束后的空重閥和實際運營8 年后的空重閥的空車輸出壓力、中間驗證壓力和重車調整壓力均在±15 kPa 允許偏差范圍內，而且氣密性壓降也能滿足5 kPa/min 的氣密性要求。

圖8 空重閥性能測試結果

通過壽命試驗驗證，證明了空重閥的NBR70丁腈橡膠件在車輛的運營環(huán)境下能夠正常使用8年，而且通過實際運營8 年的空重閥性能對比可知，研究的加速壽命試驗方法有效可信，能夠真實地反映出橡膠件的實際老化情況。

4 結論

根據軌道車輛制動產品常用的NBR70 丁腈橡膠樣塊的材料特性建立了剩余壓縮變形與老化時間模型，推導出了老化時間與試驗溫度的關系，并通過高溫綜合加速壽命試驗和實際運營產品的性能測試結果驗證了NBR70 丁腈橡膠件加速壽命試驗方法。

（1）提出的高溫綜合加速壽命試驗方法綜合考慮了溫度和工作應力對橡膠件的影響，確定了老化時間與試驗溫度之間的關鍵參數。

（2）加速壽命試驗后的性能測試結果和實際運營8 年的空重閥性能測試結果均滿足橡膠件性能要求，試驗結果能夠真實地反映出橡膠件材料特性的實際變化情況。

（3）性能測試結果表明，高溫綜合加速壽命試驗方法能有效推進橡膠件的壽命試驗研究，對橡膠件的壽命研究具有較高的理論指導意義。

（4）NBR70 丁腈橡膠是制動產品最常用的橡膠材料，該橡膠件的加速壽命試驗方法及驗證對其他配方的橡膠材料具有普遍意義。