制動裝置耐低溫橡膠密封材料的研制及其與潤滑脂適配性的研究

劉金朋，劉志國，曹江勇，張曉林，丁 琦，宋傳云

（1.青島博銳智遠減振科技有限公司，山東 青島 266114；2.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

橡膠密封件是影響軌道車輛制動裝置基本功能的關鍵元件之一，作為制動裝置基礎構件，其一旦失效便會導致整個制動系統(tǒng)癱瘓。丁腈橡膠（NBR）因具有良好的耐介質(zhì)性能、耐磨性能、耐熱性能和氣密性等，被廣泛用于制造制動皮碗、O形圈、K形圈等密封制品[1-2]。在低溫環(huán)境下NBR材料收縮、變硬，其密封制品尺寸減小、失去彈性且易脆斷，進而導致密封失效。我公司目前所研制的耐低溫橡膠密封材料可以滿足－50 ℃的低溫要求，并在東北地區(qū)成功應用。但針對－55 ℃的高寒環(huán)境，還需進一步提高橡膠密封材料的耐低溫性能。

本工作分析了制動裝置橡膠密封件在低溫下的失效形式及原理，簡述了提高NBR材料的耐低溫性能的途徑，通過優(yōu)化配方研制了耐低溫橡膠密封材料，研究了耐低溫橡膠密封材料與潤滑脂的適配性，通過橡膠密封件的低溫密封試驗以及疲勞試驗對耐低溫橡膠密封材料進行驗證。

1 耐低溫橡膠密封材料的研制

1.1 制動裝置橡膠密封件在低溫下的失效形式及原理

制動裝置橡膠密封件在低溫下的失效形式主要有：（1）低溫下發(fā)生收縮，體積減小，有時的收縮率約為鋼材元件的5倍，即低溫下橡膠密封件的尺寸減小程度遠遠大于金屬外套，從而影響二者的過盈配合，導致介質(zhì)泄漏；（2）低溫下硬化，失去彈性，尤其是在動密封工況下極易泄漏；（3）低溫下脆化，失去韌性和彎屈變形能力，在動密封工況下唇口易撕裂；（4）低溫下形變不易恢復，密封接觸面壓力減小，密封能力下降。

以上4種失效形式歸結于橡膠材料的低溫收縮、低溫結晶和低溫玻璃化轉變[3-5]。不同于金屬材料，橡膠材料在常溫下呈彈性狀態(tài)，能夠反復彎屈變形，當溫度下降到玻璃化溫度（Tg）時，橡膠材料迅速變硬、變脆、失去彎屈變形能力。玻璃化轉變是橡膠分子鏈段被凍結的過程，當環(huán)境溫度下降時，橡膠分子鏈段的活動能力減弱，在Tg以下時橡膠分子鏈段被凍結，橡膠從熵彈性體轉為類似玻璃的脆性固體。

1.2 提高NBR材料的耐低溫性能的途徑

NBR由丁二烯和丙烯腈兩種結構單元無規(guī)共聚而成，屬于非結晶橡膠。提高NBR材料的耐低溫性能的主要途徑是降低其Tg和減小收縮率。

（1）選擇Tg低的NBR。NBR的Tg隨丙烯腈含量的增大而提高[6-8]，當丙烯睛含量為20%時，NBR的Tg為－50 ℃[9-10]。為獲得Tg低的NBR，應使用低丙烯腈含量的NBR，即NBR的丙烯腈含量在20%以下。

（2）添加降低NBR材料的Tg效果較好的耐寒增塑劑。耐寒增塑劑滲透到NBR分子之間，一是增大NBR分子間的距離，削弱NBR分子間的相互作用；二是隔離NBR的極性基團，破壞相鄰極性基團的極性聯(lián)結[11-13]。在溫度較低的情況下，耐寒增塑劑可以使NBR材料仍保持一定的彈性。選擇耐寒增塑劑時需要考慮增塑劑與NBR的相容性、增塑劑的耐揮發(fā)和耐抽出性能[14-15]，因為橡膠密封件也會在高溫環(huán)境下使用，且長期與潤滑脂接觸。

（3）減小NBR材料的收縮率。對橡膠材料的收縮率影響最大的配合劑是填充劑[16]，填充劑的線膨脹系數(shù)較小，與金屬相近，比橡膠約小20倍。設計耐低溫NBR材料配方時，在保持NBR材料的硬度不變的前提下，大量使用填充劑和耐寒增塑劑，不但可以降低NBR材料的脆性溫度，還能減小收縮率。

1.3 耐低溫橡膠密封材料的配方

通過配方變量試驗，確定制動裝置耐低溫橡膠密封材料的配方（用量/份）如下：NBR1846F 80，順丁橡膠 20，炭黑N330 35，炭黑N550 45，炭黑N774 45，氧化鋅 5，硬脂酸 1，防老劑TMQ 2，防老劑MB 1，增塑劑W-90B 15，增塑劑DBEEA 20，交聯(lián)劑BIPB-40 3.5，硫黃0.5，促進劑 2.5。

耐低溫橡膠密封材料的性能如表1所示。

表1 耐低溫橡膠密封材料的性能Tab.1 Properties of low-temperature resistant rubber sealing material

從表1可以看出，耐低溫橡膠密封材料除耐油性能外，低溫脆性溫度和壓縮耐寒因數(shù)等其余性能均滿足要求。Mobil Grease 28潤滑脂既會滲入橡膠密封材料中，也會從橡膠密封材料中抽出增塑劑等可析出物，當配合劑抽出量超過潤滑脂滲入量時，橡膠密封材料表現(xiàn)為收縮。由于添加了大量的耐寒增塑劑，橡膠密封材料與潤滑脂長時間接觸時耐寒增塑劑被大量抽出，導致橡膠密封材料的體積減小。

由于潤滑脂會抽出增塑劑，導致橡膠密封件收縮，致使其密封性下降，同時橡膠密封件的耐低溫性能也會下降，在低溫下會發(fā)生脆斷或永久變形而導致密封失效。

綜合得出，目前制動裝置使用的Mobil Grease 28潤滑脂已不適用于耐低溫橡膠密封材料，需要重新選擇潤滑脂。

2 耐 低溫橡膠密封材料與制動裝置潤滑脂的適配性研究

耐低溫橡膠密封材料與制動裝置潤滑脂的適配性關系到軌道車輛制動系統(tǒng)能否安全運行。橡膠密封件長期與潤滑脂接觸，還受到動態(tài)負荷、溫度等因素的影響，在這些因素作用下發(fā)生著各種物理和化學反應[10]。在選擇潤滑脂時必須考慮這些反應對橡膠密封材料性能的影響，尤其要考慮橡膠密封材料中增塑劑的擴散，它直接影響橡膠密封材料的耐低溫性能[17]。

耐低溫橡膠密封材料出現(xiàn)過度膨脹或收縮都會導致密封失效，但其可以適當膨脹，以彌補增塑劑等被抽出而引起的收縮，減少橡膠密封件在使用過程中的泄漏失效[11]。選擇4種常用的制動裝置潤滑脂進行溶脹試驗，評價其與耐低溫橡膠密封材料的適配性，試驗結果見表2。

表2 4種潤滑脂浸泡后耐低溫橡膠密封材料的體積變化率Tab.2 Volume change rates of low-temperature resistant rubber sealing materials after soaking in 4 types of lubricating greases %

從表2可以看出：制動缸89D潤滑脂是溶脹型潤滑脂，其使耐低溫橡膠密封材料的體積變化率超出上限；Mobil Grease 28潤滑脂和DOW Corning 4潤滑脂是抽出型潤滑脂，容易導致橡膠密封材料中的增塑劑被抽出，致使橡膠密封材料的密封性能和耐低溫性能下降。從橡膠密封材料的體積變化率來看，只有Molykote 55潤滑脂滿足技術要求，可以適當彌補橡膠密封材料在低溫下的體積減小。Molykote 55潤滑脂的工作溫度低至－65 ℃，滿足橡膠密封件在－55 ℃低溫環(huán)境下使用的嚴苛要求。

在選擇潤滑脂時，除要考察潤滑脂對耐低溫橡膠密封材料的體積的影響外，還要考慮對橡膠密封材料的其他性能，如硬度、拉伸強度、拉斷伸長率和耐低溫性能等的影響。Molykote 55潤滑脂浸泡前后耐低溫橡膠密封材料的性能對比見表3。

表3 Molykote 55潤滑脂浸泡前后耐低溫橡膠密封材料的性能對比Tab.3 Property comparison of low-temperature resistant rubber sealing materials before and after soaking in Molykote 55 lubricating grease

從表3可以看出，耐低溫橡膠密封材料在Molykote 55潤滑脂浸泡前后的性能基本一致。在試驗過程中，既有潤滑脂溶脹引起的橡膠密封材料軟化，也有老化導致的橡膠密封材料的交聯(lián)密度增大，因而橡膠密封材料的硬度、拉伸強度和拉斷伸長率變化不明顯；另外，橡膠密封材料的低溫脆性溫度和壓縮耐寒因數(shù)變化也不明顯，說明橡膠密封材料中的增塑劑抽出量較小，橡膠密封材料依然能夠保持較好的耐低溫性能。

綜上所述，Molykote 55潤滑脂對耐低溫橡膠密封材料的體積及性能影響較小，耐低溫橡膠密封材料與其適配性好。

3 橡膠密封件的驗證試驗

為評估耐低溫橡膠密封材料的低溫使用性能，將其試制的橡膠密封件進行低溫氣密性試驗：將安裝橡膠密封件的制動裝置置于－55 ℃的環(huán)境箱中保溫48 h，分別向制動裝置充入低壓和高壓空氣，穩(wěn)壓0.5 min后保壓3 min，要求制動裝置的泄漏量不超過30 kPa，試驗結果見表4?？梢钥闯?，橡膠密封件滿足－55 ℃的氣密性要求。

表4 制動裝置的低溫氣密性試驗結果Tab.4 Low-temperature air tightness test results of braking devices

為評估橡膠密封件的疲勞壽命，對其進行充排風循環(huán)疲勞驗證。橡膠密封件經(jīng)過疲勞試驗后安裝于制動裝置，制動裝置的氣密性試驗結果見表5。

表5 橡膠密封件疲勞試驗前后制動裝置的氣密性試驗結果Tab.5 Air tightness test results of braking devices before and after fatigue testing of rubber sealing parts

從表5可以看出，橡膠密封件在－55 ℃低溫環(huán)境下經(jīng)過5萬次的疲勞試驗后仍能夠正常工作，制動裝置的各項技術指標均合格，表明橡膠密封件具備一定的耐低溫疲勞性能，可以適應國內(nèi)軌道車輛可能遭遇的低溫環(huán)境；常溫305萬次疲勞試驗后，橡膠密封件仍能滿足氣密性要求，其疲勞壽命遠遠超過要求。

4 結論

（1）耐低溫橡膠密封材料具有優(yōu)良的耐低溫性能，其脆性溫度可低至－59 ℃，－55 ℃下的壓縮耐寒因數(shù)為0.50，兩項指標均滿足技術要求。

（2）經(jīng)Molykote 55潤滑脂浸泡后耐低溫橡膠密封材料的體積變化率滿足指標要求，同時橡膠密封材料的硬度、拉伸性能和耐低溫性能變化很小，耐低溫橡膠密封材料與Molykote 55潤滑脂的適配性好。

（3）低溫密封試驗和疲勞試驗結果表明，橡膠密封件可滿足－55 ℃低溫氣密性要求，常溫疲勞305萬次后仍不失效，使用壽命較長。