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轨道交通用橡胶减振材料及制品的应用与发展

作者：杨军王雪飞王进陈忠海

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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％；WangXiaorog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。

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。

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)。

图1 原位接枝改性作用机理示意图

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。

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

V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。

图2 V型弹簧

表2 V型弹簧静压蠕变对比

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

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(Doublerubberrollingspring)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

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。

图6 金属橡胶液体复合弹簧

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

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动和曲线通过。③能有效地隔离冲击，调节摆动，从而改善机车车辆运行平稳性。目前橡胶堆是国内比较成熟的三明治结构，其使用寿命及减振、降噪效果均可与国外同类产品相比，时代新材公司为美国提高GE公司内燃机车提供的橡胶堆使用寿命已经超过8年。

图7 橡胶堆

2) 摇枕弹簧

由于橡胶堆产品其横向变位能力不足，难以承受更大的横向变位，因此，国外采用了一种称为摇枕的减振橡胶制品，用于二系悬挂，通常四个为一组，反对称安装在机车车辆转向架上。与橡胶堆相比，其具有以下特点：①铁件隔板为微圆弧形，厚度约为1.5毫米，且端板与隔板间填充橡胶，重量较橡胶堆更轻。②垂向预压下，能产生一定的横向定位，这有利于摇枕获得更优的变位能力。③利用钟摆效应，提供滚动稳定性，有利于机车车辆的曲线通过。④能有效地隔离垂向及横向冲击和震动。此产品经时代新材开发后也已在国内推广使用。

图8 摇枕弹簧

3) 空气弹簧

空气弹簧自1958年在国内首次研究以来，由第1代自由膜式空气弹簧发展到新一代自由膜式空气弹簧，其结构上获得显著改进，采用了橡胶堆弹性支承和可调阻尼节流阀。90年代末期无摇枕客车转向架的开发应用，对空气弹簧的结构提出了更高的要求，随后几年，空气弹簧在结构上显著地降低了垂向和横向刚度，大橡胶囊和高橡胶堆的特点表现得更为明显，结构设计日趋先进合理，种类也日益丰富[31，32，33]。

图9 空气弹簧组装结构

在现代机车车辆方面，空气弹簧已广泛用于各型铁路提速、准高速客车、高速客车，以及地铁车辆、轻轨车辆、磁悬浮列车和其他工程减振领域。空气弹簧的特点主要表现为：①能提供与运行速度相匹配的当量静挠度，同时，空气弹簧配有高度控制系统，使车体可在任何载荷下与轨面保持一定的高度，从而有利于增加悬挂装置的静挠度，改善转向架的动力品质和提高车辆的运行平衡性。②可通过改变内压得到不同的承载能力，同时，利用附加空气室，可以根据需要选择所需的低刚度，这使得空气弹簧可以适合多种结构的要求。③自振频率很低，且其自振频率在任何载荷下均可保持不变，这有利于悬挂装置的性能具有一定的稳定性。④具有高频吸振和良好的隔音效果，同时，利用空气阻尼作用，还可起到衰减振动的作用。与国外相比，在产品使用寿命上存在一定的差距，国外空气弹簧一般使用寿命为8～16年，而国内产品一般使用寿命仅有3～5年。畦田、利夫等人研究表明[34]，作为空气弹簧气囊的老化因素，是以交变应力为基础，再以热、紫外线等的氧化老化因素相复合，并指出今后应将重点放在耐疲劳性的材料设计上。目前时代新材研制的空气弹簧胶料已经完全超过了欧洲标准(见表3)，使用寿命可达10年以上。

表3 空气弹簧胶料性能的改进

2.1.3 牵引悬挂用减振橡胶制品

现代机车车辆在轴箱与轮对间，轮对与构架间以及轮对上，都使用了橡胶关节代替传统的刚性关节，实现了柔性连接和传递，克服了刚性关节噪声大、寿命短的缺点。

图10 弹性球关节

与刚性关节相比，橡胶球关节有如下优点：①采用特殊结构[35]，可有效地消除因橡胶与金属热系数不同所产生的内应力，并形成径向预压，使球关节在受载时不通过交变零应变，产品始终在压、剪应力状态下工作，大大延长了产品的使用寿命。②能够承受推、挽双向载荷，实现轴向、扭转、扭摆等方向较大变形，以适应轮对相对于转向架的万向运动。③消除金属与金属间的接触，有效地调节和控制摆动，降低冲击，实现平稳传递。此类产品的关键技术在于抗疲劳性能，以抗蛇行球绞为例，产品的疲劳实验分三个阶段：第一阶段：径向±12kN的正弦载荷下，10HZ，循环600万次；第二阶段：径向±14kN的正弦载荷下，10HZ，循环200万次；第三阶段：径向±16kN的正弦载荷下，10HZ，循环200万次。实验要求疲劳实验前后径向刚度变化不超过15%。公司通过炭黑原位接枝橡胶技术使球绞类产品的疲劳性能得到根本改善，目前已开始大批量出口到欧美等国家。

2.1.4 橡胶车钩缓冲器

车钩缓冲器应用于机车车辆的连接部位，用以缓解纵向冲击提高纵向舒适程度。国外目前橡胶缓冲器普遍采用的是叠层橡胶缓冲器和弹性胶泥缓冲器，领先于国内使用的环簧式金属缓冲器。以弹性胶泥缓冲器为例，其具有容量大，阻抗力小，体积小、质量轻、吸收率高、检修周期长，兼有液压和橡胶缓冲器两者的优点，在俄罗斯、法国和波兰等欧洲国家的机、客、货车上得到了广泛应用[36]。

图11 弹性胶泥缓冲器

弹性胶泥缓冲器的使用介质为硅橡胶(具有较高的粘度、良好的弹性、可压缩性和流动性等特征)，可以在－80℃～250℃之间的温度范围内使用，物理机械性能在此温度范围内都具有较高的稳定性、抗老化性，且无臭、无毒，对环境和人员无污染，易密封，目前为国内重点开发的车钩缓冲器新品种[3740]。

2.2 轨道线路减振制品及其发展情况

国内轨道结构基本以混凝土轨枕为主，轨枕下配置橡胶垫板。某些超长隧道或浮式道床也采用弹性支承，混凝土支承块四周及底部配置了橡胶垫和橡胶套靴方案，是为了提供更好的弹性减振、降噪、缓冲、绝缘功能。我国铁路建设发展很快，对减振橡胶弹性元件的要求也有所不同。青藏铁路用橡胶轨枕垫对耐低温、抗紫外线、高寿命等性能提出了更高的要求[41]。

目前，国内外轨道线路减振制品，主要表现在弹性时效上的差别，国内轨道结构弹性元件时效性能差，即材料老化性能不理想[42]。周祚万等人[43]发明了一种轨下胶垫橡胶复合材料组合物，其组分包括基体胶料100份、促进剂1～5份、防老剂1～3份、纳米氧化锌粉2～10份、硫化剂0.2～1.5份、炭黑30～60份、无机填料30～60份、四针状氧化锌晶须0.5～10份、以及偶联剂0.2～5份，其中，基体胶料由天然橡胶、丁苯橡胶和顺丁橡胶组成。该材料制备的轨下胶垫静刚度值为50～70MN/m，拉伸强度提高10～30％，老化后强度下降值减少15～40％，耐磨性提高15～50％，振动衰减系数提高20～50％，降噪音效果提高5～20％。主要用作高速铁路、提速铁路和普通铁路减振用轨下胶垫板，也可用作其它橡胶减振制品。喻国庆[44]、朱德功[45]等人对轨枕垫的结构进行了改进，可提高橡胶轨枕垫的机械性能、并可延长其使用寿命。

图12轨道减振器

随着轨道交通正在迅速的发展，轨道减振制品也在不断的推陈出新，轨道减振器(见图12)产品在国内上海、北京、广州、南京等地已相继得到应用。由于该产品的动静刚度比要求较为苛刻，目前国内尚只有时代新材等少数几家公司拥有该项技术。

3 结束语

我国现代轨道交通向高速、重载、舒适方向发展，对减振橡胶元件的要求也越来越高，减振橡胶制品的应用品种和数量越来越多。随着科学技术的发展，国内外对减振橡胶的胶料配方、结构设计、测试方法及生产工艺技术进行了大量的研究，并结合ANSYS、Abaqus等分析技术对减振橡胶制品进行优化分析，减振橡胶的结构与减振性能都有明显的改进与提高，其应用也将更为广泛。

作者单位：株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲，412007

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