軌道交通用橡膠減振材料及制品的應(yīng)用與發(fā)展

現(xiàn)代軌道交通為有效減少輪軌作用力和改善系統(tǒng)走行性能，降低高速重載所引起的機車車輛以及線路的系統(tǒng)振動和噪聲問題，大量使用各種橡膠彈性元件用于牽引、驅(qū)動、連接、支承等，以達到舒適、平穩(wěn)、快速的更高要求。因此具有良好的減振、隔音和緩沖性能。

1. 橡膠材料

減振所用橡膠的品種很多，用量比較大的有：天然橡膠(NR)、丁苯橡膠(SBR)、順丁橡膠(BR)、丁腈橡膠(NBR)、氯丁橡膠(CR)、丁基橡膠(IR)、乙丙橡膠(EPDM)等。通常針對不同的應(yīng)用環(huán)境和使用要求，選用不同的橡膠材料或?qū)追N橡膠共混以及采用某些改性方法來提高橡膠材料的某一項和幾項性能。

1.1 共混技術(shù)

NR是橡膠減振領(lǐng)域中用量最大的品種，許多共混的研究都是以其為主體進行的。如Yoshiharu等人[4]采用NR和BR共混制成減振橡膠，在150℃硫化30min后，發(fā)現(xiàn)材料具有很好的衰減性能；他們還研究采用天然橡膠和氯丁橡膠共混制成減振橡膠，硫化促進劑只促進其中的天然橡膠硫化而不促進氯丁橡膠硫化，使得減振橡膠的減振特性由材料中的氯丁橡膠組份體現(xiàn)出來[5]；Nishiue Takeshi等人[6]使用天然橡膠、含有不飽和鍵的順丁橡膠、以及碳原子數(shù)大于4的含有OH基團有機酸的金屬鹽，和一些其他的添加劑制成的減振器具有較好的耐久性，在70℃壓縮22小時和在40℃壓縮148小時的壓縮永久變形分別是17.0和11.7%；除NR外，以CR、SBR、EPDM等為主體進行共混研究的實例也很多，此外其它材料的共混研究還有：Toshiaki等人[7,8]采用不能硫化的異戊二烯苯乙烯嵌段共聚物和可硫化的溴化對甲基苯乙烯－異丁烯共聚物的混合物以比例80：20到25：75配制成的共混橡膠材料，在應(yīng)用到減振橡膠配方中時材料的損耗因子Tanδ大于0.5，同時在30℃到20℃的范圍內(nèi)損耗因子Tanδ的變化小于0.5，使材料不僅具有很好的減振性能，而且還具有很好的減振穩(wěn)定性，同時材料還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膠(Br含量0.2～5%)和NR以及異丁烯橡膠制成的減振橡膠材料具有很好的耐熱老化、拉伸疲勞性能和臭氧裂解性能，在90℃條件下處理1000小時后拉伸強度保持62％，壓縮永久變形保持39％；WangXiaorog等人[10]采用聚(芳香烯烴co馬來酰亞胺)共聚物與馬來酸化的烷基烯烴和烷基雙胺在充分干燥的條件下形成聚烯烴接枝聚(芳香烯烴co馬來酰亞胺)共聚物，將這種材料和橡膠混合可以制備高阻尼材料；Kentaro等人[11，12]由芳香乙烯基單體和丁二烯共聚物形成的減振用絕緣橡膠材料具有很好的防止振動和防止噪音的特性；同時這種材料還具有很好的屈撓疲勞性能；Okada等人[13]采用不飽和的乙烯、芳香族烯烴、非共軛烯烴以一定比例形成的不飽和共聚物制成的橡膠共混物使得減振橡膠在力學(xué)性能、耐熱性、耐老化性能、減振性能、振動性能消失和耐屈撓疲勞性能上都具有很好的性能。

1.2 納米改性技術(shù)

利用少量的蒙脫土和炭黑共同補強天然橡膠，可使材料的綜合性能改善。表1反映了10份蒙脫土替代10份炭黑時對天然橡膠各項性能的影響，由表可見，材料的硬度減小，定伸強度、拉伸強度、斷裂伸長率都明顯提高，耐水、耐油、耐熱氧老化、耐臭氧老化等性能較以前都明顯提高。對于露天使用的軌道交通用橡膠減振器，蒙

脫土納米復(fù)合橡膠技術(shù)顯示出明顯的優(yōu)勢。

表1 蒙脫土對天然橡膠性能的影響

1.3 炭黑(白炭黑)原位接枝橡膠技術(shù)

炭黑與白炭黑是減振橡膠中的主要補強填充劑，但是炭黑與白炭黑粒子間的自聚作用較大，難于在橡膠基體中分散，而且由于自身是強極性無機粒子，與天然橡膠等非極性有機物間的相互作用力較弱，影響了其應(yīng)用效果。

炭黑表面含有羧基、羥基等多種官能團，白炭黑的表面也有大量的羥基官能團，可以利用這些高活性的基團來改善炭黑與白炭黑對橡膠的作用。

炭黑(白炭黑)原位接枝橡膠技術(shù)采用具有雙親化學(xué)活性的小分子偶聯(lián)劑，在橡膠混煉過程中使其同時與炭黑(白炭黑)表面、橡膠大分子發(fā)生接枝反應(yīng)，使炭黑(白炭黑)與橡膠間實現(xiàn)部分化學(xué)鍵作用力，可大大加強炭黑和橡膠間的界面作用力，同時增加了橡膠對炭黑(白炭黑)附聚體的破壞作用，使分散水平也大幅度提高。這樣不僅可以顯著提高減振材料定伸應(yīng)力、拉伸強度、撕裂強度等性能，而且能顯著降低高結(jié)構(gòu)炭黑的用量，改進交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，由于界面化學(xué)作用強度高，從而使材料的疲勞生熱顯著降低，延緩疲勞破壞過程，提高彈性體結(jié)構(gòu)材料與制品的承載性能和使用壽命。此外，還能提高橡膠抵抗熱氧、臭氧、光老化的能力(見圖1)。

圖1 原位接枝改性作用機理示意圖

2. 橡膠減振制品

軌道交通控制振動的途徑和其它領(lǐng)域相同[15]：1)降低振源的激發(fā)力；2)將振動與激發(fā)源離開(隔振)；3)緩和振動體的振動。橡膠減振主要用于后兩個方面。

橡膠減振器具有許多優(yōu)點[1]：1)可以通過設(shè)計結(jié)構(gòu)、調(diào)整橡膠性能來滿足對各個方向剛度的要求；2)兼具衰減和吸能兩種能力，減振效果好，容易越過共振區(qū)；3)彈性模量比金屬小得多，能夠產(chǎn)生較大彈性形變；4)沒有滑動部分，因此無磨耗，易于保養(yǎng)；5)重量輕，安裝、拆卸方便。

當(dāng)然，橡膠減振器也有一些缺點：1)高溫低溫性能不如金屬；耐油性能不如金屬；2)對于直射日光需要注意用薄膜遮蔽等；3)長期用于大載荷時彈性減弱。

2.1 機車車輛用減振橡膠制品的應(yīng)用及發(fā)展

機車車輛用橡膠減振器主要應(yīng)用在轉(zhuǎn)向架上，按安裝的部位可分為：一系懸掛裝置、二系懸掛裝置、牽引懸掛裝置、牽引緩沖裝置等[16]。

2.1.1 一系懸掛用減振橡膠制品

1) V型彈簧

V型橡膠彈簧是一系懸掛橡膠減振器的代表產(chǎn)品之一，與金屬懸掛相比，能有效地降低磨損，隔離噪音，并能提供所需的垂、橫、縱三向剛度，控制橫向、縱向擺動，提供適宜的牽引力。國外Dunlop、phonex等公司已具有成熟技術(shù)。由于V型彈簧承受周向剪切和垂向壓縮變形，因此橡膠的抗蠕變性能成為衡量該產(chǎn)品技術(shù)水平的主要標志。株洲時代新材料科技股份公司對提高產(chǎn)品的抗蠕變性能進行專題研究[17，18]，實驗室檢測結(jié)果表明，新研制的V型橡膠彈簧抗蠕變性能優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。

圖2 V型彈簧

表2 V型彈簧靜壓蠕變對比

2) 錐型彈簧

錐型彈簧和V型彈簧相比，其特點主要有：①采用圓柱襯套結(jié)構(gòu)，可根據(jù)三向剛度要求進行槽孔的不同設(shè)計；②根據(jù)橡膠彈簧的壓、剪錐體理論，采用等應(yīng)力層設(shè)計方法及特選的彈性橡膠，更有利于減小產(chǎn)品的蠕變；③能提供最大的牽引力，平衡車輪荷重，控制縱、橫擺動。因此目前國內(nèi)外新設(shè)計的城軌地鐵轉(zhuǎn)向架上，大都采用錐型彈簧取代V型彈簧，其關(guān)鍵技術(shù)也是抗蠕變能力，即使用期中蠕變不能超過產(chǎn)品工作載荷下垂向位移的20%。時代新材公司生產(chǎn)的錐型彈簧經(jīng)德國Contitech公司檢測和計算，10年的蠕變值不到5mm，僅為工作載荷下垂向位移的12%(見圖4)

圖3 錐型彈簧 圖4 錐型彈簧的10年蠕變值

3) 滾環(huán)橡膠彈簧

滾環(huán)橡膠彈簧具有較強的非線性特性，可提供動力學(xué)性能所需的不同縱向和橫向剛度值，可滿足減振和定位要求。在車輛運行過程中，橡膠彈簧在橫向和垂向產(chǎn)生變形，吸收車輛振動的部分能量，這種特性對吸收車輛高頻振動和降低噪聲十分有益。滾環(huán)式橡膠彈簧垂向承載能力10～200kN，垂向撓度可達60mm，甚至到132mm。在橫向載荷作用下，當(dāng)載荷等于最大垂向載荷的30％～60％時，橫向可產(chǎn)生約4mm的位移[19,20]，其縱向剛度約為垂向剛度的3～6倍，而其它鋼簧的縱向接近剛性，其轉(zhuǎn)向架具有更好的曲線通過能力。

滾環(huán)橡膠彈簧最早用于德國Talbot工廠設(shè)計制造的DRRS(Doublerubberrollingspring)轉(zhuǎn)向架上。目前DRRS轉(zhuǎn)向架大量應(yīng)用于歐洲境內(nèi)德國、瑞士、挪威、奧地利、丹麥、芬蘭等國家的貨車上，其具有輪軌作用小、輪緣磨耗好等特點。國內(nèi)時代新材與西南交大已經(jīng)聯(lián)合開發(fā)出了此類產(chǎn)品，但尚未得到推廣應(yīng)用。

4) 液體復(fù)合橡膠彈簧

液體復(fù)合橡膠彈簧減振器(簡稱液體復(fù)合彈簧)，也稱液力減振器，是以橡膠彈性體密封流體(通常是不凍液，如乙二醇和丙二醇的混合液)，利用流體的液壓支撐和橡膠共同起緩沖作用的，也屬非線性減振器。

圖6 金屬橡膠液體復(fù)合彈簧

1979年液體復(fù)合橡膠彈簧首次用于奧迪轎車的發(fā)動機的減振，而后得到迅速推廣，并發(fā)展了缸式液壓發(fā)動機底座、電子控制液壓發(fā)動機底座等，技術(shù)日益成熟[15，21，22，23]，從結(jié)構(gòu)的角度成功地解決了產(chǎn)品動態(tài)倍率與損耗因子之間的非相容問題而獲得近乎完美的新型減振器[24]，其中，慣性通道式液力減振器應(yīng)用最為廣泛。德國Contitech公司于20世紀90年代首次在軸箱彈簧定位器的基礎(chǔ)上開發(fā)出剪切壓縮型的金屬橡膠復(fù)合彈簧，在載荷作用下有撓度較大的優(yōu)點，能夠在空車、重載以及低速、高速等不同的使用工況下有效地保證良好的運行舒適度，同時，能提供所需的三向剛度，以滿足車輛特別是貨車車輛的動力品質(zhì)[25]。國內(nèi)由齊齊哈爾車輛廠開發(fā)的的160Km貨車轉(zhuǎn)向架上即裝配了由時代新材提供的液體復(fù)合彈簧，該轉(zhuǎn)向架在滾動實驗臺上跑出240Km的中國貨車最高速，彈性懸掛系統(tǒng)完全滿足車輛動力學(xué)要求，平穩(wěn)性優(yōu)良。

2.1.2 二系懸掛用減振橡膠制品

1) 橡膠堆

橡膠堆產(chǎn)品是車體與轉(zhuǎn)向架的彈性連接元件，彈性地承擔(dān)車體的垂向載荷，并給機車車輛各軸以一定的重量分配，以使所分配的重量在車輪行經(jīng)不平線路時不發(fā)生顯著變化；同時，橡膠堆能有效地緩和鉛垂面內(nèi)的有害振動，改善機車車輛的抗蛇行穩(wěn)定性。與剛彈簧相比，其具有如下優(yōu)點：①提供適宜的垂向靜撓度，有利于機車車輛獲得良好的粘著重量利用率。②能充分利用車體提供的垂向預(yù)壓，使橡膠堆獲得優(yōu)良的橫向剪切性能，這有利于機車車輛的橫動和曲線通過。③能有效地隔離沖擊，調(diào)節(jié)擺動，從而改善機車車輛運行平穩(wěn)性。目前橡膠堆是國內(nèi)比較成熟的三明治結(jié)構(gòu)，其使用壽命及減振、降噪效果均可與國外同類產(chǎn)品相比，時代新材公司為美國提高GE公司內(nèi)燃機車提供的橡膠堆使用壽命已經(jīng)超過8年。

圖7 橡膠堆

2) 搖枕彈簧

由于橡膠堆產(chǎn)品其橫向變位能力不足，難以承受更大的橫向變位，因此，國外采用了一種稱為搖枕的減振橡膠制品，用于二系懸掛，通常四個為一組，反對稱安裝在機車車輛轉(zhuǎn)向架上。與橡膠堆相比，其具有以下特點：①鐵件隔板為微圓弧形，厚度約為1.5毫米，且端板與隔板間填充橡膠，重量較橡膠堆更輕。②垂向預(yù)壓下，能產(chǎn)生一定的橫向定位，這有利于搖枕獲得更優(yōu)的變位能力。③利用鐘擺效應(yīng)，提供滾動穩(wěn)定性，有利于機車車輛的曲線通過。④能有效地隔離垂向及橫向沖擊和震動。此產(chǎn)品經(jīng)時代新材開發(fā)后也已在國內(nèi)推廣使用。

圖8 搖枕彈簧

3) 空氣彈簧

空氣彈簧自1958年在國內(nèi)首次研究以來，由第1代自由膜式空氣彈簧發(fā)展到新一代自由膜式空氣彈簧，其結(jié)構(gòu)上獲得顯著改進，采用了橡膠堆彈性支承和可調(diào)阻尼節(jié)流閥。90年代末期無搖枕客車轉(zhuǎn)向架的開發(fā)應(yīng)用，對空氣彈簧的結(jié)構(gòu)提出了更高的要求，隨后幾年，空氣彈簧在結(jié)構(gòu)上顯著地降低了垂向和橫向剛度，大橡膠囊和高橡膠堆的特點表現(xiàn)得更為明顯，結(jié)構(gòu)設(shè)計日趨先進合理，種類也日益豐富[31，32，33]。

圖9 空氣彈簧組裝結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)代機車車輛方面，空氣彈簧已廣泛用于各型鐵路提速、準高速客車、高速客車，以及地鐵車輛、輕軌車輛、磁懸浮列車和其他工程減振領(lǐng)域?？諝鈴椈傻奶攸c主要表現(xiàn)為：①能提供與運行速度相匹配的當(dāng)量靜撓度，同時，空氣彈簧配有高度控制系統(tǒng)，使車體可在任何載荷下與軌面保持一定的高度，從而有利于增加懸掛裝置的靜撓度，改善轉(zhuǎn)向架的動力品質(zhì)和提高車輛的運行平衡性。②可通過改變內(nèi)壓得到不同的承載能力，同時，利用附加空氣室，可以根據(jù)需要選擇所需的低剛度，這使得空氣彈簧可以適合多種結(jié)構(gòu)的要求。③自振頻率很低，且其自振頻率在任何載荷下均可保持不變，這有利于懸掛裝置的性能具有一定的穩(wěn)定性。④具有高頻吸振和良好的隔音效果，同時，利用空氣阻尼作用，還可起到衰減振動的作用。與國外相比，在產(chǎn)品使用壽命上存在一定的差距，國外空氣彈簧一般使用壽命為8～16年，而國內(nèi)產(chǎn)品一般使用壽命僅有3～5年。畦田、利夫等人研究表明[34]，作為空氣彈簧氣囊的老化因素，是以交變應(yīng)力為基礎(chǔ)，再以熱、紫外線等的氧化老化因素相復(fù)合，并指出今后應(yīng)將重點放在耐疲勞性的材料設(shè)計上。目前時代新材研制的空氣彈簧膠料已經(jīng)完全超過了歐洲標準(見表3)，使用壽命可達10年以上。

表3 空氣彈簧膠料性能的改進

2.1.3 牽引懸掛用減振橡膠制品

現(xiàn)代機車車輛在軸箱與輪對間，輪對與構(gòu)架間以及輪對上，都使用了橡膠關(guān)節(jié)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性關(guān)節(jié)，實現(xiàn)了柔性連接和傳遞，克服了剛性關(guān)節(jié)噪聲大、壽命短的缺點。

圖10 彈性球關(guān)節(jié)

與剛性關(guān)節(jié)相比，橡膠球關(guān)節(jié)有如下優(yōu)點：①采用特殊結(jié)構(gòu)[35]，可有效地消除因橡膠與金屬熱系數(shù)不同所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，并形成徑向預(yù)壓，使球關(guān)節(jié)在受載時不通過交變零應(yīng)變，產(chǎn)品始終在壓、剪應(yīng)力狀態(tài)下工作，大大延長了產(chǎn)品的使用壽命。②能夠承受推、挽雙向載荷，實現(xiàn)軸向、扭轉(zhuǎn)、扭擺等方向較大變形，以適應(yīng)輪對相對于轉(zhuǎn)向架的萬向運動。③消除金屬與金屬間的接觸，有效地調(diào)節(jié)和控制擺動，降低沖擊，實現(xiàn)平穩(wěn)傳遞。此類產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)在于抗疲勞性能，以抗蛇行球絞為例，產(chǎn)品的疲勞實驗分三個階段：第一階段：徑向±12kN的正弦載荷下，10HZ，循環(huán)600萬次；第二階段：徑向±14kN的正弦載荷下，10HZ，循環(huán)200萬次；第三階段：徑向±16kN的正弦載荷下，10HZ，循環(huán)200萬次。實驗要求疲勞實驗前后徑向剛度變化不超過15%。公司通過炭黑原位接枝橡膠技術(shù)使球絞類產(chǎn)品的疲勞性能得到根本改善，目前已開始大批量出口到歐美等國家。

2.1.4 橡膠車鉤緩沖器

車鉤緩沖器應(yīng)用于機車車輛的連接部位，用以緩解縱向沖擊提高縱向舒適程度。國外目前橡膠緩沖器普遍采用的是疊層橡膠緩沖器和彈性膠泥緩沖器，領(lǐng)先于國內(nèi)使用的環(huán)簧式金屬緩沖器。以彈性膠泥緩沖器為例，其具有容量大，阻抗力小，體積小、質(zhì)量輕、吸收率高、檢修周期長，兼有液壓和橡膠緩沖器兩者的優(yōu)點，在俄羅斯、法國和波蘭等歐洲國家的機、客、貨車上得到了廣泛應(yīng)用[36]。

圖11 彈性膠泥緩沖器

彈性膠泥緩沖器的使用介質(zhì)為硅橡膠(具有較高的粘度、良好的彈性、可壓縮性和流動性等特征)，可以在－80℃～250℃之間的溫度范圍內(nèi)使用，物理機械性能在此溫度范圍內(nèi)都具有較高的穩(wěn)定性、抗老化性，且無臭、無毒，對環(huán)境和人員無污染，易密封，目前為國內(nèi)重點開發(fā)的車鉤緩沖器新品種[3740]。

2.2 軌道線路減振制品及其發(fā)展情況

國內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)基本以混凝土軌枕為主，軌枕下配置橡膠墊板。某些超長隧道或浮式道床也采用彈性支承，混凝土支承塊四周及底部配置了橡膠墊和橡膠套靴方案，是為了提供更好的彈性減振、降噪、緩沖、絕緣功能。我國鐵路建設(shè)發(fā)展很快，對減振橡膠彈性元件的要求也有所不同。青藏鐵路用橡膠軌枕墊對耐低溫、抗紫外線、高壽命等性能提出了更高的要求[41]。

目前，國內(nèi)外軌道線路減振制品，主要表現(xiàn)在彈性時效上的差別，國內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)彈性元件時效性能差，即材料老化性能不理想[42]。周祚萬等人[43]發(fā)明了一種軌下膠墊橡膠復(fù)合材料組合物，其組分包括基體膠料100份、促進劑1～5份、防老劑1～3份、納米氧化鋅粉2～10份、硫化劑0.2～1.5份、炭黑30～60份、無機填料30～60份、四針狀氧化鋅晶須0.5～10份、以及偶聯(lián)劑0.2～5份，其中，基體膠料由天然橡膠、丁苯橡膠和順丁橡膠組成。該材料制備的軌下膠墊靜剛度值為50～70MN/m，拉伸強度提高10～30％，老化后強度下降值減少15～40％，耐磨性提高15～50％，振動衰減系數(shù)提高20～50％，降噪音效果提高5～20％。主要用作高速鐵路、提速鐵路和普通鐵路減振用軌下膠墊板，也可用作其它橡膠減振制品。喻國慶[44]、朱德功[45]等人對軌枕墊的結(jié)構(gòu)進行了改進，可提高橡膠軌枕墊的機械性能、并可延長其使用壽命。

圖12軌道減振器

隨著軌道交通正在迅速的發(fā)展，軌道減振制品也在不斷的推陳出新，軌道減振器(見圖12)產(chǎn)品在國內(nèi)上海、北京、廣州、南京等地已相繼得到應(yīng)用。由于該產(chǎn)品的動靜剛度比要求較為苛刻，目前國內(nèi)尚只有時代新材等少數(shù)幾家公司擁有該項技術(shù)。

3 結(jié)束語

我國現(xiàn)代軌道交通向高速、重載、舒適方向發(fā)展，對減振橡膠元件的要求也越來越高，減振橡膠制品的應(yīng)用品種和數(shù)量越來越多。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外對減振橡膠的膠料配方、結(jié)構(gòu)設(shè)計、測試方法及生產(chǎn)工藝技術(shù)進行了大量的研究，并結(jié)合ANSYS、Abaqus等分析技術(shù)對減振橡膠制品進行優(yōu)化分析，減振橡膠的結(jié)構(gòu)與減振性能都有明顯的改進與提高，其應(yīng)用也將更為廣泛。

（轉(zhuǎn)載）