轨道车辆某型橡胶弹簧硫化工艺提升研究

唐定全 刘柏兵 卜继玲

(株洲时代新材料科技股份有限公司 湖南 株洲 412007)

随着近年来铁路运输的快速发展，对于客运列车的安全舒适性要求逐步提高，高速动车组目前已普遍采用具有两系悬挂系统的无摇枕转向架，取代了传统笨重的摇动台机构[1]。橡胶弹簧因具备低刚度、高弹性的特性，且可通过结构的灵活设计实现垂向、横向和纵向刚度的自由搭配，常用于满足轨道车辆设计过程中各种不同结构、功能的悬挂系统的开发[2]。

橡胶材料必须经过硫化加工后才具备实用的物理机械性能，橡胶弹簧尺寸较大，在研发制造过程中由于缺乏科学的工艺设计手段，往往需要结合经验公式及试错法进行多次试制，才能最终确定产品硫化工艺方案，导致产品研发成本较高，生产效率不高等问题。

下文以某型轨道车辆用橡胶弹簧为研究对象，对现有工艺方案进行分析研究，借助仿真技术对工艺方案进行分析与优化，最终以产品垂向刚度试验验证优化后的工艺方案，结果表明可以满足产品设计要求，实现对产品硫化工艺的提升。

1 研究对象

以某型轨道车辆用橡胶弹簧为研究对象，该产品用于二系悬挂装置的安装和导向，安装在构架和车体之间，主要承受压力和剪切负荷，支承、传递和隔离载荷，确保转向架构架与车体之间的连接，满足车辆的安全要求。产品结构简单，如图1所示，由上下两层金属隔板及中间橡胶体组成，最大外径为320 mm，高为154 mm，产品垂向刚度设计要求为750×(1±20%) N/mm。

图1 产品结构示意图

2 现有工艺方案

根据产品结构特点，其硫化模具设计如图2所示，在模具上设有中间加热圈，并同时由平板硫化机的上下加热板提供热源。根据传统设计经验，上、中、下加热源的设计温度分别为165 ℃、134 ℃和145 ℃。参照传统经验公式[3]T=T90+H×(S-6)+Tb(式中：T为硫化时间，T90为设定硫化温度下的胶料正硫化时间，H为经验系数0.78，Tb是与产品结构有关温度补偿时间)，计算得到产品的硫化时间为180 min。

以计算得到的时间180 min作为第一模试制硫化时间，产品硫化结束出模后，剖开产品通过气泡点法判定产品交联程度。按照上述方法再依次进行170 min、160 min、150 min硫化时间的试制(见表1)，最终确定产品硫化时间为160 min。

橡胶材料是热的不良导体，产品出模后冷却速度较慢，同时又由于橡胶材料在高温状态下有软化效应存在，试制过程中工艺人员通常会在产品出模后迅速进行剖切，该方法虽可快速获取产品内部的硫化交联程度，但却不能充分考虑产品仍可利用自身预热持续进行交联反应的后硫化效应，且通过肉眼来观测交联程度误差也较大。

图2 模具设计示意图

表1 气泡点法

3 仿真计算及优化

橡胶制品在模具内部完成预成型后的加热保压硫化过程是一个热源、模具、环境介质和橡胶制品之间复杂的热量传递过程，以及橡胶大分子间交联反应的化学过程。借助有限元分析可揭示橡胶制品硫化过程中的温度传递情况以及交联程度变化情况。

橡胶硫化过程中产品及模具间的热量传递是一个非稳态过程，其中橡胶材料在交联反应过程中还有内生热的产生，瞬态传热微分方程式如下，各个部位的温度不仅是空间的函数，也是时间的函数[4]。

(1)

硫化程度是指胶料在特定温度和时间条件下，橡胶大分子间所达到的交联程度，是对胶料硫化状态的一种表征。Deng-Isayev硫化动力学模型可用于定量描述硫化反应程度与时间、温度之间的数学关系，其本构方程如下[5]：

(2)

(3)

在SigmaSoft软件中建立产品及模具的有限元分析模型，完整地包含产品及上中下加热源、注胶塞、上模、中模和底模等部件。

以现有工艺方案参数作为工艺边界条件输入至软件中，得到产品硫化时间为160 min，硫化过程中产品及模具的温度分布情况如图3所示，金属材料导热特性较好，升温速度较快，模具在被热源加热的同时还会以辐射及对流换热的形式向周围散热，型腔内表面硫化温度稳定在140.5 ℃～142.7 ℃左右；而橡胶材料导热性能较差，经160 min保压加热后，胶料中心区域温度仅为130.0 ℃左右，产品中心区域与外表面温差超过10 ℃。

图3 现有工艺方案温度场分析结果

从图4产品硫化程度分析结果可以看出，经160 min硫化后，胶料最低硫化程度为75%，出模后产品利用自身余热持续进行交联反应，空气冷却1 h的硫化程度分析结果如图5所示，胶料最低硫化程度可达99.7%；而此时胶料中心区域温度仍还有126.9 ℃，如图6所示。由此表明，产品硫化时间仍有优化空间。

图4 产品硫化结束时刻硫化程度结果

图5 出模冷却1 h产品硫化程度结果

图6 出模冷却1 h产品温度场结果

在不改变其他工艺参数的基础上，分别设计硫化时间为120 min、130 min、140 min、150 min，计算各个不同硫化时间的硫化程度。硫化结束时刻的最低硫化程度分别为8.7%、15.7%、28.9%、50.7%；而出模空冷1 h后，各不同硫化时间的最低硫化程度分别为91.5%、96.4%、98.4%、99.4%。由以上可知，将产品硫化时间缩短至130 min，胶料最低硫化程度仍可达到96.4%，可满足生产要求。

4 试验验证

按照相同工艺条件进行130 min的生产试制，产品硫化结束后开模取出产品，并立即实施橡胶胶体的剖切工作。从图7的剖开结果可以看出，产品仍还存在局部区域硫化不熟，与仿真分析结果一致。而待产品完全冷却后再剖开，产品已经硫化完全。

图7 出模后剖开实物图

图8 垂向刚度曲线

在18.5 kN垂向载荷作用下，得到硫化时间分别为130 min和160 min的两个产品垂向刚度曲线(见图8)，其5 kN～15 kN的刚度值分别为618.6 N/mm、654.5 N/mm，均在750×(1±20%)N/mm的设计要求范围之内，满足设计要求。

5 结束语

上文通过对橡胶弹簧现有工艺方案的研究及仿真分析优化，使其硫化时间缩短30 min，且垂向刚度性能仍满足设计要求，达到了降本增效的目的，实现了对产品硫化工艺性的提升。

厚橡胶制品是在一个变温、不等温的温度环境下进行硫化，采用传统设计方法难以准确设计工艺参数，文中基于SigmaSoft软件的硫化工艺仿真可有效地揭示模具及产品在硫化过程中的温度变化历程及交联程度随温度、时间的变化关系，可协助工艺设计师对任意结构形式的产品进行快速准确的工艺设计，为轨道车辆橡胶弹性元件的工艺设计提供了一种新的参考思路。