一种标准地铁单元制动缸用石墨烯橡胶皮碗延寿研究

张东升 虞晓峰 周易文

（1.南京中车浦镇海泰制动设备有限公司，江苏 南京 211800；2.中国航发北京航空材料研究院，北京 100095）

南京某公司承担中国系列化标准地铁列车研制中的基础制动攻关项目，拟开发设计新一代地铁列车基础制动单元。采用一种橡胶皮碗密封件来实现对单元制动缸内压缩空气的密封，从而实现地铁车辆的制动和缓解动作。虽然橡胶皮碗是单元制动缸的核心零部件之一，但目前该产品的通用使用寿命仅为3 a～4 a，与基础制动单元其他零配件的检修周期严重不匹配。为此系列化中国标准地铁希望对橡胶皮碗进行攻关研究，将其使用寿命提高到8 a，减少检修次数。该文研究石墨烯对改善丁腈橡胶耐老化性能和耐动态疲劳性能的作用，并对新研石墨烯丁腈橡胶单元制动缸橡胶皮碗进行延寿试验和评价。

1 单元制动缸橡胶皮碗工作原理

标准地铁单元制动缸如图1所示，主要由缸体、活塞和橡胶皮碗等组成，设计最大工作密封压力为1 MPa，最低使用温度为-40 ℃。橡胶皮碗结构如图2所示，橡胶皮碗唇口与制动缸壁贴合，橡胶在气压的作用下产生压缩变形填塞气体泄露通道，从而达到密封的效果，其密封力随气压的增大而变大，具有自紧的作用。在制动缓解过程中，橡胶皮碗沿着制动缸壁往复运动，属于气动密封。

图1 单元制动缸橡胶皮碗密封示意图

图2 橡胶皮碗结构简图

2 标准地铁单元制动缸橡胶皮碗延寿要求

根据TCAMET 04004.7—2018 《城市轨道交通车辆制动系统 第7部分：制动夹钳单元技术规范》要求，标准地铁列车单元制动缸橡胶皮碗要满足使用寿命为8 a的要求，橡胶皮碗必须能够承受在（450±50） kPa内任意值的压缩空气以及不少于2×106次的制动、缓解疲劳试验。并且确认橡胶皮碗疲劳前后都能通过常温、-40 ℃低温气密试验。

首先，必须了解橡胶皮碗产品在制动、缓解疲劳工况下的受力情况，该文采用ANSYS软件建立橡胶皮碗密封模型如图3所示，有限元分析结果表明：橡胶皮碗在制动、缓解疲劳工况下，橡胶材料主要为压缩受力形式，橡胶材料的最大应变为36.4%，最大应力为1.09 MPa。

图3 标准地铁橡胶皮碗密封有限元模型及疲劳工况下橡胶材料应力应变云图

橡胶皮碗的密封力与橡胶材料的模量、弹性有关[1]，随着橡胶材料的老化，其弹性变差，橡胶模量降低到一定程度后密封力完全消失，会导致密封泄露。为了延长橡胶皮碗的使用寿命，需要综合考虑老化和疲劳对橡胶材料压缩模量和弹性的影响，因此制定橡胶材料的耐老化和耐动态疲劳性能指标如下：1） 以回弹性下降20%为临界值，要求橡胶材料在23 ℃下的使用寿命≥8 a。2） 在压缩变形率为40%且经过2×106次动态压缩疲劳后，橡胶压缩模量和回弹性下降幅度≤20%。

3 高性能长寿命石墨烯丁腈橡胶材料研制

3.1 石墨烯丁腈橡胶材料与普通丁腈橡胶材料性能对比

该文研究了用石墨烯来提升丁腈橡胶材料的性能和使用寿命。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型（呈蜂巢晶格）的平面薄膜，它是一种二维材料[2-3]。石墨烯的比表面积高达2 630 m2/g，比炭黑高40～80倍。同时石墨烯强度比传统炭黑高100～500倍。根据橡胶材料的补强原理[4]，石墨烯对橡胶材料有非常高的补强效率，可避免添加大量的炭黑，有利于提高橡胶材料的回弹性能和耐疲劳性能。表1为研制的石墨烯丁腈橡胶材料与普通丁腈橡胶基本物理性能参数的对比。从表1可以看出：石墨烯丁腈橡胶的拉伸强度、撕裂强度有大幅提升，其中撕裂强度提升到78%；回弹性能也有提升，主要是由于石墨烯的高补强性减少了炭黑的填充，提高了含胶率；其耐老化性能优于普通丁腈橡胶，因为石墨烯的超大比表面积和二维片层分布具有“曲折道路效应”，可以阻碍热、臭氧等渗透，所以可以提升橡胶材料的耐老化性能和使用寿命[5]。

表1 石墨烯丁腈橡胶与普通丁腈橡胶橡胶材料物理性能对比表

3.2 石墨烯丁腈橡胶材料使用寿命和疲劳试验评估

对石墨烯丁腈橡胶进行热老化和压缩疲劳试验，评估其材料的疲劳性能。其中，加速热老化寿命试验按照GB/T20028—2005的要求进行试验，压缩疲劳按照GB/T 1687.1—2016的要求进行试验，回弹性按照GB/T 1681—2009的要求进行试验，压缩模量按照GB 7757—2009的要求进行试验。石墨烯丁腈橡胶加速热老化的试验条件和回弹性老化数据见表2。变化趋势和推算的阿累尼乌斯图如图4、图5所示。

图4 回弹性能随老化时间变化曲线

图5 回弹性能阿累尼乌斯图

表2 石墨烯丁腈橡胶不同温度、不同老化时间下的回弹性能变化

以橡胶回弹性下降20%为临界，石墨烯丁腈橡胶在23 ℃常温下使用寿命为15.5 a，满足橡胶材料使用寿命≥8 a的技术要求。

经过2×106次压缩疲劳试验，石墨烯丁腈橡胶压缩模量下降了8.8%，回弹性下降了-12.7%，满足标准地铁车辆橡胶皮碗橡胶材料中下降幅度不大于20%的指标要求。

4 单元制动缸橡胶皮碗使用寿命试验与评价

4.1 单元制动缸皮碗使用寿命试验

橡胶皮碗使用寿命评估试验必须综合考虑长时间环境因素、制动以及缓解疲劳对产品的影响。橡胶皮碗装在制动缸内，不受外界光照的影响，只需要考虑温度对橡胶材料的老化作用。但常温下橡胶材料老化的速度缓慢，试验周期太长；为了缩短研究时间，需要对橡胶皮碗进行加速老化试验。根据石墨烯丁腈橡胶的老化数据和阿尼乌斯原理[6]可以推算加速老化等效条件：高温加速老化110 ℃×340 h等效在常温23 ℃×8 a。

表3 2×106次压缩疲劳石墨烯丁腈橡胶性能变化

表4 石墨烯丁腈橡胶加速老化等效条件推算阿雷尼乌斯方程

叠加考虑热老化和力疲劳对橡胶皮碗产品使用寿命的影响，设计如下试验方案对橡胶皮碗的使用寿命进行评估：1） 产品加速热老化，经过110 ℃×340 h热老化后检查外观，确定外观良好后进行常温、低温-40 ℃气密试验并通过气密试验。2） 经过2×106次制动、缓解疲劳试验后，检查外观，并进行常温、低温-40 ℃气密试验。经过加速热老化、制动和缓解疲劳叠加试验的石墨烯丁腈橡胶皮碗的常温、低温-40 ℃密封性能满足制动要求，说明石墨烯丁腈橡胶皮碗能够满足延寿设计的要求。

表5 标准地铁单元制动缸皮碗疲劳前后气密试验结果

4.2 单元制动缸皮碗使用寿命安全裕度

进一步评估石墨烯丁腈橡胶皮碗使用寿命的安全裕度，对其进行叠加疲劳考核试验（见表6），试验结果表明：石墨烯丁腈橡胶皮碗经过110 ℃×680 h加速热老化后不失效，比设计110 ℃×340 h多1倍，说明产品的耐热老化寿命的安全系数为2倍，石墨烯丁腈橡胶皮碗经过3×106次疲劳后不失效，比设计大0.5倍，其耐制动疲劳次数的安全系数为1.5倍。制动、缓解疲劳对橡胶皮碗的使用寿命的影响较大。在橡胶皮碗使用寿命的制定过程中，需要考虑不同地铁列车运营频次的问题，综合考虑日历使用寿命和运行里程数。

表6 石墨烯丁腈橡胶不同疲劳条件下产品状态

5 结论

该文分析了影响单元制动缸橡胶皮碗密封性能的橡胶材料参数，并结合产品实际工况下橡胶材料的应力应变水平，制定了标准地铁单元制动缸橡胶皮碗延寿用橡胶材料的性能指标。研制试验表明石墨烯能够提升丁腈橡胶的性能和使用寿命，研制的石墨烯丁腈橡胶材料性能满足标准地铁橡胶皮碗材料技术指标。对橡胶皮碗产品的使用寿命进行加速热老化、制动和缓解疲劳叠加评估试验，结果表明：新研制的石墨烯丁腈橡胶皮碗产品满足标准地铁基础制动8 a的使用寿命，并且具有一定安全裕度。