轨道交通发展对橡胶减震制品的需求展望

2016年10月13日

   在减震及密封领域, 橡胶材料起着非常重要的作用。随着中国铁路向高速、重载方向快速、健康发展, 人们对橡胶材料提出了更高的要求。本文围绕着橡胶材料在工务工程、机车及车辆方面的应用,简要介绍了铁路用橡胶制品的一些新的动态、新的发展方向。

一、工务工程用橡胶制品

1.作用及应用现状

   由于橡胶材料具有宝贵的弹性, 工务工程用橡胶制品的应用可以有效增加轨道结构的弹性, 减小轨道结构的动应力及道床的荷载和应力, 从而减小轮轨相互作用产生的振动和噪声, 这对提高乘车舒适性、降低噪声污染、减少线路病害、延长机车车辆相应部件的寿命具有不可替代的作用。

    在城市轻轨中, 目前应用比较普遍的主要有轨下橡胶垫板、克隆蛋及板下微孔橡胶垫板三种。在铁路线路用橡胶配件中, 目前大量使用的是轨下橡胶垫板、橡胶套靴及板下橡胶垫板。

2.存在的问题

    线路用橡胶垫板存在的主要问题是蠕变严重、耐老化性差, 其中用量最大的轨下橡胶垫板表现最为突出。在一些重载线路,特别是在大秦线,这个问题十分严重。由于线路运输量大,任务繁重,垫板长期受压, 一般橡胶垫板上道不到一年就出现明显变形,有的甚至出现裂纹、破损,起不到应有的提供弹性和缓冲的作用,所以线路的钢轨磨耗量非常大,断轨、断枕率比一般线路高很多。而垫板的采购成本支出占日常线路维护成本的近1/3。微孔橡胶垫板在欧洲有较多应用, 而我国仅在香港、深圳地铁项目上有应用。其主要原因一是由于其开发技术难度较大,二是由于成本较高。

3.发展新动态、新方向

    针对橡胶垫板的蠕变严重、耐老化性差的问题,应该从两方面着手解决。首先, 设计单位应按目前铁路发展的新情况设计、制定符合目前应用工况的、产品出口一直保持良好势头, 为橡胶工业依托国内外两大市场可持续发展奠定了坚实基础。

改革开放前后轮胎出口量对比见图5

                                                                     

       其他产品,继自行车胎、摩托车胎、胶鞋之后,助剂、安全套以及橡胶机械等,都已成为出口创汇拳头产品。新的垫板尺寸、刚度及包括要求更苛刻的耐压缩永久变形及耐老化性能在内的物性检测要求。再者,科研及生产单位应从配方设计方面提高胶料的弹性及耐老化性。                     

 

      随着客运专线的建设, 客运专线用轨下橡胶垫板的用量也逐渐增大。该产品和普通线路的垫板相比,由于客车较轻,所以设计要求产品刚度较小。为了保证其提供合适的弹性,满足客车舒适性要求,该产品要求特别的动刚度/静刚度比值,这也是该类产品配方开发的难点所在。铁道部设计规划近几年即将建设的“四纵”、“四横” 客运专线总里程长达1.2万公里,而且目前该产品的利润空间比较大,市场前景比较好。

 

      微孔橡胶垫板的技术难度关键在于控制其动静刚度比, 目前只有中国铁道科学研究院及上海交通大学等少数几家掌握。针对这个很有市场潜力的产品,国内还应做好技术开发、转让及推广工作。该产品国内都是模压法制造,生产成本较高、产品质量稳定性较差。英国、韩国等国家可以做出挤出连续硫化的产品,这样不仅可以显著降低成本,而且产品质量稳定性好,而国内虽然有单位做了一些研究,但仍没有单位掌握这一技术。如何进一步提高该产品性能、降低其生产成本是今后的重要发展方向。

 

 

 

二、机车用橡胶制品

 

1.作用及应用现状

 

    机车用橡胶制品按用途主要分减震制品和密封制品两大类。橡胶减震器是轨道交通中用于提高车辆在高速行驶时的平稳性、舒适性和安全性的重要元件。橡胶减震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。由于设计车型不同, 制品的具体形状及结构参数又不同, 如目前应用的有V 型弹簧、

 

堆型弹簧、橡胶堆等。密封制品。和车辆相比,机车上多了柴油机、变压器等设备, 而密封件就主要应用在这些设备上。国内机车密封件以NBR 为主,乙丙胶、硅胶及氟胶等较少。

 

2.存在的问题

 

    密封件问题。近年来由于铁路大幅度提速,相应的设备工况发生了很大变化,尤其是变压器、柴油机等的橡胶密封件的工作环境变得更为苛刻, 例如工作温度都随着设备设计功率的提升而提高。这使得一些过去应用NBR 为主材的密封件寿命缩短,因其失效而出故障的几率也增大。这很不利于铁路机车大提速的环境下延长检修周期和降低成本的要求。

 

    减震器问题。国内减震器上应用的弹性材料主要是天然橡胶和氯丁橡胶。其中天然橡胶用量又居多数。天然橡胶与氯丁橡胶相比, 综合力学性能较优,但耐老化性能较差,特别是在动态负荷下长期使用时,由于热氧老化和生热疲劳导致产品失效,这已成为影响减震器使用寿命的关键问题。目前发达国家使用天然橡胶制造的减震器的使用寿命可达8l0 年以上。车辆段等使用方也一致认为进口车的原装各种减震器产品使用寿命明显高于国内产品。我国大部分减震器产品寿命仅为35 年。大秦线上的情况更为糟糕,尤其是旁承等产品,使用三、五个月后刚度就衰减得很严重了。

 

3.发展动态及方向

 

    机车密封件领域。提升密封制品的耐高温性、耐候性,延长使用寿命是今后的方向。今后几年内,耐热、耐候性好的EPDMCRHNBR、硅胶及氟胶在机车密封件中的应用比列将会显著增加。减震器领域。提高弹性减震元件的抗蠕变性能、耐老化等性能,延长其使用寿命,是今后的发展大方向,国内株洲时代新材料科技股份有限公司、中国铁道科学研究院等单位已开始这方面的研究工作。

 

三、车辆用橡胶制品

 

1.作用及应用现状

 

    车辆按用途分客车车辆和货车车辆。

 

    客车用橡胶制品主要分布在车箱内及转向架上。车箱内用橡胶件主要是橡胶风档、门窗密封条及橡胶地板等。转向架上有各种减震器、空气弹簧、制动系统(如软管)等。

 

货车用橡胶制品相对较少,除了旁承、轴向橡胶垫等减震器外, 还有空气制动系统用橡胶件和缓冲器这两个产品。

 

    由于我国幅员辽阔,气候地区差异大,而车辆又无固定的运行区域, 这造成车辆用橡胶件的使用环境相比别的国家要复杂得多。

 

2.存在的问题

 

    空气制动阀膜板技术有待提高。由于铁路货车车辆无固定的运行使用区域,而我国南北地区、夏冬两季气温相差很大。这要求橡胶膜板有优异的耐低温性能、耐疲劳性能、长寿命及动、静态密封性能。国内虽然几家大的研究结构和工厂投入了巨大的人力、物力进行研发,但至今仍然没有得到综合性能令人满意的产品。该产品配方基材目前主要局限于DCP 硫化的NBR 或硫黄硫化的天然胶, 这两种方案实际使用中常出现破裂, 由该产品失效导致的事

 

故时有发生。

 

    弹性胶泥缓冲器的工业化尚需时日。和普通的橡胶及金属缓冲器相比, 弹性胶泥缓冲器是今后的一个重要方向。用于弹性胶泥缓冲器的缓冲介质弹性胶泥材料,是一种高粘度、可压缩、可流动的未经硫化的有机硅化合物,-80℃~250℃范围内具有较高的稳定性,并且无臭、无毒,对环境和人员无污染。它有固、液两种状态,是车钩缓冲器理想的缓冲介质材料。在没有复原弹簧作用的条件下,利用其高弹性特点可以实现缓冲器的复原回程; 利用其压缩性实现缓冲器的压缩行程;利用其良好的流动性可以实现缓冲器的大容量、低阻抗能力。弹性胶泥缓冲器与普通缓冲器相比具有容量大、阻抗力小、体积小、质量轻、检修周期长等优点, 在同样容量下可减轻30%50%的重量。虽然国内中国铁道科学研究院及株洲时代新材料科技股份有限公司等单位2003 年就开始着手研制国产的弹性胶泥缓冲器, 但由于该产品存在着制造工艺及密封等问题, 目前尚处于研发阶段。

 

3.发展方向

 

    空气制动阀膜板。笔者认为车辆使用单位、质量检测单位、生产单位及研发单位应该根据现场这些年来膜板的使用情况、实际应用工况制定科学合理的产品技术要求,开发能满足现场使用的、质量稳定的膜板胶料才是解决该问题的出路。中国铁道科学研究院金属及化学研究所在这一产品的研究开发工作中处于领先地位,该所的“以EPDM 来做膜板基材”的配方设计思路很有希望解决该问题。

 

    客车用橡胶件。由于大提速及铁路服务质量的日益提高, 客车用橡胶件除了和机车橡胶件一样要求提高寿命等, 另一个显著特点是要求橡胶配件具有低烟、低毒、环保阻燃性能。目前国内已引进的及出口到国外的机车车辆橡胶配件都有阻燃要求,如门窗密封条、橡胶风挡、橡胶地板及电机通风道等产品, 很多部件还要求按法国标准NFF 16-101 测试燃烧过程中的有害气体含量。国内一些机车车辆制造厂在一些新造车上也开始要求部件有相应的阻燃性能。因此,开发低烟、低毒、无卤阻燃橡胶材料将是今后的一大热点。

 

弹性胶泥缓冲器,虽然国外的应用效果很有吸引力, 但其工业化仍然需要进一步研究。尤其是应重点解决胶泥材质的微观结构-宏观性能的关系、缓冲器成品加工工艺、胶泥在使用过程中的长期密封等难点问题。

 

四、结语

 

    目前铁路运输系统正在“跨越式发展”的思路指导下快速升级。铁路用橡胶配件的研发与生产工作也应紧跟铁路的应用实际, 及时完成装备技术和产品的更新换代,为铁路建设保驾护航。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

来源:西安光兴机电有限公司

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