孫 滔，程 志，易偉球，劉 鵬，林 勝，李 斌

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

錐形橡膠彈簧一般是由芯軸、外套和橡膠復(fù)合而成的減震橡膠制品，以其安裝簡單方便、終身免維護的特點被廣泛應(yīng)用于地鐵、輕軌以及低地板中，是軌道交通的重要部件[1-3]。錐形橡膠彈簧的蠕變、永久變形、剛度和剛度穩(wěn)定性等對于裝車及車輛運行有重要的影響。橡膠類制品硫化反應(yīng)機理復(fù)雜，由于硫化工藝不當(dāng)會導(dǎo)致錐形橡膠彈簧出現(xiàn)工藝性能和抗蠕變性能不穩(wěn)定以及剛度離散性較大等問題，給其生產(chǎn)及裝車使用帶來困擾[4-11]。其中膠料用量不當(dāng)會造成錐形橡膠彈簧出現(xiàn)炸邊、氣泡、缺膠和縮孔等外觀缺陷。

在硫化工藝參數(shù)中，硫化三要素硫化溫度、硫化壓力和硫化時間對橡膠制品的外觀和性能的影響十分重要，但影響原理的深入研究報道不多，而三要素中硫化溫度和硫化時間較易測量和校準，硫化壓力的測控則一直較難把握[12-15]。

本工作選取一種簡單結(jié)構(gòu)的錐形橡膠彈簧，采用注壓硫化模具硫化，研究硫化內(nèi)壓對錐形橡膠彈簧外觀質(zhì)量和物理性能的影響。

1 實驗

1.1 原材料

天然橡膠（NR），馬來西亞產(chǎn)品；炭黑N330，天津海豚橡膠集團有限公司產(chǎn)品；其他助劑均為市售橡膠工業(yè)通用材料。

1.2 試驗配方

NR 100，炭黑N330 24，氧化鋅 5，硬脂酸2，防老劑 2，硫黃 2.3，其他 5。

1.3 主要設(shè)備和儀器

K4型密煉機，英國法雷爾公司產(chǎn)品；X（S）K-160型開煉機，上海橡膠機械一廠有限公司產(chǎn)品；XH-420-1L型平板硫化機，衡陽華意機械有限公司產(chǎn)品；JYW-55100型電子萬能試驗機，中國兵器工業(yè)集團第五五研究所產(chǎn)品；ST系列無紙記錄儀，南京盛儀科技有限公司產(chǎn)品；ST5012R00NN20U/Z型壓力傳感器，奇石樂精密機械設(shè)備（上海）有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備工藝

1.4.1 膠料混煉

在K4型密煉機中先將NR生膠充分塑煉，再加入炭黑和改性劑進行高溫混煉，然后依次加入氧化鋅、硬脂酸、防老劑和硫黃等其他助劑進行混煉，膠料混煉均勻后排膠至開煉機上下片，膠片冷卻并停放48 h后使用。

1.4.2 金屬骨架表面處理

金屬骨架表面處理流程為：脫脂→噴砂→清洗→涂膠→干燥→包裝。

1.4.3 成型和硫化

在平板硫化機上先將處理好的金屬骨架裝入預(yù)熱好的硫化模具內(nèi)，合上模具，再將混煉膠放入注射機料筒內(nèi)，加壓將混煉膠注入模腔內(nèi)。錐形橡膠彈簧硫化完成后在室溫條件下恒溫停放48 h，再進行性能測試。

1.4.4 硫化內(nèi)壓測試

在硫化模具中安裝直徑為6 mm的傳感器，通過無紙記錄儀記錄硫化內(nèi)壓變化。圖1示出了注壓硫化模具結(jié)構(gòu)及硫化內(nèi)壓測試方法。

1.5 性能測試

1.5.1 自由高度及壓縮高度

采用高度尺測量自然狀態(tài)下錐形橡膠彈簧的自由高度。通過萬能試驗機以60 mm·min-1的速率向錐形橡膠彈簧垂向施加0～14和14～0 kN的2次循環(huán)預(yù)載荷，記錄在第3次0～14 kN循環(huán)載荷下10 kN時錐形橡膠彈簧的壓縮高度。

1.5.2 垂向剛度和垂向破壞

（1）垂向剛度。萬能試驗機以60 mm·min-1的速率向錐形橡膠彈簧垂向施加0～18.8和18.8～0 mm的2次循環(huán)變形載荷[見圖2（a）]，記錄在第3次0～18.8 mm循環(huán)變形載荷下錐形橡膠彈簧的載荷-變形曲線，并在加載階段計算（14±0.5）和（17±0.5） mm間的垂向剛度，分別記錄為垂向剛度1（K1）和垂向剛度2（K2），K1和K2分別對應(yīng)裝車時空載和滿載時錐形橡膠彈簧的垂向剛度。

（2）垂向破壞試驗。 萬能試驗機以60 mm·min-1的速率向錐形橡膠彈簧施加垂向載荷[見圖2（b）]，直到錐形橡膠彈簧破壞為止。

1.5.3 屈撓疲勞試驗

將施加垂向變形9.4 mm的載荷值作為錐形橡膠彈簧的屈撓疲勞谷值，計算垂向剛度3（K3），將施加垂向變形18.8 mm的載荷值作為錐形橡膠彈簧的屈撓疲勞峰值，計算垂向剛度4（K4），并計算不同屈撓次數(shù)下錐形橡膠彈簧的垂向剛度變化率＝（屈撓后垂向剛度－屈撓前垂向剛度）/屈撓前垂向剛度。

1.5.4 蠕變試驗

在室溫下向錐形橡膠彈簧垂向施加0～20.8和20.8～15.1 mm的2次變形載荷，在第2次15.1 mm變形載荷下保載170 h（中間不卸載），讀取各時刻的變形（ΔS）（前2 h每10 min讀取1次，之后每2 h讀取1次）。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化程度仿真分析

硫化溫度和硫化時間是主要的硫化工藝條件參數(shù)，采用硫化工藝仿真軟件Sigmasoft對錐形橡膠彈簧進行硫化仿真模擬分析，考察在設(shè)定的硫化溫度下硫化時間對錐形橡膠彈簧硫化程度的影響，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可看出：在硫化機上、下平板溫度分別為（150±5）和（160±5） ℃的條件下，硫化時間為25 min時，錐形橡膠彈簧的硫化程度為72.26%～98.34%；硫化時間為35 min時，錐形橡膠彈簧的硫化程度已達到98%以上。結(jié)合膠料的后硫化效應(yīng)，硫化時間確定為30 min。

2.2 膠料用量對硫化內(nèi)壓和產(chǎn)品性能的影響

固定硫化溫度[上、下平板溫度分別為（150±5）和（160±5） ℃]、硫化時間[（30±1）min）]和硫化機臺壓力（40 MPa），考察膠料用量對錐形橡膠彈簧硫化內(nèi)壓和產(chǎn)品性能的影響，結(jié)果分別如圖4和表1所示。膠料用量為500，540，580和620 g的錐形橡膠彈簧產(chǎn)品分別命名為NY500，NY540，NY580和NY620。

表1 膠料用量對錐形橡膠彈簧性能的影響Tab.1 Effect of compound amounts on properties of conical rubber springs

由圖4可知，隨著硫化時間的延長，錐形橡膠彈簧的硫化內(nèi)壓先上升到最大值，再迅速下降，然后緩慢上升，最后慢慢趨于穩(wěn)定。這主要是膠料注壓完成時，硫化模具型腔內(nèi)壓力迅速增大到最大值，即膠料注壓完成瞬間硫化內(nèi)壓達到最大值，這可以解釋為膠料注入型腔后受熱膨脹，其體積迅速增大，硫化內(nèi)壓升高；然后膠料往型腔各處流動，導(dǎo)致硫化內(nèi)壓緩慢下降；硫化內(nèi)壓降至一定程度時又逐漸變大，最后趨于穩(wěn)定，這是因為當(dāng)膠料在高溫下發(fā)生交聯(lián)，橡膠分子由鏈式結(jié)構(gòu)變成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，束縛了其大分子鏈的活動，硫化壓力就趨于平穩(wěn)。

由圖4還可以看出，隨著膠料用量的增大，錐形橡膠彈簧的硫化內(nèi)壓增大，即在相同的硫化時間下，硫化內(nèi)壓由大到小依次為NY620，NY580，NY540，NY500。這主要是膠料越多，在有限的硫化模具型腔體積內(nèi)單位面積所受的力越大，因此可通過控制膠料用量來控制錐形橡膠彈簧的硫化壓力。

從表1可以看出，膠料用量增大，錐形橡膠彈簧的壓縮高度、K1和K2增大。這可能是較大的硫化內(nèi)壓下錐形橡膠彈簧的膠料致密度較大所致。但是NY620外觀有炸邊現(xiàn)象，即膠料用量過大會影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量，因此在外觀質(zhì)量合格的情況下NY580性能最佳。

2.3 硫化內(nèi)壓對產(chǎn)品性能的影響

2.3.1 耐屈撓疲勞性能

表2示出了不同屈撓次數(shù)下錐形橡膠彈簧的垂向剛度及其變化率，表3示出了不同屈撓次數(shù)下錐形橡膠彈簧的自由高度變化情況。

表3 錐形橡膠彈簧在不同屈撓次數(shù)下的自由高度變化情況Tab.3 Variation of free heights of conical rubber springs under different flexion times mm

從表2和3可以看出：NY580與NY540的耐屈撓疲勞性能優(yōu)于NY500，在不同屈撓次數(shù)下NY580的K3減小率等于或小于NY540；屈撓100萬次后，NY500的自由高度減小0.74 mm，NY540的自由高度減小0.50 mm，NY580的自由高度減小幅度最小，為0.46 mm，這可能是NY580的硫化內(nèi)壓大，其膠料交聯(lián)程度較高，在屈撓疲勞的作用下橡膠分子鏈不易斷裂。硫化壓力是硫化過程中促進橡膠與硫化劑反應(yīng)的作用力，較大的硫化壓力可消除或減少小分子助劑和水分在高溫下分解或/和轉(zhuǎn)化成氣體，增大橡膠制品的膠料致密度。NY620出現(xiàn)炸邊的原因可能是在過大的硫化內(nèi)壓下橡膠分子鏈發(fā)生斷裂和重排，其膠料的交聯(lián)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化[6]。

表2 錐形橡膠彈簧在不同屈撓次數(shù)下的垂向剛度及其變化率Tab.2 Vertical stiffnesses and its change rates of conical rubber springs under different flexion times

2.3.2 抗蠕變性能

圖5示出了錐形橡膠彈簧的蠕變量與時間關(guān)系。從圖5可看出，NY580的蠕變量比NY500和NY540小，說明NY580的抗蠕變性能要高于NY500和NY540。

2.3.3 橡膠-金屬粘合性能

試驗得出，NY500，NY540和NY580破壞后的覆膠率均為100%。錐形橡膠彈簧的垂向破壞實物和載荷-位移曲線如圖6所示。

從圖6可以看出，NY580和NY540的破壞力要大于NY500，說明較大硫化內(nèi)壓下錐形橡膠彈簧的橡膠-金屬的粘合強度大于較小硫化內(nèi)壓下錐形橡膠彈簧，這可能與較大硫化內(nèi)壓使錐形橡膠彈簧產(chǎn)品的膠料硫化程度更均勻有關(guān)。

3 結(jié)論

（1）通過硫化程度仿真分析確定，在硫化機上、下平板溫度分別為（150±5）和（160±5） ℃的條件下，錐形橡膠彈簧的適宜硫化時間為30 min。

（2）膠料用量增大，硫化內(nèi)壓增大，錐形橡膠彈簧的壓縮高度和垂向剛度增大，但膠料用量過大會影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量，可以通過控制膠料質(zhì)量來控制硫化內(nèi)壓。

（3）隨著硫化內(nèi)壓的增大，錐形橡膠彈簧的膠料致密度增大，耐屈撓疲勞性能和抗蠕變性能提高；在外觀質(zhì)量合格的情況下，硫化內(nèi)壓越大，錐形橡膠彈簧的綜合性能越佳。

（4）在較大硫化內(nèi)壓下生產(chǎn)的錐形橡膠彈簧垂向破壞后覆膠率能達到100%，且其破壞力明顯增大，金屬-橡膠粘合強度提高，綜合性能改善。