油脂对皮碗工作性能影响分析

Summary：皮碗是一种用于密封的部件，如果皮碗吸收过多的油脂，其工作性能

可能会受到影响，大量油脂会使皮碗变软，从而降低其密封性能，极易导致密

封失效。此外，油脂中的杂质和颗粒也会对皮碗造成不同程度的磨损，进而影

响其使用寿命，所以在皮碗工作过程中应注意定期检查和补充油脂，以保证其

的正常运转。

Keys：油脂，皮碗，性能

轨道交通车辆制动系统中制动缸皮碗通过密封压缩空气或液压油推动活塞运

动，其可靠性直接影响车辆的运行安全，制动缸皮碗一般由橡胶材料制成，对

皮碗的运动阻力、耐低温性能、撕裂强度、拉断伸长率、硬度、耐老化性能、

耐磨性能、介质稳定性等指标要求较高，并且其各项指标相互制约和影响，因

此，研制性能优良、适应性强的皮碗需要平衡各项指标。

1、皮碗工作原理

制动缸将压缩空气转换成活塞推力施加制动，其中皮碗将压缩空气密封在活塞

和缸体之间，并可随活塞在缸体上灵活滑动，制动缸的典型密封结构如图1 所

示。皮碗与活塞之间通过过盈压装配合实现密封，皮碗与缸体之间为滑动密

封，自然状态下唇口直径比缸体内径大，在无压缩空气时唇口贴紧缸体内壁，

充风时皮碗唇口在压缩空气作用下压紧缸体内壁进一步提高密封效果。在制动

过程中皮碗随活塞进行轴向移动，皮碗唇口则在缸体内壁上滑动，此过程需密

封可靠。为保证制动时制动缸具有较高的机械效率，缓解时活塞能迅速复位，

皮碗和缸体内壁间的滑动阻力不宜太大。为减小皮碗与缸体内壁之间的滑动阻

力，在唇边侧面设置储油槽并涂满润滑脂，皮碗和缸体内壁之间形成一层油

膜，运动时可减小滑动阻力，皮碗结构如图2 所示。

图1：皮碗密封结构图

图2：皮碗结构图

2、油脂对皮碗工作性能的影响分析

2.1 吸油试验

为验证橡胶吸油率高低对皮碗滑动阻力的影响，选取了配方A 和配方B 两种橡

胶进行对比试验，试验内容包括试样吸油率测试和滑动阻力试验，配方A 较配

方B 更易吸入油脂。两种配方按涂抹油脂量多少分别设置5 个测试组，每组设

置4 片试样。按GB/T1690-2010《硫化橡胶或热塑性橡胶耐液体试验方法》的

要求制作试样。

试样尺寸：长×宽 25mm×25mm;厚度 2.0±0.2 mm；试验条件：70℃高温环

境，密闭存168h。

按GB/T1690-2010 规定的方法测量试验前后试样的质量和体积变化百分率。试

验前后配方A 和配方B 试样分别见图3 和图4。

（a）配方A 试验开始前

（b）配方A 试验结束时

图3：配方A 试验

（a）配方B 试验开始前

（b）配方B 试验结束时

图4：配方B 试验

通过外观可以发现：图3(b)中，试验后配方A 的A1 和A2 已完全干涸，油脂液

体成分被完全吸收，A3 油脂已变成淡黄色，A4 出现明显的退色现象，A5 出现

轻微退色；图4(b)中，配方B 的B1 仍有油脂残留，B2 有明显油脂残留，B3 油

脂出现明显退色现象，B4 出现轻微的退色迹象，B5 无明显变化。因此，通过外

观可以看出，在相同条件下，配方A 比配方B 吸入了更多的油脂。

2.2 皮碗滑动阻力试验

取配方A 制作的皮碗样件2 件，分别编号为A-1、A-2；取配方B 制作的皮碗样

件1 件，编号为B-1(根据吸油指标测试结果，配方B 橡胶为抽出型，如涂抹大

量油脂会使皮碗体积减小，皮碗和缸体间的过盈量将小于设计值，因此配方 B

仅设一个样本，涂抹少量油脂作为参照对比)。

测试方法:将皮碗压装在活塞上，分别涂抹不同厚度的油脂，将活塞装入缸体中

静置两周，然后分别做推拉运动，测试拉力和推力大小。皮碗滑动阻力试验状

态见图5，滑动阻力试验后配方A 和配方B 皮碗状态

图5：皮碗滑动阻力试验状态

分别见图6 和图7，皮碗滑动阻力试验结果见表1。通过试样A-1 试验结果可

得，第一次动作拉力为900N，第二次拉力降为270N，滑动阻力显著降低，第一

次推力为150N，第二次推力为140N，变化较小。

图6：滑动阻力试验后配方A 皮碗状态

图7：滑动阻力试验后配方 B 皮碗状态

表1：皮碗滑动阻力试验结果

因经过长时间静置，皮碗储油槽内的油脂已全部被吸收，导致皮碗和缸体相互

之间干摩擦，且皮碗吸收油脂后体积膨胀，皮碗与缸体间的过盈量增大，阻力

进一步增大。在第一次滑动过程中缸体上未被吸收的油脂粘附在皮碗表面，在

皮碗往回退及第二次拉动时起润滑作用，因此第二次拉力较第一次拉力显著下

降，而两次推力则相差不大。

通过试样A-2 试验结果可得，第一次动作拉力为1200 N，第二次拉力为300N，

第一次推力为300N，第二次推力为310N。第二次拉力相对第一次下降明显，同

样因为第一次为干摩擦，第二次拉动过程中有油脂润滑的作用。两次推力几乎

一致，因为两次推回时均有油脂润滑。

通过试样A-2 和试样A-1 的试验结果对比可得，试样A-2 滑动阻力要高于试样

A-1。因为试样A-1 只在表面涂抹少量油脂，而试样A-2 在皮碗沟槽注满油脂，

试样A-2 吸收的油脂更多，体积膨胀更大，皮碗和缸体之间的过盈量更大，因

此皮碗和缸体之间的滑动阻力更大。

通过试样B-1 试验结果可得，第一次拉力为275N，第一次推力为零，活塞在重

力作用下自动复位，第二次拉力为60N，约等于活塞重力。通过试样B-1 和试

样 A-1 的试验结果对比可得，橡胶吸油膨胀后皮碗滑动阻力明显增大。

结语：本文根据制动缸的密封原理、密封件的结构形式、密封件性能评价指

标，重点研究了油脂对制动缸橡胶皮碗性能的影响。通过试验来看，橡胶吸油

率和皮碗滑动阻力试验结果表明，不同配方的橡胶与油脂配合时，会有吸收和

抽出等不同结果。皮碗吸油会导致体积膨胀，过盈量增大，皮碗和缸体间出现

干摩擦，进而导致皮碗滑动阻力增大。当橡胶饱和吸油率达到10%时，皮碗在

饱和吸油状态下的最大滑动阻力会超过1000N，可能会引发制动缸不缓解故

障。

为减小皮碗磨耗，提高皮碗寿命，应避免皮碗和缸体之间出现干摩擦的情况，

因此制动缸皮碗应选用吸油率低的橡胶，饱和吸油率需控制在5%以下，同时应

在皮碗沟槽和储油槽中涂抹尽量多的油脂，保证储油槽内的油脂不会被完全吸

收，使皮碗始终在油脂润滑状态下工作。由于皮碗依靠变形实现密封，还需保

证皮碗和缸体之间有足够的过盈量，尤其在低温条件下，橡胶弹性降低，皮碗

在压缩空气作用下的变形量减小，密封性能降低，在低压力工况下表现更为明

显。因此，橡胶对油脂的抽出率不宜过大，应控制在2%以下。结合皮碗的实际

工况，建议皮碗所用橡胶的饱和吸油率控制在-2%—5%之间。

Reference：

[1]史小峰,王惠玲,曹莹.功能性油脂纳米乳研究及应用进展[J].中国油

脂,2023,48(8):45-53.

[2]镇江铁科橡塑制品有限公司.一种制动缸系统用橡胶皮碗材料及其制备的橡

胶皮碗:CN201210405220.3[P].2013-03-27.

[3]中国十七冶集团有限公司.一种全自动润滑油脂加注装

置:CN202020892817.5[P].2021-04-02.

[4]中国十七冶集团有限公司.一种全自动润滑油脂加注装

置:CN202010449357.3[P].2020-08-07.

-全文完-