減震用橡膠材料及其應(yīng)用

1、減震用橡膠材料及其應(yīng)用隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，震動和噪音已經(jīng)成為各個領(lǐng)域的嚴(yán)重 問題:它會降低操作精度，影響產(chǎn)品質(zhì)量;縮短產(chǎn)品壽命，使得高精儀器不 能正常工作;危及安全性,使設(shè)備或構(gòu)建物早期破壞;污染壞境及影響人 身健康，諸如地震之類的震動甚至還給人類的生命財產(chǎn)造成極大的損 害。因此，硏究和掌握震動控制與噪音控制技術(shù)已是各國工業(yè)發(fā)展面臨 的重大課題。消除震動和噪音的最根本和最好方法是減少或者消除震動源的震 動,但實際上要想完全消除震動源的震動是不可能的，因此必須采取其 他控制震動的方法。實際應(yīng)用中最廣泛、最有效的方法是使用各種減 震制品，尤其是橡膠減震制品。它能夠有效地隔離震動與激發(fā)源，還可以

2、 緩和震動體的震動，因此被廣泛地應(yīng)用于各種機動車輛、飛機、船艦等 的動力機械及風(fēng)機、水泵等輔助設(shè)備和儀器的震動隔離。近年來，一些 大型建筑物和橋梁等也采用了隔離地震的層壓橡膠墊支撐建筑物。對 于結(jié)構(gòu)震動和結(jié)構(gòu)噪音的阻尼處理，也廣泛地使用特殊的橡膠材料，稱 為黏彈性高阻尼材料。1橡膠的減震作用及減震橡膠材料橡膠的特點是既有高彈態(tài)又有高黏態(tài)，橡膠的彈性是由其卷曲分 子構(gòu)象的變化產(chǎn)生的，橡膠分子間相互作用會妨礙分子鏈的運動，又表 現(xiàn)出黏性特點，以致應(yīng)力與應(yīng)變往往處于不平衡狀態(tài)。橡膠的這種卷曲 的長鏈分子結(jié)構(gòu)及分子間存在的較弱的次級力,使得橡膠材料呈現(xiàn)出 獨特的黏彈性能,因而具有良好的減震、隔音和緩沖

3、性能。橡膠部件廣 泛用于隔離震動和吸收沖擊，就是因為其具有滯后、阻尼及能進行可逆 大變形的特點。橡膠的滯后和內(nèi)摩擦特性通常用損耗因子表示,損耗因子越大，橡 膠的阻尼和生熱越顯著，減震效果越明顯。橡膠材料損耗因子的大小不 僅與橡膠本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與溫度和頻率有關(guān)。在常溫下，天然橡膠 (NR)和順丁橡膠(BR)的損耗因子較小，丁苯橡膠(SBR)、氯丁橡膠(CR)、 乙丙橡膠(EPR)、聚氨酯橡膠(PU)和硅橡膠的損耗因子居中，丁基橡膠 (IIR)和丁購橡膠(NBR)的損耗因子最大。用作減震目的的橡膠材料一般分5種，即NRzSBR,BR為晉通橡膠 材料;NBR用于耐油硫化膠;CR用于耐天候硫化膠

4、;IIR用于高阻尼硫化 膠;EPR用于耐熱硫化膠。NR雖然損耗因子較小，但其綜合性能最好，具 有優(yōu)異的彈性，耐疲勞性好，生熱低，蠕變小,與全屬件黏合性能好，耐寒 性、電絕緣性和加工性能也好，因此NR被廣泛地用作減震目的,要求耐 低溫或耐天候性能時，可與BR或CR并用或共混改性。Nishiue等采 用NR、BR及碳原子數(shù)大于4的含有一OH基團有機酸的全屬鹽制成 的減震器具有較好的耐久性能，在70°Cx22h和40°Cx148h條件下的 壓縮永久變形分別為1710%和1117%。由于EPDM耐天候、耐臭氧 老化、電絕緣性、耐熱和耐寒等性能優(yōu)異，近年來受到廣泛關(guān)注。最近, 日本三

5、井化學(xué)公司與鬼怒川橡膠公司通過采用高相對分子質(zhì)量的 EPDM與低相對分子質(zhì)量的EPDM并用,合作開發(fā)出一種新型耐熱減 震橡膠材料，并獲得了日本專利。該減震橡膠的各項測試表明，其減震性 能與NR相同,但其耐熱性、低溫柔軟性要比NR等其他橡膠好5。Iizum采用EPDM制成用于汽車部件上的減震器用橡膠材料，具有很 好的耐熱性，在190°C x 5h熱老化后,材料仍具有很好的層間黏合性能。 對低溫動態(tài)性能要求苛刻的減震橡膠，往往采用硅橡膠;當(dāng)要求高阻尼 時可采用HR或鹵化HR；PU具有優(yōu)良的耐磨性、耐屈撓性和對炷類燃 料及大部分有機溶劑的抵抗能力,同時具有很高的物理性能、良好的電 絕緣性、

6、黏合性和耐老化性能。PU在減震隔音方面也得 到了廣泛應(yīng)用，如Adachi等采用PU制得減震和隔音良好的橡膠片層， 應(yīng)用到地板、天花板及彎曲板后，效果良好。2減震橡膠制品的發(fā)展與應(yīng)用橡膠減震制品一般又稱為橡膠減震器。橡膠減震器的種類很多，從 其受震動力的情況來看，可分為壓縮型、剪切型、扭振型、沖擊型和混 合型等。隨著科技的發(fā)展，橡膠減震器的種類也越來越多,用途也越來趣 廣,以下從橡膠減震器的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ浒l(fā)展和應(yīng)用前景進行概述。2.1汽車用橡膠減震器隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，國內(nèi)外汽車的改型換代相當(dāng)頻繁，汽車工業(yè)正面 臨一個迅速變革的時期,發(fā)展的特點是在保證駕駛安全性、乘坐舒適性、 行駛高速性以及豪華性

7、的前提下，進一步提高汽車的使用壽命。減震制 品用于控制汽車的震動和噪聲及改善其操縱穩(wěn)定性,一般置于汽車發(fā) 動機機架、壓桿裝置、懸掛軸襯、中心軸承托架、顛簸限制器和扭振 減震器等部位，以改善汽車的安全性和舒適性。減震制品可分為支架類、 軸襯類、緩沖類和阻尼類四大類，主要要求減震性、耐熱性和耐疲勞性 好。汽車減震橡膠制品包括發(fā)動機支座、懸掛構(gòu)件、橡膠彈簧、橡膠 空氣彈簧和碰撞橡膠防護件等。近年來，為提高汽車的安全性、舒適性 和操作性，汽車用減震橡膠制品的品種和數(shù)量不斷增多,如一輛轎車上 減震橡膠制品的數(shù)量已達50 60件。發(fā)動機及傳動操作系統(tǒng)用橡膠減震器用來隔絕震源的震動。傳動 部分的減震采用多邊

8、聯(lián)軸節(jié)、阻尼離合器。前、后懸掛裝置上使用的 減震器不僅要承擔(dān)車體重量，還要使車體不致傳遞車輪的上下振動，抑 制簧下質(zhì)量的不規(guī)則運動,傳遞動力和制動力。橡膠緩沖器是車體的重 要減震器之一,其結(jié)構(gòu)形式是2塊全屬板之間夾有橡膠層，利用橡膠的 剪切變形達到緩沖的目的。近期又開發(fā)出充氮氣、與減震器油共存的 筒式緩沖器，特點是提高緩沖器的載荷能力（最高達20MP"減震效果 好，且延長其使用壽命。汽車用橡膠減震器采用的橡膠材料以NR和 SBR為主。為改進減震制品的耐熱性，已開始用IR,IRCR,EPDM等作 主體材料。熱塑性彈性體也將用于部分減震制品,如車身與底盤的減震 器等。如浙江海門橡膠廠采用

9、NR/CR并用硏制出了轎車底盤彈簧座 減震器，效果良好。2.2鐵路機車及鐵路軌枕墊用橡膠減震制品據(jù)統(tǒng)計屈內(nèi)鐵路和機車使用的各種橡膠材料和部件約有1萬多種，消 耗橡膠約10kt/a。隨著鐵路機車車速的提高，對線路的動力作用急劇增 加，引起線路、輪箍及機車行走部分的元件產(chǎn)生劇烈的磨損，鐵路機車各 部位對抗震性的要求越來越高,橡膠減震器應(yīng)用越來越普及，因而減震 橡膠制品在機車上的應(yīng)用品種和數(shù)量越來越多。鐵路機車上的減震橡 膠制品主要有中央支承橡膠堆體、軸箱拉桿橡膠彈簧體、旁承橡膠堆、 電機懸掛橡膠墊、彈性車輪、彈性齒輪、橡膠空氣彈簧、傳動裝置的 弓形橡膠塊和橡膠球狡、車鉤橡膠緩沖器等。應(yīng)用于機車上的

10、橡膠減 震器,其主要作用是承受壓縮應(yīng)力、剪切應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)力矩,以及同時承受 2種或2種以上的應(yīng)力復(fù)合作用。隨舂我國鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展，鐵路軌枕也由枕木逐漸改換為混 凝土軌枕。改換后雖然軌枕的使用壽命延長，軌道框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提 高，但軌道的彈性顯著下降，造成了軌道對輪軌沖擊的緩沖性變劣。為提 高混凝土軌枕的緩沖性能，減少軌枕對道床的沖擊力，增加絕緣性，目前 國內(nèi)外均采用彈性高聚物來解決混凝土軌枕軌道的彈性問題。橡膠軌 枕墊就是用于鋼軌和混凝土軌枕之間或枕下的彈性墊（此外還有軟土 橡膠軌枕墊、層壓木軌和塑料軌枕墊等），橡膠軌枕墊以其獨特的彈性 和良好的絕緣性能而被廣泛地應(yīng)用于鐵路線上。根據(jù)用途不同

11、，混凝土軌枕橡膠墊板一般分為枕上（鋼軌下）墊板和 枕下墊2種類型。橡膠軌枕墊由于長期裸露在大氣中和置于枕底下使 用,不斷經(jīng)受機車經(jīng)過時的震動和沖擊，因此要求具有良好的耐自然老 化、耐熱、耐寒以及良好的彈性和緩沖、吸震性能，此外還要具有較好 的耐磨、電絕緣、抗壓及抗剪切等性能。在配方設(shè)計時最重要的是要 考慮材料的耐久性和成本的低廉。常用的主體材料有 NR,SBR,BR,CR,EPDM 等。2.3橋梁用橡膠減震器在橋梁工程中，梁式橋橋跨的兩端需設(shè)置支座。支座的主要作用 是把橋跨結(jié)構(gòu)上的全部載荷（包括恒載和活載）可靠地傳遞到橋墩上，并 承受橋跨結(jié)構(gòu)因載荷作用所發(fā)生的端部水平變位、轉(zhuǎn)角等變形;其次是

12、適應(yīng)因溫度和濕度的變化而引起的脹縮。橋梁支座有固定與活動支座 2種，前者是為固定橋跨結(jié)構(gòu)在橋墩上的位置，可使橋跨結(jié)構(gòu)的端點自 由轉(zhuǎn)動而不能移動;后者不僅使端部支點能自由轉(zhuǎn)動而且要求能自由 移動,承受橋跨結(jié)構(gòu)因溫度變化、混凝土收縮及載荷等因素引起的伸縮 變位。國外20世紀(jì)50年代末開始使用橡膠支座，至60年代世界上 已有許多國家應(yīng)用。橋梁橡膠支座與其他剛性支座相比，不僅工作性能 可靠,而且具有結(jié)構(gòu)簡單、材料來源充足、加工制造容易等優(yōu)點。由于 橡膠支座能適應(yīng)寬橋、曲線橋和斜交橋的上部結(jié)構(gòu)在各個方向的變形, 故目前不僅在中小跨徑公路橋梁、城市橋梁及鐵路橋梁上得到廣泛應(yīng) 用，而且在大跨徑的橋梁上也大量

13、使用。目前在橋梁工程上廣泛使用的 是昔通板式、聚四氟乙烯板式和盒式橡膠支座3種類型。橋梁橡膠支 座對橡膠主體材料的選擇原則，是在滿足工程性能要求的前提下，結(jié)合 使用環(huán)境條件的要求，基本上選用NR、CR、EPDM、IIR和氯化IIR等。 橋梁橡膠支座制造工藝多用模壓。生產(chǎn)過程是橡膠經(jīng)塑煉后與配合劑 按配方制成混煉膠,經(jīng)停放、回?zé)捄蛪貉映銎舫梢欢ㄒ?guī)格的半成品膠 片。半成品裝模后在平板硫化機上加壓硫化。硫化過程要注意避免成 品厚薄不均及鋼板的移動。在橋梁橡膠支座中，鉛芯橡膠支座是在普通減震阻尼橡膠支座中 部豎直地灌鉛制成。灌鉛的目的一是提高支座的吸能效果，確保支座有 適度的阻尼;二是増加支座的早

14、期剛度,對控制風(fēng)反應(yīng) 和抵抗地基的微震動有利。由這種橡膠支座組成的隔震系統(tǒng)作為主導(dǎo) 產(chǎn)品，已廣泛應(yīng)用于國外的大中型橋梁，并取得了良好的效果。高阻尼橡 膠支座是采用高阻尼橡膠材料制造的。高阻尼橡膠可以通過在NR或 合成橡膠中摻入石墨得到，根據(jù)石墨的摻入量可調(diào)節(jié)材料的阻尼特性。 和鉛芯減震阻尼橡膠支座一樣，高阻尼減震橡膠支座同時具備隔震器 和阻尼器兩方面的功能,可在隔震系統(tǒng)中獨立使用。2.4建筑工程用橡 膠減震器由于地震等無法避免的自然災(zāi)害,建造抗強烈地震的建筑物和構(gòu)筑物 是建筑工程領(lǐng)域的重要課題。同時,日益増長的交通密度導(dǎo)致更大的震 動傳遞和噪音污染,土木建筑的震動和噪音的隔離也成為亟待解決的

15、問題。自1966年美國率先在阿巴尼大廈中使用隔震橡膠支座后，日本、 法國、新西蘭和我國也相繼在一些重要建筑物中使用隔震橡膠支座。 在目前建成的基礎(chǔ)隔震建筑物中,80%以上的建筑物采用疊層橡膠隔 震支座系統(tǒng)抗震。疊層橡膠支座不僅在橋梁建設(shè)工程中廣泛應(yīng)用，而且 已用于建筑物的底座，用來隔絕震源、地震防護和水域建筑物的隔震。 實踐證明,這些使用隔震橡膠支座的建筑物能經(jīng)受強烈的地震考驗，如 在1994年1月的美國洛杉磯大地震和1995年1月的日本神戶大地 震中，采用疊層隔震橡膠支座系統(tǒng)的建筑物都顯示出優(yōu)異的抗震效果， 不僅建筑物未倒,而且內(nèi)部的設(shè)施也未被破壞。因此，近年來疊層隔震橡 膠支座在國內(nèi)外的應(yīng)

16、用更為廣泛。目前，我國已有數(shù)百棟建筑物使用疊 層隔震橡膠支座。許多試驗結(jié)果表明，采用隔震橡膠支座隔震的工程，不 僅可以降低對上部結(jié)構(gòu)的破壞程度，而且樓房的高度限值和安全距離 均可適當(dāng)放寬。由于隔震橡膠支座外表面是較厚的橡膠層，使鋼板和黏 合橡膠層不因環(huán)境的影響而性能下降，其使用壽命可達95a以上。橡膠 支座的耐久性和耐燃性已為許多試驗和實例證實完全能夠滿足建筑物 設(shè)計壽命的要求。此外，隔震橡膠支座在公路、鐵路、地鐵等沿線建筑 物及水域建筑物的隔震方面也有廣泛應(yīng)用。海軍東海工程設(shè)計院牛全龍等研究了房屋建筑中采用橡膠支座的 頂層消能減震的基本方法及基本原理，從理論上分析了這種消能減震 方法的減震效果，通過模型試驗和工程實例說明這種減震方法在房屋 建筑中取得的良好減震效果它的