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(dòng)和噪音已經(jīng)成為各個(gè)領(lǐng)域的嚴(yán)重 問(wèn)題:它會(huì)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(dòng)甚至還給人類的生命財(cái)產(chǎn)造成極大的損 害。因此，硏究和掌握震動(dòng)控制與噪音控制技術(shù)已是各國(guó)工業(yè)發(fā)展面臨 的重大課題。消除震動(dòng)和噪音的最根本和最好方法是減少或者消除震動(dòng)源的震 動(dòng),但實(shí)際上要想完全消除震動(dòng)源的震動(dòng)是不可能的，因此必須采取其 他控制震動(dòng)的方法。實(shí)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(dòng)與激發(fā)源，還可以

2、 緩和震動(dòng)體的震動(dòng)，因此被廣泛地應(yīng)用于各種機(jī)動(dòng)車輛、飛機(jī)、船艦等 的動(dòng)力機(jī)械及風(fēng)機(jī)、水泵等輔助設(shè)備和儀器的震動(dòng)隔離。近年來(lái)，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(duì) 于結(jié)構(gòu)震動(dòng)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(diǎn)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(huì)妨礙分子鏈的運(yùn)動(dòng)，又表 現(xiàn)出黏性特點(diǎn)，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(zhǎng)鏈分子結(jié)構(gòu)及分子間存在的較弱的次級(jí)力,使得橡膠材料呈現(xiàn)出 獨(dú)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(dòng)和吸收沖擊，就是因?yàn)槠渚哂袦?、阻尼及能進(jìn)行可逆 大變形的特點(diǎn)。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(gòu)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(shí)，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(tuán)有機(jī)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(lái)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(guò)采用高相對(duì)分子質(zhì)量的 EPDM與低相對(duì)分子質(zhì)量的EPDM并用,合作開(kāi)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(xiàng)測(cè)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(duì)低溫動(dòng)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(shí)可采用HR或鹵化HR；PU具有優(yōu)良的耐磨性、耐屈撓性和對(duì)炷類燃 料及大部分有機(jī)溶劑的抵抗能力,同時(shí)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(dòng)力的情況來(lái)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(lái)越多,用途也越來(lái)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(jìn)行概述。2.1汽車用橡膠減震器隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)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(gè)迅速變革的時(shí)期,發(fā)展的特點(diǎn)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(jìn)一步提高汽車的使用壽命。減震制 品用于控制汽車的震動(dòng)和噪聲及改善其操縱穩(wěn)定性,一般置于汽車發(fā) 動(dòng)機(jī)機(jī)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(dòng)機(jī)支座、懸掛構(gòu)件、橡膠彈簧、橡膠 空氣彈簧和碰撞橡膠防護(hù)件等。近年來(lái)，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(dá)50 60件。發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)操作系統(tǒng)用橡膠減震器用來(lái)隔絕震源的震動(dòng)。傳動(dòng) 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(dòng)，抑 制簧下質(zhì)量的不規(guī)則運(yùn)動(dòng),傳遞動(dòng)力和制動(dòng)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(dá)到緩沖的目的。近期又開(kāi)發(fā)出充氮?dú)?、與減震器油共存的 筒式緩沖器，特點(diǎn)是提高緩沖器的載荷能力（最高達(dá)20MP"減震效果 好，且延長(zhǎng)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(jìn)減震制品的耐熱性，已開(kāi)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(pán)的減震 器等。如浙江海門(mén)橡膠廠采用

9、NR/CR并用硏制出了轎車底盤(pán)彈簧座 減震器，效果良好。2.2鐵路機(jī)車及鐵路軌枕墊用橡膠減震制品據(jù)統(tǒng)計(jì)屈內(nèi)鐵路和機(jī)車使用的各種橡膠材料和部件約有1萬(wàn)多種，消 耗橡膠約10kt/a。隨著鐵路機(jī)車車速的提高，對(duì)線路的動(dòng)力作用急劇增 加，引起線路、輪箍及機(jī)車行走部分的元件產(chǎn)生劇烈的磨損，鐵路機(jī)車各 部位對(duì)抗震性的要求越來(lái)越高,橡膠減震器應(yīng)用越來(lái)越普及，因而減震 橡膠制品在機(jī)車上的應(yīng)用品種和數(shù)量越來(lái)越多。鐵路機(jī)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(jī)懸掛橡膠墊、彈性車輪、彈性齒輪、橡膠空氣彈簧、傳動(dòng)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(jī)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(shí)承受 2種或2種以上的應(yīng)力復(fù)合作用。隨舂我國(guó)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(zhǎng)，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(duì)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(duì)道床的沖擊力，增加絕緣性，目前 國(guó)內(nèi)外均采用彈性高聚物來(lái)解決混凝土軌枕軌道的彈性問(wèn)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(dú)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(zhǎng)期裸露在大氣中和置于枕底下使 用,不斷經(jīng)受機(jī)車經(jīng)過(guò)時(shí)的震動(dòng)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(jì)時(shí)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(dòng)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(diǎn)自 由轉(zhuǎn)動(dòng)而不能移動(dòng);后者不僅使端部支點(diǎn)能自由轉(zhuǎn)動(dòng)而且要求能自由 移動(dòng),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(guó)外20世紀(jì)50年代末開(kāi)始使用橡膠支座，至60年代世界上 已有許多國(guó)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(jiǎn)單、材料來(lái)源充足、加工制造容易等優(yōu)點(diǎn)。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(gè)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(duì)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(guò)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(jī)上加壓硫化。硫化過(guò)程要注意避免成 品厚薄不均及鋼板的移動(dòng)。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(duì)控制風(fēng)反應(yīng) 和抵抗地基的微震動(dòng)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(guó)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(guò)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(shí)具備隔震器 和阻尼器兩方面的功能,可在隔震系統(tǒng)中獨(dú)立使用。2.4建筑工程用橡 膠減震器由于地震等無(wú)法避免的自然災(zāi)害,建造抗強(qiáng)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(shí),日益増長(zhǎng)的交通密度導(dǎo)致更大的震 動(dòng)傳遞和噪音污染,土木建筑的震動(dòng)和噪音的隔離也成為亟待解決的

15、問(wèn)題。自1966年美國(guó)率先在阿巴尼大廈中使用隔震橡膠支座后，日本、 法國(guó)、新西蘭和我國(guó)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(lái)隔絕震源、地震防護(hù)和水域建筑物的隔震。 實(shí)踐證明,這些使用隔震橡膠支座的建筑物能經(jīng)受強(qiáng)烈的地震考驗(yàn)，如 在1994年1月的美國(guó)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(lái)疊層隔震橡 膠支座在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)

16、用更為廣泛。目前，我國(guó)已有數(shù)百棟建筑物使用疊 層隔震橡膠支座。許多試驗(yàn)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(duì)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(dá)95a以上。橡膠 支座的耐久性和耐燃性已為許多試驗(yàn)和實(shí)例證實(shí)完全能夠滿足建筑物 設(shè)計(jì)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(jì)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(guò)模型試驗(yàn)和工程實(shí)例說(shuō)明這種減震方法在房屋 建筑中取得的良好減震效果它的