減震用橡膠材料及其應(yīng)用

1、專論綜述合成橡膠工業(yè),2006-07-15,29(4:313316CH I N A SY NTHETI C RUBBER I N DUSTRY減震用橡膠材料及其應(yīng)用梁威,楊青芳3,薛丹,祖恩鋒,杜江華,馬愛潔(西北工業(yè)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系,陜西西安710072摘要:介紹了橡膠的減震作用和幾種減震用橡膠材料的特點(diǎn)及發(fā)展,重點(diǎn)綜述了汽車、機(jī)車和鐵路、橋梁及建筑用橡膠減震制品的應(yīng)用和發(fā)展情況。關(guān)鍵詞:減震橡膠制品;震動(dòng);應(yīng)用;綜述中圖分類號(hào):T Q33614+2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-1255(200604-0313-04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)重問題:它會(huì)降低操作

2、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;污染環(huán)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,研究和掌握震動(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。

3、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(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1,2。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

4、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(S BR、氯丁橡膠(CR、乙丙橡膠(EPR、聚氨酯橡膠(P U和硅橡膠的損耗因子居中,丁基橡膠(II R和丁腈橡膠(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NR,S BR,BR為普通橡膠材料;NBR用于耐油硫化膠;CR用于耐天候硫化膠;II R用于高阻尼硫化膠;EPR用于耐熱硫化膠3。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,與金屬件黏合

5、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。N ishiue等4采用NR、BR及碳原子數(shù)大于4的含有OH基團(tuán)有機(jī)酸的金屬鹽制成的減震器具有較好的耐久性能,在70×22h和40×148h條件下的壓縮永久變形分別為1710%和1117%。由于EP DM收稿日期:2005-01-13;修訂日期:2005-11-18。作者簡(jiǎn)介:梁威(1979,男,碩士。3通訊聯(lián)系人。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,日本三井化學(xué)公司與鬼怒川橡膠公司通過采用高相對(duì)分子質(zhì)量的E

6、P DM與低相對(duì)分子質(zhì)量的EP DM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(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 i6采用EP DM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190×5h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II R或鹵化II R;P U具有優(yōu)良的耐磨性、耐屈撓性和對(duì)烴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、黏合性和耐老化性能。P U在減震隔音方面也得到了廣泛應(yīng)

7、用,如Adachi等7采用P U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,用途也越來越廣,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。211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)

8、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,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)5060件810。發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)操作系統(tǒng)用橡膠減震器用來隔絕震源的震動(dòng)。傳動(dòng)部分的減震采用多邊聯(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

9、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塊金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)20MPa,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S BR為主。為改進(jìn)減震制品的耐熱性,已開始用I R,II R,CR,EP DM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NR/CR并用研制出了轎車底盤彈簧座減震器,效果良好11,12。212鐵路機(jī)車及鐵路軌枕墊

10、用橡膠減震制品13,14據(jù)統(tǒng)計(jì),國(guó)內(nèi)鐵路和機(jī)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(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(jī)車上的應(yīng)用品種和數(shù)量越來越多。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鉸、車鉤橡膠緩沖器等。應(yīng)用于機(jī)車上的橡膠減震器,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

11、的應(yīng)力復(fù)合作用。隨著我國(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(dú)特的彈性和良好的絕緣性能而被廣泛地應(yīng)用于鐵413合成橡膠工業(yè)第29卷路線上。根據(jù)用途不同,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)

12、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,S BR,BR,CR,EP DM等。213橋梁用橡膠減震器3,15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

13、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使用。目前在橋梁工程上廣泛使用的是普通板式、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

14、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、EP DM、II R和氯化II R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?剪成一定規(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;二是增加支座的早期剛度,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

15、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(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。214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(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),日益增長(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問題。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

16、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(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,近年來疊層隔震橡膠支座在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)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

17、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16,17。海軍東海工程設(shè)計(jì)院牛金龍等18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(yàn)和工程實(shí)例說明這種減震方法在房屋建筑中取得的良好減震效果。513第4期梁威等1減震用橡膠材料及其應(yīng)用它的減震效果一般在10%40%,消能減震不僅

18、可用于舊房的抗震設(shè)防,也可用于新建房屋的減震;不僅可用于多層,也可用于高層,特別是利用隔熱層減震,可作為房屋抗震的多道防線之一,且不會(huì)影響房屋的使用功能,是一種較理想的減震方法。鄭文博等19研究了減震橡膠支座的發(fā)展趨勢(shì)及其在樓房建筑減震方面的應(yīng)用,指出減震橡膠支座在結(jié)構(gòu)方面更趨于多類型減震支座的兼容設(shè)置;橡膠選擇上向多膠種并用發(fā)展;黏合劑選擇上更強(qiáng)調(diào)特殊性和針對(duì)性;使產(chǎn)品成為一種新型的疊層橡膠結(jié)構(gòu)件,它與空氣彈簧組成的三維系統(tǒng)減震件有更好的防震效果。參考文獻(xiàn):1林生義1橡膠減震器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)J1中國(guó)橡膠, 1999,16(1:4102張殿榮,辛振祥1現(xiàn)代橡膠配方設(shè)計(jì)M1北京:化學(xué)工業(yè)出版社

19、,200111901953林禮勇1橡膠工業(yè)手冊(cè)(第六分冊(cè)M1北京:化學(xué)工業(yè)出版社,19934N ishiue T,Sent o K,Ohara R1Rubber compositi ons and their vibrati on da mpers with good durabilityP1Jpn Kokai Tokkyo Koho,JP2002241539,20025思明1耐熱性好的EP DM減震橡膠J1中國(guó)橡膠,2003,19(12:226Iizum i S1Manufacture of vibrati on da mp ing rubbers with goodheatresistan

20、ce f or high temperature usesP1Jpn Kokai Tokkyo Koho,JP2001170955,20017Adachi K,Kusano T1Manufacture of vibrati on da mp ing and noise insulating sheetP1Jpn Kokai Tokkyo Koho,JP11156958, 19998劉世平1汽車用橡膠制品的發(fā)展方向J1橡膠工業(yè),1991, 38(3:1721779劉玉強(qiáng)1汽車用橡膠材料的現(xiàn)狀與發(fā)展J1橡膠工業(yè), 1999,46(5:30931110黃家明,黃向前1我國(guó)汽車橡膠配件的生產(chǎn)概況J1橡

21、膠工業(yè),2002,49(9:55756211谷敬志1轎車底盤彈簧座減震器的研制J1橡膠工業(yè), 1996,43(3:15615812陳登隆1汽車橡膠制品的現(xiàn)狀與發(fā)展J1橡膠工業(yè),2002, 49(3:17818313韓錦芝1鐵路廢橡膠的綜合利用J1中國(guó)鐵路,1996,(10:121414劉興衡1減震橡膠制品的應(yīng)用前景J1橡膠工業(yè),2002, 49(5:30730915崔俊,王凱,武建軍1疊層橡膠支座在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用J1河南科學(xué),2002,(5:59159316Skinner R I1工程隔震概論M1北京:地震出版社,1996 17弗雷克利P K,佩恩A R1橡膠在工程中應(yīng)用的理論與實(shí)踐M.杜承澤等譯1北京:化學(xué)工業(yè)出版社,198518牛金龍1房屋建筑頂層采用橡膠支承的消能減震J1建筑結(jié)構(gòu),2002,32(6:636519鄭文博,吳文彪1減震橡膠支座的技術(shù)改進(jìn)J1橡膠工業(yè), 2001,48(12:728730Shock absorb i n g rubbers and the i r appli ca ti on sL iang W ei,Yang Q ingfang,Xue Dan,Zu Enfeng,Du J ianghua,Ma A ij