减震用橡胶材料及其应用

减震用橡胶材料及其应用随着现代工业的飞速发展,震动和噪音已经成为各个领域的严重问题:它会降低操作精度,影响产品质量;缩短产品寿命,使得高精仪器不能正常工作;危及安全性,使设备或构建物早期破坏;污染环境及影响人身健康,诸如地震之类的震动甚至还给人类的生命财产造成极大的损害。

因此,研究和掌握震动控制与噪音控制技术已是各国工业发展面临的重大课题。

消除震动和噪音的最根本和最好方法是减少或者消除震动源的震动,但实际上要想完全消除震动源的震动是不可能的,因此必须采取其他控制震动的方法。

实际应用中最广泛、最有效的方法是使用各种减震制品,尤其是橡胶减震制品。

它能够有效地隔离震动与激发源,还可以缓和震动体的震动,因此被广泛地应用于各种机动车辆、飞机、船舰等的动力机械及风机、水泵等辅助设备和仪器的震动隔离。

近年来,一些大型建筑物和桥梁等也采用了隔离地震的层压橡胶垫支撑建筑物。

对于结构震动和结构噪音的阻尼处理,也广泛地使用特殊的橡胶材料,称为黏弹性高阻尼材料。

1 橡胶的减震作用及减震橡胶材料橡胶的特点是既有高弹态又有高黏态,橡胶的弹性是由其卷曲分子构象的变化产生的,橡胶分子间相互作用会妨碍分子链的运动,又表现出黏性特点,以致应力与应变往往处于不平衡状态。

橡胶的这种卷曲的长链分子结构及分子间存在的较弱的次级力,使得橡胶材料呈现出独特的黏弹性能,因而具有良好的减震、隔音和缓冲性能。

橡胶部件广泛用于隔离震动和吸收冲击,就是因为其具有滞后、阻尼及能进行可逆大变形的特点。

橡胶的滞后和内摩擦特性通常用损耗因子表示,损耗因子越大,橡胶的阻尼和生热越显著,减震效果越明显。

橡胶材料损耗因子的大小不仅与橡胶本身的结构有关,而且与温度和频率有关。

在常温下,天然橡胶(NR)和顺丁橡胶(BR)的损耗因子较小,丁苯橡胶(SBR)、氯丁橡胶(CR)、乙丙橡胶(EPR)、聚氨酯橡胶(PU)和硅橡胶的损耗因子居中,丁基橡胶(IIR)和丁腈橡胶(NBR)的损耗因子最大。

用作减震目的的橡胶材料一般分5种,即NR,SBR,BR为普通橡胶材料;NBR用于耐油硫化胶;CR用于耐天候硫化胶;IIR用于高阻尼硫化胶;EPR用于耐热硫化胶。

NR虽然损耗因子较小,但其综合性能最好,具有优异的弹性,耐疲劳性好,生热低,蠕变小,与金属件黏合性能好,耐寒性、电绝缘性和加工性能也好,因此NR被广泛地用作减震目的,要求耐低温或耐天候性能时,可与BR或CR并用或共混改性。

Nishiue等采用NR、BR及碳原子数大于4的含有—OH基团有机酸的金属盐制成的减震器具有较好的耐久性能,在70℃×22h和40℃×148h条件下的压缩永久变形分别为1710%和1117%。

由于EPDM耐天候、耐臭氧老化、电绝缘性、耐热和耐寒等性能优异,近年来受到广泛关注。

最近,日本三井化学公司与鬼怒川橡胶公司通过采用高相对分子质量的EPDM与低相对分子质量的EPDM并用,合作开发出一种新型耐热减震橡胶材料,并获得了日本专利。

该减震橡胶的各项测试表明,其减震性能与NR相同,但其耐热性、低温柔软性要比NR等其他橡胶好[5]。

Iizum采用EPDM制成用于汽车部件上的减震器用橡胶材料,具有很好的耐热性,在190℃×5h热老化后,材料仍具有很好的层间黏合性能。

对低温动态性能要求苛刻的减震橡胶,往往采用硅橡胶;当要求高阻尼时可采用IIR或卤化IIR;PU具有优良的耐磨性、耐屈挠性和对烃类燃料及大部分有机溶剂的抵抗能力,同时具有很高的物理性能、良好的电绝缘性、黏合性和耐老化性能。

PU在减震隔音方面也得到了广泛应用,如Adachi等采用PU制得减震和隔音良好的橡胶片层,应用到地板、天花板及弯曲板后,效果良好。

2 减震橡胶制品的发展与应用橡胶减震制品一般又称为橡胶减震器。

橡胶减震器的种类很多,从其受震动力的情况来看,可分为压缩型、剪切型、扭振型、冲击型和混合型等。

随着科技的发展,橡胶减震器的种类也越来越多,用途也越来越广,以下从橡胶减震器的应用领域对其发展和应用前景进行概述。

2.1 汽车用橡胶减震器随着社会经济的发展,国内外汽车的改型换代相当频繁,汽车工业正面临一个迅速变革的时期,发展的特点是在保证驾驶安全性、乘坐舒适性、行驶高速性以及豪华性的前提下,进一步提高汽车的使用寿命。

减震制品用于控制汽车的震动和噪声及改善其操纵稳定性,一般置于汽车发动机机架、压杆装置、悬挂轴衬、中心轴承托架、颠簸限制器和扭振减震器等部位,以改善汽车的安全性和舒适性。

减震制品可分为支架类、轴衬类、缓冲类和阻尼类四大类,主要要求减震性、耐热性和耐疲劳性好。

汽车减震橡胶制品包括发动机支座、悬挂构件、橡胶弹簧、橡胶空气弹簧和碰撞橡胶防护件等。

近年来,为提高汽车的安全性、舒适性和操作性,汽车用减震橡胶制品的品种和数量不断增多,如一辆轿车上减震橡胶制品的数量已达50～60件。

发动机及传动操作系统用橡胶减震器用来隔绝震源的震动。

传动部分的减震采用多边联轴节、阻尼离合器。

前、后悬挂装置上使用的减震器不仅要承担车体重量,还要使车体不致传递车轮的上下振动,抑制簧下质量的不规则运动,传递动力和制动力。

橡胶缓冲器是车体的重要减震器之一,其结构形式是2块金属板之间夹有橡胶层,利用橡胶的剪切变形达到缓冲的目的。

近期又开发出充氮气、与减震器油共存的筒式缓冲器,特点是提高缓冲器的载荷能力(最高达20MPa),减震效果好,且延长其使用寿命。

汽车用橡胶减震器采用的橡胶材料以NR和SBR为主。

为改进减震制品的耐热性,已开始用IR,IIR,CR,EPDM等作主体材料。

热塑性弹性体也将用于部分减震制品,如车身与底盘的减震器等。

如浙江海门橡胶厂采用NR/CR并用研制出了轿车底盘弹簧座减震器,效果良好。

2.2 铁路机车及铁路轨枕垫用橡胶减震制品据统计,国内铁路和机车使用的各种橡胶材料和部件约有1万多种,消耗橡胶约10kt/a。

随着铁路机车车速的提高,对线路的动力作用急剧增加,引起线路、轮箍及机车行走部分的元件产生剧烈的磨损,铁路机车各部位对抗震性的要求越来越高,橡胶减震器应用越来越普及,因而减震橡胶制品在机车上的应用品种和数量越来越多。

铁路机车上的减震橡胶制品主要有中央支承橡胶堆体、轴箱拉杆橡胶弹簧体、旁承橡胶堆、电机悬挂橡胶垫、弹性车轮、弹性齿轮、橡胶空气弹簧、传动装置的弓形橡胶块和橡胶球铰、车钩橡胶缓冲器等。

应用于机车上的橡胶减震器,其主要作用是承受压缩应力、剪切应力和扭转力矩,以及同时承受2种或2种以上的应力复合作用。

随着我国铁路建设的飞速发展,铁路轨枕也由枕木逐渐改换为混凝土轨枕。

改换后虽然轨枕的使用寿命延长,轨道框架结构的稳定性提高,但轨道的弹性显著下降,造成了轨道对轮轨冲击的缓冲性变劣。

为提高混凝土轨枕的缓冲性能,减少轨枕对道床的冲击力,增加绝缘性,目前国内外均采用弹性高聚物来解决混凝土轨枕轨道的弹性问题。

橡胶轨枕垫就是用于钢轨和混凝土轨枕之间或枕下的弹性垫(此外还有软土橡胶轨枕垫、层压木轨和塑料轨枕垫等),橡胶轨枕垫以其独特的弹性和良好的绝缘性能而被广泛地应用于铁路线上。

根据用途不同,混凝土轨枕橡胶垫板一般分为枕上(钢轨下)垫板和枕下垫2种类型。

橡胶轨枕垫由于长期裸露在大气中和置于枕底下使用,不断经受机车经过时的震动和冲击,因此要求具有良好的耐自然老化、耐热、耐寒以及良好的弹性和缓冲、吸震性能,此外还要具有较好的耐磨、电绝缘、抗压及抗剪切等性能。

在配方设计时最重要的是要考虑材料的耐久性和成本的低廉。

常用的主体材料有NR,SBR,BR,CR,EPDM等。

2.3 桥梁用橡胶减震器在桥梁工程中,梁式桥桥跨的两端需设置支座。

支座的主要作用是把桥跨结构上的全部载荷(包括恒载和活载)可靠地传递到桥墩上,并承受桥跨结构因载荷作用所发生的端部水平变位、转角等变形;其次是适应因温度和湿度的变化而引起的胀缩。

桥梁支座有固定与活动支座2种,前者是为固定桥跨结构在桥墩上的位置,可使桥跨结构的端点自由转动而不能移动;后者不仅使端部支点能自由转动而且要求能自由移动,承受桥跨结构因温度变化、混凝土收缩及载荷等因素引起的伸缩变位。

国外20世纪50年代末开始使用橡胶支座,至60年代世界上已有许多国家应用。

桥梁橡胶支座与其他刚性支座相比,不仅工作性能可靠,而且具有结构简单、材料来源充足、加工制造容易等优点。

由于橡胶支座能适应宽桥、曲线桥和斜交桥的上部结构在各个方向的变形,故目前不仅在中小跨径公路桥梁、城市桥梁及铁路桥梁上得到广泛应用,而且在大跨径的桥梁上也大量使用。

目前在桥梁工程上广泛使用的是普通板式、聚四氟乙烯板式和盒式橡胶支座3种类型。

桥梁橡胶支座对橡胶主体材料的选择原则,是在满足工程性能要求的前提下,结合使用环境条件的要求,基本上选用NR、CR、EPDM、IIR和氯化IIR等。

桥梁橡胶支座制造工艺多用模压。

生产过程是橡胶经塑炼后与配合剂按配方制成混炼胶,经停放、回炼和压延出片,剪成一定规格的半成品胶片。

半成品装模后在平板硫化机上加压硫化。

硫化过程要注意避免成品厚薄不均及钢板的移动。

在桥梁橡胶支座中,铅芯橡胶支座是在普通减震阻尼橡胶支座中部竖直地灌铅制成。

灌铅的目的一是提高支座的吸能效果,确保支座有适度的阻尼;二是增加支座的早期刚度,对控制风反应和抵抗地基的微震动有利。

由这种橡胶支座组成的隔震系统作为主导产品,已广泛应用于国外的大中型桥梁,并取得了良好的效果。

高阻尼橡胶支座是采用高阻尼橡胶材料制造的。

高阻尼橡胶可以通过在NR或合成橡胶中掺入石墨得到,根据石墨的掺入量可调节材料的阻尼特性。

和铅芯减震阻尼橡胶支座一样,高阻尼减震橡胶支座同时具备隔震器和阻尼器两方面的功能,可在隔震系统中独立使用。

2.4 建筑工程用橡胶减震器由于地震等无法避免的自然灾害,建造抗强烈地震的建筑物和构筑物是建筑工程领域的重要课题。

同时,日益增长的交通密度导致更大的震动传递和噪音污染,土木建筑的震动和噪音的隔离也成为亟待解决的问题。

自1966年美国率先在阿巴尼大厦中使用隔震橡胶支座后,日本、法国、新西兰和我国也相继在一些重要建筑物中使用隔震橡胶支座。

在目前建成的基础隔震建筑物中,80%以上的建筑物采用叠层橡胶隔震支座系统抗震。

叠层橡胶支座不仅在桥梁建设工程中广泛应用,而且已用于建筑物的底座,用来隔绝震源、地震防护和水域建筑物的隔震。

实践证明,这些使用隔震橡胶支座的建筑物能经受强烈的地震考验,如在1994年1月的美国洛杉矶大地震和1995年1月的日本神户大地震中,采用叠层隔震橡胶支座系统的建筑物都显示出优异的抗震效果,不仅建筑物未倒,而且内部的设施也未被破坏。

因此,近年来叠层隔震橡胶支座在国内外的应用更为广泛。

目前,我国已有数百栋建筑物使用叠层隔震橡胶支座。