橡膠減振器的動靜比影響因素

楊俊鳳，周相榮，丁 煒

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第七O四研究所，上海 200031）

橡膠減振器是應(yīng)用最廣泛的一類減振器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工藝性好、成本低等優(yōu)點，減振橡膠的剛度(彈性模量)主要是通過調(diào)節(jié)填充劑和增塑劑來達(dá)到。

制品的動態(tài)性能通過剛度測試來評定。在橡膠減振器形狀確定后，減振器的動態(tài)性能主要取決于橡膠的性能。橡膠應(yīng)變滯后于應(yīng)力的特性，使得橡膠減振器動態(tài)性能不同于靜態(tài)特性，即具有相同靜態(tài)的不同配方膠料，動態(tài)特性不同。

在橡膠減振器的試制過程中，可以通過調(diào)節(jié)膠種、硫化體系及炭黑種類等來降低動靜比，具體地說是試制產(chǎn)品，進(jìn)行測試；再對配方進(jìn)行調(diào)試，即試錯法；該法試制周期長，成本高。對于減振橡膠而言，低的動靜比是橡膠減振器配方設(shè)計的主要目的之一。故如何由橡膠試片性能判斷動靜比的大小可以縮短產(chǎn)品試制的周期；在進(jìn)行橡膠配方設(shè)計時，有意識地改進(jìn)這些性能，以改善減振器的動靜比，應(yīng)當(dāng)是一個值得重視的問題。

根據(jù)某些產(chǎn)品的試制，可以得到一些有用的經(jīng)驗，可供橡膠減振器配方設(shè)計時參考。

1 定伸強(qiáng)度與動靜比間的關(guān)系

根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)要求，由計算可以得出所需橡膠的硬度（彈性模量），結(jié)合產(chǎn)品的其它性能要求，可以確定滿足產(chǎn)品要求所需的橡膠種類。以此為基礎(chǔ)，降低產(chǎn)品的動靜比便可一定程度地改善減振器的動態(tài)性能。

在產(chǎn)品試制過程中，已經(jīng)得到了橡膠試片性能與產(chǎn)品性能間的定性關(guān)系。目前橡膠減振器對橡膠性能都有拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長率的指標(biāo)要求。解讀橡膠試片（應(yīng)力—應(yīng)變曲線）的拉伸過程數(shù)據(jù)，可得出橡膠減振器的某些動態(tài)特性。

為達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計時提出的動靜比要求，在保持膠料硬度不變的前提下，需不斷改變膠料配方中的配合劑種類。這樣得到的拉伸曲線（應(yīng)力—應(yīng)變）趨勢各不相同，對產(chǎn)品性能的影響也不相同。試制中發(fā)現(xiàn)，在配方設(shè)計最初階段，就可由膠料拉伸曲線判斷產(chǎn)品的動靜比大小。目前許多橡膠減振器對膠料性能的要求是扯斷伸長率不小于400%，而不同配方膠料的扯斷強(qiáng)度在200%定伸附近差別較大；故采用200%定伸強(qiáng)度作膠料動靜比判斷數(shù)據(jù)。

同一硬度的不同配方橡膠試片，在拉伸過程中，初始點到扯斷點間的應(yīng)力—應(yīng)變曲線有不同的歷程，取200%應(yīng)變附近的數(shù)據(jù)作圖，如圖1所示。

圖1 B-膠料應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.1 Cure of σ-ε(B)

采用圖1中B1、B2、B3膠料做B型橡膠減振器，并做性能測試，具體測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 B型減振器動靜比和200%定伸強(qiáng)度對比Tab.1 Kd/Ks and TS at 200%of rubber

由表1可知，對同一硬度的不同配方膠料制備B型減振器，隨著膠料200%定伸強(qiáng)度的增加，減振器動靜比降低；可見，由200%定伸強(qiáng)度大的膠料制備的B型減振器動靜比最小。

依據(jù)這個發(fā)現(xiàn)，對其它產(chǎn)品進(jìn)行類似的分析，證實了這一判斷。對此作一簡單的解釋。不同定伸強(qiáng)度的膠料應(yīng)力—應(yīng)變曲線在小區(qū)內(nèi)幾乎是平行的；在縱坐標(biāo)軸上用一定力作橫坐標(biāo)軸的平行線，與膠料應(yīng)力—應(yīng)變曲線相交于不同點。相應(yīng)地橫坐標(biāo)軸上的應(yīng)變量卻不同，即靜剛度不同。

當(dāng)設(shè)備振動發(fā)生時，相當(dāng)于圖1中應(yīng)力軸上的一段微小變化，由圖可知同樣應(yīng)力變化的B1、B2、B3曲線上兩點間的直線幾乎平行；投影在橫坐標(biāo)軸上，變化區(qū)間幾乎相等，可知動剛度近似相等。

從縱坐標(biāo)軸上的一點做橫坐標(biāo)軸的平行線；分別與B1、B2、B3配方曲線相交的橫坐標(biāo)軸的應(yīng)變量大小為B3＜B2＜B1；則在應(yīng)力一定的前提下，變形大的膠料制備的減振器靜剛度小。故得到靜剛度大小B3＞B2＞B1。

由上述分析，動靜比大小為B3＜B2＜B1，這與表1中的測試一致；可以得出：對同一型號橡膠減振器而言，定伸強(qiáng)度大的膠料制備的減振器動靜比小。

基于這一推測，對其它型號產(chǎn)品進(jìn)行配方設(shè)計時，可做試片應(yīng)力—應(yīng)變曲線。圖2是C型減振器不同配方膠料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

圖2 C-膠料應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.2 Cure of σ-ε(C)

由圖2中的膠料C1、C2和C3（200%定伸強(qiáng)度分別是 3.511 MPa、4.028 MPa、4.43 MPa）制備的 C型橡膠減振器的動靜比分別是1.79、1.74和1.45；得出與B型減振器一致的變化趨勢。這就進(jìn)一步驗證了上述推測的正確性，該結(jié)論對減振器用橡膠配方設(shè)計的指導(dǎo)意義。

橡膠配方設(shè)計中，有許多提高膠料定伸強(qiáng)度的方法。根據(jù)這一規(guī)律，可知提高膠料的定伸強(qiáng)度，也就改善了減振器的動態(tài)特性，降低了減振器的動靜比。在所有其它型號產(chǎn)品的試制過程中，還沒發(fā)現(xiàn)違反此規(guī)律的例子。

2 用應(yīng)力—應(yīng)變曲線指導(dǎo)橡膠配方設(shè)計

膠料試片拉伸性能中的拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長率大小也可反映橡膠的動態(tài)性能。目前橡膠減振器對膠料強(qiáng)度和扯斷伸長率要求都比較高，一般而言，硬度高的膠料強(qiáng)度大，扯斷伸長率相應(yīng)地也較大；這對膠料動態(tài)性能有何影響，是否滿足低動靜比的要求。有待試驗說明和驗證。

試驗中采用不同配方膠料制備B型減振器，膠料的拉伸過程曲線如圖3所示。

圖3 B—膠料應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.3 Cure of σ-ε(B)

由圖3中的曲線可以看出，與應(yīng)變軸夾角小的配方膠料位于圖的下部，定伸強(qiáng)度小，產(chǎn)品的動靜比大；則可以理解為與應(yīng)變軸夾角小的配方膠料動態(tài)特性相對較差。從D1到D3配方，不同配方膠料的拉伸性能相差較大，膠料拉伸強(qiáng)度增加的同時，扯斷伸長率也有所提高；而200%定伸強(qiáng)度卻可能降低。這就說明一味地要求膠料強(qiáng)度和扯斷伸長率，對膠料的動態(tài)性能無利。因為扯斷伸長率與拉伸強(qiáng)度的大小直接影響200%定伸強(qiáng)度的大小，從而對動靜比產(chǎn)生影響。

配方調(diào)試時，當(dāng)膠料強(qiáng)度增加幅度小于扯斷伸長率時（如曲線中D1和D2），雖D2配方膠料的強(qiáng)度和扯斷伸長率均增加，但200%定伸強(qiáng)度小于D1；此時由D2制備的減振器動靜比大于D1。為降低減振器的動靜比，需提高膠料的定伸強(qiáng)度；即膠料強(qiáng)度增加的同時扯斷伸長率提高較小。

2.1 膠種對減振器動靜比的影響

對減振器動靜比影響最大的是膠料，由于產(chǎn)品的動靜比可用200%定伸強(qiáng)度大小來表征；則可以直接采用200%定伸強(qiáng)度進(jìn)行說明。以天然橡膠和丁腈橡膠為例，不同配方膠料的拉伸性能數(shù)據(jù)對比見表2。

從表2中的同一硬度的膠料拉伸數(shù)據(jù)對比可知，膠料強(qiáng)度的降低并不意味著產(chǎn)品動靜比的變差；相反，與并用膠3相比，并用膠2的膠料強(qiáng)度和扯斷伸長率的降低使得200%定伸強(qiáng)度提高，故對一型號減振器而言，并用膠2的動靜比較小。所以，可以適當(dāng)改變膠料強(qiáng)度和扯斷伸長率以提高以提高膠料的200%定伸強(qiáng)度，從而降低動靜比。

對同一硬度而言，不同配方膠料的拉伸性能反映了其內(nèi)在的動態(tài)特性。隨著配方組分的改變，使得扯斷強(qiáng)度和扯斷伸長率變化程度不同，應(yīng)力—應(yīng)變曲線的走勢不同；反映在數(shù)據(jù)上是200%定伸強(qiáng)度大小不一。那么，200%定伸強(qiáng)度大的膠料動靜比小。

2.2 炭黑種類和用量對減振器動靜比的影響

減振橡膠配方的研究，填充劑是除橡膠本身外影響膠料動態(tài)模量和阻尼最為顯著的因素，特別是炭黑，粒徑越小，比表面積越大或填充量增加，則硫化膠的彈性模量越大，剛度增加，硫化膠的阻尼性也增大[1]。所以，考慮到橡膠的減振和耐屈撓性能，通常選用的是粒徑較大的炭黑作為填充劑。試驗中采用粒子差別大的兩種炭黑并用，以考察不同粒徑的填充劑對產(chǎn)品動態(tài)性能的影響。則同一硬度采用不同填充劑制備的膠料應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖4所示。

表2 不同配方膠料的拉伸性能數(shù)據(jù)對比Tab.2 Data of strengh property of different rubber

圖4 不同配方膠料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.4 The cure of σ-ε with different rubber

從圖4中硬度54 HA-b1、b2、b3的不同配方膠料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以看出，采用粗粒子炭黑多的炭黑補(bǔ)強(qiáng)的膠料b1曲線在圖的上部，定伸強(qiáng)度最大。采用b1膠料制備的產(chǎn)品動靜比最小，實驗測試為1.38；根據(jù)1.1分析中得出的結(jié)論，動靜比大小為b1＜b2＜b3。逐漸減少并用炭黑中粗粒子炭黑的用量，增加細(xì)粒子炭黑的用量，達(dá)到同樣硬度的要求，得到b3的應(yīng)力—應(yīng)變拉伸歷程曲線圖。采用細(xì)粒子比例大的炭黑并用制備的膠料強(qiáng)度和扯斷伸長率高，但200%定伸強(qiáng)度卻相對較低，這就造成減振器動靜比的增加。該實驗中采用不同配方膠料制備的減振器動靜比和膠料定伸強(qiáng)度對比如表3所示。

表3 C型減振器動靜比和膠料200%定伸強(qiáng)度對比Tab.3 Kd/Ks and tensile strength at 200%of rubber

從表3中可以看出，隨著配方膠料200%定伸強(qiáng)度的增加，減振器的動靜比逐漸降低。該實驗結(jié)果驗證了根據(jù)圖4中應(yīng)力—應(yīng)變曲線作出的推測。

振動條件下，粒徑小的炭黑在硫化膠網(wǎng)絡(luò)中容易形成應(yīng)力集中，加速了橡膠大分子鏈的斷裂過程，破壞了硫化膠的初始結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料的衰減振動性能下降；同時材料內(nèi)部摩擦生熱的增大會加速材料的熱氧老化。因此，減振橡膠材料不宜填充大量粒徑較小的炭黑[2]。

填料要具有好的增強(qiáng)特性就必須具有高的、特殊的表面效應(yīng)，如粒子必須小，要小于1 μm。小的顆粒具有更大的與橡膠產(chǎn)生相互作用的表面積，以便將共混物中的粒子與粒子間的空間距離拉近[3]。在減振橡膠配方的設(shè)計中，為提高其減振性能，常采用粒徑大的炭黑填充；而粒徑大的炭黑補(bǔ)強(qiáng)效果差，降低了膠料強(qiáng)度，故可采用中等粒徑的半補(bǔ)強(qiáng)炭黑或粒徑差別大的炭黑并用滿足強(qiáng)度和減振的要求。

2.3 硫黃用量對動靜比的影響

硫化體系對減振橡膠的剛度、阻尼常數(shù)、耐疲勞性均有較大的影響。

配方設(shè)計中常用到的硫化體系根據(jù)硫黃用量的不同有普通硫化體系、有效硫化體系和半有效硫化體系等。硫黃用量直接影響膠料交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中交聯(lián)鍵的類型，從而影響產(chǎn)品的動靜比。采用不同硫黃用量制備D和E型的膠料性能和制品動靜比數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 硫黃用量對D和E型減振器性能的影響Tab.4 Effect of sulfur on 200%TS and Kd/Ks

從表4中數(shù)據(jù)變化可以看出，對同一型號的橡膠減振器而言，隨著硫黃用量的增加，膠料的200%定伸強(qiáng)度逐漸增加，動靜比降低。在硫化膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，交聯(lián)鍵中的硫原子及游離硫越少，交聯(lián)越牢固，硫化膠的彈性模量越大，阻尼系數(shù)越小[4]。不同硫化體系形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)有所不同，硫化歷程也有較大區(qū)別，這就帶來了應(yīng)力—應(yīng)變曲線路徑的不同。硫黃用量的適當(dāng)增加會提高橡膠的回彈性，降低橡膠的粘性模量損失；從而降低減振器的動靜比。硫黃用量的增加可適當(dāng)減少炭黑等補(bǔ)強(qiáng)填料的加入，提高含膠率，也有利于降低產(chǎn)品的動靜比。

3 用試片應(yīng)力—應(yīng)變曲線判斷判斷橡膠減振器其它性能

3.1 判斷阻尼特性

阻尼要消耗能量，這部分損失的能量變成了熱能，引起橡膠溫度升高，剛度下降，耐久性變差[5]。這就決定了在設(shè)計減振器用橡膠配方時，保證減振效果的同時，還要兼顧考慮膠料的阻尼性能。

以C型減振器為例，不同配方膠料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖5所示。

圖5 C-膠料應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.5 The cure of σ-ε(C)

對圖5中的曲線做最小二乘法分析，其相關(guān)系數(shù)分別是0.965、0.971和0.98。從中可以看出，越接近于零點與扯斷點間直線的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，說明該膠料的阻尼遲滯回線的曲線面積越小，即阻尼越?。欢ㄉ鞆?qiáng)度越大，橡膠阻尼越小。

200%定伸強(qiáng)度很大程度上反映了配方膠料本身的特性，要使橡膠材料有較大的阻尼，必須降低膠料的定伸強(qiáng)度；膠料的200%定伸強(qiáng)度既可反映產(chǎn)品動靜比，也可反映阻尼的大小。從上述分析可知，動靜比與阻尼是一對矛盾變化，要使膠料阻尼大，需提高扯斷伸長率，同時減小膠料強(qiáng)度。

3.2 判斷減振器的疲勞特性

橡膠減振器在工作中，靠吸收能量來減少設(shè)備間的相互作用，從而降低設(shè)備的損耗，提高其使用性能和使用壽命。

減振器用減振橡膠多存在由異物或填充劑等引起的缺陷，該缺陷在反復(fù)應(yīng)力作用下變成應(yīng)力集中的核心，以該缺陷為起點產(chǎn)生的龜裂逐漸發(fā)展，當(dāng)龜裂附近的應(yīng)力狀態(tài)超過某臨界點而一次性達(dá)到破壞。故可從橡膠試片性能也可以定性判斷出減振器產(chǎn)品的疲勞特性。

減振器疲勞特性有兩種試驗方法，一是定力定頻率試驗，另一種是定位移定頻率試驗。對于前一種情況，希望制品的動剛度大些，以減小制品中橡膠的應(yīng)變；而對后一種情況，則要求制品的動剛度小一些。盡管定伸應(yīng)力大的動靜比小一點，但其動剛度也大一些（主要是靜剛度變得更小而引起動靜比下降）。因此，對應(yīng)于第一種疲勞要求，膠料的定伸強(qiáng)度可大些，這種情況與設(shè)備的振動隔離（主動隔離）一致；而對第二種疲勞試驗要求（被動隔振而言），膠料的定伸強(qiáng)度可小一些。

從3.1的膠料阻尼特性可知，定伸應(yīng)力大，阻尼小，膠料生熱就??；那么在減振器受疲勞破壞時橡膠內(nèi)部的溫升也低，這也有利于產(chǎn)品疲勞性能的改善。

3.3 判斷浸油后減振器的動靜比變化

油污場合對橡膠減振器除較小動靜比的要求外，還要求采用橡膠具有一定的耐油性能。因為橡膠的浸油，相當(dāng)于對膠料的軟化作用，便會帶來硬度的下降；橡膠硬度的改變使減振器的靜剛度發(fā)生變化，從而改變橡膠減振器高度，影響設(shè)備的性能甚至?xí)糯蠹畈a(chǎn)生過大的噪聲和振動。

目前船用橡膠減振器都有耐油的要求，故減振器用耐油膠料除了要考慮浸油后膠料力學(xué)性能的變化，還有制品長時間接觸油類物質(zhì)后的動靜比。

采用A3膠料制備C型減振器，做不同時間的浸油試驗，并做動、靜態(tài)性能測試，將計算后動靜比大小與膠料200%定伸強(qiáng)度作對比，如表5所示。

表5 200%定伸強(qiáng)度和制品動靜比關(guān)系Tab.5 Relation of tensile strength at 200%and Kd/Ks

從表5中數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)不同時間浸油后，膠料的200%定伸強(qiáng)度逐漸降低，制品的動靜比逐漸增大；這就可以說明浸油后膠料200%定伸強(qiáng)度的降低和制品動靜比的增加是同步的。故可用浸油后200%定伸強(qiáng)度的變化表征減振器的減振效果的變化。

從圖6中不同配方膠料的200%定伸強(qiáng)度隨浸油時間的變化趨勢可以看出，隨膠料浸油時間的延長，A1到A5配方膠料的200%定伸強(qiáng)度逐漸降低，說明浸油后減振制品的動靜比逐漸增大，設(shè)備運(yùn)行過程中減振器的動態(tài)性能降低。因為，隨著浸油時間的延長，膠料硬度降低，制品浸油后靜變形變大，帶來了靜剛度的降低；同時浸油時間的增加降低了膠料的200%定伸強(qiáng)度，使制品固有頻率發(fā)生變化，總的影響是動靜比的增大。這就降低了減振器在浸油場合使用的動態(tài)性能。

圖6 膠料200%定伸強(qiáng)度與浸油時間的關(guān)系Fig.6 Relation of TS at 200%with soaking time

4 結(jié)語

(1)首先將膠料的拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長率與產(chǎn)品的動靜比聯(lián)系，指出橡膠拉伸過程的σ-ε曲線可以定性表征減振器的動態(tài)性能；

(2)利用200%定伸強(qiáng)度可以反映膠料的整個動態(tài)歷程，可以用來定性判斷產(chǎn)品的動靜比大小，從而縮短減振器的研制過程；

(3)不同型號產(chǎn)品的試制試驗支持200%定伸強(qiáng)度表征動靜比大小這一發(fā)現(xiàn)；并可用于判斷減振器浸油后的動靜比變化；

(4)解讀應(yīng)力—應(yīng)變曲線有助于縮短減振器配方調(diào)試的周期，從該曲線圖上還可進(jìn)一步得到產(chǎn)品的其它信息，如減振器的載荷對產(chǎn)品動靜比的影響。

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