疊層橡膠隔震支座硫化工藝有限元仿真與試驗研究

楊 俊，陳 平，付金倫，吳志峰

[1.蘇州海德新材料科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215500；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳），廣東 深圳 518000]

傳統(tǒng)的隔震技術(shù)是在結(jié)構(gòu)物底部與基礎(chǔ)面之間設(shè)置柔性隔震層，解除結(jié)構(gòu)與地面運動的耦聯(lián)關(guān)系。地震時，隔震結(jié)構(gòu)可以在柔性隔震層上整體平動，有效降低其地震反應(yīng)。目前，疊層橡膠隔震支座是隔震結(jié)構(gòu)常用的隔震元件，由若干層橡膠和鋼板交錯疊合而成，具有粘彈性、阻尼和結(jié)構(gòu)剛度的特性。橡膠層與鋼板層之間通過熱硫化工藝實現(xiàn)粘接，而隔震支座的性能直接關(guān)系結(jié)構(gòu)安全與隔震效果，因此隔震支座金屬板與橡膠層之間的粘接尤其重要。

熱硫化是疊層橡膠支座生產(chǎn)過程中最關(guān)鍵的一道工序，其目的是：（1）使橡膠內(nèi)部產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)、力學(xué)性能達到最佳，形成超彈性耐久材料；（2）使金屬板與橡膠層之間獲得足夠的粘接強度。然而，建筑、橋梁結(jié)構(gòu)所用疊層橡膠支座尺寸較大，硫化過程中往往出現(xiàn)橡膠不能均勻、同步受熱，內(nèi)外膠料硫化程度差異明顯，硫化效率低等問題[1-4]。因此，在支座生產(chǎn)過程中須制定合適的硫化工藝，一方面確保支座各部位膠料硫化充分，另一方面確定最短硫化時間，提高生產(chǎn)效率。

設(shè)計支座硫化工藝需要確定硫化三要素，即硫化溫度、壓力和時間。硫化溫度和壓力通常根據(jù)技術(shù)人員生產(chǎn)經(jīng)驗確定，最佳硫化時間可以通過熱電偶測溫法、氣泡點法等確定。這些方法的缺點在于需要做大量試驗，工作量大、成本高、周期長[5-6]。有限元仿真技術(shù)可以模擬硫化過程中橡膠支座各個部位溫度隨時間的變化規(guī)律，進而得到橡膠支座受熱最低部位，并獲取該部位的溫度變化曲線，根據(jù)該曲線確定硫化時間，從而大大減小硫化工藝試驗次數(shù)和縮短時間，提高產(chǎn)品開發(fā)效率，節(jié)約成本[7-10]。

本工作建立直徑為1 200 mm的疊層橡膠隔震支座硫化仿真模型，獲取各溫度監(jiān)測點的溫升曲線，并通過與熱電偶測溫試驗結(jié)果進行對比，驗證硫化仿真模型的正確性。通過確定支座受熱最低部位，采用支座受熱最大部位與受熱最小部位的溫差隨時間的變化曲線表征硫化效率，提出支座硫化工藝的改進方案。

1 硫化工藝理論模型

G.A.Prentice 等[11]、A.I.Isayev 等[12]和J.S.Deng等[13]分別利用數(shù)值仿真技術(shù)計算橡膠在硫化過程中的溫度場；W.J.Toth等[14]首次利用有限元技術(shù)模擬了輪胎硫化過程，并研究了初始溫度對硫化的影響；M.H.R.Ghoreishy等[15]研究了橡膠制品硫化的三維有限元模擬方法。

橡膠硫化是熱傳導(dǎo)和交聯(lián)反應(yīng)相互作用的結(jié)果，需要運用熱力學(xué)與硫化動力學(xué)知識建立硫化仿真模型。橡膠硫化的熱傳導(dǎo)方程如公式（1）所示。

式中，ρ為橡膠密度，cp為橡膠比熱容，T為溫度，t為硫化時間，r為軸對稱坐標系下徑向坐標，k為橡膠熱導(dǎo)率，Q為膠料單位體積的生熱量。

假設(shè)硫化過程中密度為常數(shù)，考慮硫化程度的影響，橡膠熱導(dǎo)率和比熱容計算公式如式（2）—（4）所示。

式中，α表示硫化程度，未硫化時α＝0，完全硫化時α＝1；km，ku和kc分別為部分硫化、未硫化和完全硫化的橡膠熱導(dǎo)率；cm，cu和cc分別為部分硫化、未硫化和完全硫化的橡膠比熱容。

目前，最常用的硫化動力學(xué)模型為現(xiàn)象學(xué)的動力學(xué)模型，是由試驗數(shù)據(jù)擬合出來的動力學(xué)方程，表征化學(xué)反應(yīng)程度與時間和溫度的關(guān)系。張建等[7]研究認為，對于較厚的橡膠制品，Rafei數(shù)學(xué)模型[16]描述其硫化動力學(xué)特性與試驗數(shù)據(jù)吻合最好，如公式（5）所示。

式中，K為Arrhenius函數(shù)，A為試驗擬合系數(shù)，E為反應(yīng)活化能，R為氣體常數(shù)。

2 硫化工藝有限元仿真模型

2.1 模型建立

基于熱傳導(dǎo)方程和硫化動力學(xué)特性建立疊層橡膠隔震支座硫化工藝有限元仿真模型。模擬的橡膠隔震支座直徑為1 200 mm，其結(jié)構(gòu)及溫度監(jiān)測點布置方案如圖1所示。所有溫度監(jiān)測點位于第14層鋼板與第14層橡膠層的交界面上，溫度監(jiān)測點1為周向橡膠壁的內(nèi)側(cè)節(jié)點，監(jiān)測點2為第14層橡膠層最中心節(jié)點，監(jiān)測點3為靠近中間模具芯棒的節(jié)點，監(jiān)測點4為保護層橡膠的外側(cè)節(jié)點。

圖1 模擬的橡膠隔震支座的結(jié)構(gòu)及溫度監(jiān)測點布置方案示意

支座硫化的模具包含上模具、下模具、芯棒和四周模具。目前，橡膠支座生產(chǎn)采用平板硫化機硫化，其傳熱路徑分別從模具的上下表面向支座內(nèi)部傳遞。出于提高硫化效率的目的，設(shè)計一套油芯輔助加熱系統(tǒng)，即在支座四周模具中預(yù)設(shè)油道，硫化過程中保持油道里的油恒溫，從支座的圓周面持續(xù)地給橡膠傳熱。支座硫化模具結(jié)構(gòu)如圖2所示，預(yù)設(shè)工況如表1所示。

表1 1 200 mm直徑橡膠支座硫化的預(yù)設(shè)工況

圖2 支座硫化模具結(jié)構(gòu)

疊層橡膠隔震支座和硫化模具均是軸對稱結(jié)構(gòu)，因此在仿真分析時，選取其中半個軸心剖切面進行分析。軸心剖切面半結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 軸心剖切面半結(jié)構(gòu)模型

為直徑1 200 mm的橡膠隔震支座建立16 h時長的瞬態(tài)熱傳遞分析步，輸出橡膠支座中溫度監(jiān)測點隨時間變化的關(guān)系。單元類型選擇四節(jié)點線性軸對稱傳熱四邊形單元DCAX4。硫化仿真有限元模型的材料參數(shù)如表2所示。

表2 硫化仿真有限元模型材料參數(shù)

2.2 模型驗證

未進行熱電偶測溫試驗前，技術(shù)人員認為溫度監(jiān)測點2是整個支座受熱最小的部位，因此在進行熱電偶測溫試驗時在監(jiān)測點2的位置埋設(shè)了熱電偶，用于監(jiān)測該點在支座硫化過程中溫度隨時間的變化。根據(jù)經(jīng)驗，110 ℃是理想的支座硫化溫度，因此以110 ℃作為硫化參考溫度。由于試驗在夏季進行，室內(nèi)溫差變化較大，因此進行輔助加熱硫化試驗時支座初始溫度設(shè)為25 ℃，未進行輔助加熱硫化試驗時支座初始溫度設(shè)為30 ℃。試驗結(jié)果與仿真分析數(shù)據(jù)對比如圖4所示。

圖4 監(jiān)測點2的升溫曲線

由圖4可知，有限元仿真過程中溫度監(jiān)測點2的升溫趨勢與試驗過程吻合良好。有限元仿真過程中，設(shè)置輔助加熱裝置時，溫度從25 ℃升至110℃，未設(shè)置輔助加熱裝置時，溫度從30 ℃升至110℃；設(shè)置輔助加熱后支座的升溫速率比未設(shè)置輔助加熱大，硫化仿真時，設(shè)置輔助加熱裝置工況監(jiān)測點2達到110 ℃需要11.8 h，未設(shè)置輔助加熱裝置工況監(jiān)測點2達到110 ℃需要12.51 h。試驗過程中，設(shè)置輔助加熱裝置的支座溫度監(jiān)測點2升至110 ℃需要12 h，硫化仿真與試驗數(shù)據(jù)相差12 min，誤差為1.7%。仿真過程中，未設(shè)置輔助加熱工況，溫度監(jiān)測點2升至110 ℃需要12.51 h；試驗過程中，溫度監(jiān)測點2升至110 ℃需要13 h，仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)相差30 min，誤差為3.7%。

熱電偶測溫試驗結(jié)果驗證了所建有限元仿真模型的正確性，該有限元模型可以用于橡膠支座硫化工藝的改進。

2.3 硫化工藝分析

根據(jù)所建有限元模型模擬表1中4種工況，繪制各溫度監(jiān)測點的溫升曲線，如圖5所示。

由圖5可知，支座硫化過程中，各監(jiān)測點升溫速度由快到慢依次為：監(jiān)測點4、監(jiān)測點3、監(jiān)測點1、監(jiān)測點2。其變化趨勢符合技術(shù)人員預(yù)期，在所有監(jiān)測點中監(jiān)測點2為受熱最小部位，監(jiān)測點4緊貼四周模具，升溫速率最大。監(jiān)測點3與中間芯棒接觸，且處于疊層鋼板表面，處于熱傳導(dǎo)的快速通道上，溫升速率始終比監(jiān)測點1和監(jiān)測點2大。硫化時，中間芯棒的預(yù)熱溫度為120 ℃。因此，監(jiān)測點3在100 s內(nèi)急劇升溫，隨著熱量迅速傳遞，在上部模具加熱的熱量未傳遞至該監(jiān)測點時，該監(jiān)測點的溫度有短暫降溫過程，持續(xù)時間在400 s左右，降溫幅度在10 ℃左右；當上部加熱的溫度傳遞至該點時，溫度持續(xù)升高。

圖5 4種方案各監(jiān)測點的溫升曲線

理想的硫化方案需要確保支座受熱最小部位充分硫化，受熱最大部位不產(chǎn)生過硫化。根據(jù)各監(jiān)測點溫升曲線，用監(jiān)測點4和監(jiān)測點2的溫差隨時間變化的曲線表征各方案的硫化效率，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，支座受熱最大部位升溫快，受熱最小部位升溫慢，硫化初期兩點的溫差呈上升趨勢，隨著熱量傳遞，受熱最小部位溫度上升，而受熱最大部位溫度已升至模具加熱溫度。因此，硫化效率曲線呈先上升后下降趨勢，溫差最先趨于零的方案硫化效率最高。各硫化方案硫化效率由高到低依次為：方案4、方案2、方案3、方案1。方案4和方案2采用了預(yù)熱支座的措施，方案3和方案4采用了輔助加熱措施，而方案2的硫化效率高于方案3，說明與輔助加熱措施相比，支座預(yù)熱對提高硫化效率更有幫助。

圖6 各方案的硫化效率曲線

各方案溫度監(jiān)測點2升溫至110 ℃所需時間如下。

（1）上下平面加熱硫化方案，不進行支座預(yù)熱處理時，監(jiān)測點2升溫至110 ℃需13.04 h；預(yù)熱處理時，需10.51 h，兩者相差2.53 h。

（2）上下面+輔助加熱方案，不進行支座預(yù)熱處理時，監(jiān)測點2升溫至110 ℃需11.74 h；預(yù)熱處理時，需9.44 h，兩者相差2.3 h。

（3）支座不進行預(yù)熱處理，上下面加熱硫化方案，監(jiān)測點2升溫至110 ℃需13.04h；上下面+輔助加熱方案，監(jiān)測點2升溫至110 ℃需11.74 h，兩種方案相差1.3 h。

（4）支座進行預(yù)熱處理，上下面加熱硫化方案，監(jiān)測點2升溫至110 ℃需10.51 h；上下面+輔助加熱方案，監(jiān)測點2升溫至110 ℃需9.44 h，兩種方案相差1.07 h。

（5）進行預(yù)熱處理，上下面+輔助加熱硫化方案，監(jiān)測點2升溫至110 ℃需9.44 h；不進行預(yù)熱處理，上下面加熱硫化方案，監(jiān)測點2升溫至110 ℃需13.04 h，兩種方案相差3.6 h。

硫化過程中，不同時間點的溫度場云照片如圖7所示。

從圖7可以明顯看出支座硫化過程中的傳熱路徑，橡膠的熱導(dǎo)率非常小，靠近外層保護膠層的節(jié)點升溫緩慢，靠近芯棒的節(jié)點率先達到模具溫度，支座中間的薄鋼板層與中間芯棒相接觸是熱量傳遞的快速通道，接近橡膠層中心點的最小受熱部位最后完成硫化。

3 結(jié)論

（1）熱電偶測溫試驗結(jié)果驗證了所建有限元模型的正確性，該有限元模型可以用于橡膠支座硫化工藝的分析、改進和優(yōu)化。

（2）對橡膠支座進行預(yù)熱處理能夠更好地提高硫化效率。

（3）對于直徑1 200 mm的疊層橡膠支座，支座預(yù)熱可節(jié)省硫化時間2.3～2.5 h，輔助加熱可節(jié)省硫化時間1.07～1.3 h，既輔助加熱又支座預(yù)熱可節(jié)省硫化時間3.6 h。

（4）對疊層橡膠隔震支座硫化工藝進行有限元仿真分析，能夠正確指導(dǎo)實際生產(chǎn)，改進硫化工藝流程，提高生產(chǎn)效率。