减震用橡胶材料及其应用

专论·综述　　　　　　　　　　　　　　　　　合成橡胶工业 , 2006 - 07 - 15, 29 (4) : 313～316CH INA SYNTHETIC RUBBER INDUSTRY 减震用橡胶材料及其应用 梁 　威 ,杨青芳 3 ,薛 　丹 ,祖恩锋 ,杜江华 ,马爱洁 (西北工业大学 应用化学系 , 陕西 西安 710072) 　　摘要 :介绍了橡胶的减震作用和几种减震用橡胶材料的特点及发展 ,重点综述了汽车、机车和铁路、 桥梁及建筑用橡胶减震制品的应用和发展情况。 关键词 : 减震橡胶制品 ;震动 ;应用 ;综述 　　中图分类号 : TQ 33614 + 2　　文献标识码 : A　　文章编号 : 1000 - 1255 (2006) 04 - 0313 - 04 　　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。　① 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, 2 ]。 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 [ 3 ]。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。N ishiue等 [ 4 ]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 ℃×22 h和 40 ℃×148 h条件下的压缩 永久变形分别为 1710%和 1117%。由于 EPDM 　　　　 ① 收稿日期 : 2005 - 01 - 13;修订日期 : 2005 - 11 - 18。 作者简介 :梁威 (1979— ) , 男 , 硕士。3 通讯联系人。 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 i [ 6 ]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 ℃ ×5 h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 [ 7 ]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。 211　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 [ 8～10 ]。 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 20 MPa) ,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 [ 11, 12 ]。 212　铁路机车及铁路轨枕垫用橡胶减震制 品 [ 13, 14 ] 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 10 kt/ 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 ·413· 合 　成 　橡 　胶 　工 　业 　　　　　　　　　　　　　　　　第 29卷 　 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。 213　桥梁用橡胶减震器 [ 3, 15 ] 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。 214　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 ,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。许多试 验结果表明 ,采用隔震橡胶支座隔震的工程 ,不仅 可以降低对上部结构的破坏程度 ,而且楼房的高 度限值和安全距离均可适当放宽。由于隔震橡胶 支座外表面是较厚的橡胶层 ,使钢板和黏合橡胶层 不因环境的影响而性能下降 ,其使用寿命可达 95 a 以上。橡胶支座的耐久性和耐燃性已为许多试验 和实例证实完全能够满足建筑物设计寿命的要求。 此外 ,隔震橡胶支座在公路、铁路、地铁等沿线建筑 物及水域建筑物的隔震方面也有广泛应用 [ 16, 17 ]。 海军东海工程设计院牛金龙等 [ 18 ]研究了房 屋建筑中采用橡胶支座的顶层消能减震的基本方 法及基本原理 ,从理论上了这种消能减震方 法的减震效果 ,通过模型试验和工程实例说明这 种减震方法在房屋建筑中取得的良好减震效果。 ·513·　第 4期 　 　　　　　　　　　　　梁 　威等 1减震用橡胶材料及其应用 它的减震效果一般在 10% ～40% ,消能减震不仅 可用于旧房的抗震设防 ,也可用于新建房屋的减 震 ;不仅可用于多层 ,也可用于高层 ,特别是利用 隔热层减震 ,可作为房屋抗震的多道防线之一 ,且 不会影响房屋的使用功能 ,是一种较理想的减震 方法。郑文博等 [ 19 ]研究了减震橡胶支座的发展 趋势及其在楼房建筑减震方面的应用 ,指出减震 橡胶支座在结构方面更趋于多类型减震支座的兼 容设置 ;橡胶选择上向多胶种并用发展 ;黏合剂选 择上更强调特殊性和针对性 ;使产品成为一种新 型的叠层橡胶结构件 ,它与空气弹簧组成的三维 系统减震件有更好的防震效果。 参考文献 : 1　林生义 1 橡胶减震器的现状及发展趋势 [ J ] 1 中国橡胶 , 1999, 16 (1) : 4～10 2　张殿荣 , 辛振祥 1现代橡胶配方设计 [M ]1北京 :化学工业出 版社 , 20011 190～195 3　林礼勇 1橡胶工业手册 (第六分册 ) [M ] 1北京 :化学工业出 版社 , 1993 4　N ishiue T, Sento K, Ohara R1 Rubber compositions and their vibration dampers with good durability [ P ] 1 Jpn Kokai Tokkyo Koho, JP 2002 241 539, 2002 5　思明 1耐热性好的 EPDM减震橡胶 [ J ]1中国橡胶 , 2003, 19 (12) : 22 6　 Iizum i S1 Manufacture of vibration damp ing rubbers with good heatresistance for high temperature uses [ P ] 1Jpn Kokai Tokkyo Koho, JP 2001 170 955, 2001 7　Adachi K, Kusano T1 Manufacture of vibration damp ing and noise insulating sheet[ P ] 1 Jpn Kokai Tokkyo Koho, JP 11 156 958, 1999 8　刘世平 1汽车用橡胶制品的发展方向 [ J ] 1橡胶工业 , 1991, 38 (3) : 172～177 9　刘玉强 1 汽车用橡胶材料的现状与发展 [ J ] 1 橡胶工业 , 1999, 46 (5) : 309～311 10　黄家明 , 黄向前 1我国汽车橡胶配件的生产概况 [ J ] 1橡胶 工业 , 2002, 49 (9) : 557～562 11　谷敬志 1 轿车底盘弹簧座减震器的研制 [ J ] 1 橡胶工业 , 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references1Keywords: shock absorbing rubber p roduct; shake;app lication; review 　　●国外动态● 　　液体硅橡胶 　据“Rubber W orld, 2006 , 234 ( 1 ) : 56”报道 ,美国 GE B ayer Silicones公司生 产的 LSR 2670型液体硅橡胶在用于汽车部件 领域时可提高其耐高温性能。应用试验表明 , 用该硅橡胶制备的汽车部件在超过 190 ℃的环 境下连续使用依然表现出优异性能。L SR 2670型硅橡胶可延长其排气管垫圈制品暴露 于高温环境下的时间 ,用其制备的其他汽车 部件还可起到减少燃油消耗及降低机械噪声 的目的。L SR 2670双组分体系中已预含了所 需的添加剂 ,是一种可即时使用的双组分硅 橡胶。 ·613· 合 　成 　橡 　胶 　工 　业 　　　　　　　　　　　　　　　　第 29卷