隨著現代工業的飛速成長,震動和噪音已經成為各個領域的嚴峻問題:它會降低操作精度,影響東西質量;縮短東西壽命,使得高精儀器不能正常工作;危及安全性,使設備或構建物早期毀壞;污染環境及影響人身安康,諸如地震之類的震動以至還給人類的生命財富形成極大的損害。因而,研究和掌握震動操縱與噪音操縱技術已是各國工業成長面臨的嚴重課題。
消除震動和噪音的最根本和最好方法是減少或者消除震動源的震動,但實際上要想完全消除震動源的震動是不成能的,因而必需采納其他操縱震動的方法。實際應用中最廣泛、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與激發源,還可以緩和震動體的震動,因而被廣泛地應用于各種機動車輛、飛機、船艦等的動力機械及風機、水泵等輔助設備和儀器的震動隔離。近年來,一些大型建筑物和橋梁等也采納了隔離地震的層壓橡膠墊支撐建筑物。對于構造震動和構造噪音的阻尼處理,也廣泛地使用特別的橡膠材料,稱為黏彈性高阻尼材料。
1 橡膠的減震作用及減震橡膠材料
橡膠的特點是既有高彈態又有高黏態,橡膠的彈性是由其卷曲分子構象的變化產生的,橡膠分子間互相作用會阻礙分子鏈的運動,又表示出黏性特點,以致應力與應變往往處于不屈衡形態。橡膠的這種卷曲的長鏈分子構造及分子間存在的較弱的次級力,使得橡膠材料呈現出獨特的黏彈性能,因而具有優良的減震、隔音和緩沖性能。橡膠部件廣泛用于隔離震動和汲取沖擊,就是因為其具有滯后、阻尼及能進行可逆大變形的特點。
橡膠的滯后和內摩擦特性凡是用損耗因子表示,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只與橡膠本身的構造有關,并且與溫度和頻次有關。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(SBR)、氯丁橡膠(CR)、乙丙橡膠(EPR)、聚氨酯橡膠(PU)和硅橡膠的損耗因子居中,丁基橡膠(IIR)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,SBR,BR為一般橡膠材料;NBR用于耐油硫化膠;CR用于耐天候硫化膠;IIR用于高阻尼硫化膠;EPR用于耐熱硫化膠。NR雖然損耗因子較小,但其綜合性能最好,具有優良的彈性,耐疲勞性好,生熱低,蠕變小,與金屬件黏合性能好,耐寒性、電絕緣性和加工性能也好,因而NR被廣泛地用作減震目的,要求耐低溫或耐天候性能時,可與BR或CR并用或共混改性。Nishiue等采納NR、BR及碳原子數大于4的含有—OH基團有機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EPDM耐天候、耐臭氧老化、電絕緣性、耐熱和耐寒等性能優良,近年來遭到廣泛關注。最近,日本三井化學公司與鬼怒川橡膠公司通過采納高相對分子質量的EPDM與低相對分子質量的EPDM并用,合作開發出一種新型耐熱減震橡膠材料,并獲得了日本專利。該減震橡膠的各項測試表白,其減震性能與NR相同,但其耐熱性、低溫順軟性要比NR等其他橡膠好[5]。Iizum采納EPDM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。對低溫動態性能要求苛刻的減震橡膠,往往采納硅橡膠;當要求高阻尼時可采納IIR或鹵化IIR;PU具有優良的耐磨性、耐屈撓性和對烴類燃料及大部分有機溶劑的抵抗才能,同時具有很高的物理性能、優良的電絕緣性、黏合性和耐老化性能。PU在減震隔音方面也得
到了廣泛應用,如Adachi等采納PU制得減震和隔音優良的橡膠片層,應用到地板、天花板及彎曲板后,效果優良。
2 減震橡膠制品的成長與應用
橡膠減震制品一般又稱為橡膠減震器。橡膠減震器的品種許多,從其受震動力的情況來看,可分為壓縮型、剪切型、扭振型、沖擊型和混合型等。隨著科技的成長,橡膠減震器的品種也越來越多,用途也越來越廣,以下從橡膠減震器的應用領域對其成長和應用前景進行概述。
2.1 汽車用橡膠減震器
隨著社會經濟的成長,國內外汽車的改型換代相當頻繁,汽車工業正面臨一個迅速變革的時期,成長的特點是在包管駕駛安全性、乘坐溫馨性、行駛高速性以及豪華性的前提下,進一步提高汽車的使用壽命。減震制品用于操縱汽車的震動和噪聲及改善其把持穩定性,一般置于汽車發動機機架、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溫馨性。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羅發動機支座、懸掛構件、橡膠彈簧、橡膠空氣彈簧和碰撞橡膠防護件等。近年來,為提高汽車的安全性、溫馨性和操作性,汽車用減震橡膠制品的品種和數量不停增加,如一輛轎車上減震橡膠制品的數量已達50～60件。
發動機及傳動操作系統用橡膠減震器用來隔絕震源的震動。傳動部分的減震采納多邊聯軸節、阻尼離合器。前、后懸掛裝置上使用的減震器不只要承擔車體重量,還要使車體不致傳遞車輪的上下振動,按捺簧下質量的不規則運動,傳遞動力和制動力。橡膠緩沖器是車體的重要減震器之一,其構造形式是2塊金屬板之間夾有橡膠層,操縱橡膠的剪切變形到達緩沖的目的。近期又開發出充氮氣、與減震器油共存的筒式緩沖器,特點是提高緩沖器的載荷才能(最高達20MPa),減震效果好,且耽誤其使用壽命。汽車用橡膠減震器采納的橡膠材料以NR和SBR為主。為改良減震制品的耐熱性,已開始用IR,IIR,CR,EPDM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納NR/CR并用研制出了轎車底盤彈簧座減震器,效果優良。
2.2 鐵路機車及鐵路軌枕墊用橡膠減震制品
據統計,國內鐵路和機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。隨著鐵路機車車速的提高,對線路的動力作用急劇增加,引起線路、輪箍及機車行走部分的元件產生劇烈的磨損,鐵路機車各部位對抗震性的要求越來越高,橡膠減震器應用越來越普及,因而減震橡膠制品在機車上的應用品種和數量越來越多。鐵路機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、電機懸掛橡膠墊、彈性車輪、彈性齒輪、橡膠空氣彈簧、傳動裝置的弓形橡膠塊和橡膠球鉸、車鉤橡膠緩沖器等。應用于機車上的橡膠減震器,其主要作用是承受壓縮應力、剪切應力和改變力矩,以及同時承受2種或2種以上的應力復合作用。
隨著我國鐵路建設的飛速成長,鐵路軌枕也由枕木逐步改換為混凝土軌枕。改換后雖然軌枕的使用壽命耽誤,軌道框架構造的穩定性提高,但軌道的彈性顯著下降,形成了軌道對輪軌沖擊的緩沖性變劣。為提高混凝土軌枕的緩沖性能,減少軌枕對道床的沖擊力,增加絕緣性,目前國內外均采納彈性高聚物來處理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),橡膠軌枕墊以其獨特的彈性和優良的絕緣性能而被廣泛地應用于鐵道路上。
按照用途不同,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品種型。橡膠軌枕墊由于長久裸露在大氣中和置于枕底下使用,不停經受機車經過時的震動和沖擊,因而要求具有優良的耐自然老化、耐熱、耐寒以及優良的彈性和緩沖、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。在配方設計時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,SBR,BR,CR,EPDM等。
2.3 橋梁用橡膠減震器
在橋梁工程中,梁式橋橋跨的兩端需設置支座。支座的主要作用是把橋跨構造上的全部載荷(包羅恒載和活載)可靠地傳遞到橋墩上,并承受橋跨構造因載荷作用所產生的端部水平變位、轉角等變形;其次是適應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支座2種,前者是為固定橋跨構造在橋墩上的位置,可使橋跨構造的端點自在轉動而不能挪動;后者不只使端部支點能自在轉動并且要求能自在挪動,承受橋跨構造因溫度變化、混凝土收縮及載荷等因素引起的伸縮變位。
國外20世紀50年代末開始使用橡膠支座,至60年代世界上已有許多國家應用。橋梁橡膠支座與其他剛性支座比,不只工作性能可靠,并且具有構造簡單、材料來源充沛、加工制造容易等長處。由于橡膠支座能適應寬橋、曲線橋和斜交橋的上部構造在各個方向的變形,故目前不只在中小跨徑公路橋梁、城市橋梁及鐵路橋梁上得到廣泛應用,并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一般板式、聚四氟乙烯板式和盒式橡膠支座3品種型。橋梁橡膠支座對橡膠主體材料的選擇原則,是在滿足工程性能要求的前提下,結合使用環境條件的要求,根本上選用NR、CR、EPDM、IIR和氯化IIR等。橋梁橡膠支座制造工藝多用模壓。生產過程是橡膠經塑煉后與配合劑按配方制成混煉膠,經停放、回煉和壓延出片,剪成必然規格的半成品膠片。半成品裝模后在平板硫化機上加壓硫化。硫化過程要注意幸免成品厚薄不均及鋼板的挪動。
在橋梁橡膠支座中,鉛芯橡膠支座是在一般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,對操縱風反響
和抵抗地基的微震動有利。由這種橡膠支座組成的隔震系統作為主導東西,已廣泛應用于國外的大中型橋梁,并獲得了優良的效果。高阻尼橡膠支座是采納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,按照石墨的摻入量可調節材料的阻尼特性。和鉛芯減震阻尼橡膠支座一樣,高阻尼減震橡膠支座同時具備隔震器和阻尼器兩方面的功能,可在隔震系統中獨立使用。2.4 建筑工程用橡膠減震器
由于地震等無法幸免的自然災禍,建筑抗強烈地震的建筑物和構筑物是建筑工程領域的重要課題。同時,日益增長的交通密度導致更大的震動傳遞和噪音污染,土木建筑的震動和噪音的隔離也成為亟待處理的問題。
自1966年美國領先在阿巴尼大廈中使用隔震橡膠支座后,日本、法國、新西蘭和我國也相繼在一些重要建筑物中使用隔震橡膠支座。在目前建成的基礎隔震建筑物中,80%以上的建筑物采納疊層橡膠隔震支座系統抗震。疊層橡膠支座不只在橋梁建設工程中廣泛應用,并且已用于建筑物的底座,用來隔絕震源、地震防護和水域建筑物的隔震。實踐證明,這些使用隔震橡膠支座的建筑物能經受強烈的地震考驗,如在1994年1月的美國洛杉磯大地震和1995年1月的日本神戶大地震中,采納疊層隔震橡膠支座系統的建筑物都顯示出優良的抗震效果,不只建筑物未倒,并且內部的設備也未被毀壞。因而,近年來疊層隔震橡膠支座在國內外的應用更為廣泛。目前,我國已有數百棟建筑物使用疊層隔震橡膠支座。許多試驗結果表白,采納隔震橡膠支座隔震的工程,不只可以降低對上部構造的毀壞程度,并且樓房的高度限值和安全間隔均可適當放寬。由于隔震橡膠支座外外表是較厚的橡膠層,使鋼板和黏合橡膠層不因環境的影響而性能下降,其使用壽命可達95a以上。橡膠支座的耐久性和耐燃性已為許多試驗和實例證明完全能夠滿足建筑物設計壽命的要求。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用。
海軍東海工程設計院牛金龍等研究了房屋建筑中采納橡膠支座的頂層消能減震的根本方法及根本原理,從理論上分析了這種消能減震方法的減震效果,通過模型試驗和工程實例說明這種減震方法在房屋建筑中獲得的優良減震效果它的減震效果一般在10%～40%,消能減震不只可用于舊房的抗震設防,也可用于新建房屋的減震;不只可用于多層,也可用于高層,特別是操縱隔熱層減震,可作為房屋抗震的多道防線之一,且不會影響房屋的使用功能,是一種較抱負的減震方法。鄭文博等研究了減震橡膠支座的成長趨勢及其在樓房建筑減震方面的應用,指出減震橡膠支座在構造方面更趨于多類型減震支座的兼容設置;橡膠選擇上向多膠種并用成長;黏合劑選擇上更強調特別性和針對性;使東西成為一種新型的疊層橡膠構造件,它與空氣彈簧組成的三維系統減震件有更好的防震效果。
