橡胶减振器的动静比影响因素

杨俊凤，周相荣，丁 炜

（中国船舶重工集团公司 第七O四研究所，上海 200031）

橡胶减振器是应用最广泛的一类减振器，具有结构紧凑、工艺性好、成本低等优点，减振橡胶的刚度(弹性模量)主要是通过调节填充剂和增塑剂来达到。

制品的动态性能通过刚度测试来评定。在橡胶减振器形状确定后，减振器的动态性能主要取决于橡胶的性能。橡胶应变滞后于应力的特性，使得橡胶减振器动态性能不同于静态特性，即具有相同静态的不同配方胶料，动态特性不同。

在橡胶减振器的试制过程中，可以通过调节胶种、硫化体系及炭黑种类等来降低动静比，具体地说是试制产品，进行测试；再对配方进行调试，即试错法；该法试制周期长，成本高。对于减振橡胶而言，低的动静比是橡胶减振器配方设计的主要目的之一。故如何由橡胶试片性能判断动静比的大小可以缩短产品试制的周期；在进行橡胶配方设计时，有意识地改进这些性能，以改善减振器的动静比，应当是一个值得重视的问题。

根据某些产品的试制，可以得到一些有用的经验，可供橡胶减振器配方设计时参考。

1 定伸强度与动静比间的关系

根据产品的技术要求，由计算可以得出所需橡胶的硬度（弹性模量），结合产品的其它性能要求，可以确定满足产品要求所需的橡胶种类。以此为基础，降低产品的动静比便可一定程度地改善减振器的动态性能。

在产品试制过程中，已经得到了橡胶试片性能与产品性能间的定性关系。目前橡胶减振器对橡胶性能都有拉伸强度和扯断伸长率的指标要求。解读橡胶试片（应力—应变曲线）的拉伸过程数据，可得出橡胶减振器的某些动态特性。

为达到产品设计时提出的动静比要求，在保持胶料硬度不变的前提下，需不断改变胶料配方中的配合剂种类。这样得到的拉伸曲线（应力—应变）趋势各不相同，对产品性能的影响也不相同。试制中发现，在配方设计最初阶段，就可由胶料拉伸曲线判断产品的动静比大小。目前许多橡胶减振器对胶料性能的要求是扯断伸长率不小于400%，而不同配方胶料的扯断强度在200%定伸附近差别较大；故采用200%定伸强度作胶料动静比判断数据。

同一硬度的不同配方橡胶试片，在拉伸过程中，初始点到扯断点间的应力—应变曲线有不同的历程，取200%应变附近的数据作图，如图1所示。

图1 B-胶料应力—应变曲线Fig.1 Cure of σ-ε(B)

采用图1中B1、B2、B3胶料做B型橡胶减振器，并做性能测试，具体测试数据见表1。

表1 B型减振器动静比和200%定伸强度对比Tab.1 Kd/Ks and TS at 200%of rubber

由表1可知，对同一硬度的不同配方胶料制备B型减振器，随着胶料200%定伸强度的增加，减振器动静比降低；可见，由200%定伸强度大的胶料制备的B型减振器动静比最小。

依据这个发现，对其它产品进行类似的分析，证实了这一判断。对此作一简单的解释。不同定伸强度的胶料应力—应变曲线在小区内几乎是平行的；在纵坐标轴上用一定力作横坐标轴的平行线，与胶料应力—应变曲线相交于不同点。相应地横坐标轴上的应变量却不同，即静刚度不同。

当设备振动发生时，相当于图1中应力轴上的一段微小变化，由图可知同样应力变化的B1、B2、B3曲线上两点间的直线几乎平行；投影在横坐标轴上，变化区间几乎相等，可知动刚度近似相等。

从纵坐标轴上的一点做横坐标轴的平行线；分别与B1、B2、B3配方曲线相交的横坐标轴的应变量大小为B3＜B2＜B1；则在应力一定的前提下，变形大的胶料制备的减振器静刚度小。故得到静刚度大小B3＞B2＞B1。

由上述分析，动静比大小为B3＜B2＜B1，这与表1中的测试一致；可以得出：对同一型号橡胶减振器而言，定伸强度大的胶料制备的减振器动静比小。

基于这一推测，对其它型号产品进行配方设计时，可做试片应力—应变曲线。图2是C型减振器不同配方胶料的应力—应变曲线。

图2 C-胶料应力—应变曲线Fig.2 Cure of σ-ε(C)

由图2中的胶料C1、C2和C3（200%定伸强度分别是 3.511 MPa、4.028 MPa、4.43 MPa）制备的 C型橡胶减振器的动静比分别是1.79、1.74和1.45；得出与B型减振器一致的变化趋势。这就进一步验证了上述推测的正确性，该结论对减振器用橡胶配方设计的指导意义。

橡胶配方设计中，有许多提高胶料定伸强度的方法。根据这一规律，可知提高胶料的定伸强度，也就改善了减振器的动态特性，降低了减振器的动静比。在所有其它型号产品的试制过程中，还没发现违反此规律的例子。

2 用应力—应变曲线指导橡胶配方设计

胶料试片拉伸性能中的拉伸强度和扯断伸长率大小也可反映橡胶的动态性能。目前橡胶减振器对胶料强度和扯断伸长率要求都比较高，一般而言，硬度高的胶料强度大，扯断伸长率相应地也较大；这对胶料动态性能有何影响，是否满足低动静比的要求。有待试验说明和验证。

试验中采用不同配方胶料制备B型减振器，胶料的拉伸过程曲线如图3所示。

图3 B—胶料应力—应变曲线Fig.3 Cure of σ-ε(B)

由图3中的曲线可以看出，与应变轴夹角小的配方胶料位于图的下部，定伸强度小，产品的动静比大；则可以理解为与应变轴夹角小的配方胶料动态特性相对较差。从D1到D3配方，不同配方胶料的拉伸性能相差较大，胶料拉伸强度增加的同时，扯断伸长率也有所提高；而200%定伸强度却可能降低。这就说明一味地要求胶料强度和扯断伸长率，对胶料的动态性能无利。因为扯断伸长率与拉伸强度的大小直接影响200%定伸强度的大小，从而对动静比产生影响。

配方调试时，当胶料强度增加幅度小于扯断伸长率时（如曲线中D1和D2），虽D2配方胶料的强度和扯断伸长率均增加，但200%定伸强度小于D1；此时由D2制备的减振器动静比大于D1。为降低减振器的动静比，需提高胶料的定伸强度；即胶料强度增加的同时扯断伸长率提高较小。

2.1 胶种对减振器动静比的影响

对减振器动静比影响最大的是胶料，由于产品的动静比可用200%定伸强度大小来表征；则可以直接采用200%定伸强度进行说明。以天然橡胶和丁腈橡胶为例，不同配方胶料的拉伸性能数据对比见表2。

从表2中的同一硬度的胶料拉伸数据对比可知，胶料强度的降低并不意味着产品动静比的变差；相反，与并用胶3相比，并用胶2的胶料强度和扯断伸长率的降低使得200%定伸强度提高，故对一型号减振器而言，并用胶2的动静比较小。所以，可以适当改变胶料强度和扯断伸长率以提高以提高胶料的200%定伸强度，从而降低动静比。

对同一硬度而言，不同配方胶料的拉伸性能反映了其内在的动态特性。随着配方组分的改变，使得扯断强度和扯断伸长率变化程度不同，应力—应变曲线的走势不同；反映在数据上是200%定伸强度大小不一。那么，200%定伸强度大的胶料动静比小。

2.2 炭黑种类和用量对减振器动静比的影响

减振橡胶配方的研究，填充剂是除橡胶本身外影响胶料动态模量和阻尼最为显著的因素，特别是炭黑，粒径越小，比表面积越大或填充量增加，则硫化胶的弹性模量越大，刚度增加，硫化胶的阻尼性也增大[1]。所以，考虑到橡胶的减振和耐屈挠性能，通常选用的是粒径较大的炭黑作为填充剂。试验中采用粒子差别大的两种炭黑并用，以考察不同粒径的填充剂对产品动态性能的影响。则同一硬度采用不同填充剂制备的胶料应力—应变曲线如图4所示。

表2 不同配方胶料的拉伸性能数据对比Tab.2 Data of strengh property of different rubber

图4 不同配方胶料的应力—应变曲线Fig.4 The cure of σ-ε with different rubber

从图4中硬度54 HA-b1、b2、b3的不同配方胶料的应力—应变曲线可以看出，采用粗粒子炭黑多的炭黑补强的胶料b1曲线在图的上部，定伸强度最大。采用b1胶料制备的产品动静比最小，实验测试为1.38；根据1.1分析中得出的结论，动静比大小为b1＜b2＜b3。逐渐减少并用炭黑中粗粒子炭黑的用量，增加细粒子炭黑的用量，达到同样硬度的要求，得到b3的应力—应变拉伸历程曲线图。采用细粒子比例大的炭黑并用制备的胶料强度和扯断伸长率高，但200%定伸强度却相对较低，这就造成减振器动静比的增加。该实验中采用不同配方胶料制备的减振器动静比和胶料定伸强度对比如表3所示。

表3 C型减振器动静比和胶料200%定伸强度对比Tab.3 Kd/Ks and tensile strength at 200%of rubber

从表3中可以看出，随着配方胶料200%定伸强度的增加，减振器的动静比逐渐降低。该实验结果验证了根据图4中应力—应变曲线作出的推测。

振动条件下，粒径小的炭黑在硫化胶网络中容易形成应力集中，加速了橡胶大分子链的断裂过程，破坏了硫化胶的初始结构，导致材料的衰减振动性能下降；同时材料内部摩擦生热的增大会加速材料的热氧老化。因此，减振橡胶材料不宜填充大量粒径较小的炭黑[2]。

填料要具有好的增强特性就必须具有高的、特殊的表面效应，如粒子必须小，要小于1 μm。小的颗粒具有更大的与橡胶产生相互作用的表面积，以便将共混物中的粒子与粒子间的空间距离拉近[3]。在减振橡胶配方的设计中，为提高其减振性能，常采用粒径大的炭黑填充；而粒径大的炭黑补强效果差，降低了胶料强度，故可采用中等粒径的半补强炭黑或粒径差别大的炭黑并用满足强度和减振的要求。

2.3 硫黄用量对动静比的影响

硫化体系对减振橡胶的刚度、阻尼常数、耐疲劳性均有较大的影响。

配方设计中常用到的硫化体系根据硫黄用量的不同有普通硫化体系、有效硫化体系和半有效硫化体系等。硫黄用量直接影响胶料交联网络中交联键的类型，从而影响产品的动静比。采用不同硫黄用量制备D和E型的胶料性能和制品动静比数据如表4所示。

表4 硫黄用量对D和E型减振器性能的影响Tab.4 Effect of sulfur on 200%TS and Kd/Ks

从表4中数据变化可以看出，对同一型号的橡胶减振器而言，随着硫黄用量的增加，胶料的200%定伸强度逐渐增加，动静比降低。在硫化胶的网络结构中，交联键中的硫原子及游离硫越少，交联越牢固，硫化胶的弹性模量越大，阻尼系数越小[4]。不同硫化体系形成的交联网络有所不同，硫化历程也有较大区别，这就带来了应力—应变曲线路径的不同。硫黄用量的适当增加会提高橡胶的回弹性，降低橡胶的粘性模量损失；从而降低减振器的动静比。硫黄用量的增加可适当减少炭黑等补强填料的加入，提高含胶率，也有利于降低产品的动静比。

3 用试片应力—应变曲线判断判断橡胶减振器其它性能

3.1 判断阻尼特性

阻尼要消耗能量，这部分损失的能量变成了热能，引起橡胶温度升高，刚度下降，耐久性变差[5]。这就决定了在设计减振器用橡胶配方时，保证减振效果的同时，还要兼顾考虑胶料的阻尼性能。

以C型减振器为例，不同配方胶料的应力—应变曲线如图5所示。

图5 C-胶料应力—应变曲线Fig.5 The cure of σ-ε(C)

对图5中的曲线做最小二乘法分析，其相关系数分别是0.965、0.971和0.98。从中可以看出，越接近于零点与扯断点间直线的应力—应变曲线，说明该胶料的阻尼迟滞回线的曲线面积越小，即阻尼越小；定伸强度越大，橡胶阻尼越小。

200%定伸强度很大程度上反映了配方胶料本身的特性，要使橡胶材料有较大的阻尼，必须降低胶料的定伸强度；胶料的200%定伸强度既可反映产品动静比，也可反映阻尼的大小。从上述分析可知，动静比与阻尼是一对矛盾变化，要使胶料阻尼大，需提高扯断伸长率，同时减小胶料强度。

3.2 判断减振器的疲劳特性

橡胶减振器在工作中，靠吸收能量来减少设备间的相互作用，从而降低设备的损耗，提高其使用性能和使用寿命。

减振器用减振橡胶多存在由异物或填充剂等引起的缺陷，该缺陷在反复应力作用下变成应力集中的核心，以该缺陷为起点产生的龟裂逐渐发展，当龟裂附近的应力状态超过某临界点而一次性达到破坏。故可从橡胶试片性能也可以定性判断出减振器产品的疲劳特性。

减振器疲劳特性有两种试验方法，一是定力定频率试验，另一种是定位移定频率试验。对于前一种情况，希望制品的动刚度大些，以减小制品中橡胶的应变；而对后一种情况，则要求制品的动刚度小一些。尽管定伸应力大的动静比小一点，但其动刚度也大一些（主要是静刚度变得更小而引起动静比下降）。因此，对应于第一种疲劳要求，胶料的定伸强度可大些，这种情况与设备的振动隔离（主动隔离）一致；而对第二种疲劳试验要求（被动隔振而言），胶料的定伸强度可小一些。

从3.1的胶料阻尼特性可知，定伸应力大，阻尼小，胶料生热就小；那么在减振器受疲劳破坏时橡胶内部的温升也低，这也有利于产品疲劳性能的改善。

3.3 判断浸油后减振器的动静比变化

油污场合对橡胶减振器除较小动静比的要求外，还要求采用橡胶具有一定的耐油性能。因为橡胶的浸油，相当于对胶料的软化作用，便会带来硬度的下降；橡胶硬度的改变使减振器的静刚度发生变化，从而改变橡胶减振器高度，影响设备的性能甚至会放大激励并产生过大的噪声和振动。

目前船用橡胶减振器都有耐油的要求，故减振器用耐油胶料除了要考虑浸油后胶料力学性能的变化，还有制品长时间接触油类物质后的动静比。

采用A3胶料制备C型减振器，做不同时间的浸油试验，并做动、静态性能测试，将计算后动静比大小与胶料200%定伸强度作对比，如表5所示。

表5 200%定伸强度和制品动静比关系Tab.5 Relation of tensile strength at 200%and Kd/Ks

从表5中数据可以看出，经不同时间浸油后，胶料的200%定伸强度逐渐降低，制品的动静比逐渐增大；这就可以说明浸油后胶料200%定伸强度的降低和制品动静比的增加是同步的。故可用浸油后200%定伸强度的变化表征减振器的减振效果的变化。

从图6中不同配方胶料的200%定伸强度随浸油时间的变化趋势可以看出，随胶料浸油时间的延长，A1到A5配方胶料的200%定伸强度逐渐降低，说明浸油后减振制品的动静比逐渐增大，设备运行过程中减振器的动态性能降低。因为，随着浸油时间的延长，胶料硬度降低，制品浸油后静变形变大，带来了静刚度的降低；同时浸油时间的增加降低了胶料的200%定伸强度，使制品固有频率发生变化，总的影响是动静比的增大。这就降低了减振器在浸油场合使用的动态性能。

图6 胶料200%定伸强度与浸油时间的关系Fig.6 Relation of TS at 200%with soaking time

4 结语

(1)首先将胶料的拉伸强度和扯断伸长率与产品的动静比联系，指出橡胶拉伸过程的σ-ε曲线可以定性表征减振器的动态性能；

(2)利用200%定伸强度可以反映胶料的整个动态历程，可以用来定性判断产品的动静比大小，从而缩短减振器的研制过程；

(3)不同型号产品的试制试验支持200%定伸强度表征动静比大小这一发现；并可用于判断减振器浸油后的动静比变化；

(4)解读应力—应变曲线有助于缩短减振器配方调试的周期，从该曲线图上还可进一步得到产品的其它信息，如减振器的载荷对产品动静比的影响。

[1]于宝林.炭黑在橡胶制品中的应用[J].橡胶工业，2006，12（2）：23-27.

[2]Coran A Y,Donnet J B.The dispersion of carbon black in rubber.Part III.The effect of dispersion quality on the dynamic mechanical properties of filled natural rubber[J].Rubber Chemistry and Technology,1992,65(5):1016-1041.

[3]A.N.詹特主编，张立群编译.橡胶工程—如何设计橡胶配件[M].北京：化学工业出版社，2002.38-39.

[4]李 铁，等.三元乙丙橡胶硫化胶力学性能及动静刚度比[J].合成橡胶工业，2005，28（2）：105-109.

[5]严济宽.机械振动隔离技术[M].上海：上海科学技术文献出版社，1985.291-293.