铁路减振橡胶制品动静刚度比研究进展

朱万超，贺春江，陈传志，张宪清

（1 中铁检验认证中心有限公司，北京 100081；2 中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所，北京 100081；3 中国铁道科学研究院集团有限公司 标准计量研究所，北京 100081）

为了降低铁路给环境造成的噪声污染及提高轨道弹性，地铁和高铁线路的扣件系统中多采用减振橡胶制品，如橡胶垫板、微孔橡胶垫和聚氨酯微孔垫板等。静刚度及动静刚度比是减振橡胶制品的主要性能指标。静刚度和动刚度的区别在于测试时加载载荷的速度不同。当载荷很缓慢加于减振橡胶制品，变形速度通常在1cm/min左右，测得的力与变形的关系称为静刚度。减振器在以一定的振幅（通常不超过橡胶厚度的5%）和一定频率（一般为3～60 Hz）交变载荷作用下，测得的振动刚度称为动刚度。动静刚度比即为测得的动刚度与静刚度的比值。

动静刚度比对振动传递和减振效果有较大影响。动静刚度比越小，橡胶材料的回弹性越好，振动传递效果越好。金属弹簧等理想弹性体的动静刚度比为1，其他非理想弹性体的动刚度都大于静刚度，两者的比值越趋近于1，振动传递性能就越好。

动静刚度比的控制一直是减振橡胶制品开发的难点。本研究从橡胶制品的材料材料组成、加工工艺、结构及测试条件四个方面，综述了动静刚度比的影响因素、机理分析研究成果及最新进展，期望为低动静刚度比橡胶制品的开发提供参考。

1 动静刚度比影响因素

1.1 材料方面

1.1.1 生胶分子结构的影响

贺春江等[1]研究了乙丙橡胶乙烯含量对橡胶垫板动静刚度及损耗因子的影响。随着乙丙橡胶乙烯含量增高，损耗因子和动静刚度比都逐渐减小。当乙烯含量为50%时，动静比为2.5，当乙烯含量为65%时，动静比为1.25。分析认为: 乙丙橡胶的分子链主要由乙烯、丙烯及极少量的第三单体组成，乙烯、丙烯链段的含量决定了乙丙橡胶的很多宏观性能。乙烯含量越多，丙烯含量越少，乙丙橡胶分子链则更柔顺，更容易响应外力作用，变形较快，弹性较好，机械能损耗也越小。因此，随着乙丙橡胶乙烯含量增高，损耗因子和动静刚度比都逐渐减小。

章维国等[2]研究对比的三种不同生胶体系（即纯NR、NR/BR并用胶、NR/SBR 并用胶）的硫化胶标准试样的动静刚度比。不同生胶体系中，纯NR配方制得的标准试样动静刚度比最小，为1.325，NR与BR并用制得的标准试样动静刚度比，为1.343，而NR与SBR 并用制得的标准试样动静刚度比最大为1.499。其主要原因是，NR 与BR 的相容性较好，共混胶料的形态结构是微相分离的多相结构，各组分的相界面间有过渡层。尽管并用可以起到扩大阻尼温域的目的，但是两相间的过渡层也放大了橡胶的粘弹滞后效应，动刚度增加稍大于静刚度，因而并用BR后动静刚度比比值稍有增加。而NR并用SBR 后，标准试样动静刚度比增大幅度较显著，这可以从微观大分子结构上进行分析解释。由于SBR分子链上带有体积较大、数量较多的苯环侧基，使链段运动的松弛时间增加，滞后效应更加显著，其力学损耗tgδ较高，因而硫化胶动刚度的增加较静刚度更大一些，因此动静刚度比值也就明显增大。

张剑平等[3]将新型合成橡胶—高反式-1,4-丁二烯-异戊二烯共聚橡胶TBIR引入减振橡胶配方中，研究了不同共混比例的NR/TBIR橡胶的结构与性能。研究发现，填充TBIR/NR硫化胶表现出更好的动静刚度比及更突出的耐屈挠疲劳性能。TBIR 的加入有利于改善炭黑分散性以及TBIR 与炭黑的结合力，因此动静刚度比减小。

张新欣等[4]研究了含胶率对NR胶料动静刚度比的影响。含胶率 60.7%的天然橡胶胶料，动静刚度比为 1.68，含胶率 64.6%的天然橡胶胶料，动静刚度比为 1.58。说明含胶率会影响胶料的动静刚度比，含胶率越大，橡胶分子链之间的内摩擦越小，动静刚度比越小。

王鑫等[5]以液化MDI( MDI-100LL) 、聚合物多元醇、聚醚多元醇、1,4-丁二醇和水为原料，采用预聚法制备了动静刚度比较低的可应用于高速铁垫板下弹性垫板，并对影响其动静刚度比的主要因素进行了研究。结果表明，当NCO 质量分数为6% ～ 7%，水作发泡剂，采用BDO 和GE-303 的混合扩链交联剂时，适当加入10 份的聚合物多元醇，聚氨酯微孔弹性体的动静刚度比最低，达1.24。

黄自华等[6]以4，4’-二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）、聚醚多元醇、扩链剂、匀泡剂、发泡剂和水为原材料，通过半预聚体法制备高速铁路用铁垫板下弹性垫板。研究了不同相对分子质量聚醚多元醇、异氰酸酯指数对弹性垫性能的影响。

随着组合料中聚醚多元醇P1含量的增多，铁垫板下弹性垫板的静刚度和动静刚度比增大。其原因是随着聚醚多元醇比例的增加，硬段相对含量增加，内聚能密度增大，硬段间形成的物理交联增多，导致硬度、强度和静刚度提高；由于硬段含量增加，分子链柔顺性降低；并且弹性变差，内耗增大，致使材料动静刚度比增大。随着异氰酸酯指数的增大，静刚度增大，动静比先减小后增大。分析认为，动静比实质是铁垫板下弹性垫板能量损耗大小的量度。在周期性加载过程中，铁垫板下弹性垫板的能量损耗，主要由高分子链段的构象改变、链段间的内摩擦及发泡剂与泡孔壁的摩擦引起。在产品受力形变过程中，铁垫板下弹性垫板将一部分机械能转化为热能，如果铁垫板下弹性垫板的形变越滞后于应变，能量损耗越大，动静比也越大；反之，如果微孔垫板的形变与应变的同步性越好，能量损耗就越小，动静比也就越小。随异氰酸酯指数的增大，刚性链段之间的化学交联增多，当升至1.02时，垫板的回弹性最好，内耗最少，当继续增大异氰酸酯指数时，垫板回弹降低，形变与应变的同步性越差，内耗增大，故动静比先减小后增大。

1.1.2 填料的影响

王巧玲等[7]研究了炭黑品种和用量对乙丙橡胶性能的影响。随着炭黑N330和N550用量的增大，动静刚度比均呈现增大趋势；填充相同用量时，填充炭黑N330胶料的动静刚度比比填充炭黑N550胶料的大。炭黑用量70份时，填充炭黑N330胶料和填充炭黑N550胶料的动静刚度比分别为1.81和1.71。

张宪清等[8]通过测试客运专线垫板的拉伸强度、200%定伸应力、动静刚度比及电阻等性能参数，研究了几种无机填料( 白炭黑、陶土及滑石粉)与无机补强填料萨博菲并用比例对客运专线橡胶垫板性能的影响。从4 种无机填料对丁苯橡胶性能的影响来看，成品静刚度及动静比由大到小顺序都是白炭黑、萨博菲、滑石粉和陶土。可以看出，萨博菲的综合性能最好。在110 份填料内，随着炭黑用量减小，垫板的静刚度逐渐减小，动静比逐渐变小。萨博菲与炭黑最佳比例为35∶75。

陈平等[9]使用5种不同无机填料（白炭黑、轻质碳酸钙、陶土、云母粉和硅藻土）进行了动静刚度比试验，结果表明，白炭黑的动静刚度比最大，达6.4，硅藻土的最小，为3.2。这是由于白炭黑粒径显著小于其他白色填料，其表面使用硅烷偶联剂处理，提高了白炭黑同橡胶的亲和力、湿润性和相容性，与橡胶大分子的界面作用增强，结合胶增多，也就越易形成网状结构，这些因素将导致更为强烈的粘弹滞后效应，增大滞后损失，最终导致胶料的动静刚度比提高；而硅藻土相对白炭黑粒径较大，同橡胶大分子链之间接触较少，当受到外力时，其粘弹滞后效应较小，损耗因子较低，从而表现出较低的动静刚度比。

王雪飞等[10]研究原位接枝改性炭黑补强NR的物理性能和动态力学性能, 考察用其制造的轴箱弹簧的刚度性能。结果表明,与未改性胶料相比, 原位接枝改性胶料的物理性能和动态力学性能均提高。未改性胶料和原位接枝改性胶料的轴箱弹簧动静刚度比分别为1.55和1.11。在较高频率条件下尤为显著, 产品的减震性能明显改善。

1.1.3 硫化体系的影响

张新欣等[4]研究了硫化体系对动静刚度比的影响。研究发现，普通硫化体系比半有效硫化体系具有较小的动静刚度比。随着硫化时间的延长，普通硫黄硫化体系胶料的动静刚度比增大，半有效硫化体系胶料的比较稳定。普通硫化体系的垫板过硫前后动静刚度比分别为1.87和2.20；而半有效硫化体系的垫板过硫前后动静刚度比分别为2.58和2.57。分析认为，这是因为在半有效硫化体系胶料的交联网络结构中硫原子与游离硫少，交联网络牢固，因而胶料的动静刚度比稳定。

王巧玲等[7]研究了硫化体系对三元乙丙橡胶垫板动静刚度比的影响。结果表明，随着硫黄用量从0.63份增大到2.5份，硫黄硫化体系的垫板的动静刚度比从1.8减小到1.37，呈现逐渐减小的趋势；随着硫化剂DCP用量从2.5份增大到4份，DCP硫化的垫板动静刚度比则呈现先减小后增大的趋势，动静比在2.19～1.95之间变化，比硫黄硫化体系的要大。

尉行等[11]研究了多马来酰亚胺（PAPI）对减振橡胶的动态生热、动静刚度比及裂纹扩展性能的影响。结果表明，PAPI的加入，使得橡胶的动刚度降低，静刚度升高，使动静刚度比降至1.21。同时，添加PAPI使得橡胶裂纹扩展速率明显下降，从而会提高减振橡胶的疲劳寿命。其中，PAPI用量为0.6份，动静刚度比值最低。从PAPI的化学结构上可以看出，其具有多反应性官能团，可以与橡胶上的双键发生烯反应起到交联作用，提高交联密度。

刘春亮等[12]以纳米粘土部分等量替代炭黑填充天然橡胶，制备纳米粘土/炭黑/天然橡胶复合材料，研究纳米粘土用量对复合材料动态性能的影响。结果表明：当纳米粘土用量较小时，纳米粘土/炭黑/天然橡胶复合材料中填料分散性较好；与炭黑/天然橡胶复合材料相比，纳米粘土/炭黑/天然橡胶复合材料的滞后损失、动刚度和动静刚度比降低，当纳米粘土等量替代炭黑后，复合材料的tanδ减小，当纳米粘土用量为2份时，复合材料的动态压缩生热和动静刚度比最低。加入纳米粘土可降低复合材料的动刚度和动静刚度比，提高动态性能。经过10万次疲劳压缩后，不同配方复合材料的动静刚度比均增大，但添加2份纳米粘土复合材料的动静刚度比仍最小。

赵云行等[13]通过掺加不同表面改性剂制作了5种配方试样，采用橡胶加工分析仪，材料疲劳试验机和冲击回弹试验仪，研究了有无表面改性剂以及不同种类表面改性剂对橡胶垫板动态性能的影响规律。研究结果表明：分别加入聚乙二醇、十二烷基苯磺酸盐、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、双（三乙氧基硅丙基）四硫化物后，橡胶动静刚度比、损耗功和力学损耗角正切tanδ均依次减小；储能模量依次减小，Payne效应越来越不明显；橡胶材料回弹性依次增大；动静刚度比与损耗功、回弹性和tanδ均有很好的相关性。分析认为，这是因为表面改性剂可以浸润填料粉体表面，促进了粉体与橡胶的界面结合，减小了填料网络在外力作用下破坏时能量损耗，增加了分子的柔顺性，对应力响应得更快，使得橡胶垫板的弹性变好，从而减小动静刚度比。

张世鑫等[14]研究沉淀法白炭黑在RP5高铁橡胶垫板中的应用。结果表明：当沉淀法白炭黑用量为20份时，硫化胶具有较高的拉伸强度，达到17.5MPa；动静刚度比达1.8，满足铁路行业相关标准的要求；电绝缘性能良好，工作电阻达1010欧姆。

1.2 加工工艺的影响

黄良平等[15]研究了硫化温度、时间、压力等工艺因素对橡胶垫板动静刚度比的影响。研究发现，在150℃硫化时,当硫化时间为15min时，橡胶垫板的动静刚度比较小,橡胶的溶胀指数也较小;在160℃下硫化时,硫化时间为13min时橡胶垫板的动静刚度比较小, 橡胶的溶胀指数也较小。硫化温度与时间对橡胶垫板动静刚度比的影响是通过橡胶交联密度的变化来体现的, 橡胶交联密度越大动静刚度比越小。硫化压力越大, 橡胶垫板的动静刚度比越小。硫化压力从5MPa 增大到45MPa,动静比从2.9减小到1.6。结果表明,硫化压力增大橡胶垫板动静刚度比减小。分析原因可能是硫化压力增大时橡胶有更大的致密度,在橡胶制品承受同等载荷时橡胶变形较小,因而滞后损失较小,结果产品的动静刚度比较小。

1.3 结构的影响

王斌仓[16]研究了网孔式轨下橡胶垫板。着重分析了不同的网孔几何参数（改变六边形网孔内径和网孔之间的间距）对橡胶垫板刚度特性的影响。利用三维建模软件 SolidWorks 建立了多种尺寸网孔式轨下橡胶垫板模型，导入 ABAQUS 软件对所有模型进行了模拟仿真分析，查看模型的应力分布情况，并依次计算了所建模型的静刚度、动刚度和动静刚度比，再通过试验验证，归纳了网孔结构变化时垫板刚度特性的变化规律。网孔式轨下橡胶垫板比沟槽式橡胶垫板具有更小的动静刚度比。网孔内径不变时，垫板动静刚度比随着网孔间距的增大而减小。增大网孔间距可以降低垫板的动静刚度比，且当网孔间距值增大至接近网孔内径时降幅较大，当网孔间距值大于网孔内径后降幅随之降低。网孔间距不变时，垫板动静刚度比随着网孔内径的增大而增大。发现网孔内径为 8mm、网孔间距为7mm 的网孔式垫板综合力学性能较为出色。

贺春江等[1]研究了发泡剂用量对微孔橡胶垫板动静刚度比的影响。动静刚度比随着发泡剂用量先减小后增大,呈峰值变化。发泡剂用量1.2份时，动静比为1.74，发泡剂用量1.8份时动静比最小，达1.53，发泡剂用量2.4份时动静比为1.58。为了便于分析，可以把微孔橡胶垫板看成是橡胶和泡孔的复合体。一方面空气气泡提供弹性，使气泡增加了微孔橡胶垫板的恢复能力。但是对于气泡而言，空气实际上并不是无内耗的理想气体。能量损耗存在于两个方面: 首先，在往复力作用下，空气压缩恢复过程中会有部分机械能转化为热能; 再者，微孔中空气与橡胶壁摩擦生热也会使部分机械能转化为热能而消耗。随着发泡剂用量增大泡孔逐渐增多; 微孔提供的弹性逐渐增大，所以动静刚度比逐渐减小; 微孔进一步增大，空气与气壁的接触面积增大，空气与气壁摩擦生热能量损耗也逐渐增大。亦即，动静刚度比随着发泡剂用量先减小后增大。

李铁等[17]研究了发泡密度与动静比的关系。当发泡密度分别为1.10、0.83、0.56 g /cm3,动静比分别为2.87、1.94、1.83。动静比随着发泡密度降低而降低。

施成旺等[18]研究了发泡剂OBSH-75用量对BR/SBR并用发泡材料泡孔结构和动静刚度比的的影响。研究发现，发泡剂用量从0.5增大到3份时，BR/SBR并用发泡材料泡孔直径从400μm减小到175μm，动静比从1.6减小到1.32。

黄自华等[6]研究了产品密度对动静刚度比的影响，在密度780～850 kg/cm3范围内，随着产品密度增加，动静刚度比从1.2上升到1.3，增长幅度较缓；产品的静刚度逐渐增大，且分为两个阶段，密度大于815kg/cm3时，静刚度增幅明显。

1.4 测试条件的影响

贺春江等[19]建立了微孔橡胶垫板结构简化模型,对动静比与能量损耗的关系进行了定性分析,并考察了测试频率和加载力值对动刚度和动静比的影响。结果表明,动静比实质上反映了橡胶垫板内耗的大小。在外力作用下,橡胶垫板的内耗越大,则动刚度和动静比越大;随着测试频率和加载力值的增加,动刚度和动静比均增大。

李红微等[20]研究了振幅、温度等参数对橡胶悬置动静刚度比的影响。研究表明，在0.3～2 mm的振幅范围内，在载荷一定、频率一定的前提下，振幅越小，振动引起的高分子链段运动程度越小，回弹相对较快、能量损耗较小，因此动静刚度比越小。在-25～50 ℃范围内，温度越高，动静刚度比越小；且随着温度增高，振动频率增大对动静刚度比的影响越小。

2 结论

动静刚度比实质是由于橡胶的粘弹性所致，在外力作用下，由于分子内摩擦而导致能量损耗，形变滞后于应变。

（1）生胶分子链越柔顺，侧链上的基团体积越小，动静比越小。填料结构度越小、粒径越大、填料表面与橡胶亲和性越好，填料用量越少，分散性越好，动静比越小。硫黄硫化体系比过氧化物硫化体系的动静刚度比小，普通硫化体系比半有效硫化体系的动静比小。

（2）调整硫化时间、温度和压力，增大交联密度，都有利于减小动静比。

（3）结构对动静刚度比影响显著，开孔或开沟槽以及发泡都可以降低动静刚度比。发泡倍率及泡孔直径对动静刚度比有显著影响。

（4）测试条件对动静刚度比有影响，测试频率降低、加载力值减小、振幅减小、测试温度升高，都有利于减小动静比。

3 展望

（1）目前橡胶制品的动静刚度比的测试多集中在出厂检验环节或者制品安装使用前，橡胶制品使用几年之后或者老化之后动静刚度比如何变化，尚没有系统的研究。由于铁路橡胶制品大多使用4年以上，有必要开展老化后动静刚度比变化的研究。

（2）目前关于橡胶制品动静刚度比的研究结构、材料都是相对独立的。橡胶制品使用时，结构和材料同时对动静刚度比起作用。材料研究人员为了获得较低的动静刚度比往往会牺牲部分其他性能，如成本、加工性或拉伸强度等。建议橡胶制品设计和材料研发人员在产品设计之初就密切合作，共同优化产品设计，以期获得较优的使用性能及寿命。