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橡胶减振系统

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减震途径

减震橡胶用于防止振动和冲击传递或缓冲振动和冲击的强度。减震橡胶广泛用于各种机动车辆、设备仪器、自动化办公设施和家用电器中。近年来,一些大型建筑物和桥梁、计算机房等,也采用了隔离地震的层压橡胶垫支撑建筑物,以降低建筑物的地震响应。通常控制振动是通过如下三个途径:①降低震源的激发力;②将震动与激发源离开(隔震);③缓和震动体的振动。减震橡胶主要用于后二者。 

减震指标

从减震橡胶的减震原理和减震器的设计计算可知:当橡胶减震器的结构形状确定之后,减震橡胶的主要性能指标如下:
①硫化胶的静态刚度(K),也即硫化胶弹性模量的大小。因为减震橡胶的固有频率(w0)是随刚度K而变化的,当机器的质量M已知时,减震橡胶的总刚度K=Mw0
②硫化胶的阻尼性能。作为减震器的减震橡胶,其主要功能是吸收震源发出的振动能量,特别是阻止由于振动波产生的共振效应所导致的同步振动,其减震效果与橡胶的阻尼性能密切相关。橡胶的阻尼来源于大分子运动的内摩擦,是高分子力学松弛现象的表现,是橡胶材料动态力学性能的主要参数之一。
橡胶阻尼性能通常用阻尼系数tanδ表征。为了获得较好的减震效果,希望tanδ能满足以下两点要求:第一,在制品使用的频率范围和温度区间,tanδ值较大;第二,tanδ峰较宽,以保证在较大的范围内,减震效果较好,降低其对温度和频率的敏感性。随着频率的增加,动态模量增大,损耗角达到峰值。这个峰值的出现是因为材料变为玻璃态,提高频率可以等效于降低温度。橡胶的阻尼系数是减震橡胶重要指标之一,一般阻尼大一些对减震是有益的。但阻尼大会导致橡胶在动态下生热多,影响制品的老化性能。因此,为了兼顾橡胶的减震性和生热性,必须适当的调节和控制橡胶的阻尼系数tanδ。 

动态模量

按主载荷的方向分类,减震橡胶的形状有压缩型、剪切型、复合型。产品之所以具有这些形状,是为了使减震橡胶的三方向(横向、纵向、铅垂)的弹簧常数能适应广泛的要求。不同的减震制品对动态模量也有不同的要求。根据高聚物分子结构与动态力学性能的关系可知,用作减震橡胶的分子结构特点是分子链刚柔适当,因为柔性过大的分子,松弛时间太快,不能充分体现它的黏性行为。减震橡胶的配方设计,除考虑上述关键性能指标之外,还应根据减震器的类型和使用条件,考虑疲劳、蠕变、耐热以及与金属黏合强度等性能。 

橡胶的选择

减震橡胶的刚度(弹性模量)主要是通过调节填充剂和增塑剂来达到,而受胶种的影响较小。其阻尼性能则主要取决于橡胶的分子结构,例如分子链上引入侧基或加大侧基的体积,可阻碍橡胶大分子的运动,增加分子之间的内摩擦。使阻尼系数tanδ增大。结晶的存在也会降低体系的阻尼特性,例如在减震效果较好的氯化丁基橡胶中混入结晶的异戊二烯橡胶,并用体系的阻尼系数将随异戊胶含量增加而降低。
在通用橡胶中,丁基橡胶丁腈橡胶的阻尼系数较大;丁苯橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶、乙丙橡胶的阻尼系数中等;天然橡胶和顺丁橡胶的阻尼系数最小。天然橡胶虽然阻尼系数较小,但其综合性能最好,耐疲劳性好,生热低、蠕变小,与金属件黏合性能好。因此,天然橡胶广泛地应用于减震橡胶。如要求耐低温,可与顺丁橡胶并用;要求耐天候老化时,可选用氯丁橡胶;要求耐油时,可选用低丙烯腈含量的丁腈橡胶;对低温动态性能要求苛刻的减震橡胶,往往采用硅橡胶。一般要求低阻尼时,用天然橡胶;当要求高阻尼时,可采用丁基橡胶。 选择具有一定相容性和共硫化性的橡胶共混,是加宽阻尼峰宽度的有效方法,这对提高阻尼特性和改善其他性能都是有利的。
硫化体系对减震橡胶的刚度、阻尼系数、耐热性、耐疲劳性均有较大的影响。 一般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。使用传统硫化体系,并适当提高交联程度,对减震和耐动态疲劳性有利,但耐热性不够。例如天然橡胶采用有效硫化体系和半有效硫化体系时,虽然耐热性得到改善,但抗疲劳性能以及金属件的黏着性则有下降的趋势。因此,必须要使这些性能得到恰当的平衡。 


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