橡胶元件的性能指标及损坏形式

1.橡胶的主要性能指标

（1）硬度

表示橡胶抵抗外力压入的能力，也是所有胶料的基本性能。橡胶的硬度在一定程度上与其他一些性能相关。例如，胶料的硬度愈高，相对地说，强度就较大，伸长率较小，耐磨性较好，而耐低温性能就较差。高硬度橡胶能抗高压下挤压破坏。因此应根据零件工作特性选用合适的硬度。

橡胶硬度低则承载能力不高，易产生过大的变形；硬度过高则橡胶缺乏弹性，容易产生塑性变形，寿命短。一般用作弹性元件的橡胶硬度为邵氏30~90。（2）拉伸性能

拉伸性能是所有胶料应首先考虑的性能，包括拉伸强度、定伸应力、伸长率、扯断伸长率和扯断永久变形，以及应力—应变曲线。拉伸强度是试样拉伸至断裂的最大拉伸应力。定伸应力（定伸模量）是在规定伸长时达到的应力（模量）。伸长率是试样受拉伸应力而引起的变形，用伸长增量与原长之比的百分数表示。扯断伸长率则是试样拉断时的伸长率。扯断永久变形是拉伸断裂后标距部分的残余变形。

（3）压缩性能

橡胶密封件通常处于受压缩状态。由于橡胶的粘弹性，橡胶受压缩后，压缩应力会随时间而减小，表现为压缩应力松弛；除去压力后，不能恢复原来的外形，表现为压缩永久变形。在高温油介质中，这些现象更为显著。它们会影响密封件的密封性能，是密封件用胶料的重要性能之一。

（4）耐油性能

橡胶在油介质中（燃油、润滑油、液压油等），特别在较高温度下，会导致膨胀、软化和降低强度、硬度，同时橡胶中的增塑剂或可溶性物质可能被油浸出，导致重量减轻，体积减小，引起泄漏。因此橡胶的耐油性是在油介质中工作胶料的重要性能。一般是在一定温度下在油中浸泡若干时间后测定其重量变化、体积变化以及强度、伸长率和硬度的变化。有时也可用耐油系数表示，即在介质中浸泡后的强度或伸长率与原始强度或伸长率之比。

（5）耐老化性能

橡胶受氧（空气）、臭氧、热、光、水分和机械应力等因素的作用后会引起性能变坏，称为橡胶的老化。橡胶的耐老化性能可通过自然老化和人工加速老化

试验（热老化、湿热老化、臭氧老化等）测定。耐老化性可用老化后试样的强度、伸长率或硬度等性能的变化表示，也可用老化系数表示，即老化后试样的拉伸强度、扯断伸长率或拉伸强度与扯断伸长率的相乘积与原始值之比，相应地称为按拉伸强度计算的老化系数（简称按强度计老化系数）、按扯断伸长率计算的老化系数（简称按伸长计老化系数）或按抗张积计算的老化系数（简称按抗张积计老化系数）。

2.橡胶元件的损坏形式

Centaflex挠性联抽节在使用中出现的三种主要损坏形式：

（1）热老化引起的损坏：如同刀切，直线开裂，与橡胶压缩——拉伸方向垂直，有的沿整个圆周发生，有的只是局部发生。裂纹由表而开始向内部发展，然后整个橡胶断开，橡胶表面明显硬化，硬化区域只停留在表面，而其内部硬度几乎同新品一样。

（2）扭矩过大引起的损坏：多见于柴油——发电机组。在发电机起动和停车过程中，橡胶体承受的扭矩值是通常情况下的5~10倍，这种情况下，开裂方向不规则

（3）疲劳破坏

机理：

目前对于橡胶元件的疲劳破坏机理主要有三种观点[1] :唯象论、断裂力学理论和分子运动论。唯象论认为, 橡胶的疲劳破坏和其他材料一样, 也是由于材料内部或表面已经存在的或引入的微小缺陷引发的裂纹并不断传播扩展而导致的。断裂力学认为, 破坏是基于裂纹扩展而并非材料塑性变形所致, 裂纹的扩展可以看做是在裂纹尖端处的分子链在高度应力集中情况下产生粘弹性伸长, 直至断裂。分子运动论认为, 橡胶的疲劳破坏源于材料自身分子链上化学键的断裂, 即在周期应力应变的作用下, 应力不断的集中于化学键能比较弱的部位而产生裂纹。右田哲言[2] 研究了SBR 的硫化橡胶的拉伸疲劳性能, 认为橡胶的疲劳破坏机理与疲劳条件有关。在疲劳条件十分苛刻的情况下, 疲劳破坏可以看作是单纯破坏的继续, 不能看作是微小破坏的扩展; 而在疲劳破坏条件轻缓的情况下, 疲劳破坏才可以看作是微小破坏的扩展。

橡胶元件疲劳寿命的影响因素：

a.力学加载过程的影响:

橡胶元件一般适合于三种特殊的使用情况: 减振、承受符合和密封。而这三种使用情况都涉及到动态响应, 只要构件承受反复作用的载荷, 就可能导致构件的疲劳破坏。在橡胶元件动态疲劳过程中, 所加周期载荷的过程不同, 其疲劳寿命也不同。研究表明[6] : 最小应变和载荷比R 增大时, 橡胶元件的疲劳寿命增加; 当载荷比R为负值时, 尤其当R=-1时, 即使采用最低的载荷, 疲劳裂纹也会增大, 且结晶不会发生; 当载荷比R较大时, 在裂缝尖端处出现橡胶结晶, 阻碍了裂纹增长。

b.硫化体系的影响

c.不同补强体系的影响

d.工作环境的影响

天然橡胶的疲劳性能与其工作环境也有一定的关系。谢基龙[10]利用哑铃状橡胶试件, 研究了空气、氮气和水蒸气环境对天然橡胶的疲劳寿命的影响。研究结果表明: 在惰性气体(氮气)中天然橡胶疲劳寿命比空气中有一定提高, 而在水蒸气中无明显变化。而且惰性气体(氮气) 使疲劳裂纹增长速度下降, 氧和臭氧使疲劳裂纹增加加速。同时, 操作温度对向橡胶的疲劳寿命也有很大影响, 天然橡胶的疲劳寿命随温度的升高而降低。

e.不同评定方法的影响

（4）共振引起的损坏

在某一运转转速下，发生扭振共振，应力过大，造成强度断裂。

内燃机试验台架上的“转速禁区”

王树基

摘要:本文以抽系扭转振动的观点，分析了某些内燃机试验台架出现水力测功器端盖轴承损坏及弹性联轴器橡胶元件快速磨损的原囚。认为这些用弹性联轴器传动的试验台轴系，在发动机的较低转速范围存有一个单节点的共振现象，其节点在弹性联抽器橡胶元件转化的当量轴段上。当发动机起动后的暖车过程中，经常在此共振转速范围运转时，是造成橡胶元件快速磨损和水力测功器端盖轴承损坏的主要原因。

一、问题的提出

对于由发动机通过弹性联轴器带动水力测功器组成的内燃机试验台架，以往没有提出“转速禁区”的概念。通常所指“转速禁区”是指发动机曲轴在某一转速范围内因扭转振动而产生的附加应力超出了许用值，从而不允许发动机在这一转速范围内长期运转而确立的。作者认为，对于发动机—弹性联轴器—水力侧功器这一轴系，为保证联轴器橡胶元件及水力测功器端盖轴承工作的可靠性，也应提出一个“转速禁区”，以使一试验人员在起动发动机的暖车过程中，以及进行各种试验时，尽量避开或迅速通过这一转速范围。

在一些发动机试验室里，经常出现弹性联轴器橡胶元件快速磨损，以及水力测功器靠发动机一端的端盖轴承损坏的故障。一般人们总是把原因归结为橡胶元件质量不好，或装配过中发动机与水力测功器对中不好所致。于是，往往采取更换橡胶元件及重新一调整发动机与水力测功器的对中性等措施。在我院内燃机试验室的D650水力测功器试验台架上，安装了济南内燃机厂生产的61200型柴油机，利用弹性橡胶圈联轴器传动。经过一段时间的试验运转后，除联轴器的橡胶圈磨损严重外，D650水力测功器靠柴油机一端的端盖轴承(F226型单列向心球轴承)大部分钢球碎裂，轴承支承架完全破坏。类似现象也曾出现在其它一些内燃机试验台架上，例如，某12V160型架油机—弹性联轴器—H理水力测功器试验台架等。

二、原因分析

在对6120型架油机—弹性联轴器—水力测功器这一轴系的扭转振动测试中发现，当柴油机转速在800转/分左右时，有一个由3阶简谐力矩激起的扭转振

动的共振现象。其共振振辐为0.3556，轴系固有频率为2400次/分。同时发现，在这一转速附近，整个试验台噪音突然加大很多，而低于或高于该转速时，噪音显著减小。如果脱开弹性联轴器，对柴汕机单机轴系进行扭振测量，发现并不存在这一低频共振现象说明这一低频共振是柴油机—弹性联轴器—水力测功器轴系所特有的扭振现象。

为了确定轴系的扭振振型、节点位置及节点数，在我院进行扭振计算。