橡胶减震

随着现代工业的飞速发展，震动和噪音已经成为各个领域的严重问题：它会降低操作精度，影响产品质量；缩短产品寿命，使得高精仪器不能正常工作；危及安全性，使设备或构建物早期破坏；污染环境及影响人身健康，诸如地震之类的震动甚至还给人类的生命财产造成极大的损害。因此，研究和掌握震动控制与噪音控制技术已是各国工业发展面临的重大课题。消除震动和噪音的最根本和最好方法是减少或者消除震动源的震动，但实际上要想完全消除震动源的震动是不可能的，因此必须采取其他控制震动的方法。实际应用中最广泛、最有效的方法是使用各种减震制品，尤其是橡胶减震制品。它能够有效地隔离震动与激发源，还可以缓和震动体的震动，因此被广泛地应用于各种机动车辆、飞机、船舰等的动力机械及风机、水泵等辅助设备和仪器的震动隔离。近年来，一些大型建筑物和桥梁等也采用了隔离地震的层压橡胶垫支撑建筑物。对于结构震动和结构噪音的阻尼处理，也广泛地使用特殊的橡胶材料，称为黏弹性高阻尼材料。

1 橡胶的减震作用及减震橡胶材料

橡胶的特点是既有高弹态又有高黏态，橡胶的弹性是由其卷曲分子构象的变化产生的，橡胶分子间相互作用会妨碍分子链的运动，又表现出黏性特点，以致应力与应变往往处于不平衡状态。橡胶的这种卷曲的长链分子结构及分子间存在的较弱的次级力；使得橡胶材料呈现出独特的黏弹性能，因而具有良好的减震、隔音和缓冲性能。橡胶部件广泛用于隔离震动和吸收冲击，就是因为其具有滞后、阻尼及能进行可逆大变形的特点。橡胶的滞后和内摩擦特性通常用损耗因子表示，损耗因子越大，橡胶的阻尼和生热越显著，减震效果越明显。橡胶材料损耗因子的大小不仅与橡胶本身的结构有关，而且与温度和频率有关。在常温下，天然橡胶(NR)和顺丁橡胶(BR)的损耗因子较小，丁苯橡胶(SBR)、氯丁橡胶(CR)、乙丙橡胶(EPR)、聚氨酯橡胶(PU)和硅橡胶的损耗因子居中，丁基橡胶(HR)和丁腈橡胶(NBR)的损耗因子最大。用作减震目的的橡胶材料一般分5种，即NR，SBR，BR为普通橡胶材料；NBR用于耐油硫化胶；CR 用于耐天候硫化胶；IIR 用于高阻尼硫化胶；EPR 用于耐热硫化胶。NR 虽然损耗因子较小，但其综合性能最好，具有优异的弹性，耐疲劳性好，生热低，蠕变小，与金属件黏合性能好，耐寒性、电绝缘性和加工性能也好，因此NR被广泛地用作减震目的，要求耐低温或耐天候性能时，可与BR或CR并用或共混改性。Nishiue等采用NR、BR及碳原子数大于4的含有-OH基团有机酸的金属盐制成的减震器具有较好的耐久性能，在70℃×22h和40℃×148h条件下的压缩永久变形分别为17.0%和11.7%。由于EPDM耐天候、耐臭氧老化、电绝缘性、耐热和耐寒等性能优异，近年来受到广泛关注。最近，日本三井化学公司与鬼怒川橡胶公司通过采用高相对分子质量的EPDM与低相对分子质量的EPDM并用，合作开发出一种新型耐热减震橡胶材料，并获得了日本专利。该减震橡胶的各项测试表明，其减震性能与NR相同，但其耐热性、低温柔软性要比NR等其他橡胶好。Iizumi采用EPDM制成用于汽车部件上的减震器用橡胶材料，具有很好的耐热性，在190℃×5h热老化后，材料仍具有很好的层间黏合性能。对低温动态性能要求苛刻的减震橡胶，往往采用硅橡胶；当要求高阻尼时可采用IIR 或卤化IIR；PU 具有优良的耐磨性、耐屈挠性和对烃类燃料及大部分有机溶剂的抵抗能力，同时具有很高的物理性能、良好的电绝缘性、黏合性和耐老化性能。PU 在减震隔音方面也得到了广泛应用，如Adachi 等采用PU 制得减震和隔音良好的橡胶片层，应用到地板、天花板及弯曲板后，效果良好。

2 减震橡胶制品的发展与应用

橡胶减震制品一般又称为橡胶减震器。橡胶减震器的种类很多，从其受震动力的情况来看，可分为压缩型、剪切型、扭振型、冲击型和混合型等。随着科技的发展，橡胶减震器的种类也越来越多，用途也越来越广，以下从橡胶减震器的应用领域对其发展和应用前景进行概述。

2.1 汽车用橡胶减震器

随着社会经济的发展，国内外汽车的改型换代相当频繁，汽车工业正面临一个迅速变革的时期，发展的特点是在保证驾驶安全性、乘坐舒适性、行驶高速性以及豪华性的前提下，进一步提高汽车的使用寿命。减震制品用于控制汽车的震动和噪声及改善其操纵稳定性，一般置于汽车发动机机架、压杆装置、悬挂轴衬、中心轴承托架、颠簸限制器和扭振减震器等部位，以改善汽车的安全性和舒适性。减震制品可分为支架类、轴衬类、缓冲类和阻尼类四大类，主要要求减震性、耐热性和耐疲劳性好。汽车减震橡胶制品包括发动机支座、悬挂构件、橡胶弹簧、橡胶空气弹簧和碰撞橡胶防护件等。近年来，为提高汽车的安全性、舒适性和操作性，汽车用减震橡胶制品的品种和数量不断增多，如一辆轿车上减震橡胶制品的数量已达50-60件。发动机及传动操作系统用橡胶减震器用来隔绝震源的震动。传动部分的减震采用多边联轴节、阻尼离合器。前、后悬挂装置上使用的减震器不仅要承担车体重量，还要使车体不致传递车轮的上下振动，抑制簧下质量的不规则运动，传递动力和制动力。橡胶缓冲器是车体的重要减震器之一，其结构形式是2块金属板之间夹有橡胶层，利用橡胶的剪切变形达到缓冲的目的。近期又开发出充氮气、与减震器油共存的筒式缓冲器，特点是提高缓冲器的载荷能力(最高达20 MPa)，减震效果好，且延长其使用寿命。汽车用橡胶减震器采用的橡胶材料以NR 和SBR 为主。为改进减震制品的耐热性，已开始用IR，IIR，CR，EPDM等作主体材料。热塑性弹性体也将用于部分减震制品，如车身与底盘的减震器等。如浙江海门橡胶厂采用NR/CR并用研制出了轿车底盘弹簧座减震器，效果良好。

2.2 铁路机车及铁路轨枕垫用橡胶减震制

根据统计，国内铁路和机车使用的各种橡胶材料和部件约有1万多种，消耗橡胶约10 kt/a。随着铁路机车车速的提高，对线路的动力作用急剧增加，引起线路、轮箍及机车行走部分的元件产生剧烈的磨损，铁路机车各部位对抗震性的要求越来越高，橡胶减震器应用越来越普及，因而减震橡胶制品在机车上的应用品种和数量越来越多。铁路机车上的减震橡胶制品主要有中央支承橡胶堆体、轴箱拉杆橡胶弹簧体、旁承橡胶堆、电机悬挂橡胶垫、弹性车轮、弹性齿轮、橡胶空气弹簧、传动装置的弓形橡胶块和橡胶球铰、车钩橡胶缓冲器等。应用于机车上的橡胶减震器，其主要作用是承受压缩应力、剪切应力和扭转力矩，以及同时承受2种或2种以上的应力复合作用。随着我国铁路建设的飞速发展，铁路轨枕也由枕木逐渐改换为混凝土轨枕。改换后虽然轨枕的使用寿命延长，轨道框架结构的稳定性提高，但轨道的弹性显著下降，造成了轨道对轮轨冲击的缓冲性变劣。为提高混凝土轨枕的缓冲性能，减少轨枕对道床的冲击力，增加绝缘性，目前国内外均采用弹性高聚物来解决混凝土轨枕轨道的弹性问题。橡胶轨枕垫就是用于钢轨和混凝土轨枕之间或枕下的弹性垫(此外还有软土橡胶轨枕垫、层压木轨和塑料轨枕垫等)，橡胶轨枕垫以其独特的弹性和良好的绝缘性能而被广泛地应用于铁路线上。

根据用途不同，混凝土轨枕橡胶垫板一般分为枕上(钢轨下)垫板和枕下垫2 种类型。橡胶轨枕垫由于长期裸露在大气中和置于枕底下使用，不断经受机车经过时