船用環(huán)氧樹脂墊片的澆注成型及相關(guān)力學(xué)性能研究

李天勻 劉鵬飛 朱 翔 王 仙

1 華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢 430074 2 中國船舶重工集團公司，北京 100097

1 引 言

墊片在船舶設(shè)備及裝置的校中和定位環(huán)節(jié)中發(fā)揮著重要作用。與過去大量使用鋼質(zhì)墊片不同，目前，澆注型環(huán)氧樹脂墊片的應(yīng)用越來越廣泛。環(huán)氧樹脂具有隔熱、隔振、抗壓和耐腐蝕的特性，可實現(xiàn)現(xiàn)場澆注、室溫固化、一次成形，不僅能縮短施工周期，降低勞動強度，還可提高經(jīng)濟效益［1-2］。我國的修造船業(yè)也迅速掌握了澆注型環(huán)氧樹脂墊片的工藝特點和技術(shù)關(guān)鍵，并已將其廣泛應(yīng)用于主、輔機和甲板機械的安裝、軸系的校中以及美人架的定位等中［3-5］。

相關(guān)文獻對環(huán)氧樹脂墊片的工藝實施過程研究較多，對澆注過程中墊片的成型特點、墊片靜態(tài)力學(xué)參數(shù)及設(shè)備隔振器下使用環(huán)氧樹脂墊片后的阻抗研究則相對較少，而力學(xué)參數(shù)及阻抗性能又是減振降噪領(lǐng)域需要考慮的重要問題。因此，本文將結(jié)合工程應(yīng)用，對3種主要類型的船用環(huán)氧樹脂材料澆注墊片的特點及相關(guān)力學(xué)性能進行研究，進而分析不同墊片的位移振級落差特性。研究結(jié)果可為工程設(shè)計及應(yīng)用提供參考。

2 船用環(huán)氧樹脂墊片的應(yīng)用特點

船用環(huán)氧樹脂的質(zhì)量要求較高，目前，成熟的產(chǎn)品主要為以下3家公司生產(chǎn)的專業(yè)產(chǎn)品：美國費城樹脂公司的Chockfast系列，制作船舶主機墊片時采用 Chockfast Orange系列；德國 H.A Springer公司生產(chǎn)的Epocast系列，制作主機墊片時采用Epocast 36系列；寧波市北侖科技實業(yè)有限公司的 JN-120A 系列［6］。

在船舶主機安裝中，傳統(tǒng)的方法是采用鉗工拂配鋼質(zhì)（或鑄鐵）墊片工藝。但金屬墊片的使用存在諸多弊端：機加工面多，拂刮工作量大；勞動強度大，施工周期長；金屬墊片受力單一，而底腳螺栓受力復(fù)雜；金屬墊片是剛性件，當(dāng)用于動力裝置的安裝時，它基本不產(chǎn)生減振效果等?；诖?，人們便開始不斷尋找能高效率、高質(zhì)量地進行設(shè)備安裝，縮短修、造船周期的新方法。自20世紀(jì)70年代起，在船舶機械設(shè)備的安裝中，環(huán)氧樹脂墊片（圖1）已逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鑄鐵、鑄鋼墊片，這一造船新材料和新工藝的應(yīng)用日趨廣泛。

為推廣該技術(shù)，國家于1993年頒布了《船用環(huán)氧機座墊片技術(shù)條件》（CB／T3514-92）［7］。與金屬墊片相比，環(huán)氧樹脂墊片具有施工周期短、連接強度高、綜合性能好及減振效果較明顯等特點。環(huán)氧樹脂屬非金屬材料，其與鋼相比硬度低，與鑄鐵相比塑性大（約大25倍），并且其接觸面積大，中高頻吸振性能好［8］，能有效減少動力裝置運轉(zhuǎn)時的振動和噪聲。

3 環(huán)氧樹脂墊片的澆注成型特點及參數(shù)測試

3.1 環(huán)氧樹脂澆注成型

澆注墊片依據(jù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為 《船用環(huán)氧基座墊片技術(shù)條件》（GB／T3514-92）以及各廠家提供的環(huán)氧樹脂澆注說明書。澆注?？蛉鐖D2所示。?？虿馁|(zhì)為1 mm厚的不銹鋼板，高50 mm；螺栓孔塞材質(zhì)為塑膠棒，直徑26 mm，高60 mm。

按照要求，澆注了3種不同材料的環(huán)氧樹脂墊片共9塊，尺寸如表1所示。澆注成型后的墊片如圖3所示。

通過觀察、分析，試驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象如下：

1）攪拌后，Epocast 36和Chockfast Orange澆注料的流動性要好于JN-120A澆注料。

2）不同型號的環(huán)氧樹脂其放熱反應(yīng)現(xiàn)象的差別較大。材料的放熱速度依次為Chockfast Orange＞Epocast 36＞JN-120A，放熱達到的最高溫度依次為 Chockfast Orange＞Epocast 36＞JN-120A，放熱時長依次為 Chockfast Orange＞Epocast 36＞JN-120A。

3）環(huán)氧樹脂的固化放熱速度受圍擋材料的影響。以Chockfast Orange材料為例，在澆注完成10 min時，墊片中部的溫度達到了180℃以上，四周靠近海綿處約為120℃，四角的溫度約為25℃。

表1 澆注試驗墊片尺寸Tab.1 The dimensions of gaskets

經(jīng)分析可知，圍擋材料對環(huán)氧樹脂墊片固化放熱速度的影響較大。局部溫度的不均勻會造成固化速度的差異，進而引起墊片體積、形狀的變化，嚴(yán)重時，還將造成裂紋。為使其放熱均勻，減少因熱應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋的可能性，應(yīng)盡可能使用同種圍擋材料，如用泡沫軟套管堵塞螺栓孔（廠商推薦）。

4）澆注完成后，在Epocast 36和Chockfast Orange兩種材料表面逐漸形成許多小氣泡，而JN-120A材料則不明顯。

經(jīng)分析可知，前兩種材料的放熱溫度約為后者的5～6倍，溫度越高越容易產(chǎn)生氣泡。固化完成的墊片經(jīng)打磨后無氣泡，可認(rèn)為氣泡僅在墊片表面。

3.2 靜態(tài)力學(xué)參數(shù)測試

將澆注環(huán)氧樹脂小樣塊作為試驗測試的試件。由于將試件加工成標(biāo)準(zhǔn)壓縮試件工藝難度大，報廢率高，故利用電阻應(yīng)變片測量材料的彈性模量和泊松比。進行壓縮試驗時，由于難以保證對試件進行理想的軸線加載，往往會出現(xiàn)偏心壓縮的情況，而在矩形截面長方體試件中部兩側(cè)對稱粘貼一個雙向（軸向和橫向）應(yīng)變片，則可消除彎曲變形的影響，進而測量得到偏心壓縮狀態(tài)下材料的彈性模量和泊松比［9］。將試件安裝在萬用材料試驗機上（圖4），將4個應(yīng)變片的導(dǎo)線分別接入預(yù)調(diào)平衡的靜態(tài)應(yīng)變測試儀的接線柱上，采用公共溫度補償片，電橋采用1／4橋接法。測試結(jié)果如表2所示。

表2 彈性模量與泊松比的比較Tab.2 The comparisons of elastic modulus and Poisson’s ratio

由表2可知：

1）與廠家提供的參考數(shù)據(jù)相比，3種環(huán)氧樹脂材料的實測彈性模量E均偏大，JN-120A的偏大 33.3%，Epocast 36 的偏大 30.8%，Chockfast Orange的偏大76.5%。在澆注成型的過程中需加入固化劑，廠家會提供固化劑投入量曲線或表格，它與墊片厚度和鋼板溫度有關(guān)。因環(huán)氧樹脂材料的彈性模量本身會隨溫度的變化而發(fā)生改變，而本次試驗條件與廠家的試驗條件存在差異，因而結(jié)果不一致。另彈性模量與試件澆注的質(zhì)量也有關(guān)，故其值需根據(jù)實際情況對樣品進行實測得到。

2）JN-120A環(huán)氧樹脂的實測泊松比μ與廠家提供的參考值相差較大。因環(huán)氧樹脂材料的泊松比與配方和使用情況有關(guān)，不是一個固定值，因此也需實測得到。

4 安裝環(huán)氧樹脂墊片后的位移阻抗（動剛度）測試

在實際結(jié)構(gòu)中，墊片通常安裝在隔振器與基座之間，隔振器安裝在機座之下?？蓪惭b墊片的隔振器視為一個系統(tǒng)，測試該系統(tǒng)低頻垂向位移阻抗（即動剛度），為安裝環(huán)氧樹脂墊片后隔振系統(tǒng)的隔振性能分析提供依據(jù)。

在墊片的材質(zhì)上，選擇JN-120A、Epocast 36和Chockfast Orange這3種型號的澆注型環(huán)氧樹脂墊片，并選擇金屬墊片作為試驗對照組。

試驗前，將橡膠隔振器（型號JSD-1500）與不同材料的調(diào)整墊片固定在試驗夾具上，安裝于MTS landmark 370.50 型阻抗試驗機上（圖 5）。 依據(jù)美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-M-24476B，測試垂向位移阻抗。對試驗機力和位移值置零，并將隔振器采用力控制方式垂向預(yù)加載至24.50 kN，待變形穩(wěn)定后，再次對試驗機位移值置零。試驗采用位移方式控制，正弦波加載，每峰峰值對應(yīng)的頻率分別為6.0～10.0 Hz，步長為 1.0 Hz。 測試結(jié)果如圖 6 所示。

對比安裝不同材料墊片的隔振器系統(tǒng)的垂向位移阻抗，可得出以下結(jié)論：

1） 激振峰峰值一定，激振頻率 f（Hz）與位移阻抗ZD（kN／m）近似擬合成線性關(guān)系：

式中，c為實常數(shù)，kN/m，其因墊片材料的不同而不同。

低頻時，與隔振器阻抗相比，墊片及阻抗平臺基礎(chǔ)的阻抗要大10倍以上，這時，從理論上可忽略它們的影響，系統(tǒng)的阻抗主要由橡膠隔振器決定［10］。此時，隔振器的阻抗和頻率關(guān)系應(yīng)與設(shè)置金屬墊片后的擬合表達式接近，當(dāng)串聯(lián)墊片后，位移阻抗（動剛度）值會減小。這些理論分析的結(jié)果與試驗結(jié)果是吻合的。

2）激振頻率相同，3種安裝環(huán)氧樹脂墊片的隔振器系統(tǒng)的位移阻抗較接近。其中，安裝Chockfast Orange環(huán)氧樹脂墊片的隔振器系統(tǒng)的位移阻抗值最小，安裝金屬墊片的隔振器系統(tǒng)的垂向位移阻抗均較安裝環(huán)氧樹脂墊片時約大0.1 kN ／mm。

按照四端參數(shù)法［11］和阻抗分析流程［12］，可得到安裝墊片后隔振系統(tǒng)的位移振級落差LD：

式中，ZF為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的位移阻抗，kN／m。

結(jié)合測試結(jié)果可知，在隔振器下安裝環(huán)氧樹脂墊片后的低頻位移振級落差值大于金屬墊片時，在低頻時也有一定的減振效果。按照位移阻抗與速度阻抗和加速度阻抗的關(guān)系，也可獲得速度振級落差和加速度振級落差的評價效果。

5 結(jié) 語

澆注型環(huán)氧樹脂墊片具有隔熱、隔振、抗壓和耐腐蝕的特性，可實現(xiàn)現(xiàn)場澆注、室溫固化及一次成形，被廣泛應(yīng)用于船舶設(shè)備安裝中。現(xiàn)場使用時，應(yīng)嚴(yán)格按照環(huán)氧樹脂材料的澆注工藝進行操作，以避免產(chǎn)生氣泡等缺陷。

澆注成型后，應(yīng)對樣品試件進行相關(guān)的力學(xué)性能測試，以得到其準(zhǔn)確的彈性模量等參數(shù)。實踐表明，廠家提供的彈性模量等參考值與成型產(chǎn)品的參數(shù)有一定的差距，經(jīng)過準(zhǔn)確測定的性能參數(shù)才能作為環(huán)氧樹脂墊片力學(xué)特性研究的依據(jù)。

采用環(huán)氧樹脂墊片后的隔振性能也是工程中較為關(guān)注的問題。本文在阻抗試驗臺上對3種環(huán)氧樹脂材料的墊片及鋼質(zhì)墊片進行了低頻位移阻抗（動剛度）測試，結(jié)果表明，環(huán)氧樹脂墊片的位移阻抗值較接近，均比鋼制墊片的小。初步分析表明，采用環(huán)氧樹脂墊片后的位移振級落差要優(yōu)于鋼質(zhì)墊片。

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