微孔橡膠墊板動(dòng)靜剛度比的試驗(yàn)研究

賀春江，張國(guó)文，陳 夢(mèng)，毛昆朋，呂 博

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

微孔橡膠墊板動(dòng)靜剛度比的試驗(yàn)研究

賀春江，張國(guó)文，陳 夢(mèng)，毛昆朋，呂 博

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

研究了硫磺用量、炭黑種類及用量、乙烯含量、發(fā)泡劑用量及發(fā)泡倍率對(duì)蘇州地鐵用微孔橡膠墊板動(dòng)靜剛度比的影響。研究發(fā)現(xiàn):隨著硫磺用量增大、炭黑用量減小、炭黑粒子變細(xì)及乙烯含量增高，微孔橡膠墊板的動(dòng)靜剛度比都逐漸減小;隨著發(fā)泡劑用量增大，動(dòng)靜剛度比先減小后增大，呈峰值變化。同時(shí)從能量損耗的角度對(duì)動(dòng)靜剛度比與能量損耗的關(guān)系進(jìn)行了定性分析，發(fā)現(xiàn)動(dòng)靜剛度比與橡膠的損耗因子有很好的相關(guān)性，動(dòng)靜剛度比其實(shí)是微孔橡膠墊板內(nèi)耗大小的量度。

微孔橡膠墊板 動(dòng)靜剛度比 損耗因子

為了降低鐵路給環(huán)境造成的噪聲污染及提高軌道彈性，地鐵和高鐵線路的扣件系統(tǒng)中多采用彈性體墊板，尤其是微孔橡膠墊板。微孔橡膠墊板制造技術(shù)的難點(diǎn)在于動(dòng)靜剛度比的控制。目前，有關(guān)微孔橡膠墊板動(dòng)靜剛度比的研究文獻(xiàn)報(bào)道相對(duì)較少。李鐵等［1］研究了硫化劑用量及填料種類對(duì)微孔橡膠墊板動(dòng)靜剛度比的影響規(guī)律，賀春江等［2］研究了測(cè)試條件對(duì)微孔橡膠墊板動(dòng)靜比的影響規(guī)律，王鑫等［3］研究了預(yù)聚體及擴(kuò)鏈交聯(lián)劑的種類及用量對(duì)聚氨酯微孔彈性體墊板動(dòng)靜剛度比的影響規(guī)律，張憲清等［4］研究了填料種類及并用比例對(duì)客運(yùn)專線橡膠墊板動(dòng)靜剛度比的影響，譚蓮影等［5］研究了硫化三要素及填膠量對(duì)EPDM微孔橡膠墊板動(dòng)靜剛度比的影響。動(dòng)靜剛度比的試驗(yàn)需要用到液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備昂貴，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)科研單位或大學(xué)才有，測(cè)試起來(lái)很不方便。由于研究工作不足缺乏理論指導(dǎo)，國(guó)內(nèi)具有自主開(kāi)發(fā)低動(dòng)靜剛度比減振器尤其是微孔橡膠墊板能力的廠家非常少，該類產(chǎn)品的價(jià)格也較高。

本研究的目的在于系統(tǒng)研究材料配方因素及結(jié)構(gòu)因素對(duì)微孔橡膠墊板動(dòng)靜剛度比的影響，并對(duì)其影響機(jī)理進(jìn)行了定性分析。希望能為低動(dòng)靜剛度比微孔橡膠墊板的研發(fā)在原材料選擇、配方設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)控制等方面提供參考借鑒。

1 試驗(yàn)及檢測(cè)

1.1 試樣制備

主要原材料:三元乙丙橡膠，美國(guó)Lion Copolymer公司產(chǎn)品;碳黑，N774，N330，均為上?？ú┨鼗び邢薰井a(chǎn)品;發(fā)泡劑，OBSH，高郵市助劑廠產(chǎn)品;硫磺，天津有機(jī)化工廠產(chǎn)品;其他均為市售工業(yè)品。

制備工藝:采用二段發(fā)泡法制備。一段發(fā)泡溫度130℃，時(shí)間8 min;二段發(fā)泡溫度160℃，時(shí)間20 min。

基礎(chǔ)配方(質(zhì)量份):乙丙橡膠100，氧化鋅5，硬脂酸1，石蠟油20，防老劑3，促進(jìn)劑3.5，炭黑變量，硫磺變量。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

MTS809材料試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)MTS公司產(chǎn)。

MDR2000無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀，美國(guó)埃爾法公司產(chǎn)。

1.3 試驗(yàn)方法

靜剛度測(cè)試。預(yù)加靜載荷 70 kN，卸載，停留1 min，而后正式開(kāi)始試驗(yàn)。以2～3 kN/s的速度均勻加載，當(dāng)載荷加至10 kN和50 kN時(shí)各停留1 min，記錄、計(jì)算出微孔橡膠墊板厚度變化 Δh。靜剛度 =(50-10)/Δh，取3次測(cè)試結(jié)果的平均值為微孔橡膠墊板的靜剛度，單位kN/mm。

動(dòng)剛度測(cè)試。預(yù)加靜載荷 70 kN，卸載，停留1 min，而后正式開(kāi)始試驗(yàn)。施加周期載荷10～50 kN，加載頻率4 Hz，載荷循環(huán)1 000次，計(jì)算最后10次載荷循環(huán)中的動(dòng)剛度，動(dòng)剛度 =(50-10)/Δh，并取這10次試驗(yàn)結(jié)果的平均值為微孔橡膠墊板的動(dòng)剛度，單位kN/mm。

動(dòng)靜剛度比=動(dòng)剛度/靜剛度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 硫磺用量對(duì)微孔橡膠墊板動(dòng)靜剛度比的影響

硫磺用量對(duì)微孔橡膠墊板動(dòng)靜剛度比和損耗因子的影響如圖1所示。從圖1可以看出，在1～2.5份范圍內(nèi)，隨著硫磺用量增加，微孔橡膠墊板的動(dòng)靜剛度比逐漸減小。

圖1 硫磺用量對(duì)動(dòng)靜剛度比和損耗因子的影響

由于動(dòng)態(tài)加載條件下微孔墊板的形變量總小于靜態(tài)測(cè)試條件下的形變量，所以測(cè)得的微孔墊板的動(dòng)剛度總大于靜剛度，也就是動(dòng)靜比總＞1。造成這種現(xiàn)象的根本原因是因?yàn)橄鹉z具有黏彈性，而非理想彈簧。橡膠是由眾多無(wú)規(guī)則線團(tuán)狀的高分子鏈組成，在受到外力時(shí)因分子鏈間的摩擦作用，橡膠的應(yīng)力與應(yīng)變間存在滯后現(xiàn)象。這在宏觀上表現(xiàn)為在同樣的加載條件下，測(cè)試動(dòng)剛度時(shí)橡膠的形變量總小于靜剛度測(cè)試時(shí)的形變量，也就是動(dòng)靜剛度比＞1。

MDR 2000型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀可以對(duì)橡膠產(chǎn)生固定角度的剪切循環(huán)應(yīng)力，測(cè)得損耗因子tanδ，tanδ是黏性模量與彈性模量的比值。tanδ越大橡膠的彈性越差，能量損耗越大［6］。

同時(shí)圖1顯示，隨著硫磺用量增大，橡膠的損耗因子逐漸減小。分析認(rèn)為:硫磺越多橡膠高分子鏈之間的交聯(lián)鍵越多，在外力作用下橡膠材料的變形越快，滯后越小而彈性越好，內(nèi)摩擦造成的能量損耗也越小，所以損耗因子越小。從圖1還可以看出，微孔墊板的動(dòng)靜剛度比與橡膠的損耗因子變化規(guī)律相同，具有很好的相關(guān)性。

2.2 炭黑種類及用量對(duì)動(dòng)靜剛度比的影響

炭黑種類及用量對(duì)動(dòng)靜剛度比的影響如圖2所示。從圖2可以看出，隨著炭黑用量增大，橡膠墊板的動(dòng)靜剛度比都逐漸增大;N330炭黑的曲線始終在N774炭黑曲線的上方。

從圖2還可以看出，與動(dòng)靜剛度比變化規(guī)律相同，隨著炭黑用量增大，橡膠的損耗因子逐漸增大，N330炭黑的曲線始終在N774炭黑曲線的上方。

圖2 炭黑用量對(duì)動(dòng)靜剛度比和損耗因子的影響

分析認(rèn)為:隨著炭黑用量增多，炭黑粒子變細(xì)(N774炭黑的粒徑大于N330炭黑的粒徑)，炭黑與橡膠界面越大，在外力作用下橡膠摩擦內(nèi)耗現(xiàn)象越明顯，形變更加滯后于應(yīng)變，損耗因子越大，動(dòng)靜比越大。從圖2看，4條曲線均存在拐點(diǎn)，且 N330炭黑的拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)炭黑的用量較低。損耗因子和動(dòng)靜剛度比隨炭黑用量的變化規(guī)律是一樣的。分析認(rèn)為:這是由于炭黑的量多到一定程度，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，黏彈滯后現(xiàn)象會(huì)顯著增大，而細(xì)粒子炭黑更容易形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。所以動(dòng)靜剛度比和損耗因子隨著炭黑用量逐漸增大，曲線存在拐點(diǎn)，且N330炭黑的拐點(diǎn)比N774炭黑的拐點(diǎn)出現(xiàn)得早。圖2顯示，動(dòng)靜剛度比與橡膠材料的損耗因子具有很好的相關(guān)性。

2.3 生膠結(jié)構(gòu)的影響

圖3顯示了乙丙橡膠乙烯含量對(duì)微孔橡膠墊板動(dòng)靜剛度及損耗因子的影響。從圖3中可以看出，隨著乙丙橡膠乙烯含量增高，損耗因子和動(dòng)靜剛度比都逐漸減小。

圖3 乙烯含量對(duì)動(dòng)靜剛度比和損耗因子的影響

分析認(rèn)為:乙丙橡膠的分子鏈主要由乙烯、丙烯及極少量的第三單體組成，乙烯、丙烯鏈段的含量決定了乙丙橡膠的很多宏觀性能。乙烯含量越多，丙烯含量越少，乙丙橡膠分子鏈則更柔順，更容易響應(yīng)外力作用，變形較快，彈性較好，機(jī)械能損耗也越小。隨著乙丙橡膠乙烯含量增高，損耗因子和動(dòng)靜剛度比都逐漸減小。這些現(xiàn)象進(jìn)一步顯示，微孔橡膠墊板的動(dòng)靜剛度比與橡膠材料的損耗因子具有很好的相關(guān)性。

由于微孔橡膠墊板的動(dòng)靜剛度比與橡膠材料的損耗因子直接相關(guān)，認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)對(duì)微孔橡膠墊板的原材料選擇、配方設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)控制都有很好的指導(dǎo)作用。如在生膠的選擇上，優(yōu)先選擇乙烯含量較高的生膠牌號(hào);優(yōu)先選擇粒徑較粗的炭黑且炭黑用量盡量少;提高橡膠的硫化程度和交聯(lián)密度等措施都有助于降低微孔橡膠墊板的動(dòng)靜剛度比。凡是與損耗因子相關(guān)的檢測(cè)設(shè)備，如動(dòng)態(tài)黏彈譜儀、橡膠加工流變儀、沖擊回彈儀及壓縮疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)等，都可以用來(lái)做材料的篩選及配方優(yōu)化。

2.4 發(fā)泡劑用量對(duì)動(dòng)靜剛度比的影響

發(fā)泡劑用量對(duì)微孔橡膠墊板動(dòng)靜剛度比的影響如圖4所示。由圖4可以看出，動(dòng)靜剛度比隨著發(fā)泡劑用量先減小后增大，呈峰值變化。為了便于分析，可以把微孔橡膠墊板看成是橡膠和泡孔的復(fù)合體。一方面空氣氣泡提供彈性，使氣泡增加了微孔橡膠墊板的恢復(fù)能力。但是對(duì)于氣泡而言，空氣實(shí)際上并不是無(wú)內(nèi)耗的理想氣體。能量損耗存在于兩個(gè)方面:首先，在往復(fù)力作用下，空氣壓縮恢復(fù)過(guò)程中會(huì)有部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能;再者，微孔中空氣與橡膠壁摩擦生熱也會(huì)使部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能而消耗。隨著發(fā)泡劑用量增大泡孔逐漸增多;微孔提供的彈性逐漸增大，所以動(dòng)靜剛度比逐漸減小;微孔進(jìn)一步增大，空氣與氣壁的接觸面積增大，空氣與氣壁摩擦生熱能量損耗也逐漸增大。亦即，動(dòng)靜剛度比隨著發(fā)泡劑用量先減小后增大。

3 結(jié)論

動(dòng)靜剛度比與膠料的損耗因子直接相關(guān)，它是能量損耗大小的量度。隨著硫磺用量增大、炭黑用量增多、炭黑粒子變細(xì)、乙丙橡膠的乙烯含量逐漸增大，微孔橡膠墊板的動(dòng)靜剛度比逐漸減小;隨著發(fā)泡劑用量增多，動(dòng)靜剛度比先減小后增大，呈峰值變化。本研究還表明，隨著發(fā)泡倍率增大，動(dòng)靜剛度比逐漸減小并趨于平緩。

［1］李鐵，鄒華，張立群.EPDM硫化膠力學(xué)性能及動(dòng)靜剛度比的研究［J］.合成橡膠工業(yè)，2005，28(2):105-109.

［2］賀春江，楊其全，毛昆朋.測(cè)試條件對(duì)微孔橡膠墊板動(dòng)剛度及動(dòng)靜剛度比的影響［J］.合成橡膠工業(yè)，2006，29(3):194-196.

［3］王鑫，毛昆朋，吳智強(qiáng)，等.低動(dòng)靜剛度比的聚氨酯微孔彈性體的研究［J］.聚氨酯工業(yè)，2011，26(5):19-22.

［4］張憲清，賀春江，楊維堅(jiān).填料對(duì)客運(yùn)專線橡膠墊板性能的影響研究［J］.鐵道建筑，2012(10):117-119.

［5］譚蓮影，程志，陳曉艷，等.硫化工藝對(duì)EPDM微孔橡膠墊板動(dòng)靜剛度比的影響［J］.特種橡膠制品，2013，34(3):56-59.

［6］劉燕生.應(yīng)用MDR2000硫化儀預(yù)測(cè)膠料的加工性和硫化膠的生熱及抗返原性［J］.輪胎工業(yè)，2005，25(11):690-692.

Experimental study on ratio of dynamic stiffness to static stiffness for micro-porous rubber pad

HE Chunjiang，ZHANG Guowen，CHEN Meng，MAO Kunpeng，Lü Bo

(Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

The effect of the amount of sulfur，the type and the amount of carbon black，ethylene conten，the amount of foaming agent and foaming ratio on ratio of dynamic stiffness to static stiffness(Sd/Ss)of micro-porous rubber pad in Suzhou Subway was studied.It indicated that Sd/Ssdecreased gradually with the increase of ethylene content，the increase of the amount of sulfur or the decrease of the diameter and amount of carbon black.With the increase of amount of foaming agent，Sd/Ssdecreased at the beginning and then increased.Also，the releastionship between Sd/Ssand energy loss was analysized.The results indicated that there was a good correlation between the loss factor and Sd/Ss.The latter can be used to measure the internal friction of micro-porous rubber pad.

Micro-porous rubber pad;Ratio of dynamic stiffness to static stiffness;Loss factor

U213.5+32

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.07.33

1003-1995(2015)07-0117-03

2015-02-13;

2015-04-24

北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2142038)

賀春江(1976— )，男，新疆奎屯人，副研究員，碩士。

(責(zé)任審編 孟慶伶)