丁基橡膠類阻尼材料在裝載機上的應用

徐豐辰，繆興和，繆智剛

（柳州市興拓工貿有限責任公司，廣西 柳州 545006）

丁基橡膠類阻尼材料在裝載機上的應用

徐豐辰，繆興和，繆智剛

（柳州市興拓工貿有限責任公司，廣西 柳州 545006）

基于丁基橡膠類阻尼材料的減振性和裝載機駕駛室的噪聲特征、使用條件和標準要求，探討了該材料的配方設計；通過案例，討論了丁基橡膠類阻尼材料在裝載機上的工程應用。

丁基橡膠；振動噪聲；損耗因子

裝載機是一種廣泛用于公路、鐵路、建筑、水電、港口和礦山等建設工程的土石方施工機械，操作靈活，使用方便。由于采用了大功率的柴油發(fā)動機，而且發(fā)動機安裝在駕駛室附近，裝載機普遍存在駕駛室內噪聲過大的問題。最新國家標準GB 16710—2010《土方機械噪聲限值》規(guī)定，對于輪胎式的工程機械，在其最大功率下，其駕駛室內的噪聲要小于或等于86 dBA。該標準經修訂后，從2015年1月1日開始實施。與乘用車一樣，降低裝載機駕駛室的噪聲，相對最有效的方法是在駕駛室的板件上附加阻尼材料，利用阻尼材料的黏彈性，控制振動，以降低噪聲。裝載機屬大型工程機械，其減振降噪工程（NVH）有其自身的特點，用于裝載機駕駛室上的阻尼材料有其特殊要求，需與裝載機的噪聲特征、噪聲幅度和使用環(huán)境相匹配。

1　裝載機的噪聲特征和對阻尼材料的要求

裝載機一般是在施工場地工作，工作溫度在20～40 ℃之間，不存在受到輪胎與地面摩擦和行駛風噪的影響，其最大噪聲源于發(fā)動機的激勵。發(fā)動機的結構一般為直列6缸4沖程，每轉1圈將有3次點火，最高轉速不超過2 500 r/min，因此，裝載機的噪聲主要源于發(fā)動機的3階激勵，其100 Hz左右的低頻影響相對最為嚴重，其振動噪聲的量級要大于乘用車幾個數(shù)量級；另一方面，與汽車生產過程不同，裝載機駕駛室安裝阻尼材料，一般在總裝線上進行。

用于裝載機上的阻尼材料，其Tg（玻璃化溫度）應與工作溫度相一致，有適宜的彈性模量，較高的阻尼系數(shù)，能在常溫下自由使用。

2　丁基橡膠類阻尼材料

丁基橡膠（IIR）是合成橡膠的一種，是異丁烯和異戊二烯的共聚物，其分子結構中的異丁烯鏈段存在密集的側鏈甲基，類似蠕蟲狀結構，該結構具有阻尼材料必須的黏彈性特征和較高的損耗因子，因此，可用作制造阻尼材料的基材。丁基橡膠的結構如圖1所示。

圖1　丁基橡膠的分子結構Fig.1　Molecular structure of butyl rubber

用在裝載機上的阻尼材料，溫度一般應在20～40 ℃之間，而丁基橡膠的Tg為 -7 ℃左右，因此需對丁基橡膠進行改性。改性方法一般選擇與丁基橡膠分子結構相似、相容性較好、Tg高 于丁基橡膠的樹脂材料，與丁基橡膠在開煉機上共混。圖2是不同含量的某樹脂與丁基橡膠共混后，Tg的 變化曲線。

圖2中，Tg1是丁基橡膠的玻璃化溫度曲線，Tg2、Tg3和Tg4是逐步增加樹脂用量后，與丁基橡膠共混制備得到的共混物玻璃化溫度曲線。由圖2可知：隨著樹脂用量的增加，Tg向 高溫方向移動，當樹脂用量為丁基橡膠用量的40%時，共混物Tg提 高到30 ℃。

改性后的丁基橡膠，Tg達 到了使用要求，但在Tg附 近，損耗因子β還是較低。影響材料損耗因子的參數(shù)是彈性模量，在阻尼材料中，彈性模量太大，材料會進入玻璃態(tài)，太小會進入橡膠態(tài)，玻璃態(tài)和橡膠態(tài)下材料的損耗因子都很低，出現(xiàn)最大損耗因子的關鍵參數(shù)是轉變態(tài)下的彈性模量，因此，提高阻尼材料轉變態(tài)下的彈性模量是提高材料損耗因子的重要手段。對于丁基橡膠類的阻尼材料而言，一般通過添加炭黑、云母等類增強劑來提高丁基橡膠在轉變態(tài)下的彈性模量，即提高了損耗因子，其中增強劑的粒徑是影響彈性模量的重要因素。圖3是增強劑粒徑對損耗因子的影響。

圖2　不同含量的樹脂對丁基橡膠玻璃化溫度的影響Fig.2　Effect of resin amount on butyl rubber Tg

圖3　增強劑粒徑對損耗因子的影響Fig.3　Effect of enhanced particle size on loss factor

圖3中3條曲線的粒徑關系是：粒徑C＞粒徑B＞粒徑A，增強劑的粒徑越小，比表面積越大，與丁基橡膠分子接觸面越大，結合點越多，利用增強劑粒徑的大小，可調整材料的彈性模量，使材料處于最大損耗因子狀態(tài)。

在阻尼材料中，低頻響應可通過增大溫寬來補償，阻尼材料的損耗因子對溫度非常敏感，溫度升高時，模態(tài)頻率向下移動，即高溫等效低頻，提高高溫段的性能，等效提高了低頻響應的性能。

在丁基橡膠類阻尼材料中，可通過調整添加劑的含量來提高高溫段的性能。圖4是添加劑用量對損耗因子的影響。

圖4中， M1、M2、M3是填充劑用量逐步增加的曲線，其中M2高溫段的損耗因子有一定的提升，這可能是因為在高溫段，丁基橡膠鏈段的運動加劇，鏈段與填料、填料與填料之間的摩擦使鏈運動相對滯后，阻尼角增大，損耗因子增大。

圖4　填充劑含量的影響Fig.4　Effect of filler content on loss factor

3　案例

某公司裝載機為柴油發(fā)動機，6缸4沖程，怠速800 r/min，最高轉速2 500 r/min，要求進行阻尼減振降噪設計，駕駛室內噪聲要小于86 dBA才符合國標要求。

3.1測定駕駛室阻尼處理前的噪聲頻譜

發(fā)動機怠速800 r/min時的頻率為40 Hz；最高轉速2 500 r/min時的頻率為125 Hz，設定激勵掃頻頻率為20～150 Hz，覆蓋了發(fā)動機的整個工作狀態(tài)，圖5是該裝載機駕駛室的聲壓級頻譜。

圖5　某裝載機駕駛室的聲壓級頻譜Fig.5　Sound pressure spectrum of one loader driving cab

由圖5可知：駕駛室存在2個較大的噪聲源，一個是82 Hz，聲壓級為0.12 Pa/N，對應發(fā)動機轉速為1 640 r/min；另一個是94 Hz，聲壓級為0.06 Pa/N，對應發(fā)動機轉速為1 880 r/min，其中，82 Hz噪聲源最為嚴重，該駕駛室的噪聲級換算到該車工作狀態(tài)下，其最大噪聲達88 dBA左右。

3.2測定駕駛室各板件的振動級

裝載機駕駛室的主要噪聲源來自發(fā)動機工作時對駕駛室板件的振動激勵，以及由激勵產生的板件響應的大小，上述試驗將駕駛室板件劃分70個測點，各測點上安裝加速度傳感器，圖6、圖7分別是噪聲頻譜中較高的2個噪聲源（82 Hz、94 Hz）所對應的各板件振動級圖。

圖6　頻率82 Hz時各測點板件的振動級Fig.6　Vibration level of measuring point panels at 82 Hz

圖7　頻率94 Hz時各測點板件的振動級Fig.7　Vibration level of measuring point panels at 94 Hz

由圖6、圖7可知：裝載機駕駛室在白車身狀態(tài)下，噪聲聲壓級和板件的振動級是很高的，需用阻尼材料來處理，本案例選用丁基橡膠類阻尼材料，將材料附加到上述振動級較高的板件上進行阻尼處理，處理前后的駕駛室內的聲壓級頻譜如圖8所示。

由圖8可知：82 Hz噪聲源由附加阻尼前的0.12 Pa/N下降到0.013 Pa/N；94 Hz噪聲源由附加阻尼前的0.06 Pa/N下降到0.010 Pa/N，整個駕駛室內的噪聲環(huán)境得到了明顯改善。

圖8　駕駛室附加阻尼前后噪聲聲壓級對比Fig.8　Noise pressure level before and after adding damping in the cab

經檢測，處理后的駕駛室內噪聲由88 dBA降至82 dBA，符合標準要求。

4　小結

以丁基橡膠為基材的阻尼材料，先用樹脂材料調整其Tg以 達到使用的環(huán)境要求；然后加入適當含量的增強劑，調整其損耗因子；再選擇合適的添加劑，改善材料的溫寬，最后制備了適合裝載機使用的阻尼材料。

該材料的應用領域可延伸至工程機械的各個車型，凡帶有獨立密封結構駕駛室的工程機械，如挖掘機、推土機和鋪路機等等都可選用。

由于各類工程機械在國際市場的需求，振動噪聲已納入產品的質量控制范圍，各生產廠家也都啟動了工程機械的NVH工程設計，丁基橡膠類阻尼材料的應用范圍也會越來越廣泛。

Application of butyl rubber damping materials in loaders

XU Feng-chen, MIAO Xing-he, MIAO Zhi-gang
(Liuzhou Xingtuo Industry and Trade Co., Ltd., Liuzhou, Guangxi 545006, China)

Based on the vibration damping capability of butyl rubber, the noise characteristics and working conditions of loader driving cabs and the standard requirements of the damping materials, the formulation designment of butyl rubber damping materials in loaders was discussed.

butyl rubber; vibration noise; loss factor

TQ333.6

A

1001-5922（2016）10-0068-03

2016-03-09

徐豐辰（1953-），男，工程師。研究方向：減振材料的設計和在汽車上的應用。E-mail：xfc2002@126.com。