橡膠減震器作為一類(lèi)重要的減震元件,已被廣泛運(yùn)用于各類(lèi)機(jī)械、汽車(chē)、鐵路機(jī)車(chē)、水上運(yùn)輸工具、飛機(jī)及其他航空器。可以說(shuō)，凡是需要用到減震和隔震的地方都需要使用橡膠減震器。

    一、橡膠減震器的特性：

    (1)橡膠具有高彈性和黏彈性;

    (2)與鋼鐵材質(zhì)相比，橡膠的彈性變形很大，彈性模量很小;

    (3)橡膠的沖擊剛度大于動(dòng)剛度，動(dòng)剛度又大于靜剛度，有利于減少?zèng)_擊變形和動(dòng)態(tài)變形;

    (4)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)為橢圓形滯后線(xiàn)，其面積等于各個(gè)震動(dòng)周期轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃康恼衲?阻尼)，可通過(guò)配方設(shè)計(jì)調(diào)整之;

    (5)橡膠為不可壓縮性材料(泊松比為0.5);

    (6)橡膠形狀可以自由選擇，硬度可以通過(guò)配方設(shè)計(jì)加以調(diào)整，可以滿(mǎn)足不同方向的剛度和強(qiáng)度的要求。

    二、橡膠減震器的優(yōu)點(diǎn)：

    (1)可以自由確定形狀，通過(guò)調(diào)整橡膠配方組分來(lái)控制硬度，可滿(mǎn)足對(duì)各個(gè)方向剛度和強(qiáng)度的要求;

    (2)內(nèi)部摩擦大，減震效果好，有利于越過(guò)共振區(qū)，衰減高頻振動(dòng)和噪聲;

    (3)彈性模量比金屬小得多，可產(chǎn)生較大彈性形變;

    (4)沒(méi)有滑動(dòng)部分，易于保養(yǎng);

    (5)質(zhì)量小，安裝和拆卸方便。

    (6)沖擊剛度高于靜剛度和動(dòng)剛度,有利于沖擊變形。

    橡膠的減震作用及減震橡膠材料

    橡膠的特點(diǎn)是既有高彈態(tài)又有高黏態(tài)，橡膠的彈性是由其卷曲分子構(gòu)象的變化產(chǎn)生的，橡膠分子間相互作用會(huì)妨礙分子鏈的運(yùn)動(dòng)，又表現(xiàn)出黏性特點(diǎn)，以致應(yīng)力與應(yīng)變往往處于不平衡狀態(tài)。橡膠的這種卷曲的長(zhǎng)鏈分子結(jié)構(gòu)及分子間存在的較弱的次級(jí)力;使得橡膠材料呈現(xiàn)出獨(dú)特的黏彈性能，因而具有良好的減震、隔音和緩沖性能。橡膠部件廣泛用于隔離震動(dòng)和吸收沖擊，就是因?yàn)槠渚哂袦蟆⒆枘峒澳苓M(jìn)行可逆大變形的特點(diǎn)。

    橡膠的滯后和內(nèi)摩擦特性通常用損耗因子表示，損耗因子越大，橡膠的阻尼和生熱越顯著，減震效果越明顯。橡膠材料損耗因子的大小不僅與橡膠本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與溫度和頻率有關(guān)。在常溫下，天然橡膠(NR)和順丁橡膠(BR)的損耗因子較小，丁苯橡膠(SBR)、氯丁橡膠(CR)、乙丙橡膠(EPR)、聚氨酯橡膠(PU)和硅橡膠的損耗因子居中，丁基橡膠(HR)和丁腈橡膠(NBR)的損耗因子最大。

    用作減震目的的橡膠材料一般分5種，即NR，SBR，BR為普通橡膠材料;NBR用于耐油硫化膠;CR用于耐天候硫化膠;IIR用于高阻尼硫化膠;EPR用于耐熱硫化膠。NR雖然損耗因子較小，但其綜合性能最好，具有優(yōu)異的彈性，耐疲勞性好，生熱低，蠕變小，與金屬件黏合性能好，耐寒性、電絕緣性和加工性能也好，因此NR被廣泛地用作減震目的，要求耐低溫或耐天候性能時(shí)，可與BR或CR并用或共混改性。Nishiue等采用NR、BR及碳原子數(shù)大于4的含有-OH基團(tuán)有機(jī)酸的金屬鹽制成的減震器具有較好的耐久性能，在70℃×22h和40℃×148h條件下的壓縮永久變形分別為17.0%和11.7%。由于EPDM耐天候、耐臭氧老化、電絕緣性、耐熱和耐寒等性能優(yōu)異，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。最近，日本三井化學(xué)公司與鬼怒川橡膠公司通過(guò)采用高相對(duì)分子質(zhì)量的EPDM與低相對(duì)分子質(zhì)量的EPDM并用，合作開(kāi)發(fā)出一種新型耐熱減震橡膠材料，并獲得了日本專(zhuān)利。該減震橡膠的各項(xiàng)測(cè)試表明，其減震性能與NR相同，但其耐熱性、低溫柔軟性要比NR等其他橡膠好。Iizumi采用EPDM制成用于汽車(chē)部件上的減震器用橡膠材料，具有很好的耐熱性，在190℃×5h熱老化后，材料仍具有很好的層間黏合性能。對(duì)低溫動(dòng)態(tài)性能要求苛刻的減震橡膠，往往采用硅橡膠;當(dāng)要求高阻尼時(shí)可采用IIR或鹵化IIR;PU具有優(yōu)良的耐磨性、耐屈撓性和對(duì)烴類(lèi)燃料及大部分有機(jī)溶劑的抵抗能力，同時(shí)具有很高的物理性能、良好的電絕緣性、黏合性和耐老化性能。PU在減震隔音方面也得到了廣泛應(yīng)用，如Adachi等采用PU制得減震和隔音良好的橡膠片層，應(yīng)用到地板、天花板及彎曲板后，效果良好。

    三、橡膠減震器件的種類(lèi)：

    1)JP型橡膠減震器件： 適用于電子儀器儀表，保護(hù)整機(jī)免受震動(dòng)和沖擊。

    2)JPZ型三向等剛度減震器： 主要用于宇航及航空儀器儀表。

    3)JPZ型小型航空減震器：用于宇航、航空、航海等各種隔震及防沖擊裝置。

    4)JG剪切減震器：用于風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、冷凍機(jī)、水泵及精密儀器儀表裝置。

    5)Z型橡膠等頻減震器：廣泛運(yùn)用于各種機(jī)械、儀表、機(jī)床、設(shè)備等。

    6)6JX型防沖擊減震器： 用于船舶、車(chē)輛及其他動(dòng)力機(jī)械等。

    7)6WN型內(nèi)燃機(jī)車(chē)減震器：用于內(nèi)燃機(jī)主機(jī)。

    8)“31‘型橡膠減震器：用于船舶主機(jī)和電子秤。

    9)SH型雙板式減震器： 用于船舶機(jī)械和設(shè)備。

    10)JV型圓柱彈簧減震器：用于各種儀器儀表。

    11)YU型圓筒形減震器：用于船舶主機(jī)、輔機(jī)及其他設(shè)備。

    12)WJ橡膠減震器：應(yīng)用十分廣泛，可承受任意方向的載荷。

    13)YXN、XN橡膠扭振減震器：用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸系統(tǒng)

    四、橡膠減震器的應(yīng)用領(lǐng)域：

    橡膠減震制品一般又稱(chēng)為橡膠減震器。橡膠減震器的種類(lèi)很多，從其受震動(dòng)力的情況來(lái)看，可分為壓縮型、剪切型、扭振型、沖擊型和混合型等。隨著科技的發(fā)展，橡膠減震器的種類(lèi)也越來(lái)越多，用途也越來(lái)越廣，以下從橡膠減震器的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ浒l(fā)展和應(yīng)用前景進(jìn)行概述。

    1、汽車(chē)用橡膠減震器

    隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外汽車(chē)的改型換代相當(dāng)頻繁，汽車(chē)工業(yè)正面臨一個(gè)迅速變革的時(shí)期，發(fā)展的特點(diǎn)是在保證駕駛安全性、乘坐舒適性、行駛高速性以及豪華性的前提下，進(jìn)一步提高汽車(chē)的使用壽命。減震制品用于控制汽車(chē)的震動(dòng)和噪聲及改善其操縱穩(wěn)定性，一般置于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)架、壓桿裝置、懸掛軸襯、中心軸承托架、顛簸限制器和扭振減震器等部位，以改善汽車(chē)的安全性和舒適性。減震制品可分為支架類(lèi)、軸襯類(lèi)、緩沖類(lèi)和阻尼類(lèi)四大類(lèi)，主要要求減震性、耐熱性和耐疲勞性好。汽車(chē)減震橡膠制品包括發(fā)動(dòng)機(jī)支座、懸掛構(gòu)件、橡膠彈簧、橡膠空氣彈簧和碰撞橡膠防護(hù)件等。近年來(lái)，為提高汽車(chē)的安全性、舒適性和操作性，汽車(chē)用減震橡膠制品的品種和數(shù)量不斷增多，如一輛轎車(chē)上減震橡膠制品的數(shù)量已達(dá)50-60件。

    發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)操作系統(tǒng)用橡膠減震器用來(lái)隔絕震源的震動(dòng)。傳動(dòng)部分的減震采用多邊聯(lián)軸節(jié)、阻尼離合器。前、后懸掛裝置上使用的減震器不僅要承擔(dān)車(chē)體重量，還要使車(chē)體不致傳遞車(chē)輪的上下振動(dòng)，抑制簧下質(zhì)量的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，傳遞動(dòng)力和制動(dòng)力。橡膠緩沖器是車(chē)體的重要減震器之一，其結(jié)構(gòu)形式是2塊金屬板之間夾有橡膠層，利用橡膠的剪切變形達(dá)到緩沖的目的。近期又開(kāi)發(fā)出充氮?dú)?、與減震器油共存的筒式緩沖器，特點(diǎn)是提高緩沖器的載荷能力(最高達(dá)20 MPa)，減震效果好，且延長(zhǎng)其使用壽命。汽車(chē)用橡膠減震器采用的橡膠材料以NR和SBR為主。為改進(jìn)減震制品的耐熱性，已開(kāi)始用IR，IIR，CR，EPDM等作主體材料。熱塑性彈性體也將用于部分減震制品，如車(chē)身與底盤(pán)的減震器等。如浙江海門(mén)橡膠廠(chǎng)采用NR/CR并用研制出了轎車(chē)底盤(pán)彈簧座減震器，效果良好。

    2、鐵路機(jī)車(chē)及鐵路軌枕墊用橡膠減震制品

    據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)鐵路和機(jī)車(chē)使用的各種橡膠材料和部件約有1萬(wàn)多種，消耗橡膠約10 kt/a.隨著鐵路機(jī)車(chē)車(chē)速的提高，對(duì)線(xiàn)路的動(dòng)力作用急劇增加，引起線(xiàn)路、輪箍及機(jī)車(chē)行走部分的元件產(chǎn)生劇烈的磨損，鐵路機(jī)車(chē)各部位對(duì)抗震性的要求越來(lái)越高，橡膠減震器應(yīng)用越來(lái)越普及，因而減震橡膠制品在機(jī)車(chē)上的應(yīng)用品種和數(shù)量越來(lái)越多。鐵路機(jī)車(chē)上的減震橡膠制品主要有中央支承橡膠堆體、軸箱拉桿橡膠彈簧體、旁承橡膠堆、電機(jī)懸掛橡膠墊、彈性車(chē)輪、彈性齒輪、橡膠空氣彈簧、傳動(dòng)裝置的弓形橡膠塊和橡膠球鉸、車(chē)鉤橡膠緩沖器等。應(yīng)用于機(jī)車(chē)上的橡膠減震器，其主要作用是承受壓縮應(yīng)力、剪切應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)力矩，以及同時(shí)承受2種或2種以上的應(yīng)力復(fù)合作用。

    隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展，鐵路軌枕也由枕木逐漸改換為混凝土軌枕。改換后雖然軌枕的使用壽命延長(zhǎng)，軌道框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提高，但軌道的彈性顯著下降，造成了軌道對(duì)輪軌沖擊的緩沖性變劣。為提高混凝土軌枕的緩沖性能，減少軌枕對(duì)道床的沖擊力，增加絕緣性，目前國(guó)內(nèi)外均采用彈性高聚物來(lái)解決混凝土軌枕軌道的彈性問(wèn)題。橡膠軌枕墊就是用于鋼軌和混凝土軌枕之間或枕下的彈性墊(此外還有軟土橡膠軌枕墊、層壓木軌和塑料軌枕墊等)，橡膠軌枕墊以其獨(dú)特的彈性和良好的絕緣性能而被廣泛地應(yīng)用于鐵路線(xiàn)上。

    根據(jù)用途不同，混凝土軌枕橡膠墊板一般分為枕上(鋼軌下)墊板和枕下墊2種類(lèi)型。橡膠軌枕墊由于長(zhǎng)期裸露在大氣中和置于枕底下使用，不斷經(jīng)受機(jī)車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)的震動(dòng)和沖擊，因此要求具有良好的耐自然老化、耐熱、耐寒以及良好的彈性和緩沖、吸震性能，此外還要具有較好的耐磨、電絕緣、抗壓及抗剪切等性能。在配方設(shè)計(jì)時(shí)最重要的是要考慮材料的耐久性和成本的低廉。常用的主體材料有NR,SBR,BR,CR,EPDM等。

3、橋梁用橡膠減震器

    在橋梁工程中，梁式橋橋跨的兩端需設(shè)置支座。支座的主要作用是把橋跨結(jié)構(gòu)上的全部載荷(包括恒載和活載)可靠地傳遞到橋墩上，并承受橋跨結(jié)構(gòu)因載荷作用所發(fā)生的端部水平變位、轉(zhuǎn)角等變形;其次是適應(yīng)因溫度和濕度的變化而引起的脹縮。橋梁支座有固定與活動(dòng)支座2種，前者是為固定橋跨結(jié)構(gòu)在橋墩上的位置，可使橋跨結(jié)構(gòu)的端點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)而不能移動(dòng);后者不僅使端部支點(diǎn)能自由轉(zhuǎn)動(dòng)而且要求能自由移動(dòng)，承受橋跨結(jié)構(gòu)因溫度變化、混凝土收縮及載荷等因素引起的伸縮變位。

    國(guó)外20世紀(jì)50年代末開(kāi)始使用橡膠支座，至60年代世界上已有許多國(guó)家應(yīng)用。橋梁橡膠支座與其他剛性支座相比，不僅工作性能可靠，而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、材料來(lái)源充足、加工制造容易等優(yōu)點(diǎn)。由于橡膠支座能適應(yīng)寬橋、曲線(xiàn)橋和斜交橋的上部結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向的變形，故目前不僅在中小跨徑公路橋梁、城市橋梁及鐵路橋梁上得到廣泛應(yīng)用，而且在大跨徑的橋梁上也大量使用。目前在橋梁工程上廣泛使用的是普通板式、聚四氟乙烯板式和盒式橡膠支座3種類(lèi)型。橋梁橡膠支座對(duì)橡膠主體材料的選擇原則，是在滿(mǎn)足工程性能要求的前提下，結(jié)合使用環(huán)境條件的要求，基本上選用NR、CR、EPDM、IIR和氯化IIR等。橋梁橡膠支座制造工藝多用模壓。生產(chǎn)過(guò)程是橡膠經(jīng)塑煉后與配合劑按配方制成混煉膠，經(jīng)停放、回?zé)捄蛪貉映銎?，剪成一定?guī)格的半成品膠片。半成品裝模后在平板硫化機(jī)上加壓硫化。硫化過(guò)程要注意避免成品厚薄不均及鋼板的移動(dòng)。

    在橋梁橡膠支座中，鉛芯橡膠支座是在普通減震阻尼橡膠支座中部豎直地灌鉛制成。灌鉛的目的一是提高支座的吸能效果，確保支座有適度的阻尼;二是增加支座的早期剛度，對(duì)控制風(fēng)反應(yīng)和抵抗地基的微震動(dòng)有利。由這種橡膠支座組成的隔震系統(tǒng)作為主導(dǎo)產(chǎn)品，已廣泛應(yīng)用于國(guó)外的大中型橋梁，并取得了良好的效果。高阻尼橡膠支座是采用高阻尼橡膠材料制造的。高阻尼橡膠可以通過(guò)在NR或合成橡膠中摻入石墨得到，根據(jù)石墨的摻入量可調(diào)節(jié)材料的阻尼特性。和鉛芯減震阻尼橡膠支座一樣，高阻尼減震橡膠支座同時(shí)具備隔震器和阻尼器兩方面的功能，可在隔震系統(tǒng)中獨(dú)立使用。

4、建筑工程用橡膠減震器

    由于地震等無(wú)法避免的自然災(zāi)害，建造抗強(qiáng)烈地震的建筑物和構(gòu)筑物是建筑工程領(lǐng)域的重要課題。同時(shí)，日益增長(zhǎng)的交通密度導(dǎo)致更大的震動(dòng)傳遞和噪音污染，土木建筑的震動(dòng)和噪音的隔離也成為亟待解決的問(wèn)題。

    自1966年美國(guó)率先在阿巴尼大廈中使用隔震橡膠支座后，日本、法國(guó)、新西蘭和我國(guó)也相繼在一些重要建筑物中使用隔震橡膠支座。在目前建成的基礎(chǔ)隔震建筑物中，80%以上的建筑物采用疊層橡膠隔震支座系統(tǒng)抗震。疊層橡膠支座不僅在橋梁建設(shè)工程中廣泛應(yīng)用，而且已用于建筑物的底座，用來(lái)隔絕震源、地震防護(hù)和水域建筑物的隔震。實(shí)踐證明，這些使用隔震橡膠支座的建筑物能經(jīng)受強(qiáng)烈的地震考驗(yàn)，如在1994年1月的美國(guó)洛杉磯大地震和1995年1月的日本神戶(hù)大地震中，采用疊層隔震橡膠支座系統(tǒng)的建筑物都顯示出優(yōu)異的抗震效果，不僅建筑物未倒，而且內(nèi)部的設(shè)施也未被破壞。因此，近年來(lái)疊層隔震橡膠支座在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用更為廣泛。目前，我國(guó)已有數(shù)百棟建筑物使用疊層隔震橡膠支座。許多試驗(yàn)結(jié)果表明，采用隔震橡膠支座隔震的工程，不僅可以降低對(duì)上部結(jié)構(gòu)的破壞程度，而且樓房的高度限值和安全距離均可適當(dāng)放寬。由于隔震橡膠支座外表面是較厚的橡膠層，使鋼板和黏合橡膠層不因環(huán)境的影響而性能下降，其使用壽命可達(dá)95 a以上。橡膠支座的耐久性和耐燃性已為許多試驗(yàn)和實(shí)例證實(shí)完全能夠滿(mǎn)足建筑物設(shè)計(jì)壽命的要求。此外，隔震橡膠支座在公路、鐵路、地鐵等沿線(xiàn)建筑物及水域建筑物的隔震方面也有廣泛應(yīng)用。

    海軍東海工程設(shè)計(jì)院牛金龍等研究了房屋建筑中采用橡膠支座的頂層消能減震的基本方法及基本原理，從理論上分析了這種消能減震方法的減震效果，通過(guò)模型試驗(yàn)和工程實(shí)例說(shuō)明這種減震方法在房屋建筑中取得的良好減震效果。它的減震效果一般在10%-40%,消能減震不僅可用于舊房的抗震設(shè)防，也可用于新建房屋的減震;不僅可用于多層，也可用于高層，特別是利用隔熱層減震，可作為房屋抗震的多道防線(xiàn)之一，且不會(huì)影響房屋的使用功能，是一種較理想的減震方法。鄭文博等研究了減震橡膠支座的發(fā)展趨勢(shì)及其在樓房建筑減震方面的應(yīng)用，指出減震橡膠支座在結(jié)構(gòu)方面更趨于多類(lèi)型減震支座的兼容設(shè)置;橡膠選擇上向多膠種并用發(fā)展;黏合劑選擇上更強(qiáng)調(diào)特殊性和針對(duì)性;使產(chǎn)品成為一種新型的疊層橡膠結(jié)構(gòu)件，它與空氣彈簧組成的三維系統(tǒng)減震件有更好的防震效果。

    五、橡膠減振器與彈簧減震器的區(qū)別

    橡膠減振器的優(yōu)缺點(diǎn)：

    1.適用頻率范圍為5-15Hz。

    2.橡膠減振器不僅在軸向，而且在橫向及回轉(zhuǎn)方向均具有隔離振動(dòng)的性能，同一個(gè)橡膠減振器，在直角坐標(biāo)三個(gè)方向與回轉(zhuǎn)方向上的剛度可有較寬的選擇余地。

    3.橡膠內(nèi)部阻尼比金屬大得多，高頻振動(dòng)隔離性能好，隔聲效果也很好，阻尼比為0.05-0.23，由于橡膠成型容易，與金屬也可牢固地粘接，因此可以設(shè)計(jì)制造出各種形狀的減振器，而且質(zhì)量輕，體積小，價(jià)格低，使用范圍很廣，安裝方便，更換容易。

    4.耐高溫、耐低溫性能相對(duì)較差，普通橡膠減振器使用的溫度上限為70℃，下限為0℃，采用特殊的橡膠，減振器使用溫度下限可達(dá)到-50℃;耐油性能差，在空氣中易老化，特別是在日光直射下會(huì)加速老化，一般壽命約為8年;

    5.制造方面難以避免性能上有一定的差別，載荷特性也難一致，經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間大載荷的作用，會(huì)產(chǎn)生松弛現(xiàn)象。

    決定橡膠減振器動(dòng)剛度和靜剛度的因素包括：橡膠的配方、橡膠的硬度及橡膠減振器的形狀。從形狀及受力變形可把橡膠減振器分為三大類(lèi)：壓縮型、剪切型及復(fù)合型。

    彈簧減振器的優(yōu)點(diǎn)是：

    1.靜態(tài)壓縮量大，固有頻率低，低頻隔振性能好;

    2.能耐受油、水等侵蝕，溫度變化不影響性能;

    3.不會(huì)老化，不發(fā)生蠕變。

    彈簧減振器缺點(diǎn)是：

    1.本身阻尼很小，在共振時(shí)傳遞比非常大;

    2.高頻時(shí)鋼絲會(huì)傳遞振動(dòng);

    3.容易產(chǎn)生搖擺運(yùn)動(dòng)。一般可填充些橡膠或毛氈等軟材料以改善隔振性能。