微孔橡胶垫板动静刚度比的试验研究

贺春江，张国文，陈 梦，毛昆朋，吕 博

(中国铁道科学研究院 金属及化学研究所，北京 100081)

微孔橡胶垫板动静刚度比的试验研究

贺春江，张国文，陈 梦，毛昆朋，吕 博

(中国铁道科学研究院 金属及化学研究所，北京 100081)

研究了硫磺用量、炭黑种类及用量、乙烯含量、发泡剂用量及发泡倍率对苏州地铁用微孔橡胶垫板动静刚度比的影响。研究发现:随着硫磺用量增大、炭黑用量减小、炭黑粒子变细及乙烯含量增高，微孔橡胶垫板的动静刚度比都逐渐减小;随着发泡剂用量增大，动静刚度比先减小后增大，呈峰值变化。同时从能量损耗的角度对动静刚度比与能量损耗的关系进行了定性分析，发现动静刚度比与橡胶的损耗因子有很好的相关性，动静刚度比其实是微孔橡胶垫板内耗大小的量度。

微孔橡胶垫板 动静刚度比 损耗因子

为了降低铁路给环境造成的噪声污染及提高轨道弹性，地铁和高铁线路的扣件系统中多采用弹性体垫板，尤其是微孔橡胶垫板。微孔橡胶垫板制造技术的难点在于动静刚度比的控制。目前，有关微孔橡胶垫板动静刚度比的研究文献报道相对较少。李铁等［1］研究了硫化剂用量及填料种类对微孔橡胶垫板动静刚度比的影响规律，贺春江等［2］研究了测试条件对微孔橡胶垫板动静比的影响规律，王鑫等［3］研究了预聚体及扩链交联剂的种类及用量对聚氨酯微孔弹性体垫板动静刚度比的影响规律，张宪清等［4］研究了填料种类及并用比例对客运专线橡胶垫板动静刚度比的影响，谭莲影等［5］研究了硫化三要素及填胶量对EPDM微孔橡胶垫板动静刚度比的影响。动静刚度比的试验需要用到液压伺服疲劳试验机，该设备昂贵，国内只有少数科研单位或大学才有，测试起来很不方便。由于研究工作不足缺乏理论指导，国内具有自主开发低动静刚度比减振器尤其是微孔橡胶垫板能力的厂家非常少，该类产品的价格也较高。

本研究的目的在于系统研究材料配方因素及结构因素对微孔橡胶垫板动静刚度比的影响，并对其影响机理进行了定性分析。希望能为低动静刚度比微孔橡胶垫板的研发在原材料选择、配方设计及工艺参数控制等方面提供参考借鉴。

1 试验及检测

1.1 试样制备

主要原材料:三元乙丙橡胶，美国Lion Copolymer公司产品;碳黑，N774，N330，均为上海卡博特化工有限公司产品;发泡剂，OBSH，高邮市助剂厂产品;硫磺，天津有机化工厂产品;其他均为市售工业品。

制备工艺:采用二段发泡法制备。一段发泡温度130℃，时间8 min;二段发泡温度160℃，时间20 min。

基础配方(质量份):乙丙橡胶100，氧化锌5，硬脂酸1，石蜡油20，防老剂3，促进剂3.5，炭黑变量，硫磺变量。

1.2 试验设备

MTS809材料试验机，美国MTS公司产。

MDR2000无转子硫化仪，美国埃尔法公司产。

1.3 试验方法

静刚度测试。预加静载荷 70 kN，卸载，停留1 min，而后正式开始试验。以2～3 kN/s的速度均匀加载，当载荷加至10 kN和50 kN时各停留1 min，记录、计算出微孔橡胶垫板厚度变化 Δh。静刚度 =(50-10)/Δh，取3次测试结果的平均值为微孔橡胶垫板的静刚度，单位kN/mm。

动刚度测试。预加静载荷 70 kN，卸载，停留1 min，而后正式开始试验。施加周期载荷10～50 kN，加载频率4 Hz，载荷循环1 000次，计算最后10次载荷循环中的动刚度，动刚度 =(50-10)/Δh，并取这10次试验结果的平均值为微孔橡胶垫板的动刚度，单位kN/mm。

动静刚度比=动刚度/静刚度。

2 试验结果与讨论

2.1 硫磺用量对微孔橡胶垫板动静刚度比的影响

硫磺用量对微孔橡胶垫板动静刚度比和损耗因子的影响如图1所示。从图1可以看出，在1～2.5份范围内，随着硫磺用量增加，微孔橡胶垫板的动静刚度比逐渐减小。

图1 硫磺用量对动静刚度比和损耗因子的影响

由于动态加载条件下微孔垫板的形变量总小于静态测试条件下的形变量，所以测得的微孔垫板的动刚度总大于静刚度，也就是动静比总＞1。造成这种现象的根本原因是因为橡胶具有黏弹性，而非理想弹簧。橡胶是由众多无规则线团状的高分子链组成，在受到外力时因分子链间的摩擦作用，橡胶的应力与应变间存在滞后现象。这在宏观上表现为在同样的加载条件下，测试动刚度时橡胶的形变量总小于静刚度测试时的形变量，也就是动静刚度比＞1。

MDR 2000型无转子硫化仪可以对橡胶产生固定角度的剪切循环应力，测得损耗因子tanδ，tanδ是黏性模量与弹性模量的比值。tanδ越大橡胶的弹性越差，能量损耗越大［6］。

同时图1显示，随着硫磺用量增大，橡胶的损耗因子逐渐减小。分析认为:硫磺越多橡胶高分子链之间的交联键越多，在外力作用下橡胶材料的变形越快，滞后越小而弹性越好，内摩擦造成的能量损耗也越小，所以损耗因子越小。从图1还可以看出，微孔垫板的动静刚度比与橡胶的损耗因子变化规律相同，具有很好的相关性。

2.2 炭黑种类及用量对动静刚度比的影响

炭黑种类及用量对动静刚度比的影响如图2所示。从图2可以看出，随着炭黑用量增大，橡胶垫板的动静刚度比都逐渐增大;N330炭黑的曲线始终在N774炭黑曲线的上方。

从图2还可以看出，与动静刚度比变化规律相同，随着炭黑用量增大，橡胶的损耗因子逐渐增大，N330炭黑的曲线始终在N774炭黑曲线的上方。

图2 炭黑用量对动静刚度比和损耗因子的影响

分析认为:随着炭黑用量增多，炭黑粒子变细(N774炭黑的粒径大于N330炭黑的粒径)，炭黑与橡胶界面越大，在外力作用下橡胶摩擦内耗现象越明显，形变更加滞后于应变，损耗因子越大，动静比越大。从图2看，4条曲线均存在拐点，且 N330炭黑的拐点出现时炭黑的用量较低。损耗因子和动静刚度比随炭黑用量的变化规律是一样的。分析认为:这是由于炭黑的量多到一定程度，形成网络结构，黏弹滞后现象会显著增大，而细粒子炭黑更容易形成网络结构。所以动静刚度比和损耗因子随着炭黑用量逐渐增大，曲线存在拐点，且N330炭黑的拐点比N774炭黑的拐点出现得早。图2显示，动静刚度比与橡胶材料的损耗因子具有很好的相关性。

2.3 生胶结构的影响

图3显示了乙丙橡胶乙烯含量对微孔橡胶垫板动静刚度及损耗因子的影响。从图3中可以看出，随着乙丙橡胶乙烯含量增高，损耗因子和动静刚度比都逐渐减小。

图3 乙烯含量对动静刚度比和损耗因子的影响

分析认为:乙丙橡胶的分子链主要由乙烯、丙烯及极少量的第三单体组成，乙烯、丙烯链段的含量决定了乙丙橡胶的很多宏观性能。乙烯含量越多，丙烯含量越少，乙丙橡胶分子链则更柔顺，更容易响应外力作用，变形较快，弹性较好，机械能损耗也越小。随着乙丙橡胶乙烯含量增高，损耗因子和动静刚度比都逐渐减小。这些现象进一步显示，微孔橡胶垫板的动静刚度比与橡胶材料的损耗因子具有很好的相关性。

由于微孔橡胶垫板的动静刚度比与橡胶材料的损耗因子直接相关，认识到这一点对微孔橡胶垫板的原材料选择、配方设计及工艺参数控制都有很好的指导作用。如在生胶的选择上，优先选择乙烯含量较高的生胶牌号;优先选择粒径较粗的炭黑且炭黑用量尽量少;提高橡胶的硫化程度和交联密度等措施都有助于降低微孔橡胶垫板的动静刚度比。凡是与损耗因子相关的检测设备，如动态黏弹谱仪、橡胶加工流变仪、冲击回弹仪及压缩疲劳实验机等，都可以用来做材料的筛选及配方优化。

2.4 发泡剂用量对动静刚度比的影响

发泡剂用量对微孔橡胶垫板动静刚度比的影响如图4所示。由图4可以看出，动静刚度比随着发泡剂用量先减小后增大，呈峰值变化。为了便于分析，可以把微孔橡胶垫板看成是橡胶和泡孔的复合体。一方面空气气泡提供弹性，使气泡增加了微孔橡胶垫板的恢复能力。但是对于气泡而言，空气实际上并不是无内耗的理想气体。能量损耗存在于两个方面:首先，在往复力作用下，空气压缩恢复过程中会有部分机械能转化为热能;再者，微孔中空气与橡胶壁摩擦生热也会使部分机械能转化为热能而消耗。随着发泡剂用量增大泡孔逐渐增多;微孔提供的弹性逐渐增大，所以动静刚度比逐渐减小;微孔进一步增大，空气与气壁的接触面积增大，空气与气壁摩擦生热能量损耗也逐渐增大。亦即，动静刚度比随着发泡剂用量先减小后增大。

3 结论

动静刚度比与胶料的损耗因子直接相关，它是能量损耗大小的量度。随着硫磺用量增大、炭黑用量增多、炭黑粒子变细、乙丙橡胶的乙烯含量逐渐增大，微孔橡胶垫板的动静刚度比逐渐减小;随着发泡剂用量增多，动静刚度比先减小后增大，呈峰值变化。本研究还表明，随着发泡倍率增大，动静刚度比逐渐减小并趋于平缓。

［1］李铁，邹华，张立群.EPDM硫化胶力学性能及动静刚度比的研究［J］.合成橡胶工业，2005，28(2):105-109.

［2］贺春江，杨其全，毛昆朋.测试条件对微孔橡胶垫板动刚度及动静刚度比的影响［J］.合成橡胶工业，2006，29(3):194-196.

［3］王鑫，毛昆朋，吴智强，等.低动静刚度比的聚氨酯微孔弹性体的研究［J］.聚氨酯工业，2011，26(5):19-22.

［4］张宪清，贺春江，杨维坚.填料对客运专线橡胶垫板性能的影响研究［J］.铁道建筑，2012(10):117-119.

［5］谭莲影，程志，陈晓艳，等.硫化工艺对EPDM微孔橡胶垫板动静刚度比的影响［J］.特种橡胶制品，2013，34(3):56-59.

［6］刘燕生.应用MDR2000硫化仪预测胶料的加工性和硫化胶的生热及抗返原性［J］.轮胎工业，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

北京市自然科学基金资助项目(2142038)

贺春江(1976— )，男，新疆奎屯人，副研究员，硕士。

(责任审编 孟庆伶)