船用環氧樹脂墊片的澆注成型及相關力學性能研究

李天勻 劉鵬飛 朱 翔 王 仙

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

1 引 言

墊片在船舶設備及裝置的校中和定位環節中發揮著重要作用。與過去大量使用鋼質墊片不同，目前，澆注型環氧樹脂墊片的應用越來越廣泛。環氧樹脂具有隔熱、隔振、抗壓和耐腐蝕的特性，可實現現場澆注、室溫固化、一次成形，不僅能縮短施工周期，降低勞動強度，還可提高經濟效益［1-2］。我國的修造船業也迅速掌握了澆注型環氧樹脂墊片的工藝特點和技術關鍵，并已將其廣泛應用于主、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］。

相關文獻對環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、墊片靜態力學參數及設備隔振器下使用環氧樹脂墊片后的阻抗研究則相對較少，而力學參數及阻抗性能又是減振降噪領域需要考慮的重要問題。因此，本文將結合工程應用，對3種主要類型的船用環氧樹脂材料澆注墊片的特點及相關力學性能進行研究，進而分析不同墊片的位移振級落差特性。研究結果可為工程設計及應用提供參考。

2 船用環氧樹脂墊片的應用特點

船用環氧樹脂的質量要求較高，目前，成熟的產品主要為以下3家公司生產的專業產品：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有限公司的 JN-120A 系列［6］。

在船舶主機安裝中，傳統的方法是采用鉗工拂配鋼質（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，而底腳螺栓受力復雜；金屬墊片是剛性件，當用于動力裝置的安裝時，它基本不產生減振效果等?；诖?，人們便開始不斷尋找能高效率、高質量地進行設備安裝，縮短修、造船周期的新方法。自20世紀70年代起，在船舶機械設備的安裝中，環氧樹脂墊片（圖1）已逐步代替傳統的鑄鐵、鑄鋼墊片，這一造船新材料和新工藝的應用日趨廣泛。

為推廣該技術，國家于1993年頒布了《船用環氧機座墊片技術條件》（CB／T3514-92）［7］。與金屬墊片相比，環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時的振動和噪聲。

3 環氧樹脂墊片的澆注成型特點及參數測試

3.1 環氧樹脂澆注成型

澆注墊片依據的相關標準為 《船用環氧基座墊片技術條件》（GB／T3514-92）以及各廠家提供的環氧樹脂澆注說明書。澆注?？蛉鐖D2所示。模框材質為1 mm厚的不銹鋼板，高50 mm；螺栓孔塞材質為塑膠棒，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，試驗中出現的現象如下：

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）不同型號的環氧樹脂其放熱反應現象的差別較大。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

經分析可知，圍擋材料對環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，嚴重時，還將造成裂紋。為使其放熱均勻，減少因熱應力而產生裂紋的可能性，應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，溫度越高越容易產生氣泡。固化完成的墊片經打磨后無氣泡，可認為氣泡僅在墊片表面。

3.2 靜態力學參數測試

將澆注環氧樹脂小樣塊作為試驗測試的試件。由于將試件加工成標準壓縮試件工藝難度大，報廢率高，故利用電阻應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，往往會出現偏心壓縮的情況，而在矩形截面長方體試件中部兩側對稱粘貼一個雙向（軸向和橫向）應變片，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個應變片的導線分別接入預調平衡的靜態應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據相比，3種環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。因環氧樹脂材料的彈性模量本身會隨溫度的變化而發生改變，而本次試驗條件與廠家的試驗條件存在差異，因而結果不一致。另彈性模量與試件澆注的質量也有關，故其值需根據實際情況對樣品進行實測得到。

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

4 安裝環氧樹脂墊片后的位移阻抗（動剛度）測試

在實際結構中，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。可將安裝墊片的隔振器視為一個系統，測試該系統低頻垂向位移阻抗（即動剛度），為安裝環氧樹脂墊片后隔振系統的隔振性能分析提供依據。

在墊片的材質上，選擇JN-120A、Epocast 36和Chockfast Orange這3種型號的澆注型環氧樹脂墊片，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）。 依據美國軍用標準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加載至24.50 kN，待變形穩定后，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，每峰峰值對應的頻率分別為6.0～10.0 Hz，步長為 1.0 Hz。 測試結果如圖 6 所示。

對比安裝不同材料墊片的隔振器系統的垂向位移阻抗，可得出以下結論：

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

式中，c為實常數，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系應與設置金屬墊片后的擬合表達式接近，當串聯墊片后，位移阻抗（動剛度）值會減小。這些理論分析的結果與試驗結果是吻合的。

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

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

式中，ZF為基礎結構的位移阻抗，kN／m。

結合測試結果可知，在隔振器下安裝環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 語

澆注型環氧樹脂墊片具有隔熱、隔振、抗壓和耐腐蝕的特性，可實現現場澆注、室溫固化及一次成形，被廣泛應用于船舶設備安裝中?，F場使用時，應嚴格按照環氧樹脂材料的澆注工藝進行操作，以避免產生氣泡等缺陷。

澆注成型后，應對樣品試件進行相關的力學性能測試，以得到其準確的彈性模量等參數。實踐表明，廠家提供的彈性模量等參考值與成型產品的參數有一定的差距，經過準確測定的性能參數才能作為環氧樹脂墊片力學特性研究的依據。

采用環氧樹脂墊片后的隔振性能也是工程中較為關注的問題。本文在阻抗試驗臺上對3種環氧樹脂材料的墊片及鋼質墊片進行了低頻位移阻抗（動剛度）測試，結果表明，環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，采用環氧樹脂墊片后的位移振級落差要優于鋼質墊片。

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