成型方式對橡膠隔振器疲勞性能的影響

彭勇晟，楊俊鳳，潘國培，汪 卓

（中國船舶集團有限公司 第七〇四研究所，上海 200031）

橡膠隔振器作為一種被動減振降噪元件，被廣泛應用于船舶、汽車和航空等行業(yè)[1]。橡膠隔振器的最基本性能為靜、動態(tài)性能，這也是工程應用中選擇隔振器隔振的重要依據(jù)。從可靠性的角度來說，疲勞性能是衡量橡膠隔振器可靠性的重要指標，也是橡膠隔振器使用壽命的判斷標準之一。影響橡膠隔振器疲勞壽命的主要因素有：硫化工藝、成型方式、橡膠配方、應力集中、環(huán)境因素和工作狀態(tài)等[2]。成型方式對橡膠隔振器疲勞壽命的影響容易被忽略，船舶行業(yè)橡膠隔振器疲勞性能試驗一般參考美軍標MIL－PRF－32407A[3]的要求，即在額定載荷下，以1.25 mm 振幅共振，循環(huán)次數(shù)超過50 萬次，目前由填壓、注壓和注射等成型方式生產(chǎn)的橡膠隔振器均能滿足此要求，但是在大振幅情況下，根據(jù)不同的成型方式生產(chǎn)的橡膠隔振器疲勞壽命相差極大。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)介紹

如圖1所示，KPM-2型橡膠隔振器由內(nèi)環(huán)、外環(huán)和橡膠體組成，結(jié)構(gòu)簡單，可使用不同數(shù)量的該型隔振器進行組合形成新的組合型隔振器。該隔振器受力時，內(nèi)外環(huán)同時被約束，熱脹冷縮，易產(chǎn)生內(nèi)應力，進而影響隔振器的疲勞壽命。同時，考慮隔振器使用環(huán)境對耐油性能的要求，KPM-2型橡膠隔振器采用丁腈橡膠，丁腈橡膠阻尼大，易產(chǎn)生內(nèi)生熱，也會影響隔振器的疲勞壽命。

圖1 KPM-2型橡膠隔振器結(jié)構(gòu)示意圖

2 模具結(jié)構(gòu)分析

在設計模具時，從提高橡膠致密度的角度出發(fā)，設計了封閉式填壓模具，如圖2所示，成型過程中流出模具的膠料較少，排氣性能較差，易產(chǎn)生氣泡和縮孔等缺陷。

圖2 KPM-2型橡膠隔振器填壓式模具結(jié)構(gòu)示意圖

從疲勞性能試驗的結(jié)果來看，由該成型方式制作得到的KPM-2 型橡膠隔振器在大振幅振動狀態(tài)下疲勞性能較差。使用注壓型模具時，橡膠通過一個料缸被擠壓到模腔中，見圖3。該類模具成型前需先合模，然后擠壓橡膠，模具結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，橡膠因產(chǎn)生了塑性變形而流動，且由下往上填滿模具，成型后產(chǎn)品的外觀較封閉式填壓模具合格率更高。

圖3 KPM-2型橡膠隔振器注壓式模具結(jié)構(gòu)示意圖

對比使用填壓模具生產(chǎn)的KPM-2型隔振器，其疲勞性能提高了近3 倍，疲勞性能提升較為明顯。注射模具和注壓模具類似，需先合模，但上方的料缸換成了注射硫化機自帶的注射筒，膠料經(jīng)過注射筒預熱后再由注射頭擠入模具，橡膠受熱后流動性較好，更容易填滿模腔，排擠空氣，故根據(jù)該成型方式生產(chǎn)的隔振器外觀質(zhì)量最佳，注射模具結(jié)構(gòu)見圖4。疲勞性能試驗結(jié)果表明，根據(jù)該成型方式制得的KPM-2型橡膠隔振器疲勞性能最好，且相較于使用注壓模具生產(chǎn)的該型隔振器，疲勞性能提高明顯。

圖4 KPM-2型橡膠隔振器注射式模具結(jié)構(gòu)示意圖

3 隔振器性能試驗結(jié)果

采用3種成型方式制作的KPM-2型橡膠隔振器的靜變形幾乎相同，即徑向加載5 000 N 時，隔振器的靜變形均約為1.5 mm，其力變形曲線見圖5，產(chǎn)品和試驗照見圖6和圖7。

圖5 KPM-2型橡膠隔振器力變形曲線比較

圖6 產(chǎn)品照片

圖7 試驗照片

從動態(tài)性能上看，其額定載荷下的固有頻率和阻尼比值也比較接近，見表1。

表1 各KPM-2型橡膠隔振器動態(tài)性能

對采用不同的成型方式制作的KPM-2 型橡膠隔振器進行疲勞性能試驗，結(jié)果表示其均滿足50萬次循環(huán)次數(shù)的要求，見表2。

表2 各KPM-2型橡膠隔振器疲勞性能試驗循環(huán)次數(shù)1

為進一步分析根據(jù)哪種成型方式生產(chǎn)的KPM-2型橡膠隔振器疲勞性能最優(yōu)，從節(jié)省時間的角度出發(fā)，考慮采用加速疲勞的試驗方法，將試驗振幅由1.25 mm提高到2.5 mm，其它條件保持不變，即對隔振器徑向加載5 000 N，頻率設置為隔振器的額定載荷下的固有頻率，振幅為2.5 mm。按照不同的成型方式又各生產(chǎn)了3 件KPM-2 型橡膠隔振器，其疲勞性能試驗結(jié)果見表3。

表3 各KPM-2型橡膠隔振器疲勞性能試驗循環(huán)次數(shù)2

4 原因及原理分析

試制過程中，采用了相同的配方、硫化工藝（硫化溫度、硫化時間和硫化壓力），對隔振器金屬件的處理方式（噴砂、涂膠）也相同，僅僅是模具的變化造成了成型方式的不同，試驗結(jié)果表明，成型方式的確對隔振器的疲勞壽命存在影響。

經(jīng)分析，成型方式影響隔振器的疲勞壽命主要原因有以下幾點：

（1）填壓方式是先將膠料剪成片狀，然后將其一層層堆疊到模具中，經(jīng)加熱后逐漸將其熔融再成型，注壓方式是將生膠通過小孔擠入模具，擠入過程中因為存在摩擦會提高膠料溫度，注射方式是將膠料在注射機中預加熱，然后將其擠入模具，從料溫上看，填壓時膠料溫度與模具溫度的溫差最大，注射時兩者溫差最小，該溫度的梯度差大小造成了膠料之間的融合性偏差，溫度梯度越大，融合性越差，故由填壓方式生產(chǎn)的橡膠隔振器疲勞性能較差，由注壓方式生產(chǎn)的橡膠隔振器疲勞性能次之。

（2）橡膠膠料在模腔中的流動性能也影響隔振器的成型質(zhì)量，流動性好易將空氣排出模腔，有利于橡膠成型。3種成型方式中，填壓、注壓和注射使橡膠膠料的初始溫度依次增高，較高溫度可使橡膠在模腔中快速流動，能在焦燒期結(jié)束前盡早填滿型腔，有利于后期的欠硫化和正硫化過程。

（3）眾所周知，3 種成型方式中，注射成型時硫化壓力最大。硫化壓力是保證產(chǎn)品幾何尺寸、結(jié)構(gòu)密度和物理性能的重要因素[4]。硫化壓力增大，使橡膠分子鏈距離減小，橡膠交聯(lián)率和致密度提高，橡膠收縮率減小。交聯(lián)密度增加使形成的交聯(lián)鍵數(shù)量中多硫鍵所占比例越來越小，單硫鍵和雙硫鍵所占比例越來越大，200%定伸應力隨之增加[5]，膠料的阻尼生熱小，有利于提高隔振器的疲勞性能。KPM-2型橡膠隔振器受到內(nèi)環(huán)和外環(huán)共同限制時，產(chǎn)生殘余應力，收縮率大更容易產(chǎn)生較大的殘余應力，而硫化壓力的增加可使橡膠的收縮率減小[5]，也能提高隔振器的疲勞性能。

5 結(jié)語

（1）由填壓、注壓和注射3種方式成型的橡膠隔振器均可以滿足船舶行業(yè)通用的疲勞性能試驗要求，但對于在大振幅下進行的疲勞性能試驗，填壓式成型隔振器效果較差，注射式成型隔振器效果最佳。

（2）不同的成型方式導致橡膠膠料的溫度階梯差存在差異，較大的階梯差值使膠料的融合性減弱，橡膠隔振器疲勞性能也相對降低。

（3）不同的成型方式對橡膠膠料的流動性存在影響，流動性好的膠料可在焦燒期結(jié)束前盡早填滿型腔，利于產(chǎn)品疲勞性能提高。

（4）硫化壓力在一定程度上可以提高橡膠的交聯(lián)密度和致密性，提高200%定伸應力，減少阻尼生熱，利于產(chǎn)品疲勞性能提高。

（5）類似KPM-2型橡膠隔振器的產(chǎn)品本身容易產(chǎn)生殘余應力，使橡膠受拉，收縮率越小，殘余應力也越小，注射成型方式因產(chǎn)生的硫化壓力較大，使橡膠收縮率降低，可提高產(chǎn)品的疲勞性能。