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[1]。橡膠隔振器的最基本性能為靜、動態性能，這也是工程應用中選擇隔振器隔振的重要依據。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、環境因素和工作狀態等[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，循環次數超過50 萬次，目前由填壓、注壓和注射等成型方式生產的橡膠隔振器均能滿足此要求，但是在大振幅情況下，根據不同的成型方式生產的橡膠隔振器疲勞壽命相差極大。

1 產品結構介紹

如圖1所示，KPM-2型橡膠隔振器由內環、外環和橡膠體組成，結構簡單，可使用不同數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，內外環同時被約束，熱脹冷縮，易產生內應力，進而影響隔振器的疲勞壽命。同時，考慮隔振器使用環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，易產生內生熱，也會影響隔振器的疲勞壽命。

圖1 KPM-2型橡膠隔振器結構示意圖

2 模具結構分析

在設計模具時，從提高橡膠致密度的角度出發，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構示意圖

從疲勞性能試驗的結果來看，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，模具結構緊湊，使用方便，橡膠因產生了塑性變形而流動，且由下往上填滿模具，成型后產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構示意圖

對比使用填壓模具生產的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，故根據該成型方式生產的隔振器外觀質量最佳，注射模具結構見圖4。疲勞性能試驗結果表明，根據該成型方式制得的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構示意圖

3 隔振器性能試驗結果

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 產品照片

圖7 試驗照片

從動態性能上看，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，結果表示其均滿足50萬次循環次數的要求，見表2。

表2 各KPM-2型橡膠隔振器疲勞性能試驗循環次數1

為進一步分析根據哪種成型方式生產的KPM-2型橡膠隔振器疲勞性能最優，從節省時間的角度出發，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了3 件KPM-2 型橡膠隔振器，其疲勞性能試驗結果見表3。

表3 各KPM-2型橡膠隔振器疲勞性能試驗循環次數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，試驗結果表明，成型方式的確對隔振器的疲勞壽命存在影響。

經分析，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，故由填壓方式生產的橡膠隔振器疲勞性能較差，由注壓方式生產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。硫化壓力是保證產品幾何尺寸、結構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，橡膠交聯率和致密度提高，橡膠收縮率減小。交聯密度增加使形成的交聯鍵數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環和外環共同限制時，產生殘余應力，收縮率大更容易產生較大的殘余應力，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束前盡早填滿型腔，利于產品疲勞性能提高。

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

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