朱萬超，賀春江，陳傳志，張憲清

（1 中鐵檢驗(yàn)認(rèn)證中心有限公司，北京 100081；2 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；3 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100081）

為了降低鐵路給環(huán)境造成的噪聲污染及提高軌道彈性，地鐵和高鐵線路的扣件系統(tǒng)中多采用減振橡膠制品，如橡膠墊板、微孔橡膠墊和聚氨酯微孔墊板等。靜剛度及動靜剛度比是減振橡膠制品的主要性能指標(biāo)。靜剛度和動剛度的區(qū)別在于測試時(shí)加載載荷的速度不同。當(dāng)載荷很緩慢加于減振橡膠制品，變形速度通常在1cm/min左右，測得的力與變形的關(guān)系稱為靜剛度。減振器在以一定的振幅（通常不超過橡膠厚度的5%）和一定頻率（一般為3～60 Hz）交變載荷作用下，測得的振動剛度稱為動剛度。動靜剛度比即為測得的動剛度與靜剛度的比值。

動靜剛度比對振動傳遞和減振效果有較大影響。動靜剛度比越小，橡膠材料的回彈性越好，振動傳遞效果越好。金屬彈簧等理想彈性體的動靜剛度比為1，其他非理想彈性體的動剛度都大于靜剛度，兩者的比值越趨近于1，振動傳遞性能就越好。

動靜剛度比的控制一直是減振橡膠制品開發(fā)的難點(diǎn)。本研究從橡膠制品的材料材料組成、加工工藝、結(jié)構(gòu)及測試條件四個(gè)方面，綜述了動靜剛度比的影響因素、機(jī)理分析研究成果及最新進(jìn)展，期望為低動靜剛度比橡膠制品的開發(fā)提供參考。

1 動靜剛度比影響因素

1.1 材料方面

1.1.1 生膠分子結(jié)構(gòu)的影響

賀春江等[1]研究了乙丙橡膠乙烯含量對橡膠墊板動靜剛度及損耗因子的影響。隨著乙丙橡膠乙烯含量增高，損耗因子和動靜剛度比都逐漸減小。當(dāng)乙烯含量為50%時(shí)，動靜比為2.5，當(dāng)乙烯含量為65%時(shí)，動靜比為1.25。分析認(rèn)為: 乙丙橡膠的分子鏈主要由乙烯、丙烯及極少量的第三單體組成，乙烯、丙烯鏈段的含量決定了乙丙橡膠的很多宏觀性能。乙烯含量越多，丙烯含量越少，乙丙橡膠分子鏈則更柔順，更容易響應(yīng)外力作用，變形較快，彈性較好，機(jī)械能損耗也越小。因此，隨著乙丙橡膠乙烯含量增高，損耗因子和動靜剛度比都逐漸減小。

章維國等[2]研究對比的三種不同生膠體系（即純NR、NR/BR并用膠、NR/SBR 并用膠）的硫化膠標(biāo)準(zhǔn)試樣的動靜剛度比。不同生膠體系中，純NR配方制得的標(biāo)準(zhǔn)試樣動靜剛度比最小，為1.325，NR與BR并用制得的標(biāo)準(zhǔn)試樣動靜剛度比，為1.343，而NR與SBR 并用制得的標(biāo)準(zhǔn)試樣動靜剛度比最大為1.499。其主要原因是，NR 與BR 的相容性較好，共混膠料的形態(tài)結(jié)構(gòu)是微相分離的多相結(jié)構(gòu)，各組分的相界面間有過渡層。盡管并用可以起到擴(kuò)大阻尼溫域的目的，但是兩相間的過渡層也放大了橡膠的粘彈滯后效應(yīng)，動剛度增加稍大于靜剛度，因而并用BR后動靜剛度比比值稍有增加。而NR并用SBR 后，標(biāo)準(zhǔn)試樣動靜剛度比增大幅度較顯著，這可以從微觀大分子結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分析解釋。由于SBR分子鏈上帶有體積較大、數(shù)量較多的苯環(huán)側(cè)基，使鏈段運(yùn)動的松弛時(shí)間增加，滯后效應(yīng)更加顯著，其力學(xué)損耗tgδ較高，因而硫化膠動剛度的增加較靜剛度更大一些，因此動靜剛度比值也就明顯增大。

張劍平等[3]將新型合成橡膠—高反式-1,4-丁二烯-異戊二烯共聚橡膠TBIR引入減振橡膠配方中，研究了不同共混比例的NR/TBIR橡膠的結(jié)構(gòu)與性能。研究發(fā)現(xiàn)，填充TBIR/NR硫化膠表現(xiàn)出更好的動靜剛度比及更突出的耐屈撓疲勞性能。TBIR 的加入有利于改善炭黑分散性以及TBIR 與炭黑的結(jié)合力，因此動靜剛度比減小。

張新欣等[4]研究了含膠率對NR膠料動靜剛度比的影響。含膠率 60.7%的天然橡膠膠料，動靜剛度比為 1.68，含膠率 64.6%的天然橡膠膠料，動靜剛度比為 1.58。說明含膠率會影響膠料的動靜剛度比，含膠率越大，橡膠分子鏈之間的內(nèi)摩擦越小，動靜剛度比越小。

王鑫等[5]以液化MDI( MDI-100LL) 、聚合物多元醇、聚醚多元醇、1,4-丁二醇和水為原料，采用預(yù)聚法制備了動靜剛度比較低的可應(yīng)用于高速鐵墊板下彈性墊板，并對影響其動靜剛度比的主要因素進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，當(dāng)NCO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6% ～ 7%，水作發(fā)泡劑，采用BDO 和GE-303 的混合擴(kuò)鏈交聯(lián)劑時(shí)，適當(dāng)加入10 份的聚合物多元醇，聚氨酯微孔彈性體的動靜剛度比最低，達(dá)1.24。

黃自華等[6]以4，4’-二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）、聚醚多元醇、擴(kuò)鏈劑、勻泡劑、發(fā)泡劑和水為原材料，通過半預(yù)聚體法制備高速鐵路用鐵墊板下彈性墊板。研究了不同相對分子質(zhì)量聚醚多元醇、異氰酸酯指數(shù)對彈性墊性能的影響。

隨著組合料中聚醚多元醇P1含量的增多，鐵墊板下彈性墊板的靜剛度和動靜剛度比增大。其原因是隨著聚醚多元醇比例的增加，硬段相對含量增加，內(nèi)聚能密度增大，硬段間形成的物理交聯(lián)增多，導(dǎo)致硬度、強(qiáng)度和靜剛度提高；由于硬段含量增加，分子鏈柔順性降低；并且彈性變差，內(nèi)耗增大，致使材料動靜剛度比增大。隨著異氰酸酯指數(shù)的增大，靜剛度增大，動靜比先減小后增大。分析認(rèn)為，動靜比實(shí)質(zhì)是鐵墊板下彈性墊板能量損耗大小的量度。在周期性加載過程中，鐵墊板下彈性墊板的能量損耗，主要由高分子鏈段的構(gòu)象改變、鏈段間的內(nèi)摩擦及發(fā)泡劑與泡孔壁的摩擦引起。在產(chǎn)品受力形變過程中，鐵墊板下彈性墊板將一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，如果鐵墊板下彈性墊板的形變越滯后于應(yīng)變，能量損耗越大，動靜比也越大；反之，如果微孔墊板的形變與應(yīng)變的同步性越好，能量損耗就越小，動靜比也就越小。隨異氰酸酯指數(shù)的增大，剛性鏈段之間的化學(xué)交聯(lián)增多，當(dāng)升至1.02時(shí)，墊板的回彈性最好，內(nèi)耗最少，當(dāng)繼續(xù)增大異氰酸酯指數(shù)時(shí)，墊板回彈降低，形變與應(yīng)變的同步性越差，內(nèi)耗增大，故動靜比先減小后增大。

1.1.2 填料的影響

王巧玲等[7]研究了炭黑品種和用量對乙丙橡膠性能的影響。隨著炭黑N330和N550用量的增大，動靜剛度比均呈現(xiàn)增大趨勢；填充相同用量時(shí)，填充炭黑N330膠料的動靜剛度比比填充炭黑N550膠料的大。炭黑用量70份時(shí)，填充炭黑N330膠料和填充炭黑N550膠料的動靜剛度比分別為1.81和1.71。

張憲清等[8]通過測試客運(yùn)專線墊板的拉伸強(qiáng)度、200%定伸應(yīng)力、動靜剛度比及電阻等性能參數(shù)，研究了幾種無機(jī)填料( 白炭黑、陶土及滑石粉)與無機(jī)補(bǔ)強(qiáng)填料薩博菲并用比例對客運(yùn)專線橡膠墊板性能的影響。從4 種無機(jī)填料對丁苯橡膠性能的影響來看，成品靜剛度及動靜比由大到小順序都是白炭黑、薩博菲、滑石粉和陶土?？梢钥闯觯_博菲的綜合性能最好。在110 份填料內(nèi)，隨著炭黑用量減小，墊板的靜剛度逐漸減小，動靜比逐漸變小。薩博菲與炭黑最佳比例為35∶75。

陳平等[9]使用5種不同無機(jī)填料（白炭黑、輕質(zhì)碳酸鈣、陶土、云母粉和硅藻土）進(jìn)行了動靜剛度比試驗(yàn)，結(jié)果表明，白炭黑的動靜剛度比最大，達(dá)6.4，硅藻土的最小，為3.2。這是由于白炭黑粒徑顯著小于其他白色填料，其表面使用硅烷偶聯(lián)劑處理，提高了白炭黑同橡膠的親和力、濕潤性和相容性，與橡膠大分子的界面作用增強(qiáng)，結(jié)合膠增多，也就越易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這些因素將導(dǎo)致更為強(qiáng)烈的粘彈滯后效應(yīng)，增大滯后損失，最終導(dǎo)致膠料的動靜剛度比提高；而硅藻土相對白炭黑粒徑較大，同橡膠大分子鏈之間接觸較少，當(dāng)受到外力時(shí)，其粘彈滯后效應(yīng)較小，損耗因子較低，從而表現(xiàn)出較低的動靜剛度比。

王雪飛等[10]研究原位接枝改性炭黑補(bǔ)強(qiáng)NR的物理性能和動態(tài)力學(xué)性能, 考察用其制造的軸箱彈簧的剛度性能。結(jié)果表明,與未改性膠料相比, 原位接枝改性膠料的物理性能和動態(tài)力學(xué)性能均提高。未改性膠料和原位接枝改性膠料的軸箱彈簧動靜剛度比分別為1.55和1.11。在較高頻率條件下尤為顯著, 產(chǎn)品的減震性能明顯改善。

1.1.3 硫化體系的影響

張新欣等[4]研究了硫化體系對動靜剛度比的影響。研究發(fā)現(xiàn)，普通硫化體系比半有效硫化體系具有較小的動靜剛度比。隨著硫化時(shí)間的延長，普通硫黃硫化體系膠料的動靜剛度比增大，半有效硫化體系膠料的比較穩(wěn)定。普通硫化體系的墊板過硫前后動靜剛度比分別為1.87和2.20；而半有效硫化體系的墊板過硫前后動靜剛度比分別為2.58和2.57。分析認(rèn)為，這是因?yàn)樵诎胗行Я蚧w系膠料的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中硫原子與游離硫少，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)牢固，因而膠料的動靜剛度比穩(wěn)定。

王巧玲等[7]研究了硫化體系對三元乙丙橡膠墊板動靜剛度比的影響。結(jié)果表明，隨著硫黃用量從0.63份增大到2.5份，硫黃硫化體系的墊板的動靜剛度比從1.8減小到1.37，呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢；隨著硫化劑DCP用量從2.5份增大到4份，DCP硫化的墊板動靜剛度比則呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，動靜比在2.19～1.95之間變化，比硫黃硫化體系的要大。

尉行等[11]研究了多馬來酰亞胺（PAPI）對減振橡膠的動態(tài)生熱、動靜剛度比及裂紋擴(kuò)展性能的影響。結(jié)果表明，PAPI的加入，使得橡膠的動剛度降低，靜剛度升高，使動靜剛度比降至1.21。同時(shí)，添加PAPI使得橡膠裂紋擴(kuò)展速率明顯下降，從而會提高減振橡膠的疲勞壽命。其中，PAPI用量為0.6份，動靜剛度比值最低。從PAPI的化學(xué)結(jié)構(gòu)上可以看出，其具有多反應(yīng)性官能團(tuán)，可以與橡膠上的雙鍵發(fā)生烯反應(yīng)起到交聯(lián)作用，提高交聯(lián)密度。

劉春亮等[12]以納米粘土部分等量替代炭黑填充天然橡膠，制備納米粘土/炭黑/天然橡膠復(fù)合材料，研究納米粘土用量對復(fù)合材料動態(tài)性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)納米粘土用量較小時(shí)，納米粘土/炭黑/天然橡膠復(fù)合材料中填料分散性較好；與炭黑/天然橡膠復(fù)合材料相比，納米粘土/炭黑/天然橡膠復(fù)合材料的滯后損失、動剛度和動靜剛度比降低，當(dāng)納米粘土等量替代炭黑后，復(fù)合材料的tanδ減小，當(dāng)納米粘土用量為2份時(shí)，復(fù)合材料的動態(tài)壓縮生熱和動靜剛度比最低。加入納米粘土可降低復(fù)合材料的動剛度和動靜剛度比，提高動態(tài)性能。經(jīng)過10萬次疲勞壓縮后，不同配方復(fù)合材料的動靜剛度比均增大，但添加2份納米粘土復(fù)合材料的動靜剛度比仍最小。

趙云行等[13]通過摻加不同表面改性劑制作了5種配方試樣，采用橡膠加工分析儀，材料疲勞試驗(yàn)機(jī)和沖擊回彈試驗(yàn)儀，研究了有無表面改性劑以及不同種類表面改性劑對橡膠墊板動態(tài)性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：分別加入聚乙二醇、十二烷基苯磺酸鹽、γ-氨丙基三乙氧基硅烷、雙（三乙氧基硅丙基）四硫化物后，橡膠動靜剛度比、損耗功和力學(xué)損耗角正切tanδ均依次減?。粌δ苣Ａ恳来螠p小，Payne效應(yīng)越來越不明顯；橡膠材料回彈性依次增大；動靜剛度比與損耗功、回彈性和tanδ均有很好的相關(guān)性。分析認(rèn)為，這是因?yàn)楸砻娓男詣┛梢越櫶盍戏垠w表面，促進(jìn)了粉體與橡膠的界面結(jié)合，減小了填料網(wǎng)絡(luò)在外力作用下破壞時(shí)能量損耗，增加了分子的柔順性，對應(yīng)力響應(yīng)得更快，使得橡膠墊板的彈性變好，從而減小動靜剛度比。

張世鑫等[14]研究沉淀法白炭黑在RP5高鐵橡膠墊板中的應(yīng)用。結(jié)果表明：當(dāng)沉淀法白炭黑用量為20份時(shí)，硫化膠具有較高的拉伸強(qiáng)度，達(dá)到17.5MPa；動靜剛度比達(dá)1.8，滿足鐵路行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求；電絕緣性能良好，工作電阻達(dá)1010歐姆。

1.2 加工工藝的影響

黃良平等[15]研究了硫化溫度、時(shí)間、壓力等工藝因素對橡膠墊板動靜剛度比的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在150℃硫化時(shí),當(dāng)硫化時(shí)間為15min時(shí)，橡膠墊板的動靜剛度比較小,橡膠的溶脹指數(shù)也較小;在160℃下硫化時(shí),硫化時(shí)間為13min時(shí)橡膠墊板的動靜剛度比較小, 橡膠的溶脹指數(shù)也較小。硫化溫度與時(shí)間對橡膠墊板動靜剛度比的影響是通過橡膠交聯(lián)密度的變化來體現(xiàn)的, 橡膠交聯(lián)密度越大動靜剛度比越小。硫化壓力越大, 橡膠墊板的動靜剛度比越小。硫化壓力從5MPa 增大到45MPa,動靜比從2.9減小到1.6。結(jié)果表明,硫化壓力增大橡膠墊板動靜剛度比減小。分析原因可能是硫化壓力增大時(shí)橡膠有更大的致密度,在橡膠制品承受同等載荷時(shí)橡膠變形較小,因而滯后損失較小,結(jié)果產(chǎn)品的動靜剛度比較小。

1.3 結(jié)構(gòu)的影響

王斌倉[16]研究了網(wǎng)孔式軌下橡膠墊板。著重分析了不同的網(wǎng)孔幾何參數(shù)（改變六邊形網(wǎng)孔內(nèi)徑和網(wǎng)孔之間的間距）對橡膠墊板剛度特性的影響。利用三維建模軟件 SolidWorks 建立了多種尺寸網(wǎng)孔式軌下橡膠墊板模型，導(dǎo)入 ABAQUS 軟件對所有模型進(jìn)行了模擬仿真分析，查看模型的應(yīng)力分布情況，并依次計(jì)算了所建模型的靜剛度、動剛度和動靜剛度比，再通過試驗(yàn)驗(yàn)證，歸納了網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)變化時(shí)墊板剛度特性的變化規(guī)律。網(wǎng)孔式軌下橡膠墊板比溝槽式橡膠墊板具有更小的動靜剛度比。網(wǎng)孔內(nèi)徑不變時(shí)，墊板動靜剛度比隨著網(wǎng)孔間距的增大而減小。增大網(wǎng)孔間距可以降低墊板的動靜剛度比，且當(dāng)網(wǎng)孔間距值增大至接近網(wǎng)孔內(nèi)徑時(shí)降幅較大，當(dāng)網(wǎng)孔間距值大于網(wǎng)孔內(nèi)徑后降幅隨之降低。網(wǎng)孔間距不變時(shí)，墊板動靜剛度比隨著網(wǎng)孔內(nèi)徑的增大而增大。發(fā)現(xiàn)網(wǎng)孔內(nèi)徑為 8mm、網(wǎng)孔間距為7mm 的網(wǎng)孔式墊板綜合力學(xué)性能較為出色。

賀春江等[1]研究了發(fā)泡劑用量對微孔橡膠墊板動靜剛度比的影響。動靜剛度比隨著發(fā)泡劑用量先減小后增大,呈峰值變化。發(fā)泡劑用量1.2份時(shí)，動靜比為1.74，發(fā)泡劑用量1.8份時(shí)動靜比最小，達(dá)1.53，發(fā)泡劑用量2.4份時(shí)動靜比為1.58。為了便于分析，可以把微孔橡膠墊板看成是橡膠和泡孔的復(fù)合體。一方面空氣氣泡提供彈性，使氣泡增加了微孔橡膠墊板的恢復(fù)能力。但是對于氣泡而言，空氣實(shí)際上并不是無內(nèi)耗的理想氣體。能量損耗存在于兩個(gè)方面: 首先，在往復(fù)力作用下，空氣壓縮恢復(fù)過程中會有部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能; 再者，微孔中空氣與橡膠壁摩擦生熱也會使部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能而消耗。隨著發(fā)泡劑用量增大泡孔逐漸增多; 微孔提供的彈性逐漸增大，所以動靜剛度比逐漸減小; 微孔進(jìn)一步增大，空氣與氣壁的接觸面積增大，空氣與氣壁摩擦生熱能量損耗也逐漸增大。亦即，動靜剛度比隨著發(fā)泡劑用量先減小后增大。

李鐵等[17]研究了發(fā)泡密度與動靜比的關(guān)系。當(dāng)發(fā)泡密度分別為1.10、0.83、0.56 g /cm3,動靜比分別為2.87、1.94、1.83。動靜比隨著發(fā)泡密度降低而降低。

施成旺等[18]研究了發(fā)泡劑OBSH-75用量對BR/SBR并用發(fā)泡材料泡孔結(jié)構(gòu)和動靜剛度比的的影響。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)泡劑用量從0.5增大到3份時(shí)，BR/SBR并用發(fā)泡材料泡孔直徑從400μm減小到175μm，動靜比從1.6減小到1.32。

黃自華等[6]研究了產(chǎn)品密度對動靜剛度比的影響，在密度780～850 kg/cm3范圍內(nèi)，隨著產(chǎn)品密度增加，動靜剛度比從1.2上升到1.3，增長幅度較緩；產(chǎn)品的靜剛度逐漸增大，且分為兩個(gè)階段，密度大于815kg/cm3時(shí)，靜剛度增幅明顯。

1.4 測試條件的影響

賀春江等[19]建立了微孔橡膠墊板結(jié)構(gòu)簡化模型,對動靜比與能量損耗的關(guān)系進(jìn)行了定性分析,并考察了測試頻率和加載力值對動剛度和動靜比的影響。結(jié)果表明,動靜比實(shí)質(zhì)上反映了橡膠墊板內(nèi)耗的大小。在外力作用下,橡膠墊板的內(nèi)耗越大,則動剛度和動靜比越大;隨著測試頻率和加載力值的增加,動剛度和動靜比均增大。

李紅微等[20]研究了振幅、溫度等參數(shù)對橡膠懸置動靜剛度比的影響。研究表明，在0.3～2 mm的振幅范圍內(nèi)，在載荷一定、頻率一定的前提下，振幅越小，振動引起的高分子鏈段運(yùn)動程度越小，回彈相對較快、能量損耗較小，因此動靜剛度比越小。在-25～50 ℃范圍內(nèi)，溫度越高，動靜剛度比越小；且隨著溫度增高，振動頻率增大對動靜剛度比的影響越小。

2 結(jié)論

動靜剛度比實(shí)質(zhì)是由于橡膠的粘彈性所致，在外力作用下，由于分子內(nèi)摩擦而導(dǎo)致能量損耗，形變滯后于應(yīng)變。

（1）生膠分子鏈越柔順，側(cè)鏈上的基團(tuán)體積越小，動靜比越小。填料結(jié)構(gòu)度越小、粒徑越大、填料表面與橡膠親和性越好，填料用量越少，分散性越好，動靜比越小。硫黃硫化體系比過氧化物硫化體系的動靜剛度比小，普通硫化體系比半有效硫化體系的動靜比小。

（2）調(diào)整硫化時(shí)間、溫度和壓力，增大交聯(lián)密度，都有利于減小動靜比。

（3）結(jié)構(gòu)對動靜剛度比影響顯著，開孔或開溝槽以及發(fā)泡都可以降低動靜剛度比。發(fā)泡倍率及泡孔直徑對動靜剛度比有顯著影響。

（4）測試條件對動靜剛度比有影響，測試頻率降低、加載力值減小、振幅減小、測試溫度升高，都有利于減小動靜比。

3 展望

（1）目前橡膠制品的動靜剛度比的測試多集中在出廠檢驗(yàn)環(huán)節(jié)或者制品安裝使用前，橡膠制品使用幾年之后或者老化之后動靜剛度比如何變化，尚沒有系統(tǒng)的研究。由于鐵路橡膠制品大多使用4年以上，有必要開展老化后動靜剛度比變化的研究。

（2）目前關(guān)于橡膠制品動靜剛度比的研究結(jié)構(gòu)、材料都是相對獨(dú)立的。橡膠制品使用時(shí)，結(jié)構(gòu)和材料同時(shí)對動靜剛度比起作用。材料研究人員為了獲得較低的動靜剛度比往往會犧牲部分其他性能，如成本、加工性或拉伸強(qiáng)度等。建議橡膠制品設(shè)計(jì)和材料研發(fā)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就密切合作，共同優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以期獲得較優(yōu)的使用性能及壽命。