王凯阳㊀编译
给自己点一盏灯>十字军
㊀㊀橡胶是同步皮带㊁汽车轮胎㊁减振器和其他橡胶产品的主要组成成分，根据不同的最终用途必须对各种功能进行测试.通过研究各种动态性能，如动态模量㊁静态模量㊁t a nδ㊁相位角㊁回弹率㊁滞后性能等，可以针对这些功能预测橡胶的性能.本文评述了在汽车轮胎滚动阻力和隔振元件两个领域的测试.在简谐振动(自由振动)下测试橡胶的目的是在３秒内获得该样品的固有频率，这可以通过使用T a v d i公司生产的A Y OＧI V Y e rＧz l e y机械示波器实现.
T a v d i最初用Y e r z l e y技术研究的是静态O 形密封圈.O形圈被压缩在凹槽内以防止液体流动.密封圈需保持一个内部应力场在接触面上加压.在某些行业可能会发生机械冲击.在这种情况下，会拉伸约束螺栓，使其同时承受弹性(可恢复)和塑性(永久)伸长.如果螺栓拉伸密封板，凹槽分开，则要求橡胶密封件从其压缩的几何形状变化到压缩程度较小的几何形状，并且以较小的力压在远离的密封板上，形成新的密封.密封件将以压缩橡胶的固有频率移动.密封开启的时间应在固有频率的四分之一以内.据说A Y OＧI V 是唯一能测量这种情况的机器之一.因此，可以计算出密封泄漏和间隙膨胀后重新密封的时间.泄漏量可以用一定时间内的体积流量来计算.这样就可以确保系统能够应对这种泄漏，或者将污染保持在可接受的较低水平.
为客户设计橡胶制品和制造产品的工程师现在有了一种配方设计人员可使用的工具.可制备多种实验胶料，每种都可以在几分钟内进行评估(包括设置㊁三次测量和拆卸).A Y OＧI V对需要进行动态性能评估的公司尤其有用.两个优点是可快速测试常规刚度和t a nδ，以及测量橡胶固有频率的独特性.
根据定义，固有频率是在弹簧Ｇ质量系统中观察.在这种情况下，橡胶是弹簧,Y e r z l e y示波器
提供质量.只要加载范围与实际应用相似，该装置就可以测量实际应用中预期的固有频率.１㊀由Y e r z l e y预测汽车轮胎滚动阻力一项通用轮胎专利表明,Y e r z l e y动态测试结果可用于预测各种轮胎胎面胶的滚动阻力.汽车轮胎有许多不同的特性需求，轮胎设计师和制造商利用多种并用胶，制造各种轮胎构件，如胎面㊁胎侧等，从而优化轮胎的各种性能.例如，降低车辆能耗是一个持续目标，而影响车辆能耗的一个因素是轮胎的滚动阻力，滚动阻力主要取决于胎面胶料.此外，胎面应具有较高的耐磨性，避免由于正常运行和某些异常情况而导致轮胎过早磨损.而且轮胎必须具有良好的牵引性能，为车辆提供必要的防滑性.也希望轮胎的T g(即玻璃化温度)相对较低，以便轮胎在极冷的天气条件下不会损坏.橡胶胶料由多种成分组成，改进一种特性，可能会对另一种或多种特性产生不利影响.
聚合医刊网将各种聚合物与天然橡胶以５０ʒ５０的比例并用，制备胎面胶.胎面胶料硫化后各种性能的测试结果如表１所示，即Y e r z l e y t a nδ(该参数在表１㊀各种胶料Y e r z l e y机械示波器t a nδ(滚动阻力)和P i c o磨耗指数
聚合物示例Y e r z l e y t a nδP i c o磨耗指数I P S TμＧw e t 胶料号B d/l/S t∗滚动阻力耐磨性湿路面牵引力１０/９１/９０．１８８８００．６２８２１８/７８/４０．１８０８６０．６１９３８/８０/１２０．１７９８００．６１９４３０/５３/１７０．２０８８３０．６２２５４３/５７/００．１８３９２０．５９０６３６/５５/９０．１９４８５０．６０７７３６/５５/９０．１９２８８０．５９９８６２/３１/７０．２０３９１０．５７２９５９/２７/１４０．１９９８８０．５９６１０８５/８/７０．１９７９１０．５６９∗１３C NM R测定
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第５１卷㊀㊀第２期㊀㊀㊀㊀㊀㊀三秒预测橡胶的动态性能
标准中未规定，反映橡胶在振动时消耗的能量的大小),P i c o磨耗指数和I P S TμＧw e t.
由表１可见,Y e r z l e y t a nδ值越低，轮胎的滚动阻力越小;P i c o磨损指数越高，轮胎的耐磨性越好;I P S TμＧw e t值越高，轮胎的牵引性能越好.示例２㊁３和５的Y e r z l e y t a nδ值最佳，故滚动
阻力最小.示例１㊁２㊁３和４具有最佳μＧw e t值，故具有最佳的牵引性能.因此，尽管所给出的所有示例都是可以接受的，但示例２和３具有这两个值的最佳组合，示例１也具有这两个值的良好组合.
２㊀天然橡胶和合成橡胶阻尼橡胶动态特性预测
对天然橡胶和合成异戊二烯Ｇ丁二烯并用橡胶的主要减振特性进行了测定.根据标准DＧ９４５，在Y e r z l e y机械示波器上测试了静态和动态模量㊁滞后损失和对数衰减.这些特性的变化是在热老化过程中测试的.使用阿伦尼乌斯方程将数据转换到室温数据.静态模量的主要变化发生在前３年，动态模量的主要变化发生在前５年.对于不同的橡胶以及不同的储存和使用时间，它们的比率和固有频率是不同的.共振区也不同.因此，在预测减振器的使用寿命时，有必要对减振器的所有动态和静态性能参数进行评估.
有许多科学研究和标准旨在确定工业橡胶制品的使用寿命.其中大多数是假设化学反应速率随温度升高而增大，并且在计算物理机械性能变化时，使用了不同的阿伦尼乌斯方程.在I S O １１３４６中，提出了一种用W i l l i a m sＧL a n d e l lＧF e r r y 方程计算这些性能随时间变化的替代方法.该方程描述了时间对温度的依赖关系，对于在任何温度下给定性能的时间依赖性不作任何假设.因此，它可以应用于任何物理性能，包括永久变形和松弛，或在性能与时间有复杂关系的情况下.所给出的方法不考虑不同侵蚀介质的影响.
当今科学家在采用加速热老化方法研究工业橡胶制品的耐久性时主要依据物机性能，如弹性材料的拉伸强度㊁拉断伸长率㊁拉伸应力㊁压缩永久变形和剪切相角正切的变化.这些性能不能完全表征制品在静态或动态载荷下的使用寿命.在该研究中，使用阿伦尼乌斯方程来确定橡胶性能的变化，并采用以下性能作为表征减振器寿命的主要物理机械性能：静态模量㊁动态模量㊁对数衰减㊁残余压缩永久变形和滞后损失.
为了计算橡胶制品在不同载荷下的变形，采用了静态模量值，而在动态载荷条件下的变形则采用了动态模量值.这些模量根据A S TM DＧ９４５测定.尽管它们的计算方法不同，但动态模量和静态模量由实验确定的动态因子决定.根据这项工作的研究结果可知，不仅对于每一种橡胶，而且对于每一种配方，都应分别确定动态因子.由材料试样测定的这些性能表征最终产品的刚度，从而表征其固有频率.这些参数在存储和使用过程中的变化会导致共振区在某个方向发生位移，这种位移有时对不同的导航系统和其他敏感系统是至关重要的.
由于所有橡胶和橡胶Ｇ金属减振器都在恒定载荷下工作，因此有必要考虑材料的松弛过程和疲劳过程，随着时间的推移，疲劳过程会导致系统的应变增加和共振变化.为了定量评估这些过程，残余压缩变形的变化按照G O S T９．０２９进行测量.残余压缩变形的变化和模量值并不反映材料耗散机械能量的能力，即不反映对振动的阻尼程度.为了定量评估材料的减振能力，测量了对数衰减.即自由阻尼振动下两个连续振幅的自然对数比值.由于减振是机械能转化为热能的过程，因此有必要对减振器产生
的热量进行定量评估，以避免减振器过热.有许多不同的方法可以用来评估动态载荷下弹性材料内的生热，在计算中涉及到滞后损失，但它们都是基于单位时间内产生的热量与内阻系数之间的正比关系.这些性能在Y e r z l e y机械示波器A Y OＧI V(A S T M DＧ９４５)上测定.在该仪器上进行试验的方法是：将试样(直径d＝１０m m，高度h＝１０m m的圆柱体)放在两板之间，使自由状态下的位移值为零.选择必要数量的校准砝码确保２０％压缩变形，将砝码从规定的高度落下，以确保自由阻尼振动.仪器软件根据A S T M进行估算，并以自由阻尼振动图和数据表的形式给出试验结果.基于天然橡胶,S K IＧ３聚异戊二烯橡胶与S K D聚丁二烯橡胶并用胶的试样在加速老化前后进行了测试.根据试验结果和数据处理结果，绘制了以天然橡胶和S K D与S K IＧ３并用胶为基础的橡胶胶料的静态模量(图１)和动态模量(图２)随时间变化的组合曲线.结果表明，静态模量仅在前３年发生显著
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橡胶参考资料
２０２１年
变化(图２).在这段时间内，各种过程(交联㊁降解㊁成环㊁异构化㊁含氧基团的形成等等)可能会影响橡胶的物理力学性能.动态模量读数的变化在橡胶试样制造５年后趋于稳定，其变化远小于静态模量读数(图１
).研究表明，随着时间的推移，不仅模量值(图
２
少年天地)，它们的比值(图３)都发生了变化,
这使得减振图１㊀天然橡胶(N R ＧK )
和合成异戊二烯与合成顺丁二烯橡胶(I R ＧK )
并用胶静态模量随时间的变化图２㊀天然橡胶(N R ＧK )
和合成异戊二烯与合成顺丁二烯橡胶(I R ＧK )
并用胶动态模量随时间的变化图３㊀天然橡胶(N R ＧK )
和合成异戊二烯与合成顺丁二烯橡胶(I R ＧK )
并用胶动态因子随时间的变化图４㊀天然橡胶(N R ＧK )
和合成异戊二烯与合成顺丁二烯橡胶(I R ＧK )
并用胶对数衰减量随时间的变化图５㊀天然橡胶(N R ＧK )
和合成异戊二烯与合成顺丁二烯橡胶(I R ＧK )
并用胶滞后随时间的变化器的设计变得非常复杂.在减振系统的设计中，降低共振产生的振幅是主要问题之一.用下式计算减振系数η(表征振幅效应减小的程度)
:η＝
１＋(f f f n )２４ν２
４π２＋ν
２１－(f f f n )２[]
２
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＋(f f f n )２４ν２
４π２＋ν２
式中,f f 是强制振动频率,H z ;f
n 是减振系统的振动频率,H z ;ν是用于制造减振器的弹性材料的对
数衰减量.出现共振时，上述公式将采取如下形式:
η＝
张宏涛 体操
１．２５＋
９．８６
ν
由此可看出，对数衰减减小会导致振幅增大,
这对于受保护的元件来说通常是至关重要的.研究结果表明，天然橡胶胶料和合成橡胶胶料的对数衰减变化趋势相同(图４).然而，对数衰减与滞后损失之间存在相关性.滞后损失增加会导致
减振材料内生热增加，这通常会对减振器的寿命产生负面影响.因此，用所研究材料制造的减振器工作时，共振时的最大振幅将在１０至１５年内达到，但此时的生热将是最小的.从残余压缩变形变化的研究结果可以看出，在减振器的工作过程中，共振区会随时间发生恒定位移，而这种位移的方向不仅取决于减振器工作元件的橡胶形状，还取决于变形类型.因此，在研究减振器的使用寿命之前，有必要根据其使用条件对其主要性能进行分级.在设计减振器时，必须考虑到：随着时间的推移，性能之间的必然关系(例如动态模量和静态模量)可能朝不同方向发生变化.
３㊀结论
如数据所示，该仪器获取的结果可预测橡胶
部件在其使用寿命周期内的行为.它也是一种经济上非常可行的试验机器.因此，预计A Y O ＧI V 将在未来几十年为橡胶工业服务.
参考文献:
１㊀I s m a i lS a l t u k 等,R u b b e r W o r l d ,V o l ．２６０,N o ．４(２０１９),１６
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