橡胶隔振器寿命预测及加速试验研究进展

    金属-橡胶隔振器长期受机械载荷和温度应力作用，表现出复杂的疲劳失效行为和材料性能退化理。合理地预测橡胶隔振器的疲劳寿命，有助于为在役橡胶隔振器制定合理的检修和维护周期，进而提高隔振器的可靠性和经济性。橡胶隔振器的疲劳可靠性最终要通过疲劳试验来检验，而疲劳试验不能采用与橡胶隔振器实际使用情况完全相同的载荷条件。为缩短研发周期、节省设计成本，有必要研究在疲劳试验中如何强化试验参数、如何加速橡胶隔振器的失效而又不改变其失效形式。

    1 橡胶隔振器的失效及影响因素

    1.1 橡胶隔振器的失效形式

    通过硫化工艺和粘结工艺，橡胶和金属之间形成的粘合层粘合强度一般高于橡胶本身的强度，因此在机械载荷作用下，隔振器的失效通常不是由于橡胶和金属之间的撕裂破坏，而是由于橡胶材料发生疲劳破坏而出现功能性失效，使得隔振器无法满足机械动力设备隔振的需要。综合相关文献报导[1]，橡胶隔振器的失效可归结为刚度失效、应力松弛及蠕变失效。

    由于疲劳或老化等原因，橡胶隔振器的刚度将发生变化，并且不再具有设计的动力学性能和承载能力。若橡胶隔振器的刚度变化超过50%，便认为发生了刚度失效。为避免橡胶隔振器发生刚度失效，应优化结构设计，改良橡胶配方，提高橡胶材料的抗老化性能，使橡胶材料在使用过程中不会出现过高的温升。

    应力松弛和蠕变的力学本质相同，均属于静态粘弹性力学过程[2]。橡胶隔振器在服役期间，橡胶材料不断增加的蠕变会使结构的高度发生变化，甚至影响隔振器与其它部件的连接，从而导致蠕变失效。为确保隔振器在承载过程中不发生应力松弛或蠕变失效，可优化石墨、抗氧化剂的混合比以改善橡胶材料的抗蠕变性能。在工程实践中，也可调整垫片来弥补隔振器高度的下降。

    1.2 橡胶疲劳和老化寿命的影响因素

    影响橡胶寿命的主要因素有机械载荷（载荷幅值、载荷比R和加载频率）、热、空气氛围（氧、臭氧和水蒸气等）、橡胶配方及性质（橡胶类型、填料）等。由于橡胶寿命的影响因素较多，全面描述橡胶疲劳性能，并精确预测橡胶隔振器的寿命仍然是一项技术难题。

    一般来说，循环载荷幅值的增加导致疲劳过程中化学反应的活化能降低，使得氧化反应更易于进行，降低了橡胶材料的疲劳寿命。对于应变结晶型橡胶，疲劳寿命随载荷比R的增加而提高，而且在恒定动态应变变幅条件下，疲劳寿命随最小拉伸应变的增加而增大，对于非应变结晶型橡胶则不尽然[4—5]胶的导热性较差，高频载荷使得橡胶产生温升并发生热老化降解，另外有研究表明[6]间为0.001~5 Hz，橡胶材料不会产生大幅温度变化，载荷频率对裂纹扩展行为的影响很小。