靖紅順，許 銳，徐北平

(武昌造船廠集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430060)

0 引言

環(huán)氧樹脂墊板是指由環(huán)氧樹脂和數(shù)種填料組成的基料，與一定量的固化劑混合均勻后，澆注在機(jī)座與基座之間的模框中，并在一定溫度下固化形成的固體支承件。20世紀(jì)90年代末，世界上已有80%以上的修造船舶中采用該項(xiàng)新型材料和新工藝。我國(guó)修造船業(yè)也掌握了澆注型環(huán)氧樹脂墊板的工藝特點(diǎn)和技術(shù)關(guān)鍵，在主、輔機(jī)和甲板機(jī)械的安裝、軸系的校中，美人架的定位等方面不斷有所采用［1］。本文對(duì)墊板的接觸剛度進(jìn)行了分析，對(duì)3種澆注型環(huán)氧樹脂調(diào)整墊板與典型隔振器組合件進(jìn)行了動(dòng)剛度測(cè)試，并與傳統(tǒng)的金屬墊板的動(dòng)剛度作了比較，為環(huán)氧樹脂澆注墊板的實(shí)船應(yīng)用提供參考。

1 環(huán)氧樹脂墊板澆注工藝與樣品澆注試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)依據(jù)、工藝要求與澆注工藝流程

在我國(guó)船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《船用環(huán)氧基座墊板技術(shù)條件》(GB/T3514－92)中，對(duì)環(huán)氧樹脂調(diào)整墊板的制作提出了明確要求:①環(huán)氧樹脂墊板澆注工作區(qū)域周圍應(yīng)干燥，澆注時(shí)應(yīng)避免周圍環(huán)境有敲擊、打磨、電焊、氣割、浸水以及吊裝重物等操作;②為修正環(huán)氧樹脂墊板因上層設(shè)備和墊板本身的自重及底腳螺栓預(yù)緊力的作用產(chǎn)生的壓縮變形，在澆注工作前，應(yīng)預(yù)留其厚度的0.001倍的壓縮量［2］;③澆注時(shí)，盡量保證環(huán)氧樹脂墊板上、下表面與其接觸面的溫度和環(huán)氧樹脂基本相同，防止局部溫差過(guò)大造成變形不均勻。

環(huán)氧樹脂澆注之前，還應(yīng)檢查所需材料配套的完整性及存儲(chǔ)有效期，并將環(huán)氧樹脂置于20℃ ～25℃溫度下至少12 h，使其受熱均勻，具有良好的流動(dòng)性與固化速率。澆注流程如圖1所示。

圖1 澆注施工工藝流程Fig.1 Casting technology process

根據(jù)某船艙內(nèi)浮筏隔振器基座調(diào)整墊板的實(shí)際尺寸，用泡沫軟塑料條與扁鋼制作內(nèi)框尺寸為270 mm×250 mm×75 mm的墊板?？?，如圖2和圖3所示。

圖2 安裝海綿圍擋的澆注?？驁DFig.2 Practical mold frame of the sponge fender

1.2 環(huán)氧樹脂墊板樣品澆注試驗(yàn)與現(xiàn)象分析

圖3 澆注試驗(yàn)?zāi)？蚱矫娉叽鐖DFig.3 Plane size of the casting mold frame

經(jīng)對(duì)環(huán)氧樹脂材料廣泛調(diào)研與對(duì)比分析，確定本試驗(yàn)的3種澆注型環(huán)氧樹脂墊板材料牌號(hào)為國(guó)產(chǎn)JN－120A、德國(guó)的Epocast 36和美國(guó)的Chockfast Orange［3－4］。

環(huán)氧樹脂澆注前，記錄環(huán)境溫度，對(duì)模框噴脫模劑 (如圖4所示)，在環(huán)氧樹脂桶中定量加入固化劑并攪拌均勻。

試驗(yàn)時(shí)，按照?qǐng)D5所示澆注方法分別對(duì)同種類型的環(huán)氧樹脂澆注3個(gè)，并分別記錄為J-Ⅰ，J-Ⅱ和J-Ⅲ。澆注J-Ⅰ時(shí)，保持液態(tài)樹脂從模框中間開始流入，讓其依靠自身的流動(dòng)性填滿整個(gè)模框。由于液態(tài)環(huán)氧樹脂流動(dòng)性不強(qiáng)，澆注后液面四周的高度要略低于中間部分，至達(dá)到均勻狀態(tài)需要較長(zhǎng)時(shí)間，不利于墊板高度的控制，因此，在澆注J-Ⅱ，J-Ⅲ時(shí)，澆注口不再固定，而是在?？蚍秶鷥?nèi)進(jìn)行移動(dòng)，使液面高度盡量達(dá)到一致。澆注好后，用便攜式溫度計(jì)定時(shí)測(cè)量并記錄環(huán)氧樹脂材料表面溫度。

在澆注過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，剛澆注完時(shí)液面均勻而光滑，隨后液面上逐漸產(chǎn)生若干大小不同的小氣泡。固化放熱過(guò)程中，因3種環(huán)氧樹脂墊板的固化時(shí)間不一致，故不同環(huán)氧樹脂材料在同一時(shí)間段溫度升高也不同。對(duì)3種不同的環(huán)氧樹脂澆注試驗(yàn)表明，Epocast 36、Chockfast Orange澆注料的流動(dòng)性要好于JN－120A澆注料;材料的放熱速度、放熱達(dá)到的最高溫度、放熱時(shí)間長(zhǎng)短排序依次為:Chockfast Orange環(huán)氧樹脂墊板＞Epocast 36環(huán)氧樹脂墊板＞JN－120A環(huán)氧樹脂墊板。3種不同牌號(hào)的環(huán)氧樹脂材料澆注完后，均需經(jīng)過(guò)48 h冷卻固化，使其形成固態(tài)環(huán)氧樹脂調(diào)整墊板。

2 墊板系統(tǒng)的接觸剛度分析

2.1 接觸剛度與影響接觸剛度的主要因素

墊板系統(tǒng)的靜剛度是由結(jié)構(gòu)剛度和結(jié)合面間的接觸剛度組成。依據(jù)接觸變形原理，表面接觸變形δ與壓強(qiáng)P的基本關(guān)系式為［5］

式中:C，m為與接觸表面狀態(tài)有關(guān)的常數(shù)，C為系數(shù) (鋼試件為4～60，鑄鐵試件為10～130)，m=0.3～0.5。如壓強(qiáng)的增量為Δp，二者表面接觸位移量為Δδ，則二者比值即為接觸剛度K，

連接件之間結(jié)合面的數(shù)目對(duì)接觸剛度有直接影響。結(jié)合面的增多將增大其接觸剛度，從而使得剩余緊固力減少，加強(qiáng)了振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致底腳螺栓斷裂，影響機(jī)器正常工作。在其他條件相同的情況下，2個(gè)連接件之間的結(jié)合面越少，越能保證螺栓聯(lián)結(jié)具有更大的剩余緊固力。最理想的情況是只有1個(gè)結(jié)合面。但是，機(jī)器設(shè)備必須按照基準(zhǔn)精確定位，因而在機(jī)座和基座之間必須有墊板 (墊塊)作為補(bǔ)償件，所以工程實(shí)際中的最好情況是有2個(gè)結(jié)合面。

影響接觸剛度的還有諸如結(jié)合面的結(jié)構(gòu)形式及尺寸，結(jié)合面的材料、加工精度及粗糙度，結(jié)合面的工作狀況 (面壓分布及中間介質(zhì)等)，螺栓數(shù)目及其分布等因素［6］。

2.2 結(jié)合面的接觸應(yīng)力和接觸變形分析

2個(gè)物體相互壓緊時(shí)，在接觸區(qū)附近產(chǎn)生的應(yīng)力和變形，稱為接觸應(yīng)力和接觸變形。接觸應(yīng)力和接觸變形具有明顯的局部性，隨著離開接觸處的距離增加而迅速減小。當(dāng)金屬墊板表面受載相互接觸時(shí)，最先接觸的部位是一些局部凸起部位 (見圖6)。當(dāng)壓強(qiáng)很小時(shí)，2個(gè)接觸面之間只有少數(shù)高點(diǎn)接觸，即微凸體接觸，接觸剛度較低。壓強(qiáng)較大時(shí)，這些微凸體產(chǎn)生了彈性或塑性變形，接觸面積增大，接觸剛度提高。但2個(gè)表面的真實(shí)接觸仍然僅發(fā)生在部分微凸體之間。實(shí)際接觸面積所占名義接觸面積的比例s通常很小(大約1%～10%)。即使經(jīng)過(guò)精加工的精度樣板塊，其實(shí)際接觸面積也只有名義接觸面積的20%～30%。

式中，Aδ為實(shí)際接觸面積 (微凸體進(jìn)入接觸的面積)，(a×b)為名義接觸面積。結(jié)合面的接觸剛度又與材料的強(qiáng)化程度、不平度高度的大小及其分布情況有關(guān)。所以，對(duì)于調(diào)整墊板表面之間的接觸剛度不是一個(gè)定值，如式 (1)所示，δ與P不是線性關(guān)系。

圖6 實(shí)際接觸面積示意圖Fig.6 Actual contact area

采用澆注型環(huán)氧樹脂墊板，不僅免去了對(duì)墊板表面的機(jī)加工，提高了加工效率，而且其粘度低，表面張力小，澆入后能填滿機(jī)座面上的任何凹坑，理論上接觸面積可達(dá)100%。在大多數(shù)情況下，由于實(shí)際接觸面積接近或等于名義結(jié)合面積，所以變形與壓縮載荷之間呈線性關(guān)系，提高了結(jié)合面的接觸剛度。由于整個(gè)貼合面都承受載荷，接觸應(yīng)力能夠比較均勻地分布在整個(gè)貼合面上，因此澆注型環(huán)氧樹脂墊板的機(jī)械強(qiáng)度較高。

3 墊板系統(tǒng)的動(dòng)剛度測(cè)試

3.1 動(dòng)剛度試驗(yàn)方法

對(duì)包括金屬材料在內(nèi)的4種材質(zhì)調(diào)整墊板與典型隔振器的組合件進(jìn)行動(dòng)剛度測(cè)試，試驗(yàn)采用MTS landmark370.50試驗(yàn)系統(tǒng) (見圖7)，依據(jù)美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-M-24476B計(jì)算垂向動(dòng)剛度。

圖7 動(dòng)剛度測(cè)試Fig.7 Dynamic stiffness test

測(cè)試激振峰值為0.2，0.6和1.0，激振頻率為6.0，7.0，8.0，9.0，10.0，循環(huán)次數(shù)分別為 60，70，80，90和100次。

3.2 動(dòng)剛度試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)分別對(duì)同一種材料的3塊樣板進(jìn)行測(cè)試，取平均位移阻抗，測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 4種材料調(diào)整墊板與隔振器組件平均位移阻抗Tab.1 Average displacement impedance of the combined vibration isolator with four kinds of material adjustment plate

根據(jù)安裝4種不同材質(zhì)調(diào)整墊板的隔振器系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，繪制出在不同激振峰值時(shí)平均垂向位移阻抗的動(dòng)剛度與激振頻率之間的關(guān)系曲線，如圖8所示。

圖8 安裝不同材料墊板的隔振器系統(tǒng)動(dòng)剛度對(duì)比Fig.8 Dynamic stiffness contrast of the vibration isolator system with different kinds of material adjustment plate

由圖8可看出，4種材質(zhì)墊板與隔振器組件動(dòng)剛度隨激振頻率的增大而增大。隨著激振峰值的增大，動(dòng)剛度和激振頻率的線性關(guān)系越明顯。在同一激振峰值和激振頻率下，金屬墊板和典型隔振器組件的動(dòng)剛度最大，Chockfast Orange環(huán)氧樹脂調(diào)整墊和隔振器組件動(dòng)剛度最小，但幾種材質(zhì)的墊板和隔振器組件的動(dòng)剛度的變化范圍不到2.5%。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上對(duì)環(huán)氧樹脂性能與澆注墊板工藝試驗(yàn)，以及動(dòng)剛度 (位移阻抗)的測(cè)試研究，可得結(jié)論如下:

1)4種材質(zhì)墊板與隔振器組件動(dòng)剛度隨激振頻率的增大而增大。隨著激振峰值的增大，動(dòng)剛度和激振頻率的線性關(guān)系越明顯。

2)在同一激振峰值和激振頻率下，金屬墊板和典型隔振器組件的動(dòng)剛度比3種環(huán)氧樹脂材料和典型隔振器組件的動(dòng)剛度大，Chockfast Orange環(huán)氧樹脂調(diào)整墊和隔振器組件動(dòng)剛度相對(duì)最小，但幾種材質(zhì)的墊板和隔振器組件的動(dòng)剛度的變化范圍不到2.5%。

3)環(huán)氧樹脂澆注型調(diào)整墊板的加工工藝比金屬調(diào)整墊板加工工藝簡(jiǎn)單、實(shí)用，加工周期短，可提高加工效率，經(jīng)驗(yàn)證后可應(yīng)用于機(jī)械隔振系統(tǒng)中。

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