環氧樹脂澆注墊板系統的接觸剛度分析和動剛度試驗

靖紅順，許 銳，徐北平

(武昌造船廠集團有限公司，湖北 武漢 430060)

0 引言

環氧樹脂墊板是指由環氧樹脂和數種填料組成的基料，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90年代末，世界上已有80%以上的修造船舶中采用該項新型材料和新工藝。我國修造船業也掌握了澆注型環氧樹脂墊板的工藝特點和技術關鍵，在主、輔機和甲板機械的安裝、軸系的校中，美人架的定位等方面不斷有所采用［1］。本文對墊板的接觸剛度進行了分析，對3種澆注型環氧樹脂調整墊板與典型隔振器組合件進行了動剛度測試，并與傳統的金屬墊板的動剛度作了比較，為環氧樹脂澆注墊板的實船應用提供參考。

1 環氧樹脂墊板澆注工藝與樣品澆注試驗

1.1 試驗依據、工藝要求與澆注工藝流程

在我國船舶行業標準《船用環氧基座墊板技術條件》(GB/T3514－92)中，對環氧樹脂調整墊板的制作提出了明確要求:①環氧樹脂墊板澆注工作區域周圍應干燥，澆注時應避免周圍環境有敲擊、打磨、電焊、氣割、浸水以及吊裝重物等操作;②為修正環氧樹脂墊板因上層設備和墊板本身的自重及底腳螺栓預緊力的作用產生的壓縮變形，在澆注工作前，應預留其厚度的0.001倍的壓縮量［2］;③澆注時，盡量保證環氧樹脂墊板上、下表面與其接觸面的溫度和環氧樹脂基本相同，防止局部溫差過大造成變形不均勻。

環氧樹脂澆注之前，還應檢查所需材料配套的完整性及存儲有效期，并將環氧樹脂置于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

根據某船艙內浮筏隔振器基座調整墊板的實際尺寸，用泡沫軟塑料條與扁鋼制作內框尺寸為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 環氧樹脂墊板樣品澆注試驗與現象分析

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

經對環氧樹脂材料廣泛調研與對比分析，確定本試驗的3種澆注型環氧樹脂墊板材料牌號為國產JN－120A、德國的Epocast 36和美國的Chockfast Orange［3－4］。

環氧樹脂澆注前，記錄環境溫度，對?？驀娒撃?(如圖4所示)，在環氧樹脂桶中定量加入固化劑并攪拌均勻。

試驗時，按照圖5所示澆注方法分別對同種類型的環氧樹脂澆注3個，并分別記錄為J-Ⅰ，J-Ⅱ和J-Ⅲ。澆注J-Ⅰ時，保持液態樹脂從模框中間開始流入，讓其依靠自身的流動性填滿整個?？?。由于液態環氧樹脂流動性不強，澆注后液面四周的高度要略低于中間部分，至達到均勻狀態需要較長時間，不利于墊板高度的控制，因此，在澆注J-Ⅱ，J-Ⅲ時，澆注口不再固定，而是在模框范圍內進行移動，使液面高度盡量達到一致。澆注好后，用便攜式溫度計定時測量并記錄環氧樹脂材料表面溫度。

在澆注過程中發現，剛澆注完時液面均勻而光滑，隨后液面上逐漸產生若干大小不同的小氣泡。固化放熱過程中，因3種環氧樹脂墊板的固化時間不一致，故不同環氧樹脂材料在同一時間段溫度升高也不同。對3種不同的環氧樹脂澆注試驗表明，Epocast 36、Chockfast Orange澆注料的流動性要好于JN－120A澆注料;材料的放熱速度、放熱達到的最高溫度、放熱時間長短排序依次為:Chockfast Orange環氧樹脂墊板＞Epocast 36環氧樹脂墊板＞JN－120A環氧樹脂墊板。3種不同牌號的環氧樹脂材料澆注完后，均需經過48 h冷卻固化，使其形成固態環氧樹脂調整墊板。

2 墊板系統的接觸剛度分析

2.1 接觸剛度與影響接觸剛度的主要因素

墊板系統的靜剛度是由結構剛度和結合面間的接觸剛度組成。依據接觸變形原理，表面接觸變形δ與壓強P的基本關系式為［5］

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

連接件之間結合面的數目對接觸剛度有直接影響。結合面的增多將增大其接觸剛度，從而使得剩余緊固力減少，加強了振動，嚴重時會導致底腳螺栓斷裂，影響機器正常工作。在其他條件相同的情況下，2個連接件之間的結合面越少，越能保證螺栓聯結具有更大的剩余緊固力。最理想的情況是只有1個結合面。但是，機器設備必須按照基準精確定位，因而在機座和基座之間必須有墊板 (墊塊)作為補償件，所以工程實際中的最好情況是有2個結合面。

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

2.2 結合面的接觸應力和接觸變形分析

2個物體相互壓緊時，在接觸區附近產生的應力和變形，稱為接觸應力和接觸變形。接觸應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。當金屬墊板表面受載相互接觸時，最先接觸的部位是一些局部凸起部位 (見圖6)。當壓強很小時，2個接觸面之間只有少數高點接觸，即微凸體接觸，接觸剛度較低。壓強較大時，這些微凸體產生了彈性或塑性變形，接觸面積增大，接觸剛度提高。但2個表面的真實接觸仍然僅發生在部分微凸體之間。實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%)。即使經過精加工的精度樣板塊，其實際接觸面積也只有名義接觸面積的20%～30%。

式中，Aδ為實際接觸面積 (微凸體進入接觸的面積)，(a×b)為名義接觸面積。結合面的接觸剛度又與材料的強化程度、不平度高度的大小及其分布情況有關。所以，對于調整墊板表面之間的接觸剛度不是一個定值，如式 (1)所示，δ與P不是線性關系。

圖6 實際接觸面積示意圖Fig.6 Actual contact area

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

3 墊板系統的動剛度測試

3.1 動剛度試驗方法

對包括金屬材料在內的4種材質調整墊板與典型隔振器的組合件進行動剛度測試，試驗采用MTS landmark370.50試驗系統 (見圖7)，依據美國軍用標準MIL-M-24476B計算垂向動剛度。

圖7 動剛度測試Fig.7 Dynamic stiffness test

測試激振峰值為0.2，0.6和1.0，激振頻率為6.0，7.0，8.0，9.0，10.0，循環次數分別為 60，70，80，90和100次。

3.2 動剛度試驗結果與分析

試驗分別對同一種材料的3塊樣板進行測試，取平均位移阻抗，測試結果如表1。

表1 4種材料調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

根據安裝4種不同材質調整墊板的隔振器系統試驗測試結果，繪制出在不同激振峰值時平均垂向位移阻抗的動剛度與激振頻率之間的關系曲線，如圖8所示。

圖8 安裝不同材料墊板的隔振器系統動剛度對比Fig.8 Dynamic stiffness contrast of the vibration isolator system with different kinds of material adjustment plate

由圖8可看出，4種材質墊板與隔振器組件動剛度隨激振頻率的增大而增大。隨著激振峰值的增大，動剛度和激振頻率的線性關系越明顯。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剛度最大，Chockfast Orange環氧樹脂調整墊和隔振器組件動剛度最小，但幾種材質的墊板和隔振器組件的動剛度的變化范圍不到2.5%。

4 結語

根據以上對環氧樹脂性能與澆注墊板工藝試驗，以及動剛度 (位移阻抗)的測試研究，可得結論如下:

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

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剛度比3種環氧樹脂材料和典型隔振器組件的動剛度大，Chockfast Orange環氧樹脂調整墊和隔振器組件動剛度相對最小，但幾種材質的墊板和隔振器組件的動剛度的變化范圍不到2.5%。

3)環氧樹脂澆注型調整墊板的加工工藝比金屬調整墊板加工工藝簡單、實用，加工周期短，可提高加工效率，經驗證后可應用于機械隔振系統中。

［1］王仙，李天勻，朱翔，等.澆注型環氧樹脂墊片特性及在我國船舶中的應用［J］.中國艦船研究，2009，4(4):61－67.WANG Xian，LITian-yun，ZHU Xiang，etal.The characteristics of pouring epoxy resin cushion and its application in ships［J］.Chinese Journal of Ship Research，2009，4(4):61 －67.

［2］余憲海.船舶主機機座環氧樹脂墊片可靠性與經濟性研究［J］.廣州航海高等專科學校學報，2000(2):17－22.YU Xian-hai.The research on the reliability and economics of the epoxy resin shim of diesel main engine in a vessel［J］.Journal of Guangzhou Maritime College，2000(2):17 －22.

［3］陳樸.JN-120A澆注型環氧機座墊片的使用［J］.造船技術，1997(2):32－37.CHEN Pu.Application of JN －120A epoxy pouring spacer for engine seals［J］.Marine Technology，1997(2):32－37.

［4］陳列峰.環氧樹脂墊片應用于甲板機械的設計及經濟性［J］.廣州航海高等?？茖W校學報，1999(2):18－21.CHEN Lie-feng.Design and economication of epoxy resin in the deck machinery［J］.Journal of Guangzhou Maritime College，1999(2):18 －21.

［5］葉偉強，余憲海，余劍翔.船舶主機機座墊片的接觸剛度研究［J］.中國修船，2000(4):23－24.YE Wei-qiang，YU Xian-hai，YU Jian-xiang.Research for contacts rigidly of main engine base gasket［J］.China Shiprepair，2000(4):23 －24.

［6］張松鶴，張全.船舶主機安裝采用環氧樹脂墊塊的分析［J］.造船技術，1993(6):17 －27.ZHANG Song-he，ZHANG Quan.An analysis of epoxy chocks used installation of main engine［J］.Marine Technology，1993(6):17－27.