橡胶型摩擦阻尼器的性能研究

2020-04-02

摩擦阻尼器是一种耗能装置,其耗能能力强,性能受负荷和频率的影响小,且构造简单、取材容易、造价低廉,具有很好的应用前景,特别是在抗近断层和中高层结构地震方面具有独特优势。摩擦阻尼器对结构元件进行振动控制的机理为:阻尼器在主要结构元件屈服前的预定负荷下产生滑移或变形,依靠摩擦或阻尼耗散地震能量,同时由于结构元件变形后自振周期延长,减小了地震能量输入,从而达到降低元件对地震反应的目的。

摩擦阻尼器可采用不同材料和摩擦介质通过不同机械组合方式组成,它们减震的基本机制是一致的,即由结构元件和摩擦阻尼器摩擦片在一定预紧力下组成一个能够产生滑动摩擦的构成,利用滑动摩擦做功耗能,对结构元件起减震作用。其实质上是将机械运动转化为分子运动,将机械能转化为热能,并遵守能量守恒定律。摩擦阻尼器中产生的接触摩擦基本上遵守17世纪库伦提出的摩擦定律:

  F = nW           (1

式中,F为摩擦力,μ为摩擦系数,W为正压力。公式(1)表明,接触摩擦力与所加负荷成正比,与接触表面积无关。然而橡胶的摩擦特性较为特殊,因其具有内摩擦,使得接触摩擦力与接触压力呈非线性关系,因此橡胶摩擦遵循如下定律:

  F kAT =           (2

式中,k为与滑动速度、温度和摩擦表面有关的常数,AT为真实接触面积。

由上述两个定律可知,橡胶的摩擦既有滑动摩擦又有内摩擦。橡胶型摩擦阻尼器的机理与普通摩擦阻尼器不同,且国内外对其研究和运用较少,因此橡胶型摩擦阻尼器的研究具有新颖性和实用价值。

橡胶型摩擦阻尼器结构如图1所示。其由上下摩擦压片、橡胶层(橡胶摩擦材料)、摩擦钢板和紧固螺栓构成。摩擦压片和橡胶层通过硫化粘合,阻尼器摩擦力通过螺栓转矩进行调节。当地震来临时,摩擦钢板与橡胶层产生滑动,往复运动,消耗地震能量。

本工作研究橡胶层厚度、螺栓转矩对橡胶型摩擦阻尼器力学性能和耐疲劳性能的影响。

1  实验

1. 1  主要原材料

丁腈橡胶(NBR),牌号1052,镇江南帝化工有限公司产品;炭黑N330,中昊黑元化工研究设计院有限公司产品;酚醛树脂,武汉径河化工有限公司产品;增塑剂TP-90B,沈阳东方昊炅化工有限公司产品。

1. 2 配方

试验配方:NBR 100,炭黑N330 45,氧化锌 10,硬脂酸 2,酚醛树脂 15,增塑剂TP-90B 5,防老剂 3,硫黄 2,促进剂 2. 5

1. 3 主要设备和仪器

SXK-160A型两辊开炼机,上海轻工机械技术研究所产品;ZWL-III型无转子硫化仪,江都市道纯试验机械厂产品;XLB-D800×800500 t平板硫化机,南通市新科橡塑机械有限公司产品;TS-2000型电子万能拉力试验机,中国台湾晔中科技股份有限公司产品;1500 kN拟动力伺服试验机,英国Servotest公司产品。

1. 4 橡胶层胶料混炼和产品制备

1)胶料混炼。调整开炼机辊距,加入生胶包辊,依次加入酚醛树脂、氧化锌和硬脂酸、防老剂、炭黑、增塑剂以及硫化体系,薄通6次,下片,停放8h待用。

2)摩擦压片/橡胶层。将20 mmQ235B热轧板加工为相应尺寸,双面喷砂,直至表面氧化膜脱落,金属表面呈银色麻面状,然后进行脱脂处理,洗净金属表面的油污和灰尘,干燥完毕后单面涂刷热硫化型开姆洛克胶粘剂,最后将钢板与混炼胶片装模硫化,硫化条件为130 /15 MPa×0. 5 h

3)产品组装。先将螺栓穿入一侧摩擦压片/橡胶层通孔中,再将摩擦钢板放入摩擦压片/橡胶层上,之后装上另一侧摩擦压片/橡胶层,依次套上平弹垫、螺母。校准摩擦压片/橡胶层,并校核摩擦钢板和摩擦压片/橡胶层垂直度,预留45 mm滑动位移,初拧螺栓转矩至终拧转矩的70%,最后进行终拧。

1. 5 性能测试

橡胶型摩擦阻尼器的力学性能采用拟动力伺服试验机按照JGJ 2972013《建筑消能减震技术规程》进行测试。

其他性能均按相应国家标准进行测试。

2 结果与讨论

2. 1 橡胶层胶料的物理性能

根据大量抗震建筑工程运用需求,摩擦阻尼器一般要求为小震耗能,起滑位移小于2 mm,起滑阻尼力和摩擦负荷相差不能过大。综合考虑,橡胶层胶料的邵尔A型硬度在75度左右为宜,且应具有一定的耐磨性能和耐老化性能。

橡胶层胶料的物理性能如表1所示。

由表1可知,中试和生产橡胶层胶料的物理性能差异较小,说明胶料性能稳定。

2. 2 橡胶型摩擦阻尼器的力学性能

2. 2. 1 橡胶层厚度的影响

在螺栓转矩为200 N·m、频率为0. 05 Hz的条件下,橡胶层厚度对橡胶摩擦阻尼器力学性能的影响如图25和表2所示。

从图25可知,随着橡胶层厚度的减小,橡胶型摩擦阻尼器的摩擦负荷-滑动位移滞回曲线变得饱满,耗能能力增强。

从表2可知:相同转矩下,橡胶层厚度越小,橡胶型摩擦阻尼器的起滑位移越小,这是橡胶层越薄,剪切变形越小的缘故;随着橡胶层厚度的减小,橡胶型摩擦阻尼器的起滑阻尼力和摩擦负荷呈减小趋势,分析认为,橡胶层厚度对其内摩擦影响较大,减小橡胶层厚度使其内摩擦减小。

2. 2. 2 螺栓转矩的影响

在橡胶层厚度为4 mm、频率为0. 05 Hz条件下,螺栓转矩对橡胶型摩擦阻尼器力学性能的影响如表3所示。

从表3可知:随着螺栓转矩的增大,橡胶型摩擦阻尼器的起滑位移变化不大;起滑阻尼力和摩擦负荷先增大,当螺栓转矩为400 N·m时,橡胶型摩擦阻尼器的起滑阻尼力和摩擦负载最大,其后减小,分析认为,螺栓转矩超过一定范围时,摩擦钢板变形、翘曲,使其与橡胶层接触减少,因此阻尼性能降低。

2. 3 橡胶型摩擦阻尼器的耐疲劳性能

在橡胶层厚度为4 mm、频率为0. 05 Hz条件下,橡胶型摩擦阻尼器进行往复30次摩擦负荷-滑动位移疲劳试验,结果如图6和表4所示。

由表4可知,与第130次疲劳试验滑动位移为零的平均摩擦负荷相比,第30次疲劳试验的摩擦负荷损耗率绝对值最大,为7. 8%。从图6和表4可以得出,该橡胶型摩擦阻尼器的疲劳试验摩擦负荷-滑动位移滞回曲线饱满,疲劳摩擦负荷损耗率较小,耐疲劳性能优异,满足JGJ 2972013要求。图7示出了疲劳试验后摩擦阻尼器的橡胶层摩擦面形态。

从图7可以看出,疲劳试验后橡胶层表面出现条状花纹,这可能是由滑动摩擦带入部分滚动摩擦造成。

3 结论

1)橡胶层厚度对橡胶型摩擦阻尼器的力学性能影响较大,随着橡胶层厚度的减小,橡胶型摩擦阻尼器的起滑位移、起滑阻尼力和摩擦负荷减小,耗能能力增强。

2)随着螺栓转矩的增大,橡胶型摩擦阻尼器的起滑位移变化不大,起滑阻尼力和摩擦负荷先增大后减小,当螺栓转矩为400 N·m时,起滑阻尼力和摩擦负荷最大。

3)橡胶型摩擦阻尼器的疲劳试验前后摩擦负荷-滑动位移滞回曲线饱满,耐疲劳性能优异,具有良好的耗能能力。

最新评论

暂无评论。

登录后可以发表评论

相关标签
相关文章

意见反馈
返回顶部
调查问卷