CC BY
43УДК 661.11-752 DOI: 10.31659/0585-430Х-2018-760-6-36-40
В.А. СМИРНОВ, канд. техн. наук (belohvost@list.ru), М.Ю. СМОЛЯКОВ (smolyakovmu@gmail.com), инженер
Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, Россия, г. Москва, Локомотивный пр., 21)
Сравнительный анализ динамических характеристик эластичных пластмасс и резиновых вибродемпфирующих материалов
В работе проводится сравнительный анализ динамического поведения вибродемпфирующих материалов, выполненных из эластомерных, например вспененного полиуретана, и резиновых, например натуральных каучуков, материалов. На основании проведенных нагрузочных испытаний сравнивается их поведение как под статической нагрузкой, так и при динамическом нагружении в области 5-40 Гц, наиболее характерном для применения в задачах виброзащиты. Анализируя поведение резиновых материалов и вспененного полиуретана отмечаются явные преимущества последнего для применения в качестве упругодемпфирующего элемента прогрессивных систем виброизоляции на транспорте и в промышленно-гражданском строительстве.
Ключевые слова: натуральный каучук, резина, эластомер, вспененный полиуретан, динамический модуль упругости, коэффициент потерь, виброизоляция.
Для цитирования: Смирнов В.А., Смоляков М.Ю. Сравнительный анализ динамических характеристик эластичных пластмасс и резиновых вибродемпфирующих материалов // Строительные материалы. 2018. № 6. С. 36-40.
V.A. SMIRNOV, Candidate of Sciences (Engineering) (belohvost@list.ru), M.Yu. SMOLYAKOV, Engineer (smolyakovmu@gmail.com)
Scientific-Research Institute of Building Physics of the Russian Academy architecture and construction sciences (21, Lokomotivniy Driveway, Moscow,127238, Russian Federation)
Comparative Analysis of Dynamic Characteristics of Elastic Plastics and Rubber Vibro-Damping Materials
This paper presents a comparative analysis of the dynamic behavior of vibration damping materials made of elastomeric, for example, polyurethane foam, and rubber, for example, natural rubber materials. On the basis of load tests conducted, their behavior both under the static load and dynamic load in the range of 5-40 Hz, which is the most characteristic for application to vibration protection problems, is compared. Analyzing the behavior of rubber materials and foamed polyurethane, there are obvious advantages of the latter for using as an elastic-damping element of progressive vibration isolation systems in transport and in industrial and civil construction.
Keywords: natural rubber, rubber, elastomer, foamed polyurethane, dynamic modulus of elasticity, loss factor, vibration insulation.
For citation: Smirnov V.A., Smolyakov M.Yu. Comparative analysis of dynamic characteristics of elastic plastics and rubber vibro-damping materials. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2018. No. 6, pp. 36-40. (In Russian).
В крупных городах довольно остро стоит вопрос о комфортности пребывания людей в жилых многоквартирных домах, офисных помещениях, садах, школах и т. д., где одним из основных факторов является вопрос защиты от шума и вибрации. Основными источниками вибрации и структурного шума, переизлучаемого конструкцией, для зданий и сооружений являются рельсовый транспорт (метро, трамваи, железная дорога) и инженерное оборудование. Вибродемпфирующие материалы, в качестве которых применяются маты из эластичных пластмасс (преимущественно пенополиуретан) или резиновых (на основе натурального и синтетического каучука) материалов, широко используются в разных системах, в частности для снижения вибрации в конструкциях посредством поглощения энергии (демпфирования) или изоляции элементов конструкции, связанных с преобразованием, передачей и поглощением энергии. Для оптимального функционирования таких систем важно, чтобы их элементы обладали заданными (расчетными) динамическими свойствами.
Из практики проектирования виброзащитных систем известны случаи [1], при которых из-за неправильного учета динамических характеристик резиновых виброизоляторов их эффективность отличалась от проектной.
Основными характеристиками, определяющими эффективность систем виброизоляции, являются [2]: динамический модуль упругости и динамический мо-
дуль сдвига материала, коэффициент потерь механической энергии. Для большинства материалов данные характеристики зависят от частоты внешнего воздействия, температуры, амплитуды динамического воздействия и предварительной деформации [3]. При этом для правильной оценки, проектирования и подбора систем виброизоляции важно понимать пределы применимости каждого из материалов, под какое оборудование (с преобладающим вертикальным или горизонтальным динамическим воздействием) его можно использовать и в каком частотном диапазоне, какими расчетными формулами описывать поведение конструкции.
Данные материалы отличаются не только физико-механическими характеристиками, но и структурой. Резиновые смеси, из которых получают подавляющее количество резиновых виброизоляторов, представляют собой сложные многокомпонентные системы на основе каучука или комбинации каучу-ков, имеющих однородную структуру и являющихся несжимаемым материалом — механическое нагруже-ние приводит к «выпучиванию» материала и большим боковым деформациям (коэффициент Пуассона стремится к 0,5). Механические свойства резин существенно изменяются даже при кратковременной деформации, при этом возможны необратимые изменения, что может быть следствием ряда химических процессов, активируемых механическим напря-
5
0,18 0,16 0,14
I®
3 0,12
i 0,1 I
Ф
* 0,08 к
&0,06
CO
T 0,04 0,02 0
— 1-е
— 2-е сжатие
-3-е сжатие
10 15 20 25 30 35 5 10 15 20 25
Относительная деформация, % Относительная деформация, %
Рис. 1. Испытание на статическое сжатие образцов 300X300 мм: а - из резины; б - из эластомерного материала с закрытыми порами
30
35
жением и приводящих к достаточно глубоким структурным перестроениям [4]. Необратимое разрушение структуры под действием механических сил тем больше, чем меньше скорость релаксационных процессов. При многократных деформациях это приводит к соответствующим изменениям структуры и свойств резин. Упругие свойства резины нелинейны и носят резко выраженный релаксационный характер: зависят от режима нагружения, его величины, времени, скорости, частоты внешнего воздействия, а также температуры.
Эластичные пластмассы, ярким представителем которых являются вспененные полиуретаны, имеют ячеистую структуру со смешанными или закрытыми порами, что позволяет их рассматривать как сжимаемый материал (коэффициент Пуассона колеблется от 0,16 до 0,23). Благодаря этому свойству жесткость материала гораздо меньше зависит от форм-фактора образца, чем для резины, но имеет меньшую несущую способность и модуль упругости. Эластомеры обладают высокой эластичностью и практически не подвержены изменению механических свойств при многократных деформациях и старении материала, а также имеют низкую остаточную деформацию после снятия нагрузок.
Классические цилиндрические пружины, широко применяемые в задачах виброзащиты, имеют линейную зависимость между прикладываемой нагрузкой и деформацией во всем частотном диапазоне внешнего воздействия (для инженерной практики от 1 до 250 Гц). Кроме того, жесткость таких элементов не зависит от величины действующей нагрузки в отличие от эластомерных материалов, как показано на рис. 3. С данной точки зрения цилиндрические пружины выступают как «эталонные» виброизоляторы. Однако за счет пренебрежимо малого демпфирования в пружинах динамические перемеще-
9 10
12
13
таТ 0
I Г
Рис. 2. Схема проведения измерений динамических характеристик: 1 - вибровозбудитель; 2 - траверса; 3 - толкатель; 4 - вспомогательные виброизоляторы; 5 - плита распределения вынуждающей силы; 6 - испытуемый объект; 7 - система измерения силы и ускорения а2; 8 - жесткий фундамент; 9 - статическая нагрузка; 10 - динамическое возбуждение; 11 - плита распределения силы на выходной стороне; 12 - акселерометр а,; 13 - акселерометр а2; 14 - датчики силы Р2
ния при резонансе в таких системах оказываются значительными, что приводит к необходимости использования дополнительных демпфирующих устройств, устанавливаемых параллельно основному упругому элементу [5].
В данной работе проводится анализ статического и динамического поведения вибродемпфирующих материалов, выполненных из резин и вспененного полиуретана, и определяются основные особенности их поведения, которые необходимо учитывать при детальном проектировании виброзащитных систем.
На рис. 1 показано поведение вязкоупругих материалов при статическом нагружении, при этом испыта-
а
TPO'/IT^flbrlblE научно-технический и производственный журнал J ® июнь 2018
а
0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
и
//
// /
3 у и /
)
а /
// /1
у /
а
0,1 0,2 0,3 0,4
Удельная нагрузка, МПа
0,5
0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
3
1
0,1 0,2 0,3 0,4
Удельная нагрузка, МПа
0,5
Рис. 4. Статические и динамические характеристики хлоропреновой резины (а); вспененного полиуретана (б)
нию подвергали образцы тех же размеров, что и для определения динамических характеристик. На рис. 1, а представлен образец из резины отечественного производства типа ИРП 102. Существенно нелинейное поведение и небольшой предел применимости по деформации обусловлен химическим составом и цельной структурой материала. На рис. 1, б показаны характеристики материала Sylodyn ND производства компании Getzner Werkstoffe GbmH. Для эластомерных материалов максимально возможная деформация может составлять до 80% [6], кроме того, он способен воспринимать пиковые нагрузки, во много раз превышающие диапазон его работы.
На данный момент существует несколько различных методик динамических испытаний вязкоупру-гих материалов, например резонансный метод (ГОСТ 16297—80. Материалы звукоизоляционные и звукопоглощающие. Методы испытаний в ревербера-ционной камере), метод сдвиговых колебаний кон-сольно закрепленного образца (ГОСТ Р ИСО 184373—2014. Вибрация и ударное определение динамических механических свойств вязкоупругих материалов. Ч. 3. Метод изгибных колебаний консольно закрепленного образца), метод динамической жесткости (ГОСТ Р ИСО 10846-2-2010. Вибрация. Измерения виброакустических передаточных характеристик упругих элементов конструкций в лабораторных условиях. Ч. 2. Прямой метод определения динамической жесткости упругих опор). Для определения динамических характеристик материалов в данной работе была выбрана методика, описанная в ГОСТ Р ИСО 10846-2, которая позволяет определять для вязкоупругих элементов с параллельными фланцевыми поверхностями прямым методом переходную динамическую жесткость при заданных величинах удельной нагрузки. Данный метод основан на измерении вибрации на входной стороне упругой опоры и затормаживающей силы на ее выходной стороне (рис. 2).
Для сравнения были выбраны материалы с примерно одинаковым рабочим диапазоном нагрузок: ИРП 102 и Sylodyn ND. Испытание проводили при нормальных условиях на частоте 20 Гц, образцы имеют форм-фактор 6. На рис. 3 показаны зависимости статического и динамического модуля упругости от величины удельной нагрузки, действующей на образец, в рабочем диа-
пазоне нагрузок. Как видно из графиков рис. 3, а, с увеличением удельной нагрузки на резину ее динамическая жесткость также повышается. Для эластомеров, напротив, при увеличении нагрузки она снижается в определенном диапазоне. В частности, такая особенность может быть использована для проектирования равночастотных опор [2].
На рис. 4 представлены кривые нагрузка — деформация для хлоропреновой резины зарубежного производства и вспененного полиуретана, имеющих сравнительно близкий начальный динамический модуль упругости, при различных частотах внешнего воздействия.
Как видно из сравнения графиков на рис. 4, а и рис. 3, а, в общем случае все резины обладают тем свойством, что с возрастанием частоты внешней нагрузки увеличивается их динамическая жесткость. Данный факт нашел подтверждение в работах [10—12]. Отношение динамической kdyn к статической жесткости к,,ш для резин колеблется в диапазоне от 1,5 до 2,5. Кроме того, коэффициент потерь механической энергии для резиновых элементов является также частото-зависи-мым, как показано на рис. 5 [10].
При этом с уменьшением к4ук/кш качество виброзащитной системы увеличивается, приближаясь к «эта-
100 102 104 106 Частота, Гц
Рис. 5. Зависимость коэффициента потерь механической энергии от частоты внешнего воздействия для резины
б
а
лонному» случаю. Как видно из анализа графиков на рис. 3, б и рис. 4, б, данное отношение для вспененного полиуретана составляет около 1,2—1,3.
Указанная зависимость динамических характеристик резин от частоты нагрузки связана с реорганизацией полимерных цепей в материале при нагружении [10]. Поскольку данная реорганизация не может происходить моментально, потеря энергии оказывается часто-тозависимой.
Для резин характерен эффект Флетчера—Гента, при котором с увеличением амплитуды деформации Х0 модуль сдвига снижается, а коэффициент потерь механической энергии возрастает, как показано на рис. 6. Как показывают последние исследования [10—12], амплитудная зависимость связана с изменением (сдвижкой) слабых связей между структурой заполнителя и полимерными цепочками в резине.
При этом для эластомерных материалов, таких как вспененный полиуретан, данные особенности не столь явно выражены, поскольку при деформациях до 30—40% происходит преимущественное сжатие или перетекание воздуха в порах материала без существенного влияния на саму структуру материала.
В заключение можно отметить, что основным параметром, который описывает качество вибродемп-фирующего материала, выполненного из резины или эластичной пластмассы, является отношение между статической и динамической kdyn жесткостями. Статическая жесткость определяет прогибы виброи-золируемого объекта при действии постоянных и временных нагрузок, а динамическая — является основной характеристикой, описывающей эффективность виброизоляции. Чем меньше данное отношение, тем более эффективную систему виброизоляции можно спроектировать. В частности, для эластомерных материалов при kdyn/kstаt около 1,3 возможно спроектировать систему виброизоляции с собственной частотой около 7 Гц.
При этом, как показали проведенные сравнительные испытания, важно понимать поведение материалов при действии не только статической, но и динамической нагрузки различной частоты и амплитуды. Комплексные исследования вибродемпфирующих материалов позволяют спроектировать систему виброизоляции, эффективную в широком диапазоне нагрузок на нее.
Список литературы
1. Барабошин В.Ф. Основные параметры новой конструкции пути метрополитенов с повышенными виброзащитными свойствами. Труды ВНИИЖТ.
Совершенствование конструкции железнодорожного пути метрополитенов. 1981. Вып. 630. С. 26—53.
2. Челомей В.Н. Вибрации в технике. Т. 6. Защита от вибрации и ударов / Под ред. К.В. Фролова. М.: Машиностроение, 1981. 455 с.
3. Нашиф А., Джоунс Д., Хендерсон Дж. Демпфирование колебаний / Пер. с англ. М.: Мир, 1988. 488 с.
4. Булат А.Ф., Дырда В.И., Звягильский Е.Л., Кобец А.С. Прикладная механика упругонаслед-ственных сред: В 4 томах. Т. 1. Механика деформирования и разрушения эластомеров. Киев: Наукова думка, 2011. 568 с.
5. VDI 2062:2-2007 Vibration Insulation - Insulation Element. Verlag des Vereins Deutscher Ingenieure. 52 p.
6. ГОСТ 16297-80 «Материалы звукоизоляционные и звукопоглощающие. Методы испытаний в ревербе-рационной камере». М.: Издательство стандартов, 1988.
7. ГОСТ Р ИСО 18437-3-2014 «Вибрация и удар. Определение динамических механических свойств вязкоупругих материалов. Ч. 3. Метод изгибных колебаний консольно закрепленного образца». М.: Стандартинформ, 2015.
8. ГОСТ Р ИСО 10846-2-2010 «Вибрация. Измерения виброакустических передаточных характеристик упругих элементов конструкций в лабораторных условиях. Ч. 2. Прямой метод определения динамической жесткости упругих опор». М.: Стандарт-информ, 2011.
9. Смирнов В.А. Расчет и моделирование демпфирующих устройств прецизионного испытательного стенда // Строительство и реконструкция. 2016. № 3 (65) С. 61-70.
10. Olsson A.K. Finite element procedures in modeling the dynamic properties of rubber. Doctoral Thesis, Lund University. 2007.
11. Garcia Tarrago M.J., Kari L., Vinolas J., Gil-Negrete N. Frequency and amplitude dependence of the axial and radial stiffness of carbon-black filled rubber bushings. Polymer Testing. 2007. Vol. 26. Iss. 5, pp. 629-638.
12. Garcia Tarrago M.J., Kari L, Vinolas J, Gil-Negrete N. Torsion stiffness of a rubber bushing: A simple engineering design formula including the amplitude dependence. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design. 2007. Vol. 42. Iss. 1, pp. 13-21.
References
1. Baraboshin V.F. The main parameters of the new design of the metro routes with increased vibro-protective
properties. Proceedings of VNIIZhT. Improving the design of the metro railways. 1981. Vol. 630, pp. 26—53. (In Russian).
2. Chelomei V.N. Vibratsii v tekhnike. T. 6. Zashchita ot vibratsii i udarov / Pod red. K.V. Frolova [Vibrations in technology. Vol. 6. Protection from vibration and shock. Ed. by Frolov K.W.]. Moscow: Mashinostroenie. 1981. 455 p.
3. NashifA., Dzhouns D., Khenderson Dzh. Dempfirovanie kolebanii: Per. s angl. [Damping of oscillations: Trans. From English] Moscow: Mir. 1988. 488 p.
4. Bulat A.F., Dyrda V.I., Zvyagil'skiy E.L., Kobets A.S. Prikladnaya mekhanika uprugonasledstvennykh sred: v 4-kh tomakh. T. 1. Mekhanika deformirovaniya i raz-rusheniya elastomerov [Applied mechanics of elastic hereditary media: in 4 volumes. Vol. 1. Mechanics of deformation and fracture of elastomers]. Kiev: Naukova dum-ka. 2011. 568 p.
5. VDI 2062:2-2007 Vibration Insulation - Insulation Element. Verlag des Vereins Deutscher Ingenieure. 52 p.
6. GOST 16297-80 Materialy zvukoizolyatsionnye i zvuko-poglashchayushchie. Metody ispytanii v reverberatsionnoi kamere [Soundproof materials and sound-absorbing materials. Test methods in a reverberation chamber]. Moscow: Publishing House of Standards. 1988. (In Russian).
7. GOST R ISO 18437-3-2014 Vibratsiya iudar. Opredelenie dinamicheskikh mekhanicheskikh svoistv vyazkouprugikh materialov. Chast' 3. Metod izgibnykh kolebanii konsol'no zakreplennogo obraztsa [Vibration and shock. Deter-
mination of the dynamic mechanical properties of visco-elastic materials. Part 3. Method of bending vibrations of a cantilevered specimen]. Moscow: Standartinform. 2015. (In Russian).
8. GOST R ISO 10846-2-2010 Vibratsiya. Izmereniya vibroakusticheskikh peredatochnykh kharakteristik up-rugikh elementov konstruktsii v laboratornykh uslovi-yakh. Chast' 2. Pryamoi metod opredeleniya dinami-cheskoi zhestkosti uprugikh opor [Vibration. Measurements of vibro-acoustic transfer characteristics of elastic structural elements in laboratory conditions. Part 2. Direct method for determining the dynamic rigidity of elastic supports]. Moscow: Standartinform. 2011. (In Russian).
9. Smirnov V.A. Calculation and simulation of damping devices of a precision test bench. Stroitel'-stvo i Rekonstruktsiya. 2016. No. 3 (65), pp. 61-70. (In Russian).
10. Olsson A.K. Finite element procedures in modeling the dynamic properties of rubber. Doctoral Thesis, Lund University. 2007.
11. Garcia Tarrago M.J., Kari L., Vinolas J., Gil-Negrete N. Frequency and amplitude dependence of the axial and radial stiffness of carbon-black filled rubber bushings. Polymer Testing. 2007. Vol. 26. Iss. 5, pp. 629-638.
12. Garcia Tarrago M.J., Kari L, Vinolas J, Gil-Negrete N. Torsion stiffness of a rubber bushing: A simple engineering design formula including the amplitude dependence. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design. 2007. Vol. 42. Iss. 1, pp. 13-21.
AO «Завод ЛИТ» 152020, Россия, Ярославская обл., Переславль-Залесский, Советская, 1
Тел.: 8 (800) 2-34-34-35
E-mail: lit@zavodlit.ru www.zavodlit.ru
товар сертифицирован, соответствует требованиям СП51-13330-2011 ГОСТ 23499-2009
Разделяющий шумоизоляционный слой, обеспечивающий отсутствие жесткой связи бетонной стяжки пола с основанием и стенами.
СРОК ЭКСПЛУАТАЦИИ:
¡ШИШ
50Г
лет
Протокол испытаний НИИСФ РААСН №1/22.05.2018 ЗАКРЫТАЯ
| ЯЧЕИСТАЯ СТРУКТУРА 1
РЕЗУЛЬТАТЫ АКУСТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИИ
6 ММ
Коэффициент относительного сжатие ед, при нагрузке на образец (2000/5000 Па) 0,063/0,126 0,031/0,071 0,052/0,081
Динамический модуль упругости Е^ МПа, при нагрузке на образец (2000/5000 Па) 0,532/1,263 0,8/1,625 0,79/1,913
Коэффициент потерь колебаний п, при нагрузке на образец (2000/5000 Па) 0,226/0,215 0,209/0,208 0,253/0,195
Индекс улучшения изоляции ударного шума полом Д1_ш, дБ 25 23 25
SjMiB
Реклама
Технология гипсовых отделочных материалов и изделий
Федулов А.А., М:
ООО РИФ «СТРОЙМАТЕРИАЛЫ», 2018. 240 с.
В книге описано производство гипсовых отде лочных материалов и изделий от добычи сырья до упаковки готовой продукции. Особое внимание автор уделяет подробному описанию технологических линий и от дельных единиц оборудования, установленных на передовых предприятиях гипсовой промышленности. В книге представлено большое количество иллюстраций всех тех нологических переделов, которые помогут глубже представить и понять технологиче ские процессы производства того или иного изделия. Описание технологии каждого вида гипсовых изделий основывается на существующих производственных регламен тах предприятий России, Германии и Дании, включая шахты, карьеры, которые автор посещал лично.
Книга предназначена студентам, изучающим производство строительных матери алов и конструкций в качестве дополнительного материала по технологии современ ных гипсовых изделий, а также для инженеров-технологов заводов, производящих гипсовую продукцию в качестве справочного материала.
Тел./факс: (499) 976-22-08, 976-20-36 E-mail: mail@rifsm.ru
