船用环氧树脂垫片的浇注成型及相关力学性能研究

1 引 言

垫片在船舶设备及装置的校中和定位环节中发挥着重要作用。与过去大量使用钢质垫片不同，目前，浇注型环氧树脂垫片的应用越来越广泛。环氧树脂具有隔热、隔振、抗压和耐腐蚀的特性，可实现现场浇注、室温固化、一次成形，不仅能缩短施工周期，降低劳动强度，还可提高经济效益［1-2］。我国的修造船业也迅速掌握了浇注型环氧树脂垫片的工艺特点和技术关键，并已将其广泛应用于主、辅机和甲板机械的安装、轴系的校中以及美人架的定位等中［3-5］。

相关文献对环氧树脂垫片的工艺实施过程研究较多，对浇注过程中垫片的成型特点、垫片静态力学参数及设备隔振器下使用环氧树脂垫片后的阻抗研究则相对较少，而力学参数及阻抗性能又是减振降噪领域需要考虑的重要问题。因此，本文将结合工程应用，对3种主要类型的船用环氧树脂材料浇注垫片的特点及相关力学性能进行研究，进而分析不同垫片的位移振级落差特性。研究结果可为工程设计及应用提供参考。

2 船用环氧树脂垫片的应用特点

船用环氧树脂的质量要求较高，目前，成熟的产品主要为以下3家公司生产的专业产品：美国费城树脂公司的Chockfast系列，制作船舶主机垫片时采用 Chockfast Orange系列；德国 H.A Springer公司生产的Epocast系列，制作主机垫片时采用Epocast 36系列；宁波市北仑科技实业有限公司的 JN-120A 系列［6］。

在船舶主机安装中，传统的方法是采用钳工拂配钢质（或铸铁）垫片工艺。但金属垫片的使用存在诸多弊端：机加工面多，拂刮工作量大；劳动强度大，施工周期长；金属垫片受力单一，而底脚螺栓受力复杂；金属垫片是刚性件，当用于动力装置的安装时，它基本不产生减振效果等。基于此，人们便开始不断寻找能高效率、高质量地进行设备安装，缩短修、造船周期的新方法。自20世纪70年代起，在船舶机械设备的安装中，环氧树脂垫片（图1）已逐步代替传统的铸铁、铸钢垫片，这一造船新材料和新工艺的应用日趋广泛。

为推广该技术，国家于1993年颁布了《船用环氧机座垫片技术条件》（CB／T3514-92）［7］。与金属垫片相比，环氧树脂垫片具有施工周期短、连接强度高、综合性能好及减振效果较明显等特点。环氧树脂属非金属材料，其与钢相比硬度低，与铸铁相比塑性大（约大25倍），并且其接触面积大，中高频吸振性能好［8］，能有效减少动力装置运转时的振动和噪声。

3 环氧树脂垫片的浇注成型特点及参数测试

3.1 环氧树脂浇注成型

浇注垫片依据的相关标准为 《船用环氧基座垫片技术条件》（GB／T3514-92）以及各厂家提供的环氧树脂浇注说明书。浇注模框如图2所示。模框材质为1 mm厚的不锈钢板，高50 mm；螺栓孔塞材质为塑胶棒，直径26 mm，高60 mm。

按照要求，浇注了3种不同材料的环氧树脂垫片共9块，尺寸如表1所示。浇注成型后的垫片如图3所示。

通过观察、分析，试验中出现的现象如下：

1）搅拌后，Epocast 36和Chockfast Orange浇注料的流动性要好于JN-120A浇注料。

2）不同型号的环氧树脂其放热反应现象的差别较大。材料的放热速度依次为Chockfast Orange＞Epocast 36＞JN-120A，放热达到的最高温度依次为 Chockfast Orange＞Epocast 36＞JN-120A，放热时长依次为 Chockfast Orange＞Epocast 36＞JN-120A。

3）环氧树脂的固化放热速度受围挡材料的影响。以Chockfast Orange材料为例，在浇注完成10 min时，垫片中部的温度达到了180℃以上，四周靠近海绵处约为120℃，四角的温度约为25℃。

表1 浇注试验垫片尺寸
Tab.1 The dimensions of gaskets

经分析可知，围挡材料对环氧树脂垫片固化放热速度的影响较大。局部温度的不均匀会造成固化速度的差异，进而引起垫片体积、形状的变化，严重时，还将造成裂纹。为使其放热均匀，减少因热应力而产生裂纹的可能性，应尽可能使用同种围挡材料，如用泡沫软套管堵塞螺栓孔（厂商推荐）。

4）浇注完成后，在Epocast 36和Chockfast Orange两种材料表面逐渐形成许多小气泡，而JN-120A材料则不明显。

经分析可知，前两种材料的放热温度约为后者的5～6倍，温度越高越容易产生气泡。固化完成的垫片经打磨后无气泡，可认为气泡仅在垫片表面。

3.2 静态力学参数测试

将浇注环氧树脂小样块作为试验测试的试件。由于将试件加工成标准压缩试件工艺难度大，报废率高，故利用电阻应变片测量材料的弹性模量和泊松比。进行压缩试验时，由于难以保证对试件进行理想的轴线加载，往往会出现偏心压缩的情况，而在矩形截面长方体试件中部两侧对称粘贴一个双向（轴向和横向）应变片，则可消除弯曲变形的影响，进而测量得到偏心压缩状态下材料的弹性模量和泊松比［9］。将试件安装在万用材料试验机上（图4），将4个应变片的导线分别接入预调平衡的静态应变测试仪的接线柱上，采用公共温度补偿片，电桥采用1／4桥接法。测试结果如表2所示。

表2 弹性模量与泊松比的比较
Tab.2 The comparisons of elastic modulus and Poisson’s ratio

由表2可知：

1）与厂家提供的参考数据相比，3种环氧树脂材料的实测弹性模量E均偏大，JN-120A的偏大 33.3%，Epocast 36 的偏大 30.8%，Chockfast Orange的偏大76.5%。在浇注成型的过程中需加入固化剂，厂家会提供固化剂投入量曲线或表格，它与垫片厚度和钢板温度有关。因环氧树脂材料的弹性模量本身会随温度的变化而发生改变，而本次试验条件与厂家的试验条件存在差异，因而结果不一致。另弹性模量与试件浇注的质量也有关，故其值需根据实际情况对样品进行实测得到。

2）JN-120A环氧树脂的实测泊松比μ与厂家提供的参考值相差较大。因环氧树脂材料的泊松比与配方和使用情况有关，不是一个固定值，因此也需实测得到。

4 安装环氧树脂垫片后的位移阻抗（动刚度）测试

在实际结构中，垫片通常安装在隔振器与基座之间，隔振器安装在机座之下。可将安装垫片的隔振器视为一个系统，测试该系统低频垂向位移阻抗（即动刚度），为安装环氧树脂垫片后隔振系统的隔振性能分析提供依据。

在垫片的材质上，选择JN-120A、Epocast 36和Chockfast Orange这3种型号的浇注型环氧树脂垫片，并选择金属垫片作为试验对照组。

试验前，将橡胶隔振器（型号JSD-1500）与不同材料的调整垫片固定在试验夹具上，安装于MTS landmark 370.50 型阻抗试验机上（图 5）。 依据美国军用标准MIL-M-24476B，测试垂向位移阻抗。对试验机力和位移值置零，并将隔振器采用力控制方式垂向预加载至24.50 kN，待变形稳定后，再次对试验机位移值置零。试验采用位移方式控制，正弦波加载，每峰峰值对应的频率分别为6.0～10.0 Hz，步长为 1.0 Hz。 测试结果如图 6 所示。

对比安装不同材料垫片的隔振器系统的垂向位移阻抗，可得出以下结论：

1） 激振峰峰值一定，激振频率 f（Hz）与位移阻抗ZD（kN／m）近似拟合成线性关系：

式中，c为实常数，kN/m，其因垫片材料的不同而不同。

低频时，与隔振器阻抗相比，垫片及阻抗平台基础的阻抗要大10倍以上，这时，从理论上可忽略它们的影响，系统的阻抗主要由橡胶隔振器决定［10］。此时，隔振器的阻抗和频率关系应与设置金属垫片后的拟合表达式接近，当串联垫片后，位移阻抗（动刚度）值会减小。这些理论分析的结果与试验结果是吻合的。

2）激振频率相同，3种安装环氧树脂垫片的隔振器系统的位移阻抗较接近。其中，安装Chockfast Orange环氧树脂垫片的隔振器系统的位移阻抗值最小，安装金属垫片的隔振器系统的垂向位移阻抗均较安装环氧树脂垫片时约大0.1 kN ／mm。

按照四端参数法［11］和阻抗分析流程［12］，可得到安装垫片后隔振系统的位移振级落差LD：

式中，ZF为基础结构的位移阻抗，kN／m。

结合测试结果可知，在隔振器下安装环氧树脂垫片后的低频位移振级落差值大于金属垫片时，在低频时也有一定的减振效果。按照位移阻抗与速度阻抗和加速度阻抗的关系，也可获得速度振级落差和加速度振级落差的评价效果。

5 结 语

浇注型环氧树脂垫片具有隔热、隔振、抗压和耐腐蚀的特性，可实现现场浇注、室温固化及一次成形，被广泛应用于船舶设备安装中。现场使用时，应严格按照环氧树脂材料的浇注工艺进行操作，以避免产生气泡等缺陷。

浇注成型后，应对样品试件进行相关的力学性能测试，以得到其准确的弹性模量等参数。实践表明，厂家提供的弹性模量等参考值与成型产品的参数有一定的差距，经过准确测定的性能参数才能作为环氧树脂垫片力学特性研究的依据。

采用环氧树脂垫片后的隔振性能也是工程中较为关注的问题。本文在阻抗试验台上对3种环氧树脂材料的垫片及钢质垫片进行了低频位移阻抗（动刚度）测试，结果表明，环氧树脂垫片的位移阻抗值较接近，均比钢制垫片的小。初步分析表明，采用环氧树脂垫片后的位移振级落差要优于钢质垫片。