李爱民，田友峰，吴 兵，章于川

（1.安徽中鼎密封件股份有限公司，安徽 宁国 242300；2.安徽安大中鼎橡胶技术开发有限公司，安徽 合肥 230088）

桩腿耦合器（LMU,Leg Matting Units）是广泛应用于海洋结构“浮托”（Float Over，比如海上采油平台）安装的重要装置，它可以有效地缓冲组块与平台基础结构之间垂直或水平碰撞。其主要由高强度钢结构和高弹性缓冲橡胶块等元件组合而成，如图1所示。LMU缓冲橡胶块必需是由能承受大载荷、高弹性的硫化橡胶材料制造而成，从而起到均匀地传递载荷、有效地减缓“浮托”安装时部件之间的冲击，达到缓冲、保护安装部件和基础平台免受碰损的功能和目的[1]。

LMU缓冲橡胶材料的研发关键是：

图1 .桩腿耦合器LMU结构示意图Fig.1 Schematic diagram of LMU structure

（1）具有优良抗压强度和高弹性的橡胶材料配方设计，制造出的LMU缓冲橡胶块可满足工作过程中极大压缩载荷的作用和相关环境条件的要求。

（2）LMU缓冲橡胶块的结构尺寸设计，需达到缓冲橡胶块指定的变形-载荷条件要求。

本项目LMU需要承受竖向静载荷为2000吨（动载荷500吨），同时需要保证橡胶缓冲块变形量达到25%（压缩250 mm）左右。

1 实验过程

1.1 原材料与仪器设备

1.1.1 原材料选择

1.1.1.1 主体橡胶材料的选择

表1 四种橡胶不同硬度试样的配方编号Tab.1 Formula number of four rubber samples with different hardness

目前常用于作减振、缓冲元件的橡胶材料主要有天然橡胶NR、天然胶/丁苯橡胶NR/SBR并用胶、聚氨酯橡胶PUR、丁基橡胶IIR 4种[2]。根据本项目的载荷/变形条件，参照LMU缓冲橡胶块实际有效承载面积，再根据经验，选取这四种橡胶材料，并各自设计三种不同硬度的配方，然后通过混炼、硫化制样，测试其物理机械性能及压缩形变性能，对结果进行评价与筛选，得到抗压性能优良的主体橡胶材料。试验方案如表1。

1.1.1.2 碳黑的选择

碳黑是橡胶产品常用的补强填充剂，品种很多，性能各异，所以在材料配方优化设计时，通常应选择几种不同特性的碳黑进行优化选择[3]。

1.1.1.3 其他各种助剂的选择

针对所选择试验的四种主体橡胶，选择各自最合适的硫化体系、加工体系和防老体系等各种助剂，通过优化配合、混炼、硫化等工艺，制备三种符合设计硬度的系列编号硫化橡胶试样。按照LMU缓冲橡胶研发关键的原则，通过测试结果比较分析，从中筛选出最合适的主体橡胶材料。

1.1.1.4 测试样品的制备

将密炼好的四种主体橡胶的混炼胶，按照相关国标GB经过模压成形→硫化→出模→修剪，得到研发过程中各种性能测试所需的样品：试片（170 mm×120 mm×2 mm）用于裁制拉伸实验用哑铃型试样；样块（Ф40 mm×6 mm）用于压缩试验（动态载荷压缩-变形曲线MTS测试）；样块（Ф29 mm×12.5 mm）用于压缩永久变形和硬度测试。测试结果参见有关图、表。

1.1.2 仪器设备

加工成形设备：K1型密炼机（美国FARREL（法莱尔）公司）；P-V-3RT-2-PCD型平板硫化机（广德磐石公司）。

测试仪器：GT-TS2000-M型电子拉力机（台湾高铁公司）；LX-A型橡胶硬度计（上海六菱公司）；MTS831型万能材料试验机（美国MTS公司）；ME104E型密度测定仪（瑞士梅特勒公司）。

1.2 主体橡胶材料的配方优化设计

1.2.1 采用正交实验优化配方设计[4]

通过“2.1.1.1主体橡胶材料的选择”的试验方案，优选出天然/丁苯胶NR/SBR并用胶作为主体橡胶。为了进一步提高并用主体橡胶的性能，采用正交法再对其制造配方进行深入地优化设计。针对LMU工况条件的要求，需优化得到承受载荷大、高强度的橡胶材料配方，为此设计了三因子三水平的正交实验方案，参见表2和表3。

表2 NR/SBR并用胶正交实验三因子三水平设计Tab.2 Orthogonal experiment of NR/SBR with three factors and three levels design

表3 NR/SBR并用胶的正交实验设计Tab.3 Orthogonal test design scheme of NR/SBR blend

1.2.2 正交实验各配方试样的性能测试

1.2.2.1 物理机械性能测试

应用电子拉力机对各配方的硫化试样进行拉伸试验以及硬度和密度测试，结果见表4。

表4 四种橡胶硫化胶的物理机械性能测试结果

1.2.2.2 动态载荷压缩-形变MTS测试（压缩试验）

应用万能材料试验机MTS831对各个配方硫化试样进行压缩试验，其动态载荷压缩-变形曲线结果见图3。

1.2.2.3 正交实验结果分析

通过对正交实验结果的分析，确定LMU的最合适主体橡胶材料配方。

2 结果与讨论

2.1 主体橡胶材料的胶种优选确定

2.1.1 四种橡胶的硫化胶物理机械性能测试结果与分析

表4是四种备选的主体橡胶材料分别根据表1所设计的硬度（邵A）而拟定的配方[5]，进行混炼、硫化制备的一系列编号试样测试物理机械性能的结果。

硫化胶的硬度不仅反映了它的内部分子结构——交联度的高低，而且也是它的宏观机械力学性能的综合表现[6]。通常硫化胶的硬度高，刚度也大，承载的负荷相对较高，但也并不是硬度越高越好。实践表明硬度过高的硫化橡胶，虽然承受载荷大，但易被压坏；反之，硬度稍低一点的硫化胶橡胶，承受载荷虽然相对小一点，但不易压坏。图2是根据表4结果作出四种胶料硫化试样的强度随其硬度的变化曲线。

图2 四种橡胶硫化试样的强度随硬度的变化Fig.2 Variation of strength of four rubber vulcanization specimens with hardness

图2显示四种不同配方橡胶材料的硫化胶，随着硬度的增高，强度都呈下降趋势。其中PUR和IIR，当它们的硬度升到80度以后，扯断强度就下降到它们的最低点，硬度再增加就会发生破坏。而NR、NR/SBR并用胶虽然强度不如聚氨酯胶，但它们的硬度分别要增加到87和88度，扯断强度才下降到破坏的极限点。

2.1.2 四种橡胶的硫化胶压缩试验的测试结果与分析

由于LMU缓冲橡胶块工作时要承受高载荷的冲击压力，需起到缓冲高载荷作用，所以所选择的主体橡胶材料必须要通过MTS压缩-形变测试，以考核主体橡胶材料的承压性能，测试结果如图3所示。

由图3可见，四种橡胶（除了PUR胶的U003外）的不同硬度硫化试块中，各自硬度最高的在相同载荷下压缩量最小，尤其是NR/SBR并用胶的R006硫化试块，在所有的试块中压缩量数最小，说明NR/SBR并用胶在四种胶中承受压缩载荷的能力最强。为了进一步确认选择NR/SBR并用胶作为LMU缓冲橡胶块的主体材料，从四种橡胶压缩数据结果中取硬度80±5的一组在同样压缩载荷下于同一坐标图中进行比较，参见图4。

图3 .四种橡胶硫化试样（Ф40 mm×6mm）的压缩-形变曲线图Fig.3 Four kinds of rubber vulcanization samples（Ф 40 mmx 6 mm）compression

图4 四种橡胶硬度80±5度的硫化试样压缩-形变曲线对比Fig.4 Comparison of the compression-deformation curves of four kinds of rubber vulcanized samples with the same hardness

图4明显对比出四种硬度相同的硫化胶试块中，NR/SBR并用胶的压缩变形量最小，因此它的承受载荷能力最大，NR仅次之。PUR和IIR的压缩变形量很大，承受载荷能力很差，所以强度高的PUR并不适合做缓冲减震产品，吸震性能好的IIR强度、抗压能力较差，也不适合做高载荷冲击的缓冲橡胶。NR/SBR并用胶作为LMU缓冲橡胶块主体橡胶材料是比较理想的选择。NR由于其分子链以顺式-1，4结构为主，链的柔顺很好，具有优良的弹性，回弹率在0℃～100℃可达50%～85%。NR在应力作用下易取向结晶，具有自补强性，碳黑补强后的硫化胶拉伸强度可达到20～25 MPa，机械性能优良，并且NR的压缩生热量也较低，减震、抗疲劳性能均较好。但是NR分子链的高度不饱和性使其易在UV光氧化和热氧化作用下发生自由基链式降解而老化，使其性能下降，寿命缩短。SBR是1,3-丁二烯与苯乙烯单体进行共聚合得到的不饱和橡胶，但SBR分子链中含有的双键比NR少，所以其热氧化降解反应比NR缓慢，同时其稳定的苯环使UV光对SBR的光氧化老化不明显，因此它的耐磨性、耐热性、耐油性和耐老化性等均比NR好。SBR不具有自补强性，且由于主链上体积较大的苯环侧基阻碍，使其在动态力学条件下滞后损失较大，生热较高，弹性低。但是SBR和NR相容性好，可以并用，通过它们相互协同，取长补短，可提高整体性能。NR和SBR价格都比较便宜，加工性能也比较好，所以NR/SBR并用胶也成为了LMU缓冲橡胶的首选。

2.2 主体橡胶材料——NR/SBR并用胶配方正交实验结果与分析

2.2.1 正交实验的各试样物理机械强度测试结果

因配方的硬度影响材料的机械强度和压缩变形测试的结果，所以在压缩测试之前要对橡胶配方的物理机械性能进行测试，尽量保证各配方之间的硬度一致或者相差很小。测试结果如表5所示。

表5 正交实验试样物理机械性能测试结果

由表5可见，RS-3、RS-5、RS-8试样的扯断强度均达到20 MPa，相应的配方组合是A1B3C2、A2B2C2和A3B2C1。

2.2.2 正交实验各试样的压缩实验MTS的测试结果与分析

表5显示，9种配方橡胶试样的硬度基本一致，因此可以排除硬度对压缩测试结果的影响。选取相同的压缩量（均为1.5 mm）对这9种材料进行压缩测试，以它们所承受的载荷力作为试验结果，并对各组试验结果进行极差分析得到表6。

由表6极差R值大小顺序（1507.7＞544.2＞463.3）可知：影响材料承载能力的因子主次关系为：B＞A＞C；RS-3承载压力最大，Y=8 409.4 N。由于我们希望承载要大，所以指标值希望大一些，故取A1=6860.8，B3=7613.2，C2=6 862.1。配方优化组合初步选择RS-3（配方A1B3C2），它的硫化胶不仅承受载荷能力高，并且扯断强度也高达20.1 MPa，所以配方A1B3C2的优化筛选组合较理想。

2.3 LMU缓震橡胶块材料优化配方A1B3C2的验证

为了确证经优化试验获得的橡胶材料配方的先进性和实用性，对其试样进行了单轴拉伸、单轴压缩、双轴拉伸、摩擦系数测试和不同环境因素（室温、50℃和-5℃）对缓冲橡胶抗压性能影响试验等验证测试，结果表明NR/SBR并用胶的A1B3C2配方材料均通过了这些严格的考核。

表6 对9种配方试样的压缩-形变试验结果极差分析

3 结论

（1）本文通过对NR、NR/SBR、PUR和IIR等四种橡胶各三种硬度不同的硫化胶试样进行机械强度和动态载荷压缩-形变MTS测试，从中筛选出NR/SBR并用胶作为主体橡胶材料，可满足LMU桩腿耦合器缓冲橡胶块工作过程中极大压缩载荷的作用和相关环境要求。

（2）采用三因子三水平的正交试验法进一步优化NR/SBR并用胶的配方设计。正交实验结果分析表明：最佳配方是A1B3C2，即SBR并用量20份（pbw），硫化剂用量2.5份（pbw），碳黑牌号选用N660；影响缓冲橡胶块（NR/SBR并用胶）材料承载能力的因子主次关系是B＞A＞C，即交联剂用量为主要因子。

（3）该NR/SBR并用配方A1B3C2的硫化胶试样均通过了严格的验证测试。