芳綸橡膠輸送帶的接頭強(qiáng)度研究

李 源，薩日娜，石春蕾，吳建國，孫業(yè)斌，田 明*

（1.北京化工大學(xué) 先進(jìn)彈性體材料研究中心，北京 100029；2.無錫寶通科技股份有限公司，江蘇 無錫 320200）

芳綸橡膠輸送帶因其厚度和伸長率小、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)而適用于長運(yùn)距、大運(yùn)量的運(yùn)輸工況，受到了國外輸送帶企業(yè)的廣泛追捧，但芳綸橡膠輸送帶接頭強(qiáng)度保持率低、質(zhì)量差等問題制約了其推廣應(yīng)用。

接頭部位是輸送帶運(yùn)行中最薄弱的環(huán)節(jié)，在長距離輸送系統(tǒng)中，接頭強(qiáng)度下降往往是導(dǎo)致斷帶等重大安全事故的直接原因[1]。芳綸橡膠輸送帶一般只有1層，使用傳統(tǒng)的階梯搭接方案，接頭強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)屈撓性能損失嚴(yán)重[2]。目前，采用指型插接的接頭方案在國外已有報(bào)道[3]，如德國標(biāo)準(zhǔn)中明確指出高強(qiáng)度單層或雙層織物芯輸送帶的接頭都使用指型插接方式進(jìn)行連接[4]。

芳綸橡膠輸送帶指型插接方法（如圖1所示）與鋼絲繩芯輸送帶十分相似。鋼絲繩芯輸送帶的插接強(qiáng)度來自于鋼絲繩與橡膠間的剪切力。芳綸橡膠輸送帶指型插接接頭的強(qiáng)度同樣來自于骨架材料帆布與橡膠、橡膠各層間剪切力的綜合作用。

指型插接法的剪切力來自于三方面：指型接縫中的橡膠剪切力、在拉伸失效前的形變過程中貼膠/骨架材料的剪切力以及貼膠/覆蓋膠之間的定關(guān)系，剪切強(qiáng)度的大小將影響接頭強(qiáng)度[5]。

本工作以芳綸DPP1000型直經(jīng)直緯帆布為例，對輸送帶的靜態(tài)接頭強(qiáng)度進(jìn)行系統(tǒng)研究，分析指型長徑比、貼膠厚度和織物增強(qiáng)層結(jié)構(gòu)等因素對接頭強(qiáng)度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

DPP1000型芳綸帆布，亞東工業(yè)蘇州有限公司提供，其經(jīng)紗為芳綸纖維、緯紗為錦綸纖維；EP250型帆布，江蘇太極實(shí)業(yè)新材料有限公司提供，其經(jīng)紗為聚酯纖維、緯紗為錦綸纖維；輸送帶覆蓋膠和貼膠，無錫寶通科技股份有限公司提供。

1.2 接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單層輸送帶選用指型插接方案。成型模具外徑尺寸為500 mm×500 mm×12 mm，接頭樣品尺寸為420 mm×420 mm×12 mm。選用的夾具寬度為150 mm，設(shè)計(jì)接頭每端被夾持部分的長度為100 mm，插接部分長度為200 mm。

在指型插接區(qū)指型長度一定的情況下，芳綸橡膠輸送帶指型接頭的制作方案包括：1）考慮不同指根寬度（長徑比）的影響；2）考慮不同貼膠厚度的影響；3）考慮不同織物增強(qiáng)層放置方式的影響。具體方案如表1所示。

表1 不同芳綸橡膠輸送帶指型接頭試驗(yàn)方案

1.3 未放置織物增強(qiáng)層的指型接頭制作

1.3.1 芳綸帆布指型的制備

用美工刀將芳綸帆布切割成420 mm×420 mm的試樣，保持試樣經(jīng)、緯線平直，邊緣齊整。沿經(jīng)向方向在帆布表面畫中心線，以其為中心向兩側(cè)每隔特定指根寬度單位做標(biāo)記，用美工刀切割，遵循去多留少的原則，將多余部分清除，保持布面的干凈、平整，以方便插接工序的開展，修剪好的指型如圖2所示。

圖2 修剪好的指型骨架材料

將切割好的兩片骨架材料沿中心線對齊，交叉對接，指間縫隙緊密拼合、不留空隙。

1.3.2 成型

根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行貼膠出片:采用無錫市晨光橡塑機(jī)械廠生產(chǎn)的XK-160型開放式煉膠機(jī)制備420 mm×420 mm貼膠層，并將貼膠覆在接頭上下兩側(cè)，壓實(shí)后覆上、下覆蓋膠。為控制單一變量，上/下覆蓋膠厚度統(tǒng)一設(shè)計(jì)為6和3 mm。用記號筆在上覆蓋膠表面畫中心線，并畫出指型區(qū)的范圍。

1.3.3 硫化

選用湖州東方機(jī)械有限公司生產(chǎn)的XLB-500×500×2型平板硫化機(jī)硫化接頭，用硅油紙包覆成型好的試樣，將樣品放入模具中。硫化條件為150 ℃/14 MPa×40 min。

1.3.4 試樣制備

硫化好的接頭試樣以中心線為基準(zhǔn)，向兩側(cè)每隔60 mm做標(biāo)記，使用美工刀從接頭上割取3塊寬度為60 mm、長度為420 mm的矩形試樣，如圖3所示。

圖3 接頭試樣示意

1.4 帶有放置織物增強(qiáng)層的指型接頭制作

在1.3.1及1.3.2步驟操作完成后，在試樣上下鋪設(shè)一層特定取向的增強(qiáng)層帆布，增強(qiáng)層帆布的尺寸為420 mm×215 mm，邊緣距指根處分別為10和5 mm，如圖4所示，三維層間結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 帶有織物增強(qiáng)層的接頭結(jié)構(gòu)剖視圖

圖5 芳綸橡膠輸送帶指型接頭部位的層間結(jié)構(gòu)示意

1.5 拉伸性能測試

接頭試樣的靜態(tài)拉伸強(qiáng)度使用高特威爾檢測儀器（青島）有限公司生產(chǎn)的AI-7000LA30型30 t臥式拉力機(jī)測試。拉伸速率為（100±10）mm·min-1，記錄接頭試樣拉伸強(qiáng)度的最大值，測試不少于5個(gè)樣品并取平均值。

2 結(jié)果與討論

輸送帶在張緊受拉過程中，拉力主要由骨架材料承擔(dān)。接頭區(qū)的骨架材料不是連續(xù)的整體，被拉開而無法承擔(dān)帶體所受的拉力，貼膠和覆蓋膠橫跨在接縫上，在接縫擴(kuò)展時(shí)變形吸收能量，因此形變由骨架材料向外傳遞到覆蓋膠。由于芳綸骨架材料的收縮率小于2%，貼膠的模量小于覆蓋膠，相同的拉伸位移下各部分受應(yīng)力大小為覆蓋膠＞貼膠＞骨架材料，因此分擔(dān)覆蓋膠在接縫擴(kuò)展中吸收的能量、阻礙骨架材料位移引起的覆蓋膠剪切形變是提高接頭強(qiáng)度的可行方法。

2.1 指根寬度（長徑比）

指根寬度對指型接頭強(qiáng)度的影響見表2。由表2可見，隨著指根寬度的增大，接頭強(qiáng)度呈下降趨勢。在指型區(qū)長度一定時(shí)，參與剪切的貼膠面積也隨之確定，在有限的剪切面積內(nèi)，貼膠上由于拉伸產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力主要集中在指縫處[6]（圖6中虛線部分）。

圖6 指縫間拉伸應(yīng)力集中區(qū)域示意

表2 指根寬度對指型接頭強(qiáng)度的影響 kN·m-1

根據(jù)幾何尺寸關(guān)系有:

式中，θ為指尖夾角，B為指根寬度，s為單條指縫長度，W為樣帶總寬度，n為指型個(gè)數(shù)，S為指縫的總長度。

其中

式中，r為長徑比，L為指型長度。

由上式可知，L和W確定時(shí)，S∝r∝1/B。減小B相當(dāng)于增大了S，參與剪切受力的接縫面積增大，單位接縫面積受到的拉伸應(yīng)力更加均勻分散。

依據(jù)德國標(biāo)準(zhǔn)[4]，隨著骨架材料強(qiáng)度的提高，r也相應(yīng)提高，在試樣長度一定的情況下，減小B可以提高接頭強(qiáng)度。

雖然B的減小能提高指型接頭的接頭強(qiáng)度，然而較小的B對骨架材料的裁剪提出了更高的要求，不僅增加了時(shí)間成本，也會(huì)影響帆布骨架材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的B。

2.2 貼膠厚度

貼膠厚度對指型接頭強(qiáng)度的影響見表3。由表3可知，隨著貼膠厚度的增大，接頭強(qiáng)度先增大后逐漸減小，在貼膠厚度為1 mm時(shí)達(dá)到最大。主要考慮的因素包括帆布與橡膠的粘合力及貼膠本體的強(qiáng)度。接頭在拉伸受力過程中，骨架層/貼膠層界面所受的剪切力主要由骨架材料與貼膠的粘合力所提供，因此骨架材料與貼膠良好的粘合是接頭高強(qiáng)力的基本保障。此外，在拉伸位移過程中，接頭區(qū)的形變從內(nèi)層骨架材料向外層貼膠和覆蓋膠傳遞，骨架材料/貼膠和貼膠/覆蓋膠兩界面形變的響應(yīng)差異導(dǎo)致貼膠內(nèi)部產(chǎn)生剪切力矩，貼膠本體強(qiáng)度的大小亦是影響接頭強(qiáng)度的關(guān)鍵。

表3 貼膠厚度對指型接頭強(qiáng)度的影響 kN·m-1

貼膠太薄易造成骨架材料/貼膠膠接面缺膠，貼膠在硫化過程中難以完全貫穿到骨架材料中，因而形成不了足夠的鉚固點(diǎn)，使得硫化后貼膠層與骨架層粘合達(dá)不到理想值，局部的間隙更易引起應(yīng)力集中[7]，影響接頭強(qiáng)度。當(dāng)貼膠厚度較小時(shí)，貼膠內(nèi)部剪切力矩較小，失效模式主要為界面處的粘合失效[8]。

隨著貼膠厚度的增大，用于提高界面粘合的膠厚并沒有增大，卻使貼膠內(nèi)部剪切力矩增大，貼膠受剪切發(fā)生損傷，發(fā)生內(nèi)聚失效[9]。不同厚度貼膠的接頭試樣失效情況如圖7所示。由圖7可見：貼膠厚度為1 mm試樣失效發(fā)生在骨架材料/貼膠界面，此時(shí)芳綸帆布從橡膠中抽出，表面附膠均勻，達(dá)到貼膠與帆布粘合強(qiáng)度的最大值；貼膠厚度為2 mm試樣失效歸因于貼膠內(nèi)部的剪切撕裂，此時(shí)骨架材料/貼膠界面并沒有發(fā)生破壞，接頭強(qiáng)度下降明顯。

圖7 不同厚度貼膠的接頭試樣失效情況

綜上可知，當(dāng)上、下貼膠厚度總和與帆布的厚度基本一致時(shí)，接頭強(qiáng)度達(dá)到最大。實(shí)測芳綸布的厚度為（2.5±0.1）mm，貼膠厚度在1 mm左右較合適。

2.3 織物增強(qiáng)層

理論上骨架材料可視為不可伸長，貼膠的拉伸模量及強(qiáng)度也遠(yuǎn)小于覆蓋膠，但在實(shí)際拉伸過程中往往是貼膠引起的較大拉伸形變傳遞給覆蓋膠，最終導(dǎo)致接頭失效。理論上的優(yōu)化方向是提高貼膠的模量及增強(qiáng)覆蓋膠的強(qiáng)度。

已經(jīng)報(bào)道的關(guān)于直經(jīng)直緯輸送帶指型接頭方案均使用織物增強(qiáng)層[2-3]。德國標(biāo)準(zhǔn)中所述為一般采用紗羅結(jié)構(gòu)的錦綸網(wǎng)布或者橫鋪的錦綸簾布[4]?？椢镌鰪?qiáng)層鋪展在接頭處貼膠與覆蓋膠間，一方面在硫化成型過程中固定指型，另一方面也為覆蓋膠提供強(qiáng)度并阻礙芯部的剪切形變向覆蓋膠傳遞。值得注意的是，增強(qiáng)層的厚度會(huì)影響指型接頭的動(dòng)態(tài)屈撓性能，因此不宜選用太厚的增強(qiáng)層。

由于芳綸帆布在硫化過程中緯向有明顯的延展，因此使用網(wǎng)布和簾布很難抑制指型的延展分叉。試驗(yàn)采用EP250型帆布作為增強(qiáng)層材料，設(shè)計(jì)了4種可能的增強(qiáng)層放置方案，如圖8所示。

圖8 增強(qiáng)層放置方向示意

增強(qiáng)層放置方案對接頭強(qiáng)度的影響見表4。由表4可見：4種方案的接頭強(qiáng)度均明顯高于未放置織物增強(qiáng)層，經(jīng)向放置的接頭強(qiáng)度明顯大于其他放置方案；緯向放置接頭強(qiáng)度達(dá)到427 kN·m-1，比未放置增強(qiáng)層方案提高39%；經(jīng)向放置接頭強(qiáng)度達(dá)到574 kN·m-1，明顯大于緯向放置方案，比未放置增強(qiáng)層提高87%；采用上、下增強(qiáng)層45°平行放置，接頭強(qiáng)度僅為372 kN·m-1，小于緯向和經(jīng)向放置的強(qiáng)度；采用上下增強(qiáng)層45°交錯(cuò)放置，接頭強(qiáng)度介于經(jīng)向放置與緯向放置之間。

表4 增強(qiáng)層放置方案對指型接頭強(qiáng)度的影響 kN·m-1

指型接頭試樣的拉伸形變情況見圖9。由圖9可見：未放置增強(qiáng)層時(shí)，拉伸過程中覆蓋膠表面標(biāo)識(shí)直線產(chǎn)生明顯的扭曲，這是因?yàn)樯舷轮缚p處的覆蓋膠因骨架材料的位移而引起剪切形變；緯向放置的初始拉伸階段剪切形變并不明顯(表面標(biāo)識(shí)線沒有出現(xiàn)明顯的扭曲)，這是因?yàn)镋P布緯向仍有一部分強(qiáng)度，當(dāng)初始位移小時(shí)剪切力較小，EP布緯向的強(qiáng)度可以分擔(dān)一部分覆蓋膠所受剪切形變，而位移量增大后這種阻礙形變的作用不再明顯，覆蓋膠產(chǎn)生“頸縮”現(xiàn)象，頸縮處出現(xiàn)與拉伸方向約成45°的肩形斜面[10]，增強(qiáng)層斷裂的失效情況見圖10。

圖9 指型接頭試樣的拉伸形變情況

圖10 緯向放置增強(qiáng)層斷裂失效情況

經(jīng)向放置增強(qiáng)層指型接頭試樣的拉伸形變情況見圖11。由圖11可見：經(jīng)向放置增強(qiáng)層明顯減小了覆蓋膠的剪切形變，EP布經(jīng)向的高強(qiáng)度分擔(dān)了覆蓋膠更多的拉伸應(yīng)力；失效發(fā)生在指型根部、增強(qiáng)層區(qū)以外。試驗(yàn)中接頭在拉斷時(shí)，織物增強(qiáng)層完好，在一端的接縫處發(fā)生脫層，這是由于覆蓋膠在增強(qiáng)層區(qū)內(nèi)外形變速率不同所致，改進(jìn)的思路是增大增強(qiáng)層的長度，使形變速率過渡平緩。

圖11 經(jīng)向放置增強(qiáng)層指型接頭試樣的拉伸形變情況

緯向放置的EP布緯向抗拉伸形變作用有限，而EP布經(jīng)向的高強(qiáng)度可以承受高應(yīng)力，有效地削弱貼膠面的剪切形變向覆蓋膠的傳遞。由于引入了貼膠/EP布和EP布/覆蓋膠2個(gè)粘合界面，拉伸過程中纖維首先承受應(yīng)力，個(gè)別纖維即使斷裂，由于橡膠的粘合作用和塑性流動(dòng)，纖維發(fā)生經(jīng)向位移的趨勢得到抑制，仍能保持初始的位置。覆蓋膠受力引發(fā)裂紋時(shí)，軟膠料依靠切變作用使斷裂功有很大一部分消耗于反抗膠料與纖維的粘合力，阻止裂紋的發(fā)展[10]。

觀察拉斷后的試樣發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)層在拉伸過程中保持完好，骨架層指型結(jié)構(gòu)也未從膠料中抽出，指型接頭區(qū)保持完整，而夾具加持部位由于加持力對覆蓋膠造成的細(xì)觀損傷在拉伸過程中擴(kuò)展造成破壞，見圖12。增強(qiáng)層保持完好說明增強(qiáng)層織物所受的界面剪切力小于自身強(qiáng)度；骨架層未抽出說明粘合強(qiáng)度高，界面剪切力小于粘合強(qiáng)度。

圖12 夾具加持處的失效

指型接頭試樣失效情況見圖13。由圖13可見：45°平行放置織物增強(qiáng)層，覆蓋膠連同增強(qiáng)層EP布呈45°取向斷裂，這與EP布放置的方向有關(guān)，也與膠料“頸縮”有關(guān)；45°交錯(cuò)放置增強(qiáng)層，接頭失效形式與45°平行放置相似，上、下覆蓋膠與增強(qiáng)層呈45°交叉開裂。上、下增強(qiáng)層相互垂直的結(jié)構(gòu)取向能一定程度上抵消骨架層受到的剪切作用，相較于緯向放置的方式，一定程度上阻礙了形變的傳遞。

圖13 指型接頭試樣失效情況

3 結(jié)論

芳綸橡膠輸送帶的靜態(tài)接頭強(qiáng)度與尺寸結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)，選擇帶有織物增強(qiáng)層的指型接頭能夠得到較理想的接頭強(qiáng)度。當(dāng)指型區(qū)長度一定時(shí)，指型寬度、貼膠厚度及織物增強(qiáng)層放置的方式對接頭強(qiáng)度均有顯著影響。

適當(dāng)減小骨架材料指型寬度對提高接頭強(qiáng)度有利；貼膠的厚度要根據(jù)骨架層的厚度合理選擇，增加增強(qiáng)層也要適當(dāng)增大貼膠厚度；織物增強(qiáng)層的加入能夠大大提高接頭強(qiáng)度；選擇織物增強(qiáng)層的經(jīng)向與輸送帶運(yùn)行方向相同時(shí)，接頭強(qiáng)度保持率最優(yōu)。