輪胎爆裂失效分析

陳國(guó)權(quán)，谷海成，馬飛亞，肖淑華，韓 雪

(1.哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)，哈爾濱 150066;2.北京航空材料研究院，北京 100095)

0 引言

直升機(jī)后起落架輪胎用來(lái)支撐機(jī)體和飛機(jī)起落時(shí)的滑行，是直升機(jī)起落時(shí)的重要部件，主要承受壓力、摩擦力和飛機(jī)起落時(shí)的沖擊力，對(duì)保證飛機(jī)的著陸安全起重要作用。直升機(jī)后起落架輪胎使用3年，經(jīng)歷了多次飛行起落，在地面例行充氣過(guò)程中發(fā)生爆裂。

該直升機(jī)后起落架輪胎邊緣有鋼絲加強(qiáng)，為無(wú)內(nèi)胎輪胎，輪胎厚度方向含5 層夾布，里面4 層的夾布厚度均為0.85 mm，外層夾布厚度為1.0 mm。

輪胎材料為橡膠材料，一般其破壞形式與金屬大相徑庭，表現(xiàn)形式多樣，有胎面橡膠撕裂/破碎、胎面剝離、爆破/解體、漏氣、點(diǎn)狀磨損和分層/鼓包等［1］。

爆裂輪胎的材料為天然橡膠和丁苯橡膠的并用膠及鋼絲加強(qiáng)夾布的橡膠，與金屬材料相比，除具有不導(dǎo)電、反光差、對(duì)有機(jī)溶劑敏感和易老化等特點(diǎn)外，還具有結(jié)構(gòu)上的不均勻性、高的彈性及突出的粘彈性［2］。這些特性在失效過(guò)程中都會(huì)有所表現(xiàn)，形成與金屬失效分析的差異特征。比如，金屬斷口源區(qū)比較光滑，擴(kuò)展后期及瞬斷區(qū)較粗糙，而輪胎斷口源區(qū)粗糙，擴(kuò)展后期較光滑。輪胎斷口的形貌特征是由于高分子材料特性所決定的［3-5］。在斷裂過(guò)程中，橡膠中受拉伸應(yīng)力特別大的分子鏈將首先被拉斷或滑移，形成斷源。在裂紋的慢速擴(kuò)展階段，分子鏈被逐個(gè)或逐束地相繼拉斷。由于分子鏈或鏈?zhǔn)械谋∪觞c(diǎn)是隨機(jī)分布的，未必都位于與應(yīng)力方向垂直的某個(gè)平面附近，因而斷口上的形貌比較粗糙。而在裂紋的快速擴(kuò)展階段，則因?yàn)槭窃S多分子鏈同時(shí)被拉斷，因此，斷口上形貌反而比較光滑［6］。

爆裂的輪胎斷口上既存在橡膠斷裂斷口，又存在金屬鋼絲斷口。對(duì)于金屬構(gòu)件失效分析，理論較成熟，已形成一整套失效分析方法和程序，橡膠制件的失效分析發(fā)展相對(duì)較遲緩。一般情況下橡膠制件都做為非關(guān)鍵或非重要件使用，而橡膠構(gòu)件工作環(huán)境惡劣，失效的影響因素復(fù)雜［6］，缺陷表現(xiàn)形式繁多，失效分析非常復(fù)雜［7］，有些分析后的改進(jìn)措施又很難落實(shí)，橡膠構(gòu)件價(jià)格又不高，所以對(duì)橡膠制件失效進(jìn)行分析可借鑒的案例很少，國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料也不多。本研究對(duì)爆裂輪胎進(jìn)行失效分析，查找輪胎爆裂的原因，為相關(guān)的橡膠材料構(gòu)件失效分析和工藝改進(jìn)提供參考。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 外觀檢查

爆裂輪胎的外觀如圖1 所示，胎面呈“X”形爆裂，未出現(xiàn)明顯的橡膠缺損，輪胎的一側(cè)發(fā)生完全斷裂，膠圈鋼絲在爆裂過(guò)程中被拉斷而且發(fā)生頸縮;輪胎的另一側(cè)裂紋未完全貫穿，膠圈鋼絲完好，未斷裂。爆裂的輪胎斷口附近分為4 個(gè)區(qū)域，分別編號(hào)為A、B、C 和D。

輪胎與輪轂接觸部位的橡膠表面發(fā)白，表面存在大量的微裂紋特征，該位置的橡膠層很薄，大量簾線(xiàn)露出橡膠表面(圖2)。

圖1 爆裂輪胎宏觀圖Fig.1 Macro appearance of burst tyre

爆裂輪胎呈扭曲形態(tài)，表面觀察其胎面發(fā)生一定角度的偏磨，胎面含有溝槽的3 個(gè)區(qū)域存在方向一致的微裂紋(圖3)，斷口附近相應(yīng)部位取樣測(cè)量，爆裂輪胎胎面厚度減薄，表面未出現(xiàn)磨損掉塊橡膠，表面未見(jiàn)明顯摩擦溝痕和表面溝槽局部磨深?？拷嗇灲佑|區(qū)域的胎毛周?chē)嬖诖罅康奈⒘鸭y(圖4)。對(duì)宏觀觀察胎面偏磨區(qū)域和另一側(cè)磨損輕微的對(duì)應(yīng)區(qū)域取樣，分別選擇3 點(diǎn)測(cè)量輪胎厚度。偏磨區(qū)域輪胎厚度分別為16.50、16.42、17.01 mm;另一側(cè)磨損輕微的對(duì)應(yīng)區(qū)域胎厚度分別為17.61、17.91、17.61 mm。選擇爆裂輪胎胎面厚度減薄區(qū)同一胎面和新輪胎同一胎面相同區(qū)域，分別選擇3 點(diǎn)測(cè)量胎面溝槽深度，爆裂輪胎胎面厚度減薄區(qū)胎面溝槽深度分別為4.07、3.86、3.26 mm;新輪胎相同區(qū)域胎面溝槽深度分別為5.07、4.86、4.16 mm。通過(guò)對(duì)輪胎表面溝槽深度及輪胎厚度測(cè)量結(jié)果可知，輪胎偏磨不嚴(yán)重，且磨損量不大。

圖2 輪轂接觸區(qū)域特征:纖維絲露出橡膠表面Fig.2 Wheel contact area feature:fibers coming out of rubber surface

圖3 胎面磨損及微裂紋Fig.3 Tread wear and micro cracks

對(duì)A、B 和D 橡膠塊斷口進(jìn)行體視觀察，橡膠表面裂紋的方向均從“X”相交點(diǎn)向外擴(kuò)展，且簾線(xiàn)的拔出方向與橡膠表面裂紋擴(kuò)展方向一致，爆裂起源于“X”相交處。

對(duì)A、B 和D 橡膠塊斷口做進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋起源于A 和B 橡膠塊相交的溝槽內(nèi)，源區(qū)位于圖5 中的箭頭處，該位置存在一條明顯的裂紋。輪胎的溝槽內(nèi)還發(fā)現(xiàn)存在大量具有一定深度的微裂紋，在該區(qū)域取樣切割，在截面上對(duì)多個(gè)微裂紋的深度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表1 所示。溝槽內(nèi)的橡膠厚度約為1.3 mm，微裂紋的深度平均值為0.25 mm，約為厚度的1/5，測(cè)試區(qū)域見(jiàn)圖6。

圖4 胎毛附近微裂紋Fig.4 Micro cracks near foetal hair

圖5 裂紋源位置Fig.5 Location of crack source

圖6 溝槽內(nèi)的微裂紋形貌Fig.6 Micro cracks in the groove

表1 微裂紋截面深度Table 1 Section depth of micro cracks mm

1.2 斷口觀察

對(duì)編號(hào)為B 的輪胎斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察，裂紋源區(qū)位于輪胎最外層橡膠的溝槽內(nèi)，線(xiàn)源特征，源區(qū)附近可見(jiàn)明顯的弧形裂紋區(qū)(圖7a)，比較粗糙，弧形裂紋區(qū)的深度與溝槽內(nèi)裂紋的尺寸接近，后期的裂紋擴(kuò)展主要為放射狀的棱線(xiàn)特征(圖7b)，比較光滑，為典型的過(guò)載斷裂特征。斷口表面上橡膠與簾線(xiàn)交錯(cuò)，簾線(xiàn)周?chē)南鹉z斷裂均從簾線(xiàn)處起始，主要是由于橡膠的塑性大于簾線(xiàn)，簾線(xiàn)首先發(fā)生斷裂引起的。

源區(qū)所在位置的側(cè)面，輪胎外表面的橡膠表面微裂紋嚴(yán)重(圖6)，遠(yuǎn)離源區(qū)的輪胎溝槽表面也出現(xiàn)大量的微裂紋和龜裂特征，說(shuō)明橡膠已經(jīng)發(fā)生一定的老化。橡膠斷口的表面存在少量的氣孔和塊狀物質(zhì)，塊狀物質(zhì)可能為成型時(shí)與橡膠膠料未完全融合的添加物。輪胎外表面的微裂紋中有少量簾線(xiàn)露頭。拉斷的膠圈鋼絲斷口形貌，中間區(qū)域?yàn)榈容S韌窩，四周為剪切唇，典型的金屬拉伸斷裂斷口。

1.3 紅外光譜(IR)

取斷口附近區(qū)域橡膠進(jìn)行紅外光譜分析，紅外分析區(qū)域見(jiàn)圖5，胎面橡膠的紅外光譜圖見(jiàn)圖8。圖中，2 959 cm-1為甲基的反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)峰，2 916 cm-1和2 849 cm-1分別為—CH3和—CH2的伸縮振動(dòng)峰，1 596 cm-1為碳碳雙鍵的吸收峰，1 537 cm-1為天然橡膠中少量蛋白質(zhì)的酰胺譜帶;1 445 cm-1為亞甲基的彎曲振動(dòng)峰，1 374 cm-1為甲基的變形振動(dòng)峰，838 cm-1為雙鍵上碳?xì)涞拿嫱鈴澢駝?dòng)峰，3 000 cm-1為苯環(huán)的吸收峰，由此可知，該輪胎的胎面橡膠為天然橡膠和丁苯橡膠的并用膠。1 097 cm-1為沙粒的特征吸收峰。

2 分析與討論

后起落架輪胎的胎面呈“X”形爆裂，裂紋在“X”形的相交點(diǎn)萌生并向外擴(kuò)展，輪胎的一側(cè)發(fā)生完全斷裂。

爆裂的輪胎靠近輪轂接觸區(qū)域的胎毛位置存在大量的微裂紋，輪胎外表面的微裂紋中有少量簾線(xiàn)露頭，從表面微裂紋的形狀和微裂紋周?chē)谋砻嫘蚊?，爆裂輪胎表面的微裂紋明顯差別與爆裂后撕裂的微裂紋為應(yīng)力老化裂紋。老化裂紋呈龜裂裝，表面變硬，裂紋邊緣較規(guī)整;后撕裂的微裂紋方向一致性較好，有撕裂的形態(tài)，裂紋邊緣較毛糙。爆裂輪胎胎面老化特征明顯?？拷嗇灲佑|區(qū)域的胎毛位置為應(yīng)力集中處，雖然沒(méi)有爆裂，但該位置存在大量的微裂紋，輪胎外表面的微裂紋中有少量簾線(xiàn)露頭，也顯示應(yīng)力老化特征。

圖7 B 斷口微觀形貌Fig.7 Micro morphology of fracture B

圖8 胎面橡膠的紅外光譜圖Fig.8 Infrared spectrogram of tread rubber

輪胎的爆裂起源于A 和B 橡膠塊相交的溝槽微裂紋，線(xiàn)源特征，源區(qū)周?chē)梢?jiàn)明顯弧形斷裂特征，弧形斷裂區(qū)的深度與輪胎表面老化裂紋尺寸相近(溝槽內(nèi)裂紋的尺寸平均0.25 mm)，后期為放射狀棱線(xiàn)特征?！癤”形相交點(diǎn)位于輪胎溝槽，該處橡膠較薄，且表面存在大量微裂紋，其深度已達(dá)溝槽橡膠厚度的1/5，承載能力下降，在較大的應(yīng)力條件下成為裂紋起始區(qū)。輪胎表面老化裂紋處是薄弱區(qū)，首先開(kāi)裂。斷口表面源區(qū)附近比較粗糙，后期的裂紋擴(kuò)展區(qū)比較光滑，典型的過(guò)載斷裂特征。

橡膠制造缺陷除膠料的物理或化學(xué)性能外，還可能產(chǎn)生多種表面缺陷和內(nèi)部缺陷［8］。輪胎表面除發(fā)現(xiàn)有大量裂紋，未見(jiàn)其他表面缺陷;橡膠斷口的表面存在少量的氣孔和塊狀物質(zhì)，塊狀物質(zhì)可能為成型時(shí)與橡膠膠料未完全融合的添加物，但分布較分散，量少且不在裂紋源處，斷口其他區(qū)域未見(jiàn)缺陷，可確定輪胎制造質(zhì)量較好，輪胎爆裂不是制造缺陷導(dǎo)致。

膠圈鋼絲斷口中間區(qū)域形貌為等軸韌窩區(qū)，四周為剪切唇，斷口附近鋼絲直徑發(fā)生頸縮，鋼絲過(guò)載斷裂。

輪胎的爆裂起源于A 和B 橡膠塊相交的“X”形交點(diǎn)的溝槽微裂紋，此處裂紋源區(qū)弧形特征與橡膠老化相匹配，輪胎胎面又磨損變薄。輪胎以此變薄且老化的源點(diǎn)起始首先爆破，金屬鋼絲受到較大的爆破拉力過(guò)載斷裂，最終導(dǎo)致輪胎爆裂。

北方四季明顯，溫差較大，輪胎暴露在大氣中，已使用3年，經(jīng)歷多種環(huán)境和多次起落。輪胎胎面中間含有溝槽的3 個(gè)區(qū)域存在方向一致的微裂紋(圖3)，靠近輪轂接觸區(qū)域的胎毛周?chē)嬖诖罅康奈⒘鸭y(圖4)，微裂紋呈網(wǎng)狀分布，表明輪胎橡膠發(fā)生了老化。輪胎與輪轂接觸區(qū)域的簾線(xiàn)明顯變硬，也證明了輪胎明顯老化。源區(qū)所在位置的側(cè)面，輪胎外表面的橡膠表面微裂紋嚴(yán)重，遠(yuǎn)離源區(qū)的輪胎溝槽表面也出現(xiàn)大量的微裂紋和龜裂特征，再次證明橡膠已經(jīng)發(fā)生一定的老化。

微觀上在介質(zhì)和高溫環(huán)境影響下，橡膠輪胎存在明顯的老化機(jī)制。橡膠分子的鏈段運(yùn)動(dòng)，在高溫環(huán)境下加快，使低分子的介質(zhì)漸漸滲入到橡膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，加快了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的脹大，但由于橡膠分子鏈化學(xué)鍵作用又阻止了介質(zhì)分子的繼續(xù)進(jìn)入［6］，所以橡膠材料性能受介質(zhì)和高溫環(huán)境影響較大。同時(shí)橡膠在介質(zhì)的溶脹過(guò)程中，還伴隨著一些低分子的有機(jī)配合，尤其是防老劑、軟化劑被提取，致使力學(xué)性能下降［3］。爆裂輪胎在3年中經(jīng)歷多次冬夏的溫度波動(dòng)，反復(fù)溶脹和被提取，致爆裂輪胎橡膠產(chǎn)生了老化。

爆裂輪胎胎面和溝槽內(nèi)的微裂紋方向一致，表面未出現(xiàn)磨損掉塊橡膠，宏觀觀察胎面偏磨區(qū)域和另一側(cè)磨損輕微的對(duì)應(yīng)區(qū)域輪胎厚度相差1.2 mm 左右，磨損較均勻，溝槽內(nèi)未磨損，可知起始微裂紋不是磨損引起，而是由于氧化老化造成的。

橡膠制件老化失效往往不是獨(dú)立發(fā)生，失效影響因素較多。在目前所使用的各種航空非金屬件中，橡膠輪胎是在摩擦條件下使用的最重要制件［2］。橡膠輪胎在粗糙表面上滑動(dòng)時(shí)，在磨損磨耗中材料的斷裂主要是拉伸斷裂，而在光滑表面滑動(dòng)時(shí)，則主要是疲勞斷裂。橡膠輪胎的耐磨性與溫度有關(guān)，溫度越高，耐磨性越差［2］。爆裂輪胎已使用3年，飛機(jī)起落頻次高，跑道路面粗糙，在起落瞬間機(jī)輪速度快，輪胎受力較大、溫度較高，使用磨損較大，造成輪胎胎面磨損，斷口附近部位輪胎胎面厚度減薄，承載能力下降。但實(shí)際使用中，其他同批次輪胎已使用5年以上尚未破壞，說(shuō)明此輪胎爆裂磨損不是主要因素。

胎面磨損的正常情況是，同一胎面位置各處溝槽深度差距不超過(guò)3 mm［1］，磨損表面胎肩見(jiàn)線(xiàn)反映充氣壓力不足，胎面中央見(jiàn)線(xiàn)反映輪胎氣壓過(guò)高［9］。爆裂輪胎胎面厚度減薄，爆裂輪胎胎面厚度減薄區(qū)和新輪胎相同區(qū)域胎面溝槽深度相差1 mm 左右，新輪胎同一胎面不同點(diǎn)溝槽深度相差0.91 mm，爆裂輪胎同一胎面不同點(diǎn)溝槽深度相差0.81 mm，未超過(guò)3 mm，輪胎屬于正常磨損。

據(jù)調(diào)查，例行充氣設(shè)備沒(méi)有上限壓力限制，輪胎爆裂應(yīng)力在橡膠材料應(yīng)力老化產(chǎn)生的微裂紋基礎(chǔ)上，在較大的應(yīng)力作用下產(chǎn)生的。

3 結(jié)論

1)輪胎爆裂起源于A 和B 橡膠塊相交的“X”形交點(diǎn)的溝槽微裂紋，呈線(xiàn)源特征。

2)橡膠材料應(yīng)力老化產(chǎn)生的微裂紋是導(dǎo)致輪胎在較大外力作用下發(fā)生爆裂的主要原因。

3)建議輪胎充氣裝置安裝壓力上限控制裝置。

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