不同工況下軟質(zhì)丁苯橡膠輪表面磨損顆粒的產(chǎn)生量及磨損機(jī)理

焦?jié)欓?黃海波,李錦棒，潘路奇，董家楠

(寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，寧波 315211)

0 引 言

橡膠是一種高分子材料，具有優(yōu)良的彈性，良好的絕緣性、可塑性、抗拉性、耐磨性以及較高的強(qiáng)度，在機(jī)械工程、交通運(yùn)輸、醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在服役過(guò)程中，摩擦磨損是造成橡膠失效的主要因素之一，因此其摩擦磨損性能是長(zhǎng)期以來(lái)的研究熱點(diǎn)[1-2]。軟質(zhì)橡膠材料由于具有良好的減震性和靜音性，常用于滾輪、減震輪、靜音輪的制備。軟質(zhì)橡膠材料在使用過(guò)程中，摩擦磨損產(chǎn)生的磨損顆粒會(huì)對(duì)環(huán)境造成不良影響，同時(shí)還會(huì)影響設(shè)備的維護(hù)和操作人員的健康[3-5]，因此有必要對(duì)磨損顆粒的產(chǎn)生進(jìn)行研究。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于橡膠材料摩擦磨損性能的研究主要集中在摩擦磨損機(jī)理及影響因素方面[6-7]。彭旭東等[8-9]的研究表明，橡膠在滾動(dòng)、滑動(dòng)狀態(tài)下的磨損機(jī)理為磨粒磨損、疲勞磨損、黏著磨損和氧化磨損；FUKAHORI等[10]建立了橡膠磨損過(guò)程的有限元模型，分析了載荷對(duì)磨痕的影響；CHO等[11]、葉樹(shù)斌等[12]建立了輪胎滾動(dòng)磨損的有限元模型，提出了輪胎的磨損評(píng)價(jià)方法；HUSSEIN等[13]發(fā)現(xiàn)輪胎表面的磨損程度與汽車的運(yùn)行速度呈正相關(guān)；FOITZIK等[14]的研究表明自由滾動(dòng)下橡膠輪胎表面產(chǎn)生的磨損顆粒較少，而大縱向力和側(cè)偏角下橡膠輪胎產(chǎn)生的磨損顆粒較多；劉金朋等[15]、董家楠等[16]研究了205/55R16型橡膠輪胎磨損顆粒的產(chǎn)生機(jī)理。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)高硬度橡膠材料的研究較多,關(guān)于軟質(zhì)橡膠材料的研究較少，尤其關(guān)于軟質(zhì)橡膠磨損顆粒的研究鮮有報(bào)道。為此，作者以某軟質(zhì)丁苯橡膠輪為研究對(duì)象，分析了滾動(dòng)狀態(tài)下，軟質(zhì)丁苯橡膠輪在不同工況下的磨損顆粒產(chǎn)生機(jī)理、磨損形式以及載荷、橡膠輪胎滾動(dòng)速度和空氣相對(duì)濕度對(duì)不同粒徑磨損顆粒數(shù)量和橡膠輪溫度的影響，為實(shí)際磨損過(guò)程減少磨損顆粒的產(chǎn)生提供參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)件采用KKPIT公司生產(chǎn)的SBR1502型軟質(zhì)丁苯橡膠輪，質(zhì)量密度為1.15 g·cm-3。軟質(zhì)丁苯橡膠的原料配比見(jiàn)表1，主要力學(xué)性能如表2所示，其中抗拉強(qiáng)度和肖式硬度比普通橡膠的分別高31.01%和低41.18%[15]。橡膠輪直徑為106 mm，寬度為46 mm，表面紋路及輪胎形狀和尺寸如圖1所示。將混凝土材料附著于對(duì)磨輪表面模擬路面，附著厚度約2 mm,拋光后的表面不平度為15～125 μm，在A級(jí)路面不平度范圍內(nèi)；附著混凝土材料后的對(duì)磨輪直徑為300 mm，寬度為50 mm。

表1 軟質(zhì)丁苯橡膠原料配比(質(zhì)量份數(shù))Table 1 Raw material ratio of soft styrene butadiene rubber (mass copies)

表2 室溫下軟質(zhì)丁苯橡膠的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of soft styrenebutadiene rubber under room temperature

圖1 橡膠輪表面紋路、形狀和尺寸Fig.1 Surface texture (a) and shape and size (b) of rubber wheel

1.2 試驗(yàn)方法

圖2 磨損試驗(yàn)裝置示意Fig.2 Diagram of abrasion tester device

采用自行搭建的磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)橡膠輪進(jìn)行磨損試驗(yàn)，磨損裝置如圖2所示。通過(guò)改變橡膠輪與對(duì)磨輪之間的距離來(lái)調(diào)節(jié)載荷，最大載荷可達(dá)500 N；通過(guò)改變調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變橡膠輪的滾動(dòng)速度，調(diào)速電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為2 000 r·min-1；用加濕器改變?cè)囼?yàn)機(jī)艙內(nèi)的相對(duì)濕度；通過(guò)更換附著材料來(lái)模擬不同的路面。

在位于摩擦界面正上方90 mm處設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)A，在此處放置CLJ-3016H型手持式激光粒子計(jì)數(shù)器記錄粒徑分別為2.5,5.0,10.0 mm磨損顆粒的數(shù)量。采用測(cè)溫槍實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)過(guò)程中橡膠輪的溫度變化。采用單因素法分別測(cè)試不同因素對(duì)磨損顆粒數(shù)量和橡膠輪溫度的影響，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)參數(shù)Table 3 Parameters of experiment

各試驗(yàn)條件下橡膠輪總行程均為10 km。為減小誤差，每組試驗(yàn)至少重復(fù)3次取平均值。試驗(yàn)后在橡膠輪表面截取尺寸為8 mm×8 mm×5 mm的試樣，經(jīng)超聲清洗、吹干后，采用SMZ180-LT型光學(xué)顯微鏡觀察橡膠輪表面形貌。采用正交試驗(yàn)法分析各因素的影響顯著水平，以粒徑為2.5 mm的磨損顆粒數(shù)量作為指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 磨損時(shí)間對(duì)磨損顆粒數(shù)量的影響

圖3 不同粒徑磨損顆粒數(shù)量和橡膠輪溫度隨磨損時(shí)間的變化Fig.3 Variation of the number of wear particles with different size and rubber wheel temperature with wear time

由圖3可以看出：橡膠輪表面磨損顆粒數(shù)量隨磨損時(shí)間的延長(zhǎng)而增多，且粒徑為5.0，10.0 μm磨損顆粒數(shù)量增加得較慢，粒徑為2.5 μm顆粒數(shù)量增加得較快；橡膠輪溫度和粒徑為2.5 mm磨損顆粒數(shù)量隨磨損時(shí)間的變化趨勢(shì)相同。橡膠輪溫度升高時(shí)，橡膠內(nèi)部的高分子鏈更容易斷裂和降解，使橡膠的疲勞強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度降低，橡膠表面更容易產(chǎn)生磨損小顆粒。

2.2 載荷對(duì)磨損顆粒數(shù)量的影響

由圖4可以看出：橡膠輪表面磨損顆粒數(shù)量隨載荷的增大而增加，載荷較小(小于100 N)時(shí)，3種粒徑的磨損顆粒數(shù)量均較少；隨著載荷增大，粒徑為5.0，10.0 μm磨損顆粒數(shù)量增加較平緩，粒徑為2.5 μm磨損顆粒數(shù)量增加較快，且在100150 N的載荷下增加最明顯；載荷繼續(xù)增大，3種粒徑的顆粒數(shù)量變化趨勢(shì)均較平緩；隨著載荷增大，橡膠輪溫度升高，在125150 N時(shí)升高的最快，變化趨勢(shì)與粒徑為2.5 mm磨損顆粒數(shù)量變化的較為一致。

圖4 不同粒徑磨損顆粒數(shù)量和橡膠輪溫度隨載荷的變化Fig.4 Variation of the number of wear particles with different size and rubber wheel temperature with load

圖5 不同粒徑磨損顆粒數(shù)量和橡膠輪溫度隨橡膠輪滾動(dòng)速度的變化Fig.5 Variation of the number of wear particles with different size and rubber wheel temperature with rolling speed of rubber wheel

2.3 橡膠輪滾動(dòng)速度對(duì)磨損顆粒數(shù)量的影響

由圖5可以看出：橡膠輪表面磨損顆粒數(shù)量隨橡膠輪滾動(dòng)速度的增大而減少，其中粒徑為5.0，10.0 μm磨損顆粒數(shù)量減少不明顯，而粒徑為2.5 μm磨損顆粒數(shù)量下降明顯；隨滾動(dòng)速度增大，橡膠輪溫度降低，與粒徑為2.5 μm磨損顆粒數(shù)量的變化趨勢(shì)一致。橡膠輪滾動(dòng)速度增大，相同路程下橡膠輪的磨損時(shí)間縮短，雖然單位時(shí)間內(nèi)高滾動(dòng)速度下橡膠輪的產(chǎn)熱較低滾動(dòng)速度下的多，但磨損時(shí)間更短，因此橡膠輪溫度隨滾動(dòng)速度的增大而降低。

2.4 相對(duì)濕度對(duì)磨損顆粒數(shù)量的影響

由圖6可以看出，磨損顆粒數(shù)量隨相對(duì)濕度的增大而減少，但減少的幅度均較低；橡膠輪溫度也隨相對(duì)濕度的增大而降低，相對(duì)濕度從30%升高到80%時(shí)，橡膠輪溫度從41.1 ℃下降到40.73 ℃。各粒徑磨損顆粒數(shù)量和橡膠輪溫度隨相對(duì)濕度的變化幅度明顯小于隨磨損時(shí)間、載荷和滾動(dòng)速度變化的，說(shuō)明相對(duì)濕度對(duì)磨損顆粒數(shù)量和橡膠輪溫度的影響不顯著。橡膠輪溫度隨各因素的變化趨勢(shì)與粒徑為2.5 μm顆粒數(shù)量的一致，這為通過(guò)溫度變化預(yù)測(cè)輪胎表面磨損小顆粒的產(chǎn)生數(shù)量提供了思路。

圖6 不同粒徑磨損顆粒數(shù)量和橡膠輪溫度隨相對(duì)濕度的變化Fig.6 Variation of the number of wear particles with different size and rubber wheel temperature with relative humidity

2.5 磨損機(jī)理

橡膠輪表面的磨損形貌與磨損顆粒的產(chǎn)生機(jī)理密切相關(guān)。由圖7可以看出：相對(duì)濕度為50%，滾動(dòng)速度為6 m·s-1，磨損行程為10 km時(shí)，低載荷下的橡膠輪表面整體較高載荷下的平整。在輪胎運(yùn)行過(guò)程中，胎面表層橡膠受反復(fù)的周期應(yīng)力作用，低載荷下，橡膠輪表面局部出現(xiàn)因疲勞而產(chǎn)生的無(wú)規(guī)律分布的磨損剝落凹陷小斑點(diǎn)，磨損顆粒數(shù)量較少，表現(xiàn)為疲勞磨損；高載荷下，磨損加劇，凹陷小斑點(diǎn)逐漸沿垂直于橡膠輪滾動(dòng)方向快速擴(kuò)展并相連，產(chǎn)生清晰的波浪狀、間距較寬、深度較大的Schallamach花紋，Schallamach花紋是磨粒磨損的重要特征[17]，同時(shí)表面的磨損顆粒明顯較低載荷下的多且尺寸更大，表現(xiàn)為磨粒磨損占主導(dǎo)地位的疲勞磨損和磨粒磨損。載荷增大時(shí)，對(duì)磨輪與橡膠輪接觸界面的壓力增大，對(duì)磨輪插入橡膠表面的深度增加，產(chǎn)生較強(qiáng)的剪切作用而形成較多尺寸較大的磨損顆粒。

由圖7還可以看出：載荷相同時(shí)，低滾動(dòng)速度下的橡膠輪表面較高滾動(dòng)速度下產(chǎn)生了更多的無(wú)規(guī)律分布的凹陷小斑點(diǎn)，磨損顆粒更多，主要呈疲勞磨損形貌特征；高滾動(dòng)速度下的橡膠輪表面出現(xiàn)明顯的波浪狀Schallamach花紋。高滾動(dòng)速度下的橡膠輪表面的磨損顆粒數(shù)量較低滾動(dòng)速度下的少，這是由于滾動(dòng)速度增大，磨損顆粒具有更大的動(dòng)能而更容易甩出，此外，橡膠輪滾動(dòng)速度增大時(shí)，雖然單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的磨損顆粒增多，但相同磨損行程所用的磨損時(shí)間減少，因此滾動(dòng)速度大的橡膠輪表面產(chǎn)生的磨損顆?？偭扛佟?/p>

圖7 相對(duì)濕度為50%，磨損行程為10 km時(shí)，不同載荷和 滾動(dòng)速度下的橡膠輪表面形貌Fig.7 Surface morphology of rubber wheels under different loads and rolling speeds with relative humidity 50% and wear stroke of 10 km

2.6 因素顯著性水平分析

由表4可以看出，各因素對(duì)2.5 μm磨損顆粒數(shù)量影響的主次從大到小順序?yàn)檩d荷、滾動(dòng)速度、相對(duì)濕度、對(duì)磨輪種類。從環(huán)境角度來(lái)考慮，磨損顆粒越少，污染越小。由正交試驗(yàn)結(jié)果可知，最優(yōu)組合為A1B3C2D1，即在橡膠輪載荷100 N、滾動(dòng)速度8 m·s-1、相對(duì)濕度60%以及對(duì)磨輪為水泥輪條件下，橡膠輪表面磨損產(chǎn)生的磨損顆粒數(shù)量最少，環(huán)境污染最小。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Orthogonal experiment results

3 結(jié) 論

(1) 橡膠輪表面磨損顆粒隨磨損時(shí)間和載荷的增加而增多，隨滾動(dòng)速度和相對(duì)濕度的增大而減少，粒徑為2.5 μm的磨損顆粒數(shù)量和橡膠輪溫度隨各種因素的變化趨勢(shì)相同，可通過(guò)溫度的變化預(yù)測(cè)輪胎表面磨損小顆粒的產(chǎn)生數(shù)量。

(2) 低載荷下橡膠輪的磨損方式為疲勞磨損，高載荷下為疲勞磨損和磨粒磨損；各因素對(duì)粒徑為2.5 μm的磨損顆粒數(shù)量影響的主次從大到小排序?yàn)檩d荷、滾動(dòng)速度、相對(duì)濕度、對(duì)磨輪種類；在載荷100 N、滾動(dòng)速度8 m·s-1、相對(duì)濕度60%以及對(duì)磨輪為水泥輪條件下，橡膠輪表面的磨損顆粒數(shù)量最少。