载荷、速率和滑移角对天然橡胶复合材料磨损行为的影响.pdf

合成橡胶工业，2023-05-15,46(3):234-240CHINA SYNTHETIC RUBBER INDUSTRY加工-应用DOI:10.19908/ k i.ISSN1000-1255.2023.03.0234载荷、速率和滑移角对天然橡胶复合材料 磨损行为的影响郝振源,李琬华，吴友平（W匕京化工大学a.2匕京市先进弹性体工程技术研究中心；b.材料科学与工程学院匕京100029）摘要：使用LAT 100型磨耗试验机研究了载荷、速率和滑移角对天然橡胶复合材料的磨耗量和表面 温度的滲响，确定了磨损过程中能量损失与磨耗量、侧向力和磨损表面彩貌的关系。结果表明，随着载 荷、速率和滑移角的増加，天然橡胶复合材料的磨耗量均増大，表面温度均升高；滑移角对天然標胶复合 材抖的磨耗量和表面温度的彩响最大，速率对天然橡胶复合材料磨耗量的彩响最小，载荷对天然橡胶复 合材料表面温度的滲响最小；摩擦力对天狀橡胶复合材料磨耗量的滲响远小于侧向力，天然橡胶复合材 抖的磨耗量与磨损过程中的能量损失呈指数关系，指数约为2；天然橡胶复令材料表面滑移区域的磨损 最为严重，其面积由侧向力在接触区域的分布决定。关键词：载荷；速率；滑移角；夭然橡胶复合材料；磨耗量;表面温度；能量损失;磨损表面彩貌中图分类号:TQ333 文献标志码：B 文章编号:1000-1255（2023）03-0234-07轮胎是汽车在运动过程中与道路直接接触 的唯一部件,道路施加给车辆的全部作用力均由 轮胎传递，轮胎胎面的耐磨性在很大程度上影响 着轮胎的使用寿命和行驶过程中的安全性。轮胎 的耐磨性不仅受橡胶复合材料的影响，还与路面 情况、载荷（F）、行驶速率和滑移角（a）等外界因 素密切相关g。Schallamach等研究发现,随着 F的增加，橡胶与路面微凸体之间的接触面积逐 渐增大，磨耗量G4）也得以增加。Hakami等曲使用 DIN磨损试验机研究了 F和砂纸表面磨粒尺寸 对不同橡胶的4和表面粗糙度的影响，结果发现 随着F和磨粒尺寸的增加，硫化胶的4和表面粗 糙度增加，并且较大的磨粒在橡胶表面产生犁 痕。Wu等切使用MM-200型环块摩擦试验机研 究了丁苯橡胶在不同F下的磨损情况，结果发现 随着F的增加，材料的4增加，磨损表面因应 力集中产生的裂纹逐渐消失，垂直于滑动方向 的平行脊逐渐加深。Thavamaui等问使用改进的 DuPont型磨耗机测试硫化橡胶的4和摩擦系 数，并且使用摩擦力（耳）与位移的乘积表示摩擦 功，结果表明4随F和摩擦功的增加呈指数级增 加。庞松等血和刘欢欢等使用TAS-300轮胎磨 耗模拟试验机研究了 F和速率对橡胶复合材料 耐磨性的影响，研究发现随着F和速率的增大，磨耗速率增加,F对4的影响远大于速率，结合 磨耗表面和磨屑分析了该复合材料磨损的主要 原因是复合材料表面的降解和降解层剥离的动 态循环，硫化胶的硬度和定伸应力对耐磨性有重 要影响。SalehiMM和 Grosch315发现 LAT 100 型 磨耗试验机在研究轮胎抓地力和磨损的试验数 据与道路试验有良好的关联性。赵慧等使用 LAT 100型磨耗试验机研究了载重轮胎胎面胶的 耐磨性，当选择合适的试验条件时，所测的耐磨 性指数与道路试验结果基本保持一致，但是并未 对试验过程中的磨损行为和试验条件对4的影 响进行阐述。本工作着眼于影响轮胎磨损行为的外界条 件,拟使用LAT 100型磨耗试验机研究F、磨盘速 率仙）、a对橡胶复合材料磨损行为的影响，定量收稿日期：2022-06-22；修订日期：2023-03-31。作者简介：郝振源（1997-）,男，山西晋中人，硕士研究生。主要从事橡胶复合材料磨损方面的研究工作。*通讯联系人。第3期郝振源等.载荷、速率和滑移角对天然橡胶复合材料磨损行为的影响 235 分析三者对A的影响程度,并计算试验过程中的 能量损失（礦），建立磨耗速率与礦之间的关系，通过试验过程中侧向力（FJ的变化分析磨损行为 与表面磨损图纹之间的关系，对滑移过程中磨损 行为进行阐述。1试验部分1.1主要原材料及仪器设备天然橡胶（NR）,牌号SCRWF,海南天然橡 胶产业集团股份有限公司产品;炭黑，牌号N 134,江西景德镇黑猫炭黑股份有限公司产品；炭黑、氧化锌、硬脂酸、防老剂4020、防老剂RD、石蜡、硫黄、促进剂CZ及其他原材料均为橡胶工业常 用市售产品。X（S）K-160型开炼机,上海橡胶机械一厂有 限公司生产；RM-200C型哈普密炼机，黑龙江哈 尔滨哈普电气技术有限责任公司生产;LAT 100 型磨耗试验机，荷兰VMI机械制造工业公司生 产,其示意图如图1（a）所示，其中，（1）为粉末涂 敷器，使用体积比为2/1的氧化铝和氧化镁的混 合粉料清洁样品轮和磨盘表面的磨屑；（2）为红 外线温度传感器，用以测量试验过程中样品表面 温度（T）的变化；（3）为压力传感器，用以检测试 验过程中样品受到的F.和耳;（4）为样品轮，其规 格如图1（b）所示，外径84 mm,内径35 mm,厚 19mm；（5）为白刚玉磨盘（EKW 60 SHARP型，平 均粒径225|im）o样品轮与磨盘接触区域的受力 及速率情况如图1（c）所示，”。为样品轮的速率,为滑移速率,a即样品转动速率和磨盘圆周速率 之间的夹角。(1)Po w der a ppl ica t o r,(2)In f ra red t empera t ure sen so r；(3)Fo rce sen so r；(4)Sa mpl e w h eel;(5)Wh it e f used a l umin a grin din g pl a t eFig 1 Sch ema t ic dia gra m o f LAT 100 a bra sio n t est er(a),size o f sa mpl e w h eel(b),a n d f o rce a n d speed in t h e co n t a ct a rea bet w een sa mpl e w h eel a n d grin din g pl a t e(c)1.2试样制备NR复合材料的基本配方为:NR 100份（质 量,下同），炭黑50份,氧化锌5份,硬脂酸2份，防老剂4份（防老剂4020 1.5份，防老剂RD 1.5 份，石蜡1份），硫黄1份，促进剂CZ 1.5份。将 NR在300mL密炼机中塑炼2 min,分两次加入 炭黑，每次间隔1 min,混炼2 min后加入氧化锌 和硬脂酸,2 min后加入防老剂4020、防老剂RD 和石蜡，再混炼2 min后排胶。混炼胶在开炼机上 包辐后添加硫黄和促进剂CZ,混炼均匀后出片。使用专用模具将终炼胶进行硫化,制得橡胶样品 轮，硫化条件为：温度140七，压力15 MPa,时间 25 mino1.3分析与测试本工作采用压痕法测试未预磨样品轮分别 在 F 为 5,10,20,30,40,50,60,75,90,105,120,140 N 时的面积,并根据F和面积计算得到样品轮所受 的表面压强（P）。样品轮测试前需进行预磨，以除 去样品轮表面的硫化胶，预磨条件为:F75N,%25 km/h,a 13。,距离250 m,左右各预磨一次。F、叽 和a对橡胶复合材料性能的影响试验条件如表1 所示。其中，试样俗5*固定仇为25km/h、a为 15,F由60 N增至120 N,研究F对磨损行为的 影响；试样6*10*固定F为75N、a为15。,仇由 5 km/h增至60 km/h,研究vt对磨损行为的影响；试样11#16#固定F为75 N、为25 km/h,a由 0。增至25。,研究a对磨损行为的影响。称量试 验前后样品轮的质量，记录试验过程中样品的T 和F“并拍摄样品轮表面变化情况。每个条件下 样品轮左右均需测试一次，最终结果取平均 值，测试完毕后需冷却至室温方可进行下一次 测试。-236-合成橡胶工业第46卷Sa mpl eTable 1 Test conditions of different loads1#2#3#4#5#6#7*8#9*10*11#12*13#14#15#16*60759010512075757575757575757575752525252525515254060252525252525a/()1515151515151515151505101520252 结果与讨论2.1 F、和at对A和T的影响采用压痕法测得的不同F下样品与磨盘的 接触面积如图2(a)所示。可以看出，随着F的增 加，样品轮的变形增大，与磨盘的接触面积也增 加切。结合接触面积和F计算得到样品轮所受的 P如图2(b)所示，其中R2为相关系数。可以看 出，随着F的增加，样品轮受到的P增大,并且二 者呈指数关系，与此前的研究结果相符合血。(a)(b)Fig 2 Co n t a ct a rea bet w een rubber w h eel a n d grin din g pl a t e un der dif f eren t F F(a)a n d P-l o a d curv es o f t h e rubber w h eel(b)F、和a对样品4和T的影响如图3所示。可以看出，随着F、”和a的增加，样品4和T均 增加。由图3(a)可以看出，当F由60 N增至120 N 时,4 由 2 366.0 mg/km 增至 3 988.2 mg/km,T 由72.3 C升至83.2 T。随着F的增加，样品与磨盘 之间的接触面积增加，样品所受P增大，因此磨 耗增加血。这是因为在磨损过程中橡胶发生了形 变，分子链之间的摩擦和填料网络的打破与重建 会产生大量热量,F的增加加剧了样品的变形，同 时增大了变形的区域，最终导致样品T的升高。由图3(b)可以看出，当仇由5 km/h增至60 km/h 时,4 由 1 997.2 mg/km 增至 3 067.8 mg/km,样品 T由45.5 T升至106.8 CO这主要是因为当增加 时,样品形变的频率增大，样品的生热加剧,造成样 品T的升高，而T的升高又将降低橡胶的耐磨性和 抗撕裂性能叫致使橡胶分子链的热降解加剧，最终 造成4的增加。由图3(c)可以看出，当a由0。增至 25。时,A 由 12.0 mkm 增至 9 176.0 mkm,T 由 30.91升至116.5七皿对A和样品T的影响将结合 磨损过程中K和IF的变化及磨损表面形貌做进_ 步分析。3-5 not；-2 SIX-孑 2 rnxt-2 W 2-2 DfflJ h|I K1)0-(t第3期郝振源等.载荷、速率和滑移角对天然橡胶复合材料磨损行为的影响 237 当F为75 N、s为25 km/h,a为15。时3组 试验的 4 分别为 2 818.4,2 658.8,2 617.6 mg/km,丁分别为75.6,79.6,77.5 4和T的误差分别为 7.7%和5.3%,误差较小，由此说明试验的准确度 较高，而产生误差的原因可能是橡胶的磨损行为 受到了磨损历史的影响。由图3的拟合结果可以 看出,4随F、久和a的增加均呈指数级增加，其 中三者的指数分别为0.722、0.166和2.546,这说 明a对4的影响最大，而vt对A的影响最小。样 品7随F和佻的增加而呈指数级增加，指数分别 为0.207和0.351,而样品T随a的增大则呈线性 增加，由此说明样品T受a的影响最大，而受F 的影响最小。综合以上结果可以发现,在重载、高 速、急转弯的情况下，轮胎的磨损最为严重。2.2 F、和a对F*和W的影响当汽车发生转向时，轮胎与地面之间存在,这会导致与同向的离心力的产生,为抵抗产生 的离心力，地面与轮胎之间会产生与离心力方向 相反的如图1(c)所示F和a对试验过程 中庇的影响如图4所示。由图4(a)可以看出，K 随着F的增加由58.7 N增至92.3 N,这是因为随 着F的增加，样品轮与磨盘之间的作用力也增 加。由图4(b)可以看出，随着vt的增加,叽呈现先 增大而后减小的趋势，但其总体仍在(68.61.3)N 左右波动，由此说明对滑移过程中Fs的影响很 小。由图4(c)可以看出，忆随着a的增加而增大，可由-0.33 N增至78.68 N,表现出先迅速增大而 后再缓慢增大的趋势，这与Salehi等的研究结 果m-珂较为一致。当为。时表示车辆为直线 行驶，但由于磨盘表面粗糙度的变化,K在0附 近波动。Fig 4 Ef f ect oF,vtf aonFaoF,vtf aonFa a n d W W本工作中的琢为E和所做的功之和，其 中一部分为材料提供从样品表面磨损撕裂的能 量，另一部分则使样品生热，具体表现为T的升 高。由于E较耳小得多，因此可以按式(1)计算 不同试验条件下W的变化246：IF=Xsin a,(1)同时结合图3(c)可知，当a为0。时4仅为12.0 mg/km,几乎可以忽略，说明本工作中的W可以 用单位距离内耳所做的功来表示，由此证明 式(1)的准确性。琢与Fw、a的关系如图4所示。可以看出，F 和久对17的影响同F.的变化趋势较为类似；但 随着a的增加,IF迅速增加。图5示出了 4与琢的关系，可以看出虫与 IF之间呈指数关系。因此，综合F、a的结果可 以看出，久对E和琢的影响为最小,a对庇和琢 的影响为最大。这也与图3(c)中样品4和T随 着a的增加而急剧增大的结果相一致。Fig 5 Rel a t io n sh ip bet w een A A a n d W W2.3 F、和a对磨损表面形貌的影响当存在时，磨盘会对样品轮施加与方向 相反的样品轮左侧区域的变形会受到F和K 双重的影响，而其他区域仅受F的影响，所以该 区域的磨损更为严重。因该区域由样品轮滑移所 产生的耳造成，故称之为滑移区域，根据图1(c)中和K的方向判断，滑移区域位于样品轮左 侧。不同F、不同vt和不同a下样品轮磨损后的表 面形貌分别示于图6(a)-图6(e)、图6(f)-图6(j)238 合成橡胶工业第46卷/()：(a)-(j)-15；(k)-5；(1)-10；(m)-15；(n)-20；(o)-25Fig 6 Surf a ce mo rph o l o gy o f sl ip regio n o f dif f eren t sa mpl e w h eel s un der dif f eren t F,vtF,vt a n d a a此外，本工作还计算了滑移区域宽度(d)在 样品轮宽度(D)方向所占的比例(切)。由图6(a)-6(e)可以看出，随着F的增加，样品磨损表面图 纹的宽度和深度增加，说明样品磨损程度增加，与4随F增加而增大相一致，同时左侧d/D逐渐 增大。当F小于90 N时，滑移区域的边界为连续 的直线磨纹；而当F大于90 N时，滑移区域的边 界则变为非连续的磨纹，究其原因可能是在较高 F下，样品丁的升高而导致耐磨性下降，磨损程度 增加，从而形成非连续的磨纹。此外，当F大于 90 N时，左侧d/D不再变化，基本保持在34%左 右，究其原因可能是F增加导致Fs和样品与磨盘 的接触面积均增大,在较低F(不大于90 N)下接 触区域内单位面积上的X随F的增加而增大，由 F.所造成的变形增加,d也随之增加，而在较高 F(大于90 N)下单位面积上的F,几乎不随F的 增加而发生变化，滑移区域的面积也不再发生变 化,E在接触区域的分布影响滑移区域的面积。由图6(f)6(j)可以看出，在不同仇下磨损表面的 图纹宽度、深度和严重磨损区域的变化同F对磨 损表面的影响较为一致，由此说明4和磨损程度 随着的增加而增大，这与图3(b)所示的结果相 第3期郝振源等.载荷、速率和滑移角对天然橡胶复合材料磨损行为的影响 239 一致。其原因可能是仇增加导致样品与磨盘的 接触区域面积减小财,F*也稍有减小，当久大于 25 km/h,左侧d/D会随着s的增加而小幅度增 加,这也与F*在接触区域的分布相关。a为0。时 的4很小，磨损表面形貌基本与预磨后的形貌相 同，因此图6(k)6(o)中仅示出了 525的磨损 表面形貌。可以看出,增加导致样品表面磨纹的 宽度和深度增大，左侧d/D不断增加，说明磨损 程度不断增加。当a不小于15。时,磨纹的深度和 宽度及左侧d/D迅速增加，这与图3(c)中4在a 不小于15。时迅速增加相一致，由此说明磨损程 度急剧增加。左侧d/D的变化情况不同于F和“同样是由F.在接触区域的分布引起的，随着a的 增大，尽管接触区域面积会随T的升高而增加，但兀增加的趋势更加显著,导致接触区域单位面 积内的E增大，滑移区域的面积不断增大，最终 造成磨损程度不断增加。当a为25。时，样品左 侧磨损区域连续直线的边界遭到破坏，转变为不 规则的形态，这是因为在高K和高温的协同作 用下,材料从样品表面撕裂磨损。橡胶复合材料 在磨损过程中不断从样品轮表面剥离，造成严重 的磨损，进而表现出4随a的增加而急剧增大 的现象。3结论a)随着F、和a的增加，橡胶复合材料的4 和T均增加。4与F、和a均呈指数关系，三者 的指数分别为0.722、0.166和2.546,说明对4的 影响程度从大到小的顺序依此为:a、F、”“对T的 影响程度从大到小的顺序依次为:a、s、F。b)K对人的影响远大于耳,磨损过程中的W 主要由耳造成，本工作使用的NR复合材料的4 与毋呈指数关系，指数约为2。c)样品表面滑移区域的磨损最为严重，滑移 区域的面积由X在接触区域的分布决定。参考文献：1 Bh a t t a ch a rya M,Bh o w mick A K.An a l ysis o f w ea r ch a ra ct erist ics o f n a t ura l rubber n a n o co mpo sit es J.Wea r,2010,269(1/2):152-166.2 Gro sch K A.Rubber a bra sio n a n d t ire w ea r J.Rubber Ch emist ry a n d Tech n o l o gy,2008,81(3):470-505.3 Gro sch K A.Rubber f rict io n a n d it s rel a t io n t o t ire t ra ct io n J.Rubber Ch emist ry a n d Tech n o l o gy,2007,80(3):379411.4 Nguyen V H,Zh en g Do n g,Sch merw it z F,et a l.An a dv a n ced a bra sio n mo del f o r t ire w ea r J.Wea r,2018,396/397:75-85.5 Ch a n g Xia n gdo n g,Hua n g Ha ibo,Jia o Run n a n,et a l.Experimen t a l in v est iga t io n o n t h e ch a ra ct erist ics o f t ire w 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between energy loss and abrasion,side force and wear surface morphology during the abrasion were established.The results showed that the abrasion and surface temperature of natural rubber composites increased with the increase in load,speed and slip angle.The slip angle had the greatest effect on the abrasion and surface temperature of natural rubber composites,the speed had the least effect on the abrasion of natural rubber composites,and the load had the minimal effect on the surface temperature of natural rubber composites.The effect of friction force on abrasion was much smaller than that of side force,the abrasion of natural rubber composites had an exponential relationship with the energy loss during the wear process,and the exponent was about 2.The abrasion was the severest in the slip region of natural rubber composites,and the area of the slip region was determined by the distribution of side force in the contact area.Key words:load;speed;slip angle;natural rubber composites;abrasion;surface temperature;energy loss;wear surface morphology国内简讯*中国石化燕山石化公司稀土顺丁橡胶高效 聚合成套技术引领行业发展据中国石化新闻 网2023年3月14日报道，近日，在中国石化 2023年科技进步工作会议上，中国石化燕山石 化公司稀土顺丁橡胶高效聚合成套技术创新团 队荣获2022年度中国石化优秀创新团队称号。该团队开发形成的具有自主知识产权的高性能 稀土顺丁橡胶成套工业技术目前已实现第三代 高活性、高定向选择性稀土催化剂开发，并用于 高性能稀土顺丁橡胶工业化生产。稀土顺丁橡 胶弹性好、耐低温性优异、耐磨性强、抗龟裂性能 及动态性能优良，已成为制造绿色轮胎的优选胶 种。近年来，随着国家新能源汽车发展规模的不 断扩大，稀土顺丁橡胶市场需求量快速增长，燕 山石化公司开发出多个稀土顺丁橡胶产品牌号，深受市场和客户欢迎，呈现出产销两旺的良好局 面。2022年,燕山石化公司稀土顺丁橡胶装置年 产稀土顺丁橡胶首次突破万吨大关，并实现全产 全销。2023年，该装置还将围绕新产品开发和确 保长周期运行进行相应的技术改造，力争稀土顺 丁橡胶质量和产量取得新的突破。福建和兴橡胶有限公司轮胎技改项目封顶 完成 据橡胶技术网2023年4月13日报道，近 日，福建和兴橡胶有限公司年产100万条子午线 及高端摩托车轮胎生产线技改项目已完成封顶。据悉，该项目位于福建省三明市永安尼葛工业 园，总投资1.05亿元，占地1.2万平方米。该项 目通过引进德国密炼机和新型成型机设备，建立 全自动大型橡胶混炼中心，生产速率由之前的 700条/d增至3 000条/d。同时，该项目将原有规 划的电动车外胎（1 000万套/a）中的500万套产 能进行技术改造，以生产高等级的子午线摩托 车、热融半热融高速摩托车（普通高速及赛道级 胎）外胎1万套/d（300万套/a）。全部完成后，预 计年产能可提升350万套，增长70%；年蒸汽量 耗用量30 kt,下降18%。