橡膠磨耗量與摩擦能的相關(guān)性研究

陳 燕，尹海山，王子玥

（中策橡膠集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310008）

對輪胎耐磨性的認(rèn)識最初是從研究橡膠磨耗機(jī)理開始的，K.A.Grosch等[1-3]對橡膠的摩擦磨損問題研究較早，B.N.J.Persson等[4-5]對橡膠與路面的接觸摩擦與磨損問題進(jìn)行了較深入的研究。國內(nèi)外諸多學(xué)者[6-9]更多地從材料改進(jìn)、材料老化壽命和測試條件等方面進(jìn)行研究。這些研究使人們對橡膠磨耗機(jī)理有了比較深刻的理解。但橡膠及輪胎的磨耗是非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程，因而仍然是業(yè)界各大公司致力研究的熱點(diǎn)之一。

本工作對胎面膠進(jìn)行了LAT100磨耗測試，同時用有限元方法模擬磨耗狀態(tài)，計(jì)算摩擦能并與測試結(jié)果進(jìn)行擬合，得到磨耗量與摩擦能的冪函數(shù)關(guān)系式。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 測試儀器及原理

LAT100磨耗試驗(yàn)機(jī)，荷蘭VMI公司產(chǎn)品。接觸面為旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤（磨損盤），對橡膠輪設(shè)定角度和負(fù)載，轉(zhuǎn)盤帶動橡膠輪按設(shè)定速度轉(zhuǎn)動，紅外掃描和測力傳感器可以測試橡膠輪的縱向力、側(cè)向力和表面溫度，磨耗量通過橡膠輪研磨掉的碎屑稱重獲得。

1.2 試驗(yàn)條件

負(fù)荷 30 N；速度 5，10，15，20 km·h-1；偏角 0°，15°，30°，40°；試 樣Φ80 mm×17 mm橡膠輪，硫化條件為151 ℃×30 min，每種工況制樣3個，共計(jì)制樣48個；轉(zhuǎn)盤面材質(zhì)為鋁120，環(huán)境溫度為25 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 LAT100磨耗試驗(yàn)

采用LAT100磨耗試驗(yàn)機(jī)對樣品進(jìn)行磨耗量測試并記錄結(jié)果。

2.2 有限元模擬計(jì)算

2.2.1 有限元建模

基于ABAQUS進(jìn)行有限元建模，橡膠本構(gòu)模型為線彈性，單元類型為CAX4R，每一截面單元數(shù)為829，共74個截面，單元總數(shù)為61 346個，接觸面砂輪盤為剛體，與橡膠輪的摩擦因數(shù)為0.40。圖1示出了橡膠輪的有限元模型。磨損盤以角速度ω轉(zhuǎn)動，帶動橡膠輪旋轉(zhuǎn)，載荷施加在橡膠輪中心。

圖1 橡膠輪的有限元模型

2.2.2 模擬結(jié)果

圖2—4列舉了荷載為30 N、速度為20 km·h-1時，0°和30°偏角的接觸壓力（N·m-2）及兩個方向的剪切力（N·m-2）和滑移（mm）的模擬結(jié)果。

圖2 0°偏角時的正壓力、橫向剪切力和縱向剪切力

2.2.3 橡膠輪摩擦能的計(jì)算及試驗(yàn)擬合

由模擬結(jié)果計(jì)算可以得到橡膠輪與磨損盤接觸面內(nèi)，每個接觸單元在平面內(nèi)的兩個剪切力分量，其表達(dá)式為

其中

式中，i=1，2（1代表縱向，2代表橫向）；τe為摩擦應(yīng)力，μ為摩擦因數(shù)，p為接觸法向力；γ˙i為切向滑移速度。

每個單元的摩擦能（We）計(jì)算公式為

橡膠輪每旋轉(zhuǎn)1周的總摩擦能密度（E）的計(jì)算公式為

圖3 30°偏角時的正壓力、橫向剪切力和縱向剪切力

其中

式中，Wi為接地各個單元的摩擦能，L為橡膠輪的周長，n為某一時刻接地單元的總數(shù)量，D為橡膠輪的直徑，δ為橡膠輪的厚度，S為橡膠輪接地面的面積。

LAT100磨耗試驗(yàn)測試結(jié)果及摩擦能密度模擬計(jì)算結(jié)果見表1。由表1可見：橡膠輪磨耗量基本隨偏角的增大而增大；表面溫度隨速度和偏角的增大呈升高趨勢，40°時數(shù)據(jù)反常是由于接近儀器量程極限，測試過程中停機(jī)造成的。

表1 LAT100磨耗試驗(yàn)測試及摩擦能仿真計(jì)算結(jié)果

由上述結(jié)果可得出磨耗預(yù)測模型如下：

式中，AE為磨耗強(qiáng)度，g·km-1；E為摩擦能密度，J·m-2；CE是材料常數(shù)，為1.312 9×10-11；m是關(guān)系指數(shù)，為1.66。

圖4 30°偏角時的縱向滑移和橫向滑移

CE和m為常數(shù)，其數(shù)值大小與材料性能及路況相關(guān)，數(shù)值大則說明磨耗量對摩擦能依賴性更強(qiáng)，材料更不耐磨。

圖5給出了實(shí)測磨耗強(qiáng)度與模擬計(jì)算摩擦能的冪函數(shù)關(guān)系。由圖5可見，實(shí)測磨耗強(qiáng)度與仿真摩擦能的相關(guān)性較好。

圖5 實(shí)測磨耗強(qiáng)度與計(jì)算摩擦能的關(guān)系曲線

3 結(jié)語

采用LAT100磨耗試驗(yàn)機(jī)對胎面膠進(jìn)行了變角度和速度多種條件的測試，用有限元模擬計(jì)算了不同試驗(yàn)條件下的摩擦能。對實(shí)測磨耗強(qiáng)度與計(jì)算摩擦能數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了磨耗強(qiáng)度與摩擦能的冪函數(shù)關(guān)系及關(guān)系常數(shù)和冪指數(shù)，冪指數(shù)和關(guān)系常數(shù)可反映磨耗的苛刻程度，與材料及接觸面相關(guān)。