新蘭伯恩磨耗參數(shù)與膠料磨耗狀態(tài)關(guān)系的研究

張云帆，王桂林，王 君，周 磊，薛 霖，唐 明

（1.青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266000；2.青島輪云設(shè)計研究院有限責任公司，山東 青島 266000）

輪胎的耐磨性能直接影響其安全性、使用壽命和環(huán)保性。國內(nèi)外學者[1-7]通過觀察橡膠磨耗后的表面狀態(tài)、紋理、磨屑顆粒以及化學結(jié)構(gòu)等，深入研究了其磨耗機理。ISO 23794：2005對阿克隆磨耗、DIN磨耗、蘭伯恩磨耗等14種橡膠磨耗試驗法進行了規(guī)范。然而，由于橡膠的磨耗涉及物理和化學等復雜過程，其研究仍是橡膠性能研究的熱點和難點之一。

與已深入研究的阿克隆磨耗、DIN磨耗、Lat 100磨耗等不同，新蘭伯恩磨耗試驗機作為新型磨耗設(shè)備，其參數(shù)與磨耗關(guān)系以及機理研究相對較少。本工作研究新蘭伯恩磨耗設(shè)備試驗參數(shù)（載荷、試樣速度、滑移率和滑石粉落粉速度）與膠料磨耗狀態(tài)的關(guān)系，以及不同磨耗參數(shù)下膠料磨耗表面紋理與磨屑的差異，以期深入了解橡膠的磨耗機理。

1 實驗

1.1 試驗設(shè)備及原理

AB-1165型新蘭伯恩磨耗設(shè)備，60 μm（240目）砂紙磨輪，日本上島公司產(chǎn)品。試樣與充當路面的砂紙磨輪雙向驅(qū)動，通過速度差實現(xiàn)滑移率的可控調(diào)節(jié)，滑移率可測試范圍為5%～80%，載荷范圍為20～70 N。設(shè)備有可設(shè)置定量落下滑石粉程序，且自帶去污刷子，能夠及時清掃砂紙磨輪，減少磨屑粘附對試驗結(jié)果的影響。

1.2 試樣制備

試驗膠料配方（用量/份）如下：丁苯橡膠100，炭黑N375 40，白炭黑1165MP 40，環(huán)保油30，其他 25。

膠料在開煉機上混煉，在平板硫化機上硫化，硫化條件為161 ℃×30 min。通過模壓成型制備新蘭伯恩標準試樣，厚度為10 mm，外直徑為49 mm，內(nèi)直徑為23 mm。

1.3 試驗方案

試驗方案設(shè)計如下。

方案1：試樣速度、滑移率、落粉速度一定，載荷分別為20，30，40，50，60 N進行試驗。

方案2：載荷、滑移率、落粉速度一定，試樣速度分別為10，12.5，25，50，75，100，125，150 m·min-1進行試驗。

方案3：載荷、試樣速度、落粉速度一定，滑移率分別為5%，10%，20%，30%，40%進行試驗。

方案4：載荷、試樣速度、滑移率一定，落粉速度分別為0.053，0.107，0.160，0.213，0.266，0.320，0.373，0.533，0.799，1.078，1.355 cm3·min-1進行試驗。

1.4 試驗預處理

為確保試驗中磨耗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，試驗前需進行砂紙預打磨。砂紙打磨前后的表面狀態(tài)存在明顯差異（見圖1），打磨前表面有高低不平的尖銳棱角，膠料磨耗量波動較大；打磨后表面所有高低不平的棱角趨向平緩，膠料磨耗量相對穩(wěn)定，利于研究其他磨耗參數(shù)與磨耗狀態(tài)的關(guān)系。砂紙打磨采用低苛刻度條件進行7組試驗，每組5個試樣，結(jié)果如表2和圖2所示。從表2和圖2可知，從第5組，即第21個試樣開始，砂紙磨輪的磨耗數(shù)據(jù)逐步穩(wěn)定，可以進行下步試驗。此外，為保證試樣磨耗時狀態(tài)相同，砂紙打磨條件一致：載荷 40 N，試樣速度 50 m·min-1，滑移率 30%，落粉速度0.053 cm3·min-1，打磨時間 30 s。

表2 砂紙預打磨試驗數(shù)據(jù)

圖1 砂紙打磨前后示意

圖2 砂紙預打磨時磨耗速度的變化趨勢

2 結(jié)果與討論

2.1 載荷與磨耗速度的關(guān)系

按照方案1進行試驗，結(jié)果如圖3所示，試樣速度、滑移率、落粉速度分別為50 m·min-1，30%，0.053 cm3·min-1。從圖3可以看出，載荷與磨耗速度呈線性相關(guān)，且相關(guān)性較高。

圖3 載荷與磨耗速度的關(guān)系

為深入研究載荷對磨耗速度的影響，進行了接地面積的測量。使用新蘭伯恩磨耗設(shè)備自帶的載荷控制系統(tǒng)，將試樣表面涂滿拓印顏料后置于測試區(qū)。在試樣與砂紙磨輪之間放置拓印紙，啟動載荷控制系統(tǒng)，即可在測試過程中真實地拓印下接地面積并計算其數(shù)值，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，載荷與接地面積呈正相關(guān)性。由此可知，接地面積和接地壓力的增大是導致磨耗速度增大的主要原因。載重汽車、巴士等大型車輛的輪胎內(nèi)壓約為700 kPa[8]，對應測試載荷為40～50 N；轎車等小型車輛的輪胎內(nèi)壓約為250 kPa，對應測試載荷為10～15 N。因此，可以根據(jù)橡膠的實際應用方式選擇合適的測試條件。

圖4 載荷與接地面積的關(guān)系

2.2 試樣速度與磨耗速度的關(guān)系

按照方案2進行試驗，結(jié)果如圖5所示，載荷、滑移率、落粉速度分別為40 N，30%，0.053 cm3·min-1。

圖5 試樣速度與磨耗速度的關(guān)系

從圖5可以看出，單位時間磨耗速度與試樣速度的相關(guān)性較高，而單位距離磨耗速度與試樣速度基本無相關(guān)性。考慮到車輛的實際行駛情況，其滑移率和速度都是變化的，因此單位距離磨耗速度更能準確地反映試樣速度與磨耗速度的關(guān)系。

2.3 滑移率與磨耗狀態(tài)的關(guān)系

按照方案3進行試驗，結(jié)果如圖6—8所示，載荷、試樣速度、落粉速度分別為40 N，50 m·min-1，0.053 cm3·min-1。

圖6 滑移率與磨耗速度的關(guān)系

從圖6可以看出，滑移率與磨耗速度相關(guān)性較高。在進行轎車、載重汽車輪胎用橡膠磨耗試驗時，通常選擇滑移率作為試驗條件的設(shè)定，這種做法能夠得出更接近實際車輛磨耗試驗的結(jié)果。從圖7可以看出，隨著滑移率的增大，試樣顏色逐漸加深，這是因為滑移率增大，即試樣磨耗苛刻度增加。試驗過程中滑石粉從過量到足量再到少量所對應的磨耗類型與機理在不斷變化，從圖8可以看出，未清掃的A1試樣磨耗表面呈明顯發(fā)白狀態(tài)，幾乎無磨屑殘留，收集到的磨屑呈細小均勻分布，偶爾出現(xiàn)部分磨屑聚集情況，這表明在此膠料的磨損過程中，由于滑石粉使用過量，幾乎未發(fā)生由于磨屑聚集導致滾動剪切斷裂的黏著磨耗。A2試樣磨耗狀態(tài)與A1試樣較相似，以磨粒磨耗為主，但出現(xiàn)少量磨屑聚集，表面也有不明顯磨紋。A3—A5試樣的磨屑出現(xiàn)大塊聚集，磨紋愈發(fā)明顯，這是在法向負荷引起形變與接觸面內(nèi)剪切力共同作用下的結(jié)果。隨著苛刻度的增大，磨耗機理愈發(fā)復雜，磨粒磨耗、黏著磨耗、疲勞磨耗等摻雜其中，磨紋逐漸合并發(fā)展從而形成清晰可見、連續(xù)排列的形貌。

圖7 不同滑移率下試樣的磨耗表面

圖8 不同滑移率下樣品表面的磨耗情況

2.4 落粉速度與磨耗速度的關(guān)系

按照方案4進行試驗，結(jié)果如圖9—10所示，載荷、試樣速度、滑移率分別為40 N，50 m·min-1和30%。

圖9 落粉速度與磨耗速度的關(guān)系

從圖9 可以看出，當落粉速度小于0.3 cm3·min-1時，磨耗速度變化不大，結(jié)合圖10可見，落粉速度為0.053，0.160和0.266 cm3·min-1時的試樣表面呈較清晰的磨紋且磨屑存在較大結(jié)塊的情況，這可能是由于落粉速度較小，大部分膠屑不能及時脫落而迅速聚集成較大膠屑，在聚集過程中一些磨屑承擔了部分磨耗，最終由慣性作用下離開膠料表面，磨耗機理在此階段相對一致，以黏著磨耗和磨粒磨耗為主。隨著落粉速度的增大，且小于0.6 cm3·min-1時，磨耗速度先增大后趨于平緩，結(jié)合圖10可知，落粉速度為0.373和0.533 cm3·min-1時的試樣表面幾乎無磨紋且磨屑細膩，存在偶有聚集但短且細小的情況，這是因為落粉速度的增大對磨耗有積極作用，足量的滑石粉能夠使磨屑及時脫離膠料表面，減少由磨屑聚集導致磨耗，該過程磨耗機理相對穩(wěn)定，以磨粒磨耗為主，黏著磨耗占比較小。隨著落粉速度進一步增大（＞0.6 cm3·min-1），磨耗速度迅速減小，結(jié)合圖10可見，落粉速度為0.799，1.078和1.350 cm3·min-1時的試樣表面明顯變白且逐漸加深，磨屑細膩，存在無聚集且由黑色過渡到灰白色的情況，這是因為落粉速度過大，磨屑雖能及時落下，減輕試樣磨損，但更多的滑石粉附著在膠料表面，參與磨耗行為，導致磨耗速度減小。

圖10 不同落粉速度下試樣的磨耗表面

為了清楚地展示試樣表面磨屑生長的過程，將落粉速度為0.373 cm3·min-1時的試樣分3部分進行跟蹤拍攝，結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出，磨屑從無到有后聚集成條狀磨屑至最后脫落，這是因為落粉速度適中，而落粉速度過小或過大都無法觀察到此過程。

4 結(jié)論

（1）載荷與磨耗速度具有較高的相關(guān)性，且為正相關(guān)。

（2）試樣速度與單位時間磨耗速度具有較高的相關(guān)性，但與單位距離磨耗速度基本無相關(guān)性。

（3）滑移率與磨耗速度的相關(guān)性較高，隨著滑移率的增大，試樣表面的磨紋愈發(fā)清晰，磨屑聚集情況逐漸加重。

（4）落粉速度與磨耗速度的關(guān)系相對復雜，當落粉速度較?。ǎ?.3 cm3·min-1）時，兩者的相關(guān)性較低；當落粉速度適中（0.3～0.6 cm3·min-1）時，磨耗速度隨著落粉速度的增大而增大，此時可觀察到試樣表面磨屑的生長過程；當落粉速度較大（＞0.6 cm3·min-1）時，磨耗速度隨著落粉速度的增大而迅速減小。