不同工况下软质丁苯橡胶轮表面磨损颗粒的产生量及磨损机理

焦润楠,黄海波,李锦棒，潘路奇，董家楠

(宁波大学机械工程与力学学院，宁波 315211)

0 引 言

橡胶是一种高分子材料，具有优良的弹性，良好的绝缘性、可塑性、抗拉性、耐磨性以及较高的强度，在机械工程、交通运输、医药卫生等领域应用广泛。在服役过程中，摩擦磨损是造成橡胶失效的主要因素之一，因此其摩擦磨损性能是长期以来的研究热点[1-2]。软质橡胶材料由于具有良好的减震性和静音性，常用于滚轮、减震轮、静音轮的制备。软质橡胶材料在使用过程中，摩擦磨损产生的磨损颗粒会对环境造成不良影响，同时还会影响设备的维护和操作人员的健康[3-5]，因此有必要对磨损颗粒的产生进行研究。

目前国内外关于橡胶材料摩擦磨损性能的研究主要集中在摩擦磨损机理及影响因素方面[6-7]。彭旭东等[8-9]的研究表明，橡胶在滚动、滑动状态下的磨损机理为磨粒磨损、疲劳磨损、黏着磨损和氧化磨损；FUKAHORI等[10]建立了橡胶磨损过程的有限元模型，分析了载荷对磨痕的影响；CHO等[11]、叶树斌等[12]建立了轮胎滚动磨损的有限元模型，提出了轮胎的磨损评价方法；HUSSEIN等[13]发现轮胎表面的磨损程度与汽车的运行速度呈正相关；FOITZIK等[14]的研究表明自由滚动下橡胶轮胎表面产生的磨损颗粒较少，而大纵向力和侧偏角下橡胶轮胎产生的磨损颗粒较多；刘金朋等[15]、董家楠等[16]研究了205/55R16型橡胶轮胎磨损颗粒的产生机理。

目前，国内外对高硬度橡胶材料的研究较多,关于软质橡胶材料的研究较少，尤其关于软质橡胶磨损颗粒的研究鲜有报道。为此，作者以某软质丁苯橡胶轮为研究对象，分析了滚动状态下，软质丁苯橡胶轮在不同工况下的磨损颗粒产生机理、磨损形式以及载荷、橡胶轮胎滚动速度和空气相对湿度对不同粒径磨损颗粒数量和橡胶轮温度的影响，为实际磨损过程减少磨损颗粒的产生提供参考。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验件采用KKPIT公司生产的SBR1502型软质丁苯橡胶轮，质量密度为1.15 g·cm-3。软质丁苯橡胶的原料配比见表1，主要力学性能如表2所示，其中抗拉强度和肖式硬度比普通橡胶的分别高31.01%和低41.18%[15]。橡胶轮直径为106 mm，宽度为46 mm，表面纹路及轮胎形状和尺寸如图1所示。将混凝土材料附着于对磨轮表面模拟路面，附着厚度约2 mm,抛光后的表面不平度为15～125 μm，在A级路面不平度范围内；附着混凝土材料后的对磨轮直径为300 mm，宽度为50 mm。

表1 软质丁苯橡胶原料配比(质量份数)Table 1 Raw material ratio of soft styrene butadiene rubber (mass copies)

表2 室温下软质丁苯橡胶的力学性能Table 2 Mechanical properties of soft styrenebutadiene rubber under room temperature

图1 橡胶轮表面纹路、形状和尺寸Fig.1 Surface texture (a) and shape and size (b) of rubber wheel

1.2 试验方法

图2 磨损试验装置示意Fig.2 Diagram of abrasion tester device

采用自行搭建的磨损试验机对橡胶轮进行磨损试验，磨损装置如图2所示。通过改变橡胶轮与对磨轮之间的距离来调节载荷，最大载荷可达500 N；通过改变调速电机转速来改变橡胶轮的滚动速度，调速电机最高转速为2 000 r·min-1；用加湿器改变试验机舱内的相对湿度；通过更换附着材料来模拟不同的路面。

在位于摩擦界面正上方90 mm处设置观测点A，在此处放置CLJ-3016H型手持式激光粒子计数器记录粒径分别为2.5,5.0,10.0 mm磨损颗粒的数量。采用测温枪实时记录试验过程中橡胶轮的温度变化。采用单因素法分别测试不同因素对磨损颗粒数量和橡胶轮温度的影响，试验参数见表3。

表3 试验参数Table 3 Parameters of experiment

各试验条件下橡胶轮总行程均为10 km。为减小误差，每组试验至少重复3次取平均值。试验后在橡胶轮表面截取尺寸为8 mm×8 mm×5 mm的试样，经超声清洗、吹干后，采用SMZ180-LT型光学显微镜观察橡胶轮表面形貌。采用正交试验法分析各因素的影响显著水平，以粒径为2.5 mm的磨损颗粒数量作为指标。

2 试验结果与讨论

2.1 磨损时间对磨损颗粒数量的影响

图3 不同粒径磨损颗粒数量和橡胶轮温度随磨损时间的变化Fig.3 Variation of the number of wear particles with different size and rubber wheel temperature with wear time

由图3可以看出：橡胶轮表面磨损颗粒数量随磨损时间的延长而增多，且粒径为5.0，10.0 μm磨损颗粒数量增加得较慢，粒径为2.5 μm颗粒数量增加得较快；橡胶轮温度和粒径为2.5 mm磨损颗粒数量随磨损时间的变化趋势相同。橡胶轮温度升高时，橡胶内部的高分子链更容易断裂和降解，使橡胶的疲劳强度和剪切强度降低，橡胶表面更容易产生磨损小颗粒。

2.2 载荷对磨损颗粒数量的影响

由图4可以看出：橡胶轮表面磨损颗粒数量随载荷的增大而增加，载荷较小(小于100 N)时，3种粒径的磨损颗粒数量均较少；随着载荷增大，粒径为5.0，10.0 μm磨损颗粒数量增加较平缓，粒径为2.5 μm磨损颗粒数量增加较快，且在100150 N的载荷下增加最明显；载荷继续增大，3种粒径的颗粒数量变化趋势均较平缓；随着载荷增大，橡胶轮温度升高，在125150 N时升高的最快，变化趋势与粒径为2.5 mm磨损颗粒数量变化的较为一致。

图4 不同粒径磨损颗粒数量和橡胶轮温度随载荷的变化Fig.4 Variation of the number of wear particles with different size and rubber wheel temperature with load

图5 不同粒径磨损颗粒数量和橡胶轮温度随橡胶轮滚动速度的变化Fig.5 Variation of the number of wear particles with different size and rubber wheel temperature with rolling speed of rubber wheel

2.3 橡胶轮滚动速度对磨损颗粒数量的影响

由图5可以看出：橡胶轮表面磨损颗粒数量随橡胶轮滚动速度的增大而减少，其中粒径为5.0，10.0 μm磨损颗粒数量减少不明显，而粒径为2.5 μm磨损颗粒数量下降明显；随滚动速度增大，橡胶轮温度降低，与粒径为2.5 μm磨损颗粒数量的变化趋势一致。橡胶轮滚动速度增大，相同路程下橡胶轮的磨损时间缩短，虽然单位时间内高滚动速度下橡胶轮的产热较低滚动速度下的多，但磨损时间更短，因此橡胶轮温度随滚动速度的增大而降低。

2.4 相对湿度对磨损颗粒数量的影响

由图6可以看出，磨损颗粒数量随相对湿度的增大而减少，但减少的幅度均较低；橡胶轮温度也随相对湿度的增大而降低，相对湿度从30%升高到80%时，橡胶轮温度从41.1 ℃下降到40.73 ℃。各粒径磨损颗粒数量和橡胶轮温度随相对湿度的变化幅度明显小于随磨损时间、载荷和滚动速度变化的，说明相对湿度对磨损颗粒数量和橡胶轮温度的影响不显著。橡胶轮温度随各因素的变化趋势与粒径为2.5 μm颗粒数量的一致，这为通过温度变化预测轮胎表面磨损小颗粒的产生数量提供了思路。

图6 不同粒径磨损颗粒数量和橡胶轮温度随相对湿度的变化Fig.6 Variation of the number of wear particles with different size and rubber wheel temperature with relative humidity

2.5 磨损机理

橡胶轮表面的磨损形貌与磨损颗粒的产生机理密切相关。由图7可以看出：相对湿度为50%，滚动速度为6 m·s-1，磨损行程为10 km时，低载荷下的橡胶轮表面整体较高载荷下的平整。在轮胎运行过程中，胎面表层橡胶受反复的周期应力作用，低载荷下，橡胶轮表面局部出现因疲劳而产生的无规律分布的磨损剥落凹陷小斑点，磨损颗粒数量较少，表现为疲劳磨损；高载荷下，磨损加剧，凹陷小斑点逐渐沿垂直于橡胶轮滚动方向快速扩展并相连，产生清晰的波浪状、间距较宽、深度较大的Schallamach花纹，Schallamach花纹是磨粒磨损的重要特征[17]，同时表面的磨损颗粒明显较低载荷下的多且尺寸更大，表现为磨粒磨损占主导地位的疲劳磨损和磨粒磨损。载荷增大时，对磨轮与橡胶轮接触界面的压力增大，对磨轮插入橡胶表面的深度增加，产生较强的剪切作用而形成较多尺寸较大的磨损颗粒。

由图7还可以看出：载荷相同时，低滚动速度下的橡胶轮表面较高滚动速度下产生了更多的无规律分布的凹陷小斑点，磨损颗粒更多，主要呈疲劳磨损形貌特征；高滚动速度下的橡胶轮表面出现明显的波浪状Schallamach花纹。高滚动速度下的橡胶轮表面的磨损颗粒数量较低滚动速度下的少，这是由于滚动速度增大，磨损颗粒具有更大的动能而更容易甩出，此外，橡胶轮滚动速度增大时，虽然单位时间内产生的磨损颗粒增多，但相同磨损行程所用的磨损时间减少，因此滚动速度大的橡胶轮表面产生的磨损颗粒总量更少。

图7 相对湿度为50%，磨损行程为10 km时，不同载荷和 滚动速度下的橡胶轮表面形貌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 因素显著性水平分析

由表4可以看出，各因素对2.5 μm磨损颗粒数量影响的主次从大到小顺序为载荷、滚动速度、相对湿度、对磨轮种类。从环境角度来考虑，磨损颗粒越少，污染越小。由正交试验结果可知，最优组合为A1B3C2D1，即在橡胶轮载荷100 N、滚动速度8 m·s-1、相对湿度60%以及对磨轮为水泥轮条件下，橡胶轮表面磨损产生的磨损颗粒数量最少，环境污染最小。

表4 正交试验结果Table 4 Orthogonal experiment results

3 结 论

(1) 橡胶轮表面磨损颗粒随磨损时间和载荷的增加而增多，随滚动速度和相对湿度的增大而减少，粒径为2.5 μm的磨损颗粒数量和橡胶轮温度随各种因素的变化趋势相同，可通过温度的变化预测轮胎表面磨损小颗粒的产生数量。

(2) 低载荷下橡胶轮的磨损方式为疲劳磨损，高载荷下为疲劳磨损和磨粒磨损；各因素对粒径为2.5 μm的磨损颗粒数量影响的主次从大到小排序为载荷、滚动速度、相对湿度、对磨轮种类；在载荷100 N、滚动速度8 m·s-1、相对湿度60%以及对磨轮为水泥轮条件下，橡胶轮表面的磨损颗粒数量最少。