塑料橡胶材料相对滑动的橡胶表面与钢表面间模型粒子的行为EMKL

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1、（塑料橡胶材料） 相对滑动 的橡胶表面与钢表面间模 型粒子的行为 EMKL （塑料橡胶材料） 相对滑动 的橡胶表面与钢表面间模 型粒子的行为 EMKL 相对滑动的橡胶表面和钢表面间模型粒子的行为 V.ACoveney,C.Menger UniversityofthewestofEngland(2000) 摘要 发生在相对滑动的橡胶表面和钢表面之间的磨损可能是俩者直接作用引起的，也 可能是由于外来粒子的介入引起的。前人已经做了许多关于橡胶磨损的工作，当 下我们引入后续补充方法：建立模型粒子（低碳钢圆柱形粒子，六边形柱状钢及 石英粒子）短期以及长期的运动模型（有限元方法）且用实验的方法进行研究。

2、有限元分析显示（已被实验验证）：壹个圆柱形模型粒子将会在相对滑动的橡胶 和钢表面之间滚动。低载条件下粒子的切向速度符合橡胶块的速度；重载条件下 切向速度会超过橡胶块的速度。 对于六边形的钢和石英模型粒子，初始时粒子将会在被氧化的钢表面滑动-水 平力和竖直力的比例较低（0.10-0.14.） 。但随着滑动的继续将会产生光洁金属 表面，由此橡胶和钢配合面间将会产生高磨擦系数（0.20-0.25）的粒子滚动。 对磨损的不规则石灰石粒子进行实验能够得到相似的粒子行为。然而，对于边缘 锋利的不规则石英粒子，更可能会立即发生振动。有限元方法成功的模拟了六边 形粒子的滚动且预测了发生滚动所需的近似摩擦系数（

3、钢/粒子）实测的摩擦 系数略低于预测值。 这些发现表明：当橡胶和低碳钢相对滑动时（接触界面存在离子和氧化） ，接触 界面上的粒子运动方式会多种多样；由此，橡胶压力也会不同，这主要取决于粒 子和钢接触界面间磨损的类型。 关键字：橡胶，钢，磨损 1前言 对相对滑动的橡胶和硬质材料的磨损研究，主要集中在俩主体材料间的磨损。另 外，也进行了叶片研磨机的持续单向滑动实验。通过这个相对简单的实验发现了 橡胶的 strikingridged（波状）磨损形式1-4。尽管这种磨损形式对于磨损的 产生仍缺少确定性1-3，5，磨损理论仍是得到了进壹步发展。相对滑动的橡胶 和钢界面间产生的磨损，可能是俩者之间直接相互

4、作用的结果，也可能是由于粒 子的介入引起的。粒子可能来自于钢渣、橡胶表层或外部。对于这种可能存在的 复杂情况的研究相对较少6。俩个相对较硬表面间的三体磨损在实验和理论的 层面上已被广泛研究7-9，从中发现粒子的运动模式对磨损现象产生类型的影 响很大。本文的目的是阐明在有粒子介入的情况下哪种运动模式比较容易发生。 本文做了关于三维不规则粒子的实验；对于柱状模型粒子则分别进行实验及有限 元分析。 2材料，实验设备及方法 2.1 实验 实验布置如图 1 所示。此装置能够工作在恒载荷及恒位移俩种模式。竖直及水平 力通过壹个六自由度的力/力矩转换器作用在上方的低碳钢表面（冷轧） 。转换器 的最大加载量为

5、 400N（） ，800N（） ，400Nm。转换器和 ISA 总线接收板（JR3， 1523）配合，且通过 A/D 转换器(Amplicon,PC-74)、标准 PC（Taran486SX25）及 自定义程序进行载荷采集，采集频率为 140Hz。 图 1 实验设备 橡胶样品宽 20mm 厚 20mm，硫化时和钢后垫板结合在壹起。表 1 给出了橡胶成分。 加装后垫板的橡胶被贴在线性滑移台上，滑移台由液压伺服控制系统控制的液压 缸驱动，液压缸的位移由 LVDT 监测。 实验用了三种类型的模型粒子：直径 5mm 的圆柱形低碳钢粒子，六边形低碳钢柱 状粒子（平行边距离 6mm）及六边形光洁石英晶体粒

6、子（平行边距离 7mm） 。 Allthreemodelparticleswereusedassupplied-otherthanwipingwithacleancl oth.每种情况，粒子的旋转、转移分别通过壹个增量式光学编码器及 LVDT 监测。 另外，实验仍用了俩种不规则磨粒（三维） 。壹种是磨损的石灰石粒子（最大直 径 8mm） ；另壹个是边缘锋利的石英粒子（最大直径 8.5mm） 。 首先用柱状钢粒子分别在竖直载荷为 5-60N（定载实验）及初始竖直载荷（） 5-150N（定位移实验）做了行程为 45mm 的短期实验。滑动速度在 2.3mm/s 和 30mm/s 间变化。 （滑移台的

7、位移-时间曲线为三焦函数关系） 。在相似实验条件下 对六边柱状钢粒子进行实验。接下来对六边形及不规则粒子进行 10000 次循环的 长时间实验作为短期实验的补充。在长时间实验中滑移台的位移-时间曲线是 幅值为 3mm 速度为 20mm/s 的三角函数。另外，在载荷为 90N 及定位移（相似初 始载荷）条件下分别进行长时间实验。每壹个长时间实验都是新橡胶表面和钢表 面接触。用光学显微镜和触针式表面形貌仪分析磨损及未磨损区域。实验中，模 型粒子（柱状）的长轴垂直于滑移台的轨迹。实验时室温控制在 232C。 2.2 有限元分析 用 MARC 非线性有限元和 MENTAT 前、后处理软件在 Sun 工

8、作站上进行二维有限元 分 析 。 橡 胶 材 料 采 用 壹 个 20mm 厚 的 新 虎 克 材 料 singleterm(不 可 雅 压 缩)Rivlinseries；相应的应变能密度方程是 此处为第壹个柯西-格林变形向量10。 是材料常数 （剪切模量的壹半） ， 它由橡胶材料的单轴拉伸实验数据通过 MARC 数据拟合软件估计出来。 有限元分析包括多重变形接触体的建模。分析建立了圆形和六边形颗粒。颗 粒材料选用具有代表值的各向同性钢材料；假设上方的结合面为刚性的，橡胶在 20mm 深度上的节点被固定。粒子采用全积分表面应变单元（单元 11） 。有限元分 析的网格如 2 所示；为了建立精确的

9、带摩擦的滑动模型，六边形颗粒的上部要划 分较密的网格。橡胶采用全应变面和赫尔曼公式单元（单元 80） 。粒子通过 MARC/MENTAT 变摩擦系数的粘滑摩擦模型施加法向压力及摩擦力（来自于橡胶和 界面） 。刚性面首先向下运动，导致粒子的壹个平面压入橡胶，然后水平运动。 图 2 有限元网格 3结果和讨论 3.1 橡胶和刚性体结合面间的圆柱形模型粒子 二维有限元分析（钢-钢摩擦系数分布从 0.1 到 0.5，压入深度是 2.65mm 时钢和 橡胶的摩擦系数为 1）表明：所有情况下圆柱形模型粒子会更倾向于在橡胶和钢 接触面间滚动。然而，经实验验证的有限元分析显示，当工作台横向速度不变时， 随着竖直

10、方向载荷的增加，粒子的旋转速度增加。当竖直载荷为 150N 时，粒子 表面的切向速度比滑移台的速度高（图 3）11%。 图 35mm 直径圆柱粒子的运动距离，固定位移，初始法向力 150N，滑动速度 10mm/s （低载条件下俩种速度值壹样）Moore11在重载条件下也做了实验，和本次实 验速度相差 10%，得到的结果和本文实验结果大致相同。高出的速度是由圆柱粒 子在延展的橡胶表面上滚动引起的。橡胶表面的延展是由于粒子的压入引起的。 3.2 六边形模型粒子 3.2.1 有限元仿真及短期实验 对六边形柱状钢粒子（平行边间距 6mm）进行有限元分析。模型设定由初始法向 载荷 30N 引起的压痕为

11、0.78mm，粒子在结合面间水平运动。刚性面和钢粒子的摩 擦系数（）在连续的有限元分析中设定为 0.05，0.10，0.15，0.20，0.25 和 0.30；钢/橡胶摩擦系数（）恒定为 1.0（值从 0.1-1.2 对结果无影响） 。有限元 分析显示在非橡胶界面当 0.25 时会发生滑动，而滚动则发生在 0.3 时（图 4） 。 图 4 有限元分析预测，粒子/刚性面摩擦系数为 0.3 时滚动发生（定位移，初始法向载荷 30N） 在短期实验中，粒子在界面上滑动，水平力和竖直力的比值为 0.14。而滚动则是 由在界面引入壹小片影印纸引起的 （不考虑粘附力） 。 此时将近达到 0.25（图 5）

12、。 图 56mm 六边形柱状钢粒子，水平力和竖直力的比和时间的关系（实验；定位移；初始 30N； 滑动速度 30mm/s） 实验和有限元分析中水平力关于时间的关系曲线很相似（图 6） 。 图 6 滚动开始时水平力关于时间的曲线，左侧为预测结果，右侧为实验结果 3.2.2 长时间实验 对六边形钢和六边形石英模型粒子进行长时间实验。力和位移的数据（线性和旋 转）每 125 个循环记录连续的 11/2 个循环。图 7 给出了钢粒子在恒定竖直载荷 条件下第壹个 11/2 循环的和关于时间的曲线（钢粒子恒定竖直位移条件下的图 形和石英粒子恒定竖直载荷和恒定竖直位移时的图形相似） 。 图 7 六边形柱状钢

13、粒子，水平力和竖直力的比值以及旋转角度（右侧）关于时间的曲线 在所有情况下，起始角随时间改变没有变化表明粒子刚开始没有发生振动（定义 粒子在给定的连续 11/2 个循环内旋转超过为振动） 。钢粒子的值关于时间的关系 曲线实际上是上下幅值约为 0.14 的方波， 对于石英粒子则是幅值为 0.10 的方波。 在固定竖直位移条件下实验，对于这俩种类型的六边形模型粒子，在给定的 11/2 次循环内和|的最大值关于循环次数的曲线如图 8、9（固定载荷条件下结果类 似） 。 图 8 六边形柱状钢粒子最大旋转角度（）和最大|关于循环次数的关系 图 9 六边形柱状石英粒子最大旋转角度（）和最大|关于循环次数的

14、关系 所有情况下，观察图 8、9，粒子的振动出当下 1000-3200 次循环，和关于时间的 曲线也验证了这点。根据观察，对于钢及石英柱状粒子，当|的值超过 0.2（近 似）粒子开始振动。随着实验的继续，六边形钢柱状粒子的振动显著的增加-当 |接近 0.25 时最终超过了（对于石英六边形柱状粒子，在观测到振动后不久就 超过了） 。粒子长时间实验的结果和有限元仿真的结果基本上符合，然而实验显 示振动发生时的摩擦系数（粒子和界面）比有限元分析预测的略低：分别为 0.20-0.25 和 0.25-0.30。图 10 表示当振动刚发生时粒子的运动情况。 图 106mm 六边形柱状钢粒子（左侧）和旋转角

15、度（右侧）关于时间的曲线（1750 次循环后； 恒定 90N） 再接下来的磨损实验中，及关于时间的曲线显示粒子发生了更为明显的振动，如 图 11，12；图中能够见到粒子处于滚动的边缘（图 5；由于行程的限制粒子不可 能反转到另壹个粒子表面） 。同样，恒位移条件下的实验也观测到相似的运动情 况。 图 116mm 六边形柱状钢粒子（左侧）和旋转角度（右侧）关于时间的曲线（4500 次循环后； 恒定 90N） 图 126mm 六边形柱状石英粒子（左侧）和旋转角度（右侧）关于时间的曲线（3250 次循环后 ； 恒定 90N） 钢粒子和石英粒子最主要的区别在实验的后段，钢粒子在方向上的运动表现 为非对称

16、性；而石英粒子则表现出较好的对称性，尽管比较分散。 通过计算来判断钢粒子和石英粒子在橡胶和刚性界面滑动时是否会引起轻微 或严重的磨损。实验中平均的接触压力大约 7MPa，低碳钢的维氏硬度约为 115HV （ 1.13GPa）， 标 准 化 压 力 (normalisedpressure)约 为 0.66。 根 据 Hutchings(12,图 5.14)的钢磨损模式图， 这个标准化压力值和滑动速度 20mm/s 处于轻微和严重磨损模式实验条件之间。在 10000 次循环实验后，对橡胶表面、 钢表面和粒子进行目视及显微检测， 结果显示橡胶和石英粒子表面没有任何破坏。 然而，在所有情况下低碳钢的表面被磨光且有黑色渣屑；这表明表面发生了氧化 层的剥落及严重的磨损（钢模型粒子表面较光洁） 。微观检测显示黑色磨屑的尺 度为 1-10。 在长时间的实验前后，用触针形貌仪对粒子及钢表面进行测量，结果显示表 面粗糙度没有明显的变化。表 2 总的来说，通过参考磨损模式图，目视/显微观测及形貌仪检测，加上力和位 移磨损条件的测量，有粒子介入的橡胶/钢相对滑动只会引起氧化层的