疲勞加載因素對橡膠鋼絲復合體粘合性能的影響＊

李 利，劉瀟冬，肖培光，王江忠

(青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061)

疲勞加載因素對橡膠鋼絲復合體粘合性能的影響＊

李 利，劉瀟冬，肖培光，王江忠

(青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061)

為了探究疲勞加載對橡膠鋼絲復合體粘合性能的影響，采用動態測量與靜態測量相結合的辦法，研究疲勞頻率、疲勞加載次數和動態疲勞后停放時間對橡膠鋼絲復合體粘合性能的影響，結果表明，隨著疲勞頻率的逐漸提高，試樣斷裂時拉伸伸長量表現出明顯降低的趨勢；橡膠鋼絲復合體試樣抽出粘合力和鋼絲簾線的表面附膠量均隨著疲勞次數的增加先增大后減小；同樣，粘合力隨著停放時間的延長也是先增大后減小，并且橡膠鋼絲復合體疲勞后粘合力的恢復主要發生在停放初期。

橡膠鋼絲簾線；粘合性能；動態疲勞；加載次數；抽出力

0 引 言

汽車在實際行駛過程中，輪胎會因不停地受循環載荷作用使其性能變差、硬化，導致輪胎發生線貫穿、起鼓、開線甚至出現表面龜裂等現象。因此，循環受力是導致輪胎中橡膠鋼絲簾線粘合失效的不可忽視的關鍵因素[1]。而汽車駕駛速度不同，輪胎發生形變的周期頻率也不同，汽車行駛的里程不同，輪胎在地面上發生循環受力的次數也不同，所以輪胎的帶束層橡膠鋼絲簾線粘合性能與發生的彎曲變形周期頻率和次數是密切相關的。

本文通過調節疲勞試驗機的的頻率以及控制加載次數，對試樣施加不同的頻率及不同次數的循環載荷，研究循環應力的頻率和次數與粘合力的相關規律。同時，也對疲勞后停放時間對橡膠鋼絲復合體粘合性能的影響進行了實驗研究。

1 實 驗

1.1 主要原料及設備

1.1.1 主要原材料

鋼絲骨架材料，型號?0.61 mm表面鍍黃銅鋼絲、1×3×0.30HT OC高強度表面鍍黃銅(銅質量分數63.5%)鋼簾線，山東恒宇科技有限公司產品。

實驗中橡膠材料所使用配方為NR(天然橡膠) 100，炭黑(N330) 50，活性劑(氧化鋅) 5，硬脂酸SA 1，防老劑4010NA 2.5，硫化劑(硫磺) 3，促進劑NOBS 1.2，HMMM 3，防老劑RD 1，白炭黑 8，防焦劑 0.3，塑解劑 0.3，間苯二酚-甲醛樹脂SL3022 2，癸酸鈷 1。

1.1.2 主要設備及儀器

測量系統采用臺灣優肯科技股份有限公司的UD-3600電腦伺服系統動態疲勞試驗機對橡膠鋼絲簾線復合體試樣進行動態疲勞測試，見圖1所示。

圖1 動態疲勞拉力試驗機

本文采用自己設計的夾具對試樣進行夾持，上夾具為槽式結構，如圖2所示。

圖2 橡膠鋼絲簾線動態加載夾具

Fig 2 Dynamic loading clamp of rubber steel cord

在上夾具槽內放置橡膠鋼絲復合體試樣塊，把鋼絲簾線從2 mm的槽縫隙向下伸出。為了解決鋼絲簾線過細難夾持的問題，對下夾具的兩塊夾緊板進行滾花處理。使用內六角螺母來控制其中1塊夾緊板的移動，利用兩個銷釘來控制移動方向，與另一固定的夾緊板通過壓力來實現對鋼絲簾線的夾緊。

其它主要實驗設備及儀器為X(S)M-0.3L型密煉機，青島科技大學高分子材料成型實驗室開發；X(S)K-160型開煉機，上海橡膠機械廠制造；QLB-D400×400×2型平板硫化機，青島亞東橡膠機械廠產品。

1.2 實驗方案

本文采用軸向動態疲勞實驗法，利用動態測量系統對硫化好的橡膠鋼絲簾線試樣進行軸向動態疲勞加載，并對受載后的復合體試樣進行靜態抽出實驗，得出其抽出力及簾線表面附膠量[2]。

根據實際情況和相關公式的計算，本文實驗加載振幅設為1.5 mm，加載頻率和疲勞次數設為變量。輪胎的直徑一般為D=0.8 m，頻率為f，那么轎車輪胎的速度和行駛的路程分別為

(1)

S=Vt

(2)

由式(1)可得，當加載頻率取5，6，7，8，9，10和11 Hz時，所對應的輪胎實際行駛速度分別約為45，54，64，72，81，90和100 km/h。

動態測量實驗的具體條件及其參數如表1所示。

2 結果與分析

2.1 橡膠鋼絲復合體粘合強度的靜、動態測量結果

設置動態疲勞試驗機的工作模式為靜態測量，抽出速度設為50 mm/min，對橡膠鋼絲簾線式樣進行靜態測試，靜態測試結果如表2所示。

表1 動態測量實驗的相關實驗參數及條件

表2 靜態測試結果

注：R表示抽出后粘合失效主要發生在橡膠相，即粘合界面強度比橡膠相要高；M表示抽出后失效主要發生在橡膠與鋼絲簾線界面層，即粘合界面強度比橡膠相要低。

在橡膠鋼絲簾線動態疲勞試驗中位移是在-1.5～1.5 mm之間循環變化的，所受到的動態載荷在一定范圍來回波動。采用不同頻率疲勞測試[3]，考察不同疲勞頻率下鋼絲簾線抽出力的變化和同頻率下不同加載次數對橡膠鋼絲粘合失效性能的影響，所得結果見表3～5所示。

表3 不同加載頻率和加載次數下鋼絲簾線的最大伸長量

2.2 疲勞加載頻率對橡膠鋼絲復合體粘合性能的影響

由表3可以得到不同加載頻率條件下，鋼絲簾線抽出的最大伸長量與加載疲勞次數N關系曲線，如圖3所示。

從圖3可以看出，加載頻率對鋼絲簾線抽出伸長量影響比較明顯，反映出頻率對橡膠鋼絲簾線試樣粘合失效性能的影響比較明顯，其粘合性能隨著頻率的增加而明顯減小。由圖3能夠得出，加載頻率在為5和7 Hz時，鋼絲簾線的抽出伸長量先緩慢增大后緩慢減小，當加載次數在15萬次時仍高于初始抽出伸長量，這一階段為疲勞壽命穩定階段,有損傷累計階段。而加載頻率為11 Hz時，鋼絲簾線抽出伸長量先較快增大，后迅速降低，損傷累計的階段性不再明顯，破壞較為明顯，有可能粘合層在加載疲勞時出現裂紋[4]。

表4 不同加載頻率和加載次數下試樣的抽出力

表5 不同加載頻率和加載次數下鋼絲簾線的表面附膠量

注：R表示抽出后粘合失效主要發生在橡膠相，即粘合界面強度比橡膠相要高；M表示抽出后失效主要發生在橡膠與鋼絲簾線界面層，即粘合界面強度比橡膠相要低。

圖3 不同頻率下試樣抽出的伸長量與疲勞次數N關系曲線

Fig 3 The curve relationship between elongation of the specimen with fatigue numberNunder different frequency

另一方面，從表4可以看出，在加載次數相對較低時，疲勞頻率對橡膠鋼絲抽出力的影響不是很明顯；但是，隨著加載次數的增加，如15萬次及以上，橡膠鋼絲抽出力隨著疲勞頻率的增加明顯降低。說明在高加載次數的條件下，疲勞頻率對橡膠鋼絲復合材料的粘合性能的影響較為明顯，并隨著疲勞頻率的增加隨之減弱。

事實上,頻率的變化使得試樣變形隨之變化的速率不同，這是使得其失效產生區別的主要原因；另一方面，由于疲勞產生的熱量會促使熱交聯和熱氧老化[5]，熱交聯使得試樣內部交聯密度變大，頻率越大，熱量產生的速度越快，試樣內部的反應變化越大，對橡膠鋼絲簾線的粘合性能破壞的也較大。

2.3 疲勞加載次數對橡膠鋼絲復合體粘合性能的影響

橡膠鋼線簾線試樣在疲勞加載過程中，由于加載所產生的能量除了主要用于材料的滯后熱消耗之外，還有一部分用在疲勞損傷的萌發和擴展的階段[6]。將橡膠鋼絲簾線試樣疲勞加載的次數設置為變量，考察能反映出橡膠鋼絲粘合性能的抽出力和加載次數的變化規律，見圖4所示。

從圖4能夠得出，在保持相同加載頻率、相同加載溫度，相同加載幅值的條件下，隨著加載疲勞次數的增加，疲勞后抽出力先平緩增加后逐漸降低，最后迅速下降，在這一階段橡膠鋼絲簾線粘合層可能出現失效或者裂紋。從所對應附膠量來分析，抽出粘合力增加時，疲勞引起的失效主要發生在橡膠相，這說明試樣界面處粘合力比橡膠相的大，相反，抽出力降低時，疲勞引起的失效主要出現在粘合界面處，說明界面處強度下降[7]。對實驗數據進行非線性擬合，可以得出抽出力Y隨疲加載次數C的變化規律公式，如表6所示。

在對橡膠鋼絲簾線試樣進行動態疲勞加載過程中，其粘合性能是由動態疲勞時熱量累積、硫化的返原和老化3個方面同時起到決定作用。當疲勞加載次數較低時，動態疲勞產生的熱量促使發生橡膠熱交聯與熱氧老化，熱交聯使得橡膠的交聯密度變強，致使抽出力有所增加。熱氧老化前期，在界面層會產生粘合保護層，保護層產生后會阻止橡膠繼續進行熱氧老化，所以在加載次數不高時，熱量累積比老化更有優勢，使得抽出粘合力會有緩慢增加的趨勢[8]。

相反，加載次數較高時，由于橡膠的交聯網絡已經取得完善，伴隨加載次數的增多，使得發生老化的時間增加，CuxS、ZnS/ZnO的生成量增加。當疲勞次數達到一定程度，CuxS層最終將被ZnS/ZnO覆蓋，過厚的氧化鋅層會破壞了CuxS層的完整性，導致橡膠鋼絲簾線粘合保護層出現破壞，從而減弱了其粘合性能的穩定。另外，鈷離子能通過打斷橡膠大分子鏈段使其發生氧化降解以及能使橡膠內的交聯網絡發生裂解[9]，上述兩種原因的協同作用使橡膠內交聯密度逐漸降低，而加快橡膠鋼絲粘合破壞的速度，導致其抽出力明顯降低。

圖4 在不同頻率下疲勞次數對抽出力的影響

Table 6 The relationship between different frequency adhesive strengthYand fatigue times

頻率/Hz粘合力與疲勞次數的關系式相關系數R-Square5Y=384.05+3.4581C-0.13C20.937017Y=378.9+3.3888C-0.182C20.90289Y=386.7+3.444C-0.20334C20.9616711Y=386.74+4.1033C-0.2694C20.97819

在疲勞次數較低時，交聯速度比較慢導致生成過度粘結層，粘合界面層會變得硬而易碎。疲勞次數較高時，交聯速度較快使得橡膠過硫，同時在粘合界面層生成的硫化銅的鍵能比較弱[10]。這兩種情況對粘合界面層的耐久性和使用性能都不利，使得其粘合性能降低，但在適當疲勞次數時，粘合界面的硫化銅會達到最優值，使得粘合力增大，所以在疲勞過程中會有抽出力增大的情況。

從抽出鋼絲表面特性來看，如表5所示，隨著動態加載疲勞次數的增加，附膠量也是先增加后減小，通過仔細觀察疲勞10～15萬次的鋼絲，能夠發現，其附膠更加均勻，且附膠量更加密實，這說明鋼絲簾線在被抽出過程中需克服更大的粘合力[11]；未疲勞或疲勞加載次數過大，抽出的鋼絲簾線表面比較光滑，鋼絲簾線纏繞清晰可見，附膠量不多且不均勻，抽出力也大幅降低。附膠量較多的鋼絲簾線抽出力高于附膠少的簾線，這說明橡膠向鋼絲的滲入情況會影響其耐疲勞性能。

2.4 動態疲勞后停放時間對橡膠鋼絲復合體粘合性能的影響

將疲勞試驗機的加載頻率設為7 Hz(實際行駛中速度約為64 km/h)，加載次數設10萬次，實驗溫度為室溫，對橡膠鋼絲簾線試樣進行疲勞試驗，測得數據如表7所示。

表7 停放時間對粘合性能的影響

Table 7 Effects of parking time on adhesion properties

停放時間/h埋入橡膠鋼絲長度/mm疲勞后附膠量/%抽出力均值/N012.525R/75M302.51212.525R/75M334.52412.550R/50M369.54812.550R/50M402.59612.575R/25M402.514412.575R/25M39319212.575R/25M38524012.550R/50M367.528812.550R/50M35533612.550R/50M327.5

注：R表示抽出后粘合失效主要發生在橡膠相，即粘合界面強度比橡膠相要高。 M表示抽出后失效主要發生在橡膠與鋼絲簾線界面層，即粘合界面強度比橡膠相要低。

表2是橡膠鋼絲簾線經過疲勞加載后停放時間對其粘合性能的影響情況，從抽出鋼絲附膠量能夠看出，附膠量隨著停放時間的增長先增多后減少。動態疲勞后停放初期，抽出的鋼絲附膠量并不多，說明疲勞加載過程中，橡膠與鋼絲簾線之間的粘合失效主要是由于粘合界面層的的損壞而產生的；隨著停放時間增長，鋼絲簾線的附膠量出現大幅的回升，說明界面處的粘合性能得到恢復，并超過橡膠自身強度，所以鋼絲被抽出時其粘合失效主要出現在橡膠相[12]。

從表7和圖5可以看出，抽出力隨著停放時間的延長先快速增大后平緩減小，疲勞加載后停放48 h橡膠鋼絲的抽出力達到最高，停放336 h后，抽出力仍然比疲勞加載后的初始抽出力要大，之后會經歷長時間的平穩保持階段。這是由于疲勞加載10萬次之后的粘合界面在短時間內得以迅速恢復，試樣在疲勞加載階段的熱交聯占主導地位，疲勞降解處于劣勢。

圖5 不同停放時間對粘合力的影響

Fig 5 Influence of parking time on pull-out force of steel cord

在動態加載疲勞后停放早期，離高模量鋼絲簾線比較近的橡膠，在動態疲勞加載結束后，由于鋼絲簾線的影響使其內應力變大，橡膠中炭黑運動空間增加，顆粒聚集在一起的幾率變多，從而產生應力集中現象，使得疲勞加載時破壞主要出現在粘合界面處；隨著停放時間增加，粘合界面層和挨著鋼絲簾線的橡膠相中由于疲勞引起失效的炭黑網格逐漸恢復，因為填料網格恢復可以在疲勞加載后停放的早期完成，所以停放48 h后網格基本得到恢復。

3 結 論

通過在相同加載溫度下，分別采用不同加載頻率，不同加載次數對橡膠鋼絲簾線試樣進行動態疲勞實驗。測試結果表明，加載頻率、加載次數和疲勞后停放時間均對橡膠鋼絲復合體粘合性能有著一定的影響。

(1) 疲勞頻率對鋼絲簾線抽出伸長量影響比較明顯，反映出頻率對橡膠鋼絲簾線的損傷累計和粘合失效性能的影響比較大。當疲勞的頻率逐漸提高,試樣斷裂時拉伸伸長量明顯降低。

(2) 在同種頻率下進行動態疲勞加載,隨著疲勞次數的增長，橡膠鋼絲簾線試樣抽出粘合力先增加后減小；同樣，附膠量的變化也是先增多后減小。主要是因為加載次數不高時，熱交聯使得橡膠的交聯密度變強，致使抽出力有所增加；伴隨加載次數的增多，發生老化的時間增加，使橡膠內交聯密度逐漸降低，導致其抽出力明顯降低。

(3) 試樣經過疲勞之后，隨著停放時間的延長，粘合力表現出先增大后下降的趨勢，疲勞后停放約48 h，抽出達到最大值，表明橡膠鋼絲簾線動態疲勞后粘合力的恢復主要發生在停放初期。

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Influence of fatigue loading factors on adhesion properties of rubber-steel wire complexes

LI Li， LIU Xiaodong，XIAO Peiguang, WANG Jiangzhong

(College of mechanical and electrical engineering,Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061,China)

In order to explore the influence of fatigue loading on the adhesive properties of rubber-steel wire complexes. In this paper, dynamic and static measurement methods are integrated using to research the influence of these items on the adhesive properties of rubber-steel wire complexes,which items contain fatigue frequency,fatigue loading times and storage time after dynamic fatigue measurement. The results show that the tensile elongation of sample at fracture shows obviously decreased with the increasing of fatigue frequency. The extraction force of rubber-steel wire complexes sample shows a variation tendency of firstly increases and then decreases with the increase of fatigue imposed times.In addition,the steel cord surface adhesive amount shows a variation tendency of firstly increases and then decreases with the increase of fatigue imposed times. The adhesion force also has a variation tendency of firstly increases and then decreases with the increasing of storage time,and the recovery of adhesion force after fatigue imposed mainly occurred in the initial stage of storage time.

rubber steel cord; adhesion properties; dynamic fatigue; loading times; drawing force

1001-9731(2016)12-12206-06

國家自然科學基金資助項目(51345006)；高等學校博士學科點專項科研基金資助課題(20123719120004)

2016-01-13

2016-03-10 通訊作者：劉瀟冬，E-mail: 18754223826@163.com

李 利 (1972-)，女，教授，主要從事高分子材料成型技術研究。

TQ336.1

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.12.035