橡膠磨耗量與摩擦能的相關性研究

陳 燕，尹海山，王子玥

（中策橡膠集團有限公司，浙江 杭州 310008）

對輪胎耐磨性的認識最初是從研究橡膠磨耗機理開始的，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行了較深入的研究。國內外諸多學者[6-9]更多地從材料改進、材料老化壽命和測試條件等方面進行研究。這些研究使人們對橡膠磨耗機理有了比較深刻的理解。但橡膠及輪胎的磨耗是非常復雜的物理化學過程，因而仍然是業(yè)界各大公司致力研究的熱點之一。

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

1 實驗

1.1 測試儀器及原理

LAT100磨耗試驗機，荷蘭VMI公司產品。接觸面為旋轉轉盤（磨損盤），對橡膠輪設定角度和負載，轉盤帶動橡膠輪按設定速度轉動，紅外掃描和測力傳感器可以測試橡膠輪的縱向力、側向力和表面溫度，磨耗量通過橡膠輪研磨掉的碎屑稱重獲得。

1.2 試驗條件

負荷 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，共計制樣48個；轉盤面材質為鋁120，環(huán)境溫度為25 ℃。

2 結果與討論

2.1 LAT100磨耗試驗

采用LAT100磨耗試驗機對樣品進行磨耗量測試并記錄結果。

2.2 有限元模擬計算

2.2.1 有限元建模

基于ABAQUS進行有限元建模，橡膠本構模型為線彈性，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轉動，帶動橡膠輪旋轉，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 橡膠輪摩擦能的計算及試驗擬合

由模擬結果計算可以得到橡膠輪與磨損盤接觸面內，每個接觸單元在平面內的兩個剪切力分量，其表達式為

其中

式中，i=1，2（1代表縱向，2代表橫向）；τe為摩擦應力，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）計算公式為

橡膠輪每旋轉1周的總摩擦能密度（E）的計算公式為

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磨耗試驗測試結果及摩擦能密度模擬計算結果見表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，測試過程中停機造成的。

表1 LAT100磨耗試驗測試及摩擦能仿真計算結果

由上述結果可得出磨耗預測模型如下：

式中，AE為磨耗強度，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，數(shù)值大則說明磨耗量對摩擦能依賴性更強，材料更不耐磨。

圖5給出了實測磨耗強度與模擬計算摩擦能的冪函數(shù)關系。由圖5可見，實測磨耗強度與仿真摩擦能的相關性較好。

圖5 實測磨耗強度與計算摩擦能的關系曲線

3 結語

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