相對滑動的橡膠表面與鋼表面間模型粒子的行為-EMKL-.doc

相對滑動的橡膠表面與鋼表面間模型粒子的行為V.A Coveney, C.MengerUniversity of the west of England (2000)摘要發(fā)生在相對滑動的橡膠表面與鋼表面之間的磨損可能是兩者直接作用引起的，也可能是由于外來粒子的介入引起的。前人已經(jīng)做了許多關(guān)于橡膠磨損的工作，現(xiàn)在我們引入后續(xù)補(bǔ)充方法：建立模型粒子（低碳鋼圓柱形粒子，六邊形柱狀鋼及石英粒子）短期以及長期的運(yùn)動模型（有限元方法）并用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行研究。有限元分析顯示（已被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）：一個(gè)圓柱形模型粒子將會在相對滑動的橡膠和鋼表面之間滾動。低載條件下粒子的切向速度符合橡膠塊的速度；重載條件下切向速度會超過橡膠塊的速度。對于六邊形的鋼和石英模型粒子，初始時(shí)粒子將會在被氧化的鋼表面滑動-水平力和豎直力的比例較低（0.10-0.14 .）。但隨著滑動的繼續(xù)將會產(chǎn)生光潔金屬表面，由此橡膠和鋼配合面間將會產(chǎn)生高磨擦系數(shù)（0.20-0.25）的粒子滾動。對磨損的不規(guī)則石灰石粒子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可以得到相似的粒子行為。然而，對于邊緣鋒利的不規(guī)則石英粒子，更可能會立即發(fā)生振動。有限元方法成功的模擬了六邊形粒子的滾動并預(yù)測了發(fā)生滾動所需的近似摩擦系數(shù)（鋼/粒子）實(shí)測的摩擦系數(shù)略低于預(yù)測值。這些發(fā)現(xiàn)表明：當(dāng)橡膠和低碳鋼相對滑動時(shí)（接觸界面存在離子和氧化），接觸界面上的粒子運(yùn)動方式會多種多樣；由此，橡膠壓力也會不同，這主要取決于粒子與鋼接觸界面間磨損的類型。關(guān)鍵字：橡膠，鋼，磨損1前言對相對滑動的橡膠與硬質(zhì)材料的磨損研究，主要集中在兩主體材料間的磨損。另外，也進(jìn)行了葉片研磨機(jī)的持續(xù)單向滑動實(shí)驗(yàn)。通過這個(gè)相對簡單的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了橡膠的striking ridged（波狀）磨損形式1-4。盡管這種磨損形式對于磨損的產(chǎn)生還缺少確定性1-3，5，磨損理論還是得到了進(jìn)一步發(fā)展。相對滑動的橡膠與鋼界面間產(chǎn)生的磨損，可能是兩者之間直接相互作用的結(jié)果，也可能是由于粒子的介入引起的。粒子可能來自于鋼渣、橡膠表層或外部。對于這種可能存在的復(fù)雜情況的研究相對較少6。兩個(gè)相對較硬表面間的三體磨損在實(shí)驗(yàn)和理論的層面上已被廣泛研究7-9，從中發(fā)現(xiàn)粒子的運(yùn)動模式對磨損現(xiàn)象產(chǎn)生類型的影響很大。本文的目的是闡明在有粒子介入的情況下哪種運(yùn)動模式比較容易發(fā)生。本文做了關(guān)于三維不規(guī)則粒子的實(shí)驗(yàn)；對于柱狀模型粒子則分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及有限元分析。2材料，實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法2.1 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)布置如圖1所示。此裝置可以工作在恒載荷及恒位移兩種模式。豎直及水平力通過一個(gè)六自由度的力/力矩轉(zhuǎn)換器作用在上方的低碳鋼表面（冷軋）。轉(zhuǎn)換器的最大加載量為400N（），800N（），400Nm。轉(zhuǎn)換器與ISA總線接收板（JR3，1523）配合，并通過A/D轉(zhuǎn)換器(Amplicon,PC-74)、標(biāo)準(zhǔn)PC（Taran 486SX25）及自定義程序進(jìn)行載荷采集，采集頻率為140Hz。圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備橡膠樣品寬20mm厚20mm，硫化時(shí)與鋼后墊板結(jié)合在一起。表1給出了橡膠成分。加裝后墊板的橡膠被貼在線性滑移臺上，滑移臺由液壓伺服控制系統(tǒng)控制的液壓缸驅(qū)動，液壓缸的位移由LVDT監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)用了三種類型的模型粒子：直徑5mm的圓柱形低碳鋼粒子，六邊形低碳鋼柱狀粒子（平行邊距離6mm）及六邊形光潔石英晶體粒子（平行邊距離7mm）。All three model particles were used as supplied-other than wiping with a clean cloth.每種情況，粒子的旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)移分別通過一個(gè)增量式光學(xué)編碼器及LVDT監(jiān)測。另外，實(shí)驗(yàn)還用了兩種不規(guī)則磨粒（三維）。一種是磨損的石灰石粒子（最大直徑8mm）；另一個(gè)是邊緣鋒利的石英粒子（最大直徑8.5mm）。首先用柱狀鋼粒子分別在豎直載荷為5-60N（定載實(shí)驗(yàn)）及初始豎直載荷（）5-150N（定位移實(shí)驗(yàn)）做了行程為45mm的短期實(shí)驗(yàn)?；瑒铀俣仍?.3mm/s與30mm/s間變化。（滑移臺的位移-時(shí)間曲線為三焦函數(shù)關(guān)系）。在相似實(shí)驗(yàn)條件下對六邊柱狀鋼粒子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。接下來對六邊形及不規(guī)則粒子進(jìn)行10000次循環(huán)的長時(shí)間實(shí)驗(yàn)作為短期實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充。在長時(shí)間實(shí)驗(yàn)中滑移臺的位移-時(shí)間曲線是幅值為3mm速度為20mm/s的三角函數(shù)。另外，在載荷為90N及定位移（相似初始載荷）條件下分別進(jìn)行長時(shí)間實(shí)驗(yàn)。每一個(gè)長時(shí)間實(shí)驗(yàn)都是新橡膠表面與鋼表面接觸。用光學(xué)顯微鏡和觸針式表面形貌儀分析磨損及未磨損區(qū)域。實(shí)驗(yàn)中，模型粒子（柱狀）的長軸垂直于滑移臺的軌跡。實(shí)驗(yàn)時(shí)室溫控制在232C。2.2 有限元分析用MARC非線性有限元和MENTAT前、后處理軟件在Sun工作站上進(jìn)行二維有限元分析。橡膠材料采用一個(gè)20mm厚的新虎克材料single term(不可雅壓縮) Rivlin series ；相應(yīng)的應(yīng)變能密度方程是此處為第一個(gè)柯西-格林變形向量10。是材料常數(shù)（剪切模量的一半），它由橡膠材料的單軸拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過MARC數(shù)據(jù)擬合軟件估計(jì)出來。有限元分析包括多重變形接觸體的建模。分析建立了圓形和六邊形顆粒。顆粒材料選用具有代表值的各向同性鋼材料；假設(shè)上方的結(jié)合面為剛性的，橡膠在20mm深度上的節(jié)點(diǎn)被固定。粒子采用全積分表面應(yīng)變單元（單元11）。有限元分析的網(wǎng)格如2所示；為了建立精確的帶摩擦的滑動模型，六邊形顆粒的上部要劃分較密的網(wǎng)格。橡膠采用全應(yīng)變面和赫爾曼公式單元（單元80）。粒子通過MARC/MENTAT變摩擦系數(shù)的粘滑摩擦模型施加法向壓力及摩擦力（來自于橡膠和界面）。剛性面首先向下運(yùn)動，導(dǎo)致粒子的一個(gè)平面壓入橡膠，然后水平運(yùn)動。圖2 有限元網(wǎng)格3結(jié)果和討論3.1 橡膠和剛性體結(jié)合面間的圓柱形模型粒子二維有限元分析（鋼-鋼摩擦系數(shù)分布從0.1到0.5，壓入深度是2.65mm時(shí)鋼和橡膠的摩擦系數(shù)為1）表明：所有情況下圓柱形模型粒子會更傾向于在橡膠和鋼接觸面間滾動。然而，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的有限元分析顯示，當(dāng)工作臺橫向速度不變時(shí)，隨著豎直方向載荷的增加，粒子的旋轉(zhuǎn)速度增加。當(dāng)豎直載荷為150N時(shí)，粒子表面的切向速度比滑移臺的速度高（圖3）11%。圖3 5mm直徑圓柱粒子的運(yùn)動距離，固定位移，初始法向力150N，滑動速度10mm/s（低載條件下兩種速度值一樣）Moore11 在重載條件下也做了實(shí)驗(yàn)，與本次實(shí)驗(yàn)速度相差10%，得到的結(jié)果與本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致相同。高出的速度是由圓柱粒子在延展的橡膠表面上滾動引起的。橡膠表面的延展是由于粒子的壓入引起的。3.2 六邊形模型粒子3.2.1 有限元仿真及短期實(shí)驗(yàn)對六邊形柱狀鋼粒子（平行邊間距6mm）進(jìn)行有限元分析。模型設(shè)定由初始法向載荷30N引起的壓痕為0.78mm，粒子在結(jié)合面間水平運(yùn)動。剛性面與鋼粒子的摩擦系數(shù)（）在連續(xù)的有限元分析中設(shè)定為0.05，0.10，0.15，0.20，0.25和0.30；鋼/橡膠摩擦系數(shù)（）恒定為1.0（值從0.1-1.2對結(jié)果無影響）。有限元分析顯示在非橡膠界面當(dāng)0.25時(shí)會發(fā)生滑動，而滾動則發(fā)生在0.3時(shí)（圖4）。圖4 有限元分析預(yù)測，粒子/剛性面摩擦系數(shù)為0.3時(shí)滾動發(fā)生（定位移，初始法向載荷30N）在短期實(shí)驗(yàn)中，粒子在界面上滑動，水平力和豎直力的比值為0.14。而滾動則是由在界面引入一小片影印紙引起的（不考慮粘附力）。此時(shí)將近達(dá)到0.25（圖5）。圖5 6mm六邊形柱狀鋼粒子，水平力和豎直力的比與時(shí)間的關(guān)系（實(shí)驗(yàn)；定位移；初始30N；滑動速度30mm/s）實(shí)驗(yàn)和有限元分析中水平力關(guān)于時(shí)間的關(guān)系曲線很相似（圖6）。圖6滾動開始時(shí)水平力關(guān)于時(shí)間的曲線，左側(cè)為預(yù)測結(jié)果，右側(cè)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.2.2 長時(shí)間實(shí)驗(yàn)對六邊形鋼和六邊形石英模型粒子進(jìn)行長時(shí)間實(shí)驗(yàn)。力和位移的數(shù)據(jù)（線性和旋轉(zhuǎn)）每125個(gè)循環(huán)記錄連續(xù)的11/2個(gè)循環(huán)。圖7給出了鋼粒子在恒定豎直載荷條件下第一個(gè)11/2循環(huán)的和關(guān)于時(shí)間的曲線（鋼粒子恒定豎直位移條件下的圖形與石英粒子恒定豎直載荷和恒定豎直位移時(shí)的圖形相似）。圖7 六邊形柱狀鋼粒子，水平力與豎直力的比值以及旋轉(zhuǎn)角度（右側(cè)）關(guān)于時(shí)間的曲線在所有情況下， 起始角隨時(shí)間改變沒有變化表明粒子剛開始沒有發(fā)生振動（定義粒子在給定的連續(xù)11/2個(gè)循環(huán)內(nèi)旋轉(zhuǎn)超過為振動）。鋼粒子的值關(guān)于時(shí)間的關(guān)系曲線實(shí)際上是上下幅值約為0.14的方波，對于石英粒子則是幅值為0.10的方波。在固定豎直位移條件下實(shí)驗(yàn)，對于這兩種類型的六邊形模型粒子，在給定的11/2次循環(huán)內(nèi)和|的最大值關(guān)于循環(huán)次數(shù)的曲線如圖8、9（固定載荷條件下結(jié)果類似）。圖8 六邊形柱狀鋼粒子最大旋轉(zhuǎn)角度（）和最大|關(guān)于循環(huán)次數(shù)的關(guān)系圖9 六邊形柱狀石英粒子最大旋轉(zhuǎn)角度（）和最大|關(guān)于循環(huán)次數(shù)的關(guān)系所有情況下，觀察圖8、9，粒子的振動出現(xiàn)在1000-3200次循環(huán)，和關(guān)于時(shí)間的曲線也驗(yàn)證了這點(diǎn)。根據(jù)觀察，對于鋼及石英柱狀粒子，當(dāng)|的值超過0.2（近似）粒子開始振動。隨著實(shí)驗(yàn)的繼續(xù)，六邊形鋼柱狀粒子的振動顯著的增加-當(dāng)|接近0.25時(shí)最終超過了（對于石英六邊形柱狀粒子，在觀測到振動后不久就超過了）。粒子長時(shí)間實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與有限元仿真的結(jié)果基本上符合，然而實(shí)驗(yàn)顯示振動發(fā)生時(shí)的摩擦系數(shù)（粒子與界面）比有限元分析預(yù)測的略低：分別為0.20-0.25和0.25-0.30。圖10表示當(dāng)振動剛發(fā)生時(shí)粒子的運(yùn)動情況。圖10 6mm六邊形柱狀鋼粒子（左側(cè)）和旋轉(zhuǎn)角度（右側(cè)）關(guān)于時(shí)間的曲線（1750次循環(huán)后；恒定90N）再接下來的磨損實(shí)驗(yàn)中，及關(guān)于時(shí)間的曲線顯示粒子發(fā)生了更為明顯的振動，如圖11，12；圖中可以看到粒子處于滾動的邊緣（圖5；由于行程的限制粒子不可能反轉(zhuǎn)到另一個(gè)粒子表面）。同樣，恒位移條件下的實(shí)驗(yàn)也觀測到相似的運(yùn)動情況。圖11 6mm六邊形柱狀鋼粒子（左側(cè)）和旋轉(zhuǎn)角度（右側(cè)）關(guān)于時(shí)間的曲線（4500次循環(huán)后；恒定90N）圖12 6mm六邊形柱狀石英粒子（左側(cè)）和旋轉(zhuǎn)角度（右側(cè)）關(guān)于時(shí)間的曲線（3250次循環(huán)后；恒定90N）鋼粒子和石英粒子最主要的區(qū)別在實(shí)驗(yàn)的后段，鋼粒子在方向上的運(yùn)動表現(xiàn)為非對稱性；而石英粒子則表現(xiàn)出較好的對稱性，盡管比較分散。通過計(jì)算來判斷鋼粒子和石英粒子在橡膠和剛性界面滑動時(shí)是否會引起輕微或嚴(yán)重的磨損。實(shí)驗(yàn)中平均的接觸壓力大約7MPa，低碳鋼的維氏硬度約為115HV（1.13GPa），標(biāo)準(zhǔn)化壓力(normalised pressure)約為0.66。根據(jù)Hutchings(12,圖5.14) 的鋼磨損模式圖，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化壓力值和滑動速度20mm/s處于輕微和嚴(yán)重磨損模式實(shí)驗(yàn)條件之間。在10000次循環(huán)實(shí)驗(yàn)后，對橡膠表面、鋼表面和粒子進(jìn)行目視及顯微檢測，結(jié)果顯示橡膠和石英粒子表面沒有任何破壞。然而，在所有情況下低碳鋼的表面被磨光并有黑色渣屑；這表明表面發(fā)生了氧化層的剝落及嚴(yán)重的磨損（鋼模型粒子表面較光潔）。微觀檢測顯示黑色磨屑的尺度為1-10。在長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)前后，用觸針形貌儀對粒子及鋼表面進(jìn)行測量，結(jié)果顯示表面粗糙度沒有明顯的變化。表2 總的來說，通過參考磨損模式圖，目視/顯微觀測及形貌儀檢測，加上力和位移磨損條件的測量，有粒子介入的橡膠/鋼相對滑動只會引起氧化層的剝落，進(jìn)而引起摩擦系數(shù)的增加。關(guān)于六邊形模型粒子的這些發(fā)現(xiàn)被不規(guī)則石灰石粒子的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)（在相似的載荷及速度條件下；然而由于無法將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化器和粒子相連，無法測量粒子的轉(zhuǎn)動）。在2000次循環(huán)實(shí)驗(yàn)后觀測到振動；同時(shí)也觀測到了鋼表面的磨光。然而，石灰石粒子承受了小但可見的破壞，產(chǎn)生了尺度為1-10的磨屑。對于不規(guī)則石英粒子（鋒利邊緣），振動立刻發(fā)生；這種情況下鋼表面沒有發(fā)生磨光。不規(guī)則石英粒子同樣承受了破壞，產(chǎn)生了磨屑脫落（1-1）。造成石英粒子和石灰石粒子不同運(yùn)動特性的原因是石英粒子上的尖銳微凸體與有一定粗糙度的鋼表面接觸或壓入鋼。4結(jié)論經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的有限元模擬揭示：圓柱形粒子在相對滑動的橡膠塊與干鋼界面之間會發(fā)生滾動。在低載條件下，圓柱粒子的切向速度與橡膠塊符合；在重載條件下超過橡膠塊速度。對于六邊形低碳鋼和石英粒子，剛開始粒子會在氧化了的低碳鋼表面滾動，水平力和豎直立的比較低（0.10-0.14）。然而，繼續(xù)滑動產(chǎn)生了光潔金屬表面，因而（離子/鋼）摩擦系