相對滑動的橡膠表面與鋼表面間模型粒子的行為

1、相對滑動的橡膠表面與鋼表面間模型粒子的行為V.A CoveneyUniversity 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。前人已經做了許多關于橡膠磨損的工作，現(xiàn)在我們引入后續(xù)補充方法：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）短期以及長期的運動模型（有限元方法）并用實驗的方法進行研究。有限元分析顯示（已被實驗驗證）：一個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

2、六邊形的鋼和石英模型粒子，初始時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（-0.14 .）。但隨著滑動的繼續(xù)將會產生光潔金屬表面，由此橡膠和鋼配合面間將會產生高磨擦系數(shù)（0.20-0.25）的粒子滾動。對磨損的不規(guī)則石灰石粒子進行實驗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測了發(fā)生滾動所需的近似摩擦系數(shù)（鋼/粒子）實測的摩擦系數(shù)略低于預測值。這些發(fā)現(xiàn)表明：當橡膠和低碳鋼相對滑動時（接觸界面存在離子和氧化），接觸界面上的粒子運動方式會多種多樣；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

3、損的類型。關鍵字：橡膠，鋼，磨損1前言對相對滑動的橡膠與硬質材料的磨損研究，主要集中在兩主體材料間的磨損。另外，也進行了葉片研磨機的持續(xù)單向滑動實驗。通過這個相對簡單的實驗發(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生還缺少確定性1-3，5，磨損理論還是得到了進一步發(fā)展。相對滑動的橡膠與鋼界面間產生的磨損，可能是兩者之間直接相互作用的結果，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雜情況的研究相對較少6。兩個相對較硬表面間的三體磨損在實驗和理論的層面上已被廣泛研究7-9，從中發(fā)現(xiàn)粒子的運動模式對磨損現(xiàn)

4、象產生類型的影響很大。本文的目的是闡明在有粒子介入的情況下哪種運動模式比較容易發(fā)生。本文做了關于三維不規(guī)則粒子的實驗；對于柱狀模型粒子則分別進行實驗及有限元分析。2材料，實驗設備及方法2.1 實驗實驗布置如圖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六自由度的力/力矩轉換器作用在上方的低碳鋼表面（冷軋）。轉換器的最大加載量為400N（），800N（），400Nm。轉換器與ISA總線接收板（JR3，1523）配合，并通過A/D轉換器(Amplicon,PC-74)、標準PC（Taran 486SX25）及自定義程序進行載荷采集，采集頻率為140Hz。圖1 實驗設備橡膠樣

5、品寬20mm厚20mm，硫化時與鋼后墊板結合在一起。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)控制的液壓缸驅動，液壓缸的位移由LVDT監(jiān)測。實驗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、轉移分別通過一個增量式光學編碼器及LVDT監(jiān)測。另外，實驗還用了兩種不規(guī)則磨粒（三維）

6、。一種是磨損的石灰石粒子（最大直徑8mm）；另一個是邊緣鋒利的石英粒子（最大直徑）。首先用柱狀鋼粒子分別在豎直載荷為5-60N（定載實驗）及初始豎直載荷（）5-150N（定位移實驗）做了行程為45mm的短期實驗?；瑒铀俣仍?s與30mm/s間變化。（滑移臺的位移-時間曲線為三焦函數(shù)關系）。在相似實驗條件下對六邊柱狀鋼粒子進行實驗。接下來對六邊形及不規(guī)則粒子進行10000次循環(huán)的長時間實驗作為短期實驗的補充。在長時間實驗中滑移臺的位移-時間曲線是幅值為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）條件下分別進行長時間實驗。每一個長時間實驗都是新橡膠表面與鋼表面接

7、觸。用光學顯微鏡和觸針式表面形貌儀分析磨損及未磨損區(qū)域。實驗中，模型粒子（柱狀）的長軸垂直于滑移臺的軌跡。實驗時室溫控制在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工作站上進行二維有限元分析。橡膠材料采用一個20mm厚的新虎克材料single term(不可雅壓縮) Rivlin series ；相應的應變能密度方程是此處為第一個柯西-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驗數(shù)據通過MARC數(shù)據擬合軟件估計出來。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

8、設上方的結合面為剛性的，橡膠在20mm深度上的節(jié)點被固定。粒子采用全積分表面應變單元（單元11）。有限元分析的網格如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格。橡膠采用全應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）。剛性面首先向下運動，導致粒子的一個平面壓入橡膠，然后水平運動。圖2 有限元網格3結果和討論3.1 橡膠和剛性體結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，壓入深度是時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

9、和鋼接觸面間滾動。然而，經實驗驗證的有限元分析顯示，當工作臺橫向速度不變時，隨著豎直方向載荷的增加，粒子的旋轉速度增加。當豎直載荷為150N時，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驗，與本次實驗速度相差10%，得到的結果與本文實驗結果大致相同。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 有限元仿真及短期實驗對六邊形柱狀鋼粒子（平行邊間距6mm）進行有限元分析。模型

10、設定由初始法向載荷30N引起的壓痕為，粒子在結合面間水平運動。剛性面與鋼粒子的摩擦系數(shù)（）在連續(xù)的有限元分析中設定為0.05，0.10，0.15，0.20，0.25和0.30；鋼/橡膠摩擦系數(shù)（）（對結果無影響）。有限元分析顯示在非橡膠界面當0.25時會發(fā)生滑動，而滾動則發(fā)生在0.3時（圖4）。（定位移，初始法向載荷30N）在短期實驗中，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）。此時將近達到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間的關系（實驗；定位移；初始30N；滑動速度30mm/s）實驗和有限元

11、分析中水平力關于時間的關系曲線很相似（圖6）。圖6滾動開始時水平力關于時間的曲線，左側為預測結果，右側為實驗結果 長時間實驗對六邊形鋼和六邊形石英模型粒子進行長時間實驗。力和位移的數(shù)據（線性和旋轉）每125個循環(huán)記錄連續(xù)的11/2個循環(huán)。圖7給出了鋼粒子在恒定豎直載荷條件下第一個11/2循環(huán)的和關于時間的曲線（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角度（右側）關于時間的曲線在所有情況下， 起始角隨時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個循環(huán)內旋轉超過為振動）。鋼粒子

12、的值關于時間的關系曲線實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驗，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)內和|的最大值關于循環(huán)次數(shù)的曲線如圖8、9（固定載荷條件下結果類似）。圖8 六邊形柱狀鋼粒子最大旋轉角度（）和最大|關于循環(huán)次數(shù)的關系圖9 六邊形柱狀石英粒子最大旋轉角度（）和最大|關于循環(huán)次數(shù)的關系所有情況下，觀察圖8、9，粒子的振動出現(xiàn)在1000-3200次循環(huán)，和關于時間的曲線也驗證了這點。根據觀察，對于鋼及石英柱狀粒子，當|的值超過0.2（近似）粒子開始振動。隨著實驗的繼續(xù)，六邊形鋼柱狀粒子的振動顯著的增加-當|

13、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）。粒子長時間實驗的結果與有限元仿真的結果基本上符合，然而實驗顯示振動發(fā)生時的摩擦系數(shù)（粒子與界面）比有限元分析預測的略低：分別為0.20-0.25和0.25-0.30。圖10表示當振動剛發(fā)生時粒子的運動情況。圖10 6mm六邊形柱狀鋼粒子（左側）和旋轉角度（右側）關于時間的曲線（1750次循環(huán)后；恒定90N）再接下來的磨損實驗中，及關于時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到另一個粒子表面）。同樣，恒位移條件下的實驗也觀測到相似的運動情況。圖11

14、6mm六邊形柱狀鋼粒子（左側）和旋轉角度（右側）關于時間的曲線（4500次循環(huán)后；恒定90N）圖12 6mm六邊形柱狀石英粒子（左側）和旋轉角度（右側）關于時間的曲線（3250次循環(huán)后；恒定90N）鋼粒子和石英粒子最主要的區(qū)別在實驗的后段，鋼粒子在方向上的運動表現(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。通過計算來判斷鋼粒子和石英粒子在橡膠和剛性界面滑動時是否會引起輕微或嚴重的磨損。實驗中平均的接觸壓力大約7MPa，低碳鋼的維氏硬度約為115HV（1.13GPa），標準化壓力(normalised pressure)。根據Hutchings(12,圖5.14) 的鋼磨損模式圖，

15、這個標準化壓力值和滑動速度20mm/s處于輕微和嚴重磨損模式實驗條件之間。在10000次循環(huán)實驗后，對橡膠表面、鋼表面和粒子進行目視及顯微檢測，結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。在長時間的實驗前后，用觸針形貌儀對粒子及鋼表面進行測量，結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，進而引起摩擦系數(shù)的增加。關于六

16、邊形模型粒子的這些發(fā)現(xiàn)被不規(guī)則石灰石粒子的實驗所證實（在相似的載荷及速度條件下；然而由于無法將轉動轉化器和粒子相連，無法測量粒子的轉動）。在2000次循環(huán)實驗后觀測到振動；同時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，產生了磨屑脫落（1-1）。造成石英粒子和石灰石粒子不同運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結論經實驗驗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)滑動產生了光潔金屬表面，因而（離子/鋼）摩擦系數(shù)顯著提高（