相对滑动的橡胶表面与钢表面间模型粒子的行为-EMKL-.doc

相对滑动的橡胶表面与钢表面间模型粒子的行为V.A Coveney, C.MengerUniversity of the west of England (2000)摘要发生在相对滑动的橡胶表面与钢表面之间的磨损可能是两者直接作用引起的，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，现在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）并用实验的方法进行研究。有限元分析显示（已被实验验证）：一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可以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并预测了发生滚动所需的近似摩擦系数（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，这主要取决于粒子与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与硬质材料的磨损研究，主要集中在两主体材料间的磨损。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striking ridged（波状）磨损形式1-4。尽管这种磨损形式对于磨损的产生还缺少确定性1-3，5，磨损理论还是得到了进一步发展。相对滑动的橡胶与钢界面间产生的磨损，可能是两者之间直接相互作用的结果，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。两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。此装置可以工作在恒载荷及恒位移两种模式。竖直及水平力通过一个六自由度的力/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400N（），800N（），400Nm。转换器与ISA总线接收板（JR3，1523）配合，并通过A/D转换器(Amplicon,PC-74)、标准PC（Taran 486SX25）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，硫化时与钢后垫板结合在一起。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子（平行边距离7mm）。All three model particles were used as supplied-other than wiping with a clean cloth.每种情况，粒子的旋转、转移分别通过一个增量式光学编码器及LVDT监测。另外，实验还用了两种不规则磨粒（三维）。一种是磨损的石灰石粒子（最大直径8mm）；另一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与30mm/s间变化。（滑移台的位移-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。每一个长时间实验都是新橡胶表面与钢表面接触。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工作站上进行二维有限元分析。橡胶材料采用一个20mm厚的新虎克材料single term(不可雅压缩) Rivlin series ；相应的应变能密度方程是此处为第一个柯西-格林变形向量10。是材料常数（剪切模量的一半），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，导致粒子的一个平面压入橡胶，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3 5mm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（低载条件下两种速度值一样）Moore11 在重载条件下也做了实验，与本次实验速度相差10%，得到的结果与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0.78mm，粒子在结合面间水平运动。刚性面与钢粒子的摩擦系数（）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一小片影印纸引起的（不考虑粘附力）。此时将近达到0.25（图5）。图5 6mm六边形柱状钢粒子，水平力和竖直力的比与时间的关系（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一个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与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 六边形柱状钢粒子，水平力与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，对于这两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|关于循环次数的关系所有情况下，观察图8、9，粒子的振动出现在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与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（粒子与界面）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10 6mm六边形柱状钢粒子（左侧）和旋转角度（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；图中可以看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一个粒子表面）。同样，恒位移条件下的实验也观测到相似的运动情况。图11 6mm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12 6mm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(normalised pressure)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并有黑色渣屑；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剥落，进而引起摩擦系数的增加。关于六边形模型粒子的这些发现被不规则石灰石粒子的实验所证实（在相似的载荷及速度条件下；然而由于无法将转动转化器和粒子相连，无法测量粒子的转动）。在2000次循环实验后观测到振动；同时也观测到了钢表面的磨光。然而，石灰石粒子承受了小但可见的破坏，产生了尺度为1-10的磨屑。对于不规则石英粒子（锋利边缘），振动立刻发生；这种情况下钢表面没有发生磨光。不规则石英粒子同样承受了破坏，产生了磨屑脱落（1-1）。造成石英粒子和石灰石粒子不同运动特性的原因是石英粒子上的尖锐微凸体与有一定粗糙度的钢表面接触或压入钢。4结论经实验验证的有限元模拟揭示：圆柱形粒子在相对滑动的橡胶块与干钢界面之间会发生滚动。在低载条件下，圆柱粒子的切向速度与橡胶块符合；在重载条件下超过橡胶块速度。对于六边形低碳钢和石英粒子，刚开始粒子会在氧化了的低碳钢表面滚动，水平力和竖直立的比较低（0.10-0.14）。然而，继续滑动产生了光洁金属表面，因而（离子/钢）摩擦系