相對滑動的橡膠表面與鋼表面間模型粒子的行為EMKL

相對滑動的橡膠表面與鋼表面間模型粒子的行為V.ACoveney,C.MengerUniversityofthewestofEngland(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（0.10-0.14.）。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(yù)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(yù)測值。這些發(fā)現(xiàn)表明：當(dāng)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strikingridged（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)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(shè)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(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（Taran486SX25）及自定義程序進行載荷采集，采集頻率為140Hz。斧圖1莖瞧實驗盲設(shè)備亂諷橡膠伯樣品樓寬閉20院mm絞厚漂20扶mm月，扁硫化毀時與分鋼后竿墊板調(diào)結(jié)合道在一險起。母表1皇給出痛了橡旬膠成齊分。妙加裝全后墊妨板的鄭橡膠傭被貼稈在線蔬性廣滑移存臺上墾，滑部移臺您由液大壓伺懷服控趴制系另統(tǒng)控凍制的某液壓超缸驅(qū)懼動火，暈液壓凱缸的刷位移而由暈LV蹦DT蝴監(jiān)測嚷。疤實驗像用了主三種堅類型伶的模幫型粒報子質(zhì)：直哥徑麻5m拋m歷的圓般柱形褲低碳蓬鋼暢粒廁子糟，六拿邊形誕低碳貸鋼搬柱狀被粒子把（平酸行邊蟲距離布6m達m斬）及絨六邊晃形光急潔石催英晶拍體狹粒子妙（平樓行邊涼距離成7m撒m債）。紡Al韻l液th停re眉e犁mo殲de煩l跑p釘ar糾ti宰cl徹es繼w巨er尋e膝us錦ed放a斧s遍su勒pp響li螞ed賽--莫ot畫he號r胞th喬an監(jiān)w寫ip憂in掏g色wi簡th蒸字a喂cl扁ea標(biāo)n磨cl毛ot仇h葉.胡每種鴉情況宴，粒原子的篩旋轉(zhuǎn)馬、轉(zhuǎn)來移分園別通束過一改個增鑰量辜式光鉗學(xué)編嘉碼器賢及伸LV梢DT愛監(jiān)測憤。社另外陽，實母驗還麻用了畫兩種躬不規(guī)乞則磨鞠粒（考三維畜）。值一種光是磨亦損的伴石灰嘆石粒肆子（腐最大曉直徑惹8m灰m鐮）；廉另一陳個是淚邊緣衫鋒利獎的石胖英粒霧子（多最大蠅直徑守8.石5m老m攻）。哨首先餐用妙柱狀葡鋼粒挨子款分別距在豎誦直載偏荷為熱5-擊60內(nèi)N（屠定載井實驗顫）儲及損初始格豎直計載荷旱（據(jù)）5臭-1脅50膽N（聲定位欄移實劃驗）車做了昌行程途為股45析mm殃的故短期俱實驗臂。濃滑動垮速度林在縣2.個3m施m耽/s墓與投30鄉(xiāng)mm返/s窩間變非化。負（偏滑移肆臺的投位移狼-時陰間曲抖線德為三裕焦函搶數(shù)關(guān)誓系億）敏。在本相似尿?qū)嶒瀻蜅l件弟下對戶六邊元柱狀想鋼粒奮子進鐮行實初驗。玻接下系來對愚六邊毀形及謠不規(guī)尚則粒叔子進擋行1使00吸00婆次循妹環(huán)的算長時脾間實倦驗作聞為貴短期咱實驗柜的補爛充。庸在長煮時間瘋實驗鋸中滑沿移臺居的位找移-趕-磚時間疼曲線糠是幅犯值為晃3m烤m通速度窗為竹20能mm晨/s尾的三例角函震數(shù)授。總另外鴨，在思載荷盤為9燒0N搖及定庭位移窄（相摸似初擋始載殊荷）熊條件奴下分母別進歷行長駱時間誦實驗浴。船每一府個長認(rèn)時間桑實驗轉(zhuǎn)都是辟新橡燭膠表哄面貴與鋼化表面邪接觸枝。葡用光圾學(xué)顯繼微鏡稠和觸脊針式摧表面燕形貌薯儀分碰析磨證損及墓未磨梅損區(qū)祥域。墊實驗盆中，診模型吸粒子擔(dān)（陣柱狀筋）的升長軸且垂直便于滑狼移臺栽的軌似跡。獄實驗巷時室夢溫控哀制在帆23欣2易C。甩2.砌2辭有限似元分漸析鍬坡用M躁AR川C非講線性消有限積元康和M乏EN大TA衡T前索、后境處理闊軟件挨在S滴un甜工作款站上寫進行賢二維步有限蔬元押分析娘。工橡膠蟻材料扣采用雜一個東20熊mm鄉(xiāng)厚的寶新虎羽克材掙料錘[s側(cè)in擁gl銳e謹(jǐn)te程rm腸(不練可雅桶壓縮緊)壤Ri袋vl感in慚s湯er提ie渴s踢]覽；圈相應(yīng)量的應(yīng)鋤變能輛密度抽方程牌是拖此處笛為第脹一個頌柯西弓-格萍林變腹形向精量斗[1勉0]到。裙是材腥料常木數(shù)（覆剪切繡模量警的一溝半背）絨，它事由橡糧膠材已料的型單軸透拉伸洞實驗方數(shù)據(jù)晶通過乳MA令RC劃數(shù)據(jù)睜擬合歌軟件安估計深出來庫。寸有限貪元惹分析古包括架多重蘆變形麥接觸創(chuàng)體的材建模陽。分或析建帥立了段圓形叉和六么邊形租顆粒春。顆敘粒材泰料選卷用具餃有代述表值限的各療向同曬性鋼景材料佛；假夸設(shè)上仿方的逗結(jié)合型面為段剛性塊的吳，孩橡膠已在攝20塔mm較深度莫上程的芒節(jié)點縣被挑固定鄭。抓粒子揚采用報全積頑分表然面應(yīng)挨變單部元（禁單元疲11原）。嬌有限育元胸分析游的網(wǎng)豈格如毯2所習(xí)示；詞為了畏建立站精確粒的社帶摩倍擦的園滑動恭模型掛，六義邊形嗎顆粒限的上仆部要寫劃分廉較密蠻的網(wǎng)纏格貫。橡增膠采龍用丟全應(yīng)咸變面末和赫目爾曼麗公式疤單元榆（單喇元8較0）完。粒辜子通淹過M巾AR摸C/極ME死NT狂AT駁變涉摩擦龍系數(shù)層的偏粘滑汽摩擦競模型銜施加冬法向伐壓枯力及虎摩擦瓣力（愿來自借于橡韻膠和傅界鑒面洪）秧。剛聚性面烏首先撤向下梅運動冠，導(dǎo)尾致粒悉子的漲一個鑒平面送壓入好橡膠絕，呀然后釋水平善運動鳳。約圖2釣有學(xué)限元到網(wǎng)格黎3．細結(jié)果宰和討糟論連3.若1付橡膠弓和剛注性體租結(jié)合謹(jǐn)面間女的圓考柱形倒模型披粒子專壤二維蝶有限足元擺分析繼（鋼郊-鋼佩摩擦民系數(shù)隨分布纖從0黨.1委到0電.5厭，占壓入庫深度策是析2.穗65做mm駱時鋼概和橡窄膠的膝摩擦?xí)合禂?shù)揉為1御）臣表明駝：尤所有予情況漂下圓培柱形耽模型冒粒子居會更快傾向辭于在確橡膠傅和鋼隸接觸按面間振滾動器。然俱而，付經(jīng)實另驗驗穩(wěn)證的盾有限剝元留分析德顯示扶，當(dāng)鄰工作哭臺橫省向速所度渾不變率時輕，址隨著景豎直壘方向坡載荷交的增扮加，欄粒子殺的旋丑轉(zhuǎn)速荷度增鞋加擠。遲當(dāng)豎陰直載瞧荷為血15枝0N仍時，侵粒子炸表面盯的切岡向速鼻度比蹦滑移昌臺的堅速度喬高（曲圖3淡）1濁1%寸。喪圖3青倆5m棗m歐直徑及圓柱本粒子茶的運闊動距瞇離，籌固定眼位移紐，初涂始法君向力紙15寧0N侄，滑麗動速啊度慎10猶mm檔/s剛（霧低載塌條件只下兩匆種速孝度值膛一樣享）吳Mo彩or青e剖[1潮1]蒙在重叉載條加件載下妻也憤做鉛了實旗驗，羅與壩本次捷實驗倘速度摔相差范10兇%，遮得到谷的前結(jié)果浴與本敵文實束驗結(jié)棍果芽大捕致剝相同卻。文高出腹的速縮度是厲由圓插柱粒不子在匙延展幣的橡違膠表終面上籠滾動頁引起恒的。碌橡膠睜表面悠的延旗展是樂由于屆粒子謊的壓擁入引龜起的塘。植3.碑2及六邊扯形模他型粒哈子忘3.川2.累1嬌有限奇元兄仿真機及跪短期腫實驗蝕叛對六叨邊形躁柱狀梨鋼酒粒子嫁（平仔行邊到間距蓮6m敘m嶄）進殖行沈有限生元猶分析格。娛模型沸設(shè)定榜由初普始法貝向載稼荷3蕩0N乞引起前的壓坑痕為坡0.叨78禁mm場，粒情子在飼結(jié)合兩面間避水平推運動線。剛除性面緊與鋼尼粒子廢的摩肉擦系選數(shù)（臟）在刮連續(xù)潑的限有限演元哲分析揚中設(shè)郊定為竊0.原05搭，0架.1修0，違0.哀15退，0驢.2綿0，妙0.呆25窩和0運.3歇0；執(zhí)鋼/攻橡膠芬摩擦窄系數(shù)廢（懶）扮恒定才為1掉.0肢（測值從創(chuàng)0.慰1-怠1.割2繳對結(jié)留果無若影響常）。柜有限躬元哀分析茫顯示技在歐非童橡膠染界面傅當(dāng)皮0.申25恒時會木發(fā)生喝滑動枕，而懂滾動余則發(fā)蠅生在麥0.枯3時主（圖嗓4）壩。排圖4挖有梢限元致分析休預(yù)測顏，粒蜘子/襲剛性咽面摩頂擦系柄數(shù)為冤0.蔑3時炊滾動濾發(fā)生袋（定男位移升，初濟始法誠向載謝荷3使0N押）嗎痛在短介期實元驗中鑒，粒晃子在勒界面睬上滑奧動，膊水平魄力和車豎直雄力橡的比降值為喜0.解14撇。而翅滾動驅(qū)則是愈由在趕界面寒引入極一小欠片影私印紙頑引起語的（獅不考親慮粘春附力知）。夕此時筑將近捕達誕到0攀.2狠5（神圖5吳）。熟圖5擺病6m虛m逃六邊封形柱糕狀鋼無粒子借，水翻平力塊和豎倘直力高的比浩與時側(cè)間的怠關(guān)系掃（實敢驗；鍬定位榜移；袍初始有30歉N；程滑動端速度杏30誦mm狗/s嘆）旬下實驗加和圾有限儲元看分析囑中水蹤平力絹關(guān)于仆時間榴的關(guān)幅系曲肅線很丸相似興（圖廳6）肺。全圖6叮滾動旨開始極時水腳平力記關(guān)于泥時間示的曲灑線，滑左側(cè)循為預(yù)炎測結(jié)豆果，撞右側(cè)責(zé)為實武驗結(jié)夢果謊3.常2.渠2章長腰時間序?qū)嶒灳輰α胚呅尉I鋼和己六邊塞形石殺英模瓶型粒認(rèn)子進團行長令時間思實驗熔。力山和位捧移的飄數(shù)據(jù)己（線策性和蠶旋轉(zhuǎn)刮）每妥12西5個嗎循環(huán)宮記錄編連續(xù)芽的1飼1/娛2個憲循環(huán)血。圖癢7給蘋出了架鋼粒清子在畝恒定柜豎直攤載荷繞條件翼下始第一希個1護1/裕2循酒環(huán)的沿和棕關(guān)于盒時間橫的曲裹線敘（鋼率粒子愈恒定莊豎直知位移臭條件帆下的飛圖形惱與石抵英粒巾子恒茄定豎貫直載碌荷和漠恒定踐豎直俊位移近時的宴圖形蝶相似敵）柏。潤圖7謹(jǐn)六冠邊形慶柱狀禁鋼?；妥?，瞞水平嶄力與俊豎直碑力的精比值修以及盈旋轉(zhuǎn)私角度僵（右都側(cè)）喬關(guān)于強時間程的曲置線倍在所急有情蒙況下常，艦起始眠角隨戲時間略改變棋沒有掌變化獻表明臺粒子攏剛開溜始膜沒有揚發(fā)生醬振動錢（定抗義粒械子在網(wǎng)給定爸的連弱續(xù)1蜻1/贈2個丘循環(huán)遼內(nèi)旋釋轉(zhuǎn)超環(huán)過涌為振挎動）電。碰鋼粒例子的拼值關(guān)醫(yī)于時馳間的綿關(guān)系騾曲線億實際洞上是圖上下街幅值村約為蔑0.蘭14疤的方此波，畫對于班石英茶粒子水則是巾幅值緩為沃0.功10懼的方正波。殘在固栽定豎鉛直位康移條龍件下暈實驗支，對葬于這均兩種惰類型幣的六岔邊形菌模型奮粒子旁，在芬給定竊的1項1/巷2次屆循環(huán)辮內(nèi)政和|涌|的停最大怠值關(guān)服于循但環(huán)次殃數(shù)的幕曲線叨如圖撫8、卸9逃（固塑定載必荷條索件下醫(yī)結(jié)果北類似鋪）肚。雹圖8松確六邊愉形柱批狀鋼玻粒子繞最大翻旋轉(zhuǎn)亞角度組（尤）和亮最大吧|晴|關(guān)致于循鍛環(huán)次澡數(shù)的蔽關(guān)系圈圖9勵六騎邊形優(yōu)柱狀勸石英猶粒子砌最大貿(mào)旋轉(zhuǎn)倍角度圓（照）和料最大墳|驚|關(guān)憶于循扁環(huán)次雞數(shù)的葉關(guān)系值縮所有前情況踢下，漆觀察竄圖8挎、9叫，粒僚子的柴振動是出現(xiàn)梢在1定00唇0-蜻32捧00肺次循沙環(huán)，做和亞關(guān)于舉時間跨的萍曲線紫也驗差證了勵這點么。根掘據(jù)觀忘察，閱對于晚鋼及依石英壩柱狀采粒子井，當(dāng)唇|蒙|的荷值超學(xué)過0頌.2吹（近攏似）命粒子衡開始唇振動役。隨滾著實瓶驗的桌繼續(xù)糟，六挖邊形遞鋼定柱狀輩粒子筋的振疼動顯染著的肥增加洲--腎當(dāng)|戰(zhàn)|接萌近0炒.2紗5時都最終書超過黎了揀（對兩于石瘋英六談邊形湖柱狀熄粒子存，在酷觀測昆到振餃動后芳不久衣就超允過了夏）罵。征粒子掠長時霉間實序驗的持結(jié)果沖與輛有限兵元司仿真剃的結(jié)怖果基些本上繩符合兆，然陵而實煎驗顯巡示振揪動發(fā)招生時秒的摩共擦系贈數(shù)（通粒子鬧與界裹面）攜比糊有限哀元煎分析拳預(yù)測酷的略蕉低：瞇分別桿為0幕.2東0-紀(jì)0.朝25濕和0泛.2稍5-羅0.復(fù)30奮。圖極10雷表示辮當(dāng)振簡動剛睡發(fā)生波時粒盟子的冬運動久情況初。陽圖1敏0永6m謹(jǐn)m姿六邊顏形柱線狀鋼誰粒子決（左迅側(cè)）機和旋墻轉(zhuǎn)角執(zhí)度惹（右敘側(cè)）灶關(guān)于跌時間剪的曲請線皺（1纏75啄0次喉循環(huán)凳后；長恒定撿90駛N）銷再接怎下來旱的疑磨損微實驗初中景，杠及盞關(guān)于址時間哄的浴曲線進顯示乘粒子惑發(fā)生材了鹽更為冤明顯男的振濟動，洗如圖各11嶺，1歪2；宵圖中勉可以兄看到溫粒子匠處于憶滾動耐的邊江緣（言圖5歐；由騎于行短程的鮮限制抹粒子驅(qū)不可肅能反紡轉(zhuǎn)到陵另一醉個粒寇子表蹤面門）。融同樣檔，恒雨位移繡條件眉下的必實驗估也情觀測佛到相匪似的尿運動朵情況困。譽圖1鐘1嗚6m甜m健六邊成形柱歲狀鋼天粒子票（左淘側(cè)）疲和旋各轉(zhuǎn)角聯(lián)度邪（右葡側(cè)）服關(guān)于段時間腎的曲厘線（保45胞00突次循倆環(huán)后部；恒丙定盼90釀N）浪圖1戰(zhàn)2突6m燈m聽六邊考形柱井狀仔石英雁粒子然（左邀側(cè)）改和旋混轉(zhuǎn)角奴度畝（右著側(cè)）平關(guān)于五時間色的曲刊線（透32牧50睬次循墳環(huán)后貓；恒俯定雁90水N）繡鋼粒襖子和委石英祥粒子尸最主稀要的戚區(qū)別承在實章驗的拐后段飾，鋼午粒子漸在川方向懇上的秧運動籍表現(xiàn)鏟為非差對稱泥性；獎而石飯英粒臭子則裕表現(xiàn)累出較盼好的疼對稱億性，備盡管易比較騙分散辜。麻通過唐計算塞來判餡斷鋼艷粒子網(wǎng)和石床英粒咬子在圖橡膠注和剛警性界印面滑另動時侮是否側(cè)會引王起輕梳微或竿嚴(yán)重濃的磨簽損。嗽實驗宵中平煤均的塌接觸搶壓力叔大約竭7M涌Pa登，低慨碳鋼圈的維尋氏硬富度約尺為1廁15鎮(zhèn)HV鐮（1槳.1軋3G替Pa浙），賀標(biāo)準(zhǔn)萍化槐壓力桌(疲no斑rm篩al缺is最ed說p訊re韻ss撈ur鞏e)占約為鴨0.慈66購。根離據(jù)H歌ut膊ch長in孔gs猶([唇12庸],緣圖5紐.1避4)傲的里鋼磨罷損?？検綀D榮，這父個族標(biāo)準(zhǔn)?；瘔后@力桐值和燥滑動攝速度索20像mm煌/s擦處于棉輕微撿和嚴(yán)疊重磨燙損模熊式實智驗條蛾件捧之收間。漢在1蚊00練00呢次循斬環(huán)實志驗后禍，對袖橡膠孫表面推、鋼掙表面乎和粒捧子進光行目屯視及痕顯微客檢測啦，結(jié)縣果顯抽示橡孕膠和日石英涼粒子拜表面戀沒有滴任何蝴破壞圓。然凝而，衣在所儉有情勒況下票低碳奶鋼的慮表面占被磨是光并仇有黑相色渣就屑；縱這表毅明表倦面發(fā)炮生了肥氧化倒層的斜剝落活及嚴(yán)饒重的準(zhǔn)磨損圾（純鋼模撈型粒征子表綱面較虛光潔球）粱。微炊觀檢鏈測顯丹示黑打色磨餓屑的焦尺度找為1渴-1圈0炕。忌在長好時間漸的實薪驗前謙后，格用觸薄針形漂貌儀莫對粒芬子及堪鋼表槳面進互行測膝量，淋結(jié)果詳顯示憐表面嗓粗糙櫻度沒趟有明略顯的劑變化雪。脫表2巧董總的漢來說略，掌通過腐參考翁磨損匆模式埋圖，獲目視束/顯令微觀俘測及壁形貌叢儀檢像測，訂加上豪力和敞位移擦磨損鍛條件怨的測登量，茄有粒拴子介吹入娛的橡劇膠候/居鋼相龍對螺滑動處只會溉引起乓氧化搞層的僚剝落私，蕉進鐘而引棕起摩植擦系往數(shù)的購增加哄。治臉關(guān)于賢六邊戒形模猶型粒謝子的拜這些忽發(fā)現(xiàn)滲被不痰規(guī)則筐石灰饞石粒什子的房實驗殺所證贈實宮（在患相似妥的載旨荷及倉速度黃條件階下；敞然而脹由于炸無法蔑將轉(zhuǎn)漁動轉(zhuǎn)傾化器關(guān)和粒加子相心連，格無法濃測量篇粒子獲的轉(zhuǎn)胳動）旅。木在2螞00削0次為循環(huán)仿實驗嚴(yán)后觀描測到鬼振動貢；同悶時也當(dāng)觀測始到了漲鋼表趨面的惠磨光伯。然遵而，僑石灰純石粒壁子承攝受了譯小但拘可見稿的破掙壞，嘉產(chǎn)生執(zhí)了尺香度為撥1-秀10輔的磨紡屑。爐對于陰不規(guī)界則石斗英粒駝子（已鋒利打邊緣食），聯(lián)振動殲立刻蠻發(fā)生殲；啦這種末情況印下鋼兩表面晝沒有摔發(fā)生晴磨光請。不解規(guī)則日石英遍粒子俊同樣活承受福了破本壞，芳產(chǎn)生鹿了磨棟屑脫斷落（僅1閥-1騙）。種造成寇石英下粒子析