張云帆，王桂林，王 君，周 磊，薛 霖，唐 明

（1.青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266000；2.青島輪云設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，山東 青島 266000）

輪胎的耐磨性能直接影響其安全性、使用壽命和環(huán)保性。國內(nèi)外學(xué)者[1-7]通過觀察橡膠磨耗后的表面狀態(tài)、紋理、磨屑顆粒以及化學(xué)結(jié)構(gòu)等，深入研究了其磨耗機理。ISO 23794：2005對阿克隆磨耗、DIN磨耗、蘭伯恩磨耗等14種橡膠磨耗試驗法進(jìn)行了規(guī)范。然而，由于橡膠的磨耗涉及物理和化學(xué)等復(fù)雜過程，其研究仍是橡膠性能研究的熱點和難點之一。

與已深入研究的阿克隆磨耗、DIN磨耗、Lat 100磨耗等不同，新蘭伯恩磨耗試驗機作為新型磨耗設(shè)備，其參數(shù)與磨耗關(guān)系以及機理研究相對較少。本工作研究新蘭伯恩磨耗設(shè)備試驗參數(shù)（載荷、試樣速度、滑移率和滑石粉落粉速度）與膠料磨耗狀態(tài)的關(guān)系，以及不同磨耗參數(shù)下膠料磨耗表面紋理與磨屑的差異，以期深入了解橡膠的磨耗機理。

1 實驗

1.1 試驗設(shè)備及原理

AB-1165型新蘭伯恩磨耗設(shè)備，60 μm（240目）砂紙磨輪，日本上島公司產(chǎn)品。試樣與充當(dāng)路面的砂紙磨輪雙向驅(qū)動，通過速度差實現(xiàn)滑移率的可控調(diào)節(jié)，滑移率可測試范圍為5%～80%，載荷范圍為20～70 N。設(shè)備有可設(shè)置定量落下滑石粉程序，且自帶去污刷子，能夠及時清掃砂紙磨輪，減少磨屑粘附對試驗結(jié)果的影響。

1.2 試樣制備

試驗?zāi)z料配方（用量/份）如下：丁苯橡膠100，炭黑N375 40，白炭黑1165MP 40，環(huán)保油30，其他 25。

膠料在開煉機上混煉，在平板硫化機上硫化，硫化條件為161 ℃×30 min。通過模壓成型制備新蘭伯恩標(biāo)準(zhǔn)試樣，厚度為10 mm，外直徑為49 mm，內(nèi)直徑為23 mm。

1.3 試驗方案

試驗方案設(shè)計如下。

方案1：試樣速度、滑移率、落粉速度一定，載荷分別為20，30，40，50，60 N進(jìn)行試驗。

方案2：載荷、滑移率、落粉速度一定，試樣速度分別為10，12.5，25，50，75，100，125，150 m·min-1進(jìn)行試驗。

方案3：載荷、試樣速度、落粉速度一定，滑移率分別為5%，10%，20%，30%，40%進(jìn)行試驗。

方案4：載荷、試樣速度、滑移率一定，落粉速度分別為0.053，0.107，0.160，0.213，0.266，0.320，0.373，0.533，0.799，1.078，1.355 cm3·min-1進(jìn)行試驗。

1.4 試驗預(yù)處理

為確保試驗中磨耗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，試驗前需進(jìn)行砂紙預(yù)打磨。砂紙打磨前后的表面狀態(tài)存在明顯差異（見圖1），打磨前表面有高低不平的尖銳棱角，膠料磨耗量波動較大；打磨后表面所有高低不平的棱角趨向平緩，膠料磨耗量相對穩(wěn)定，利于研究其他磨耗參數(shù)與磨耗狀態(tài)的關(guān)系。砂紙打磨采用低苛刻度條件進(jìn)行7組試驗，每組5個試樣，結(jié)果如表2和圖2所示。從表2和圖2可知，從第5組，即第21個試樣開始，砂紙磨輪的磨耗數(shù)據(jù)逐步穩(wěn)定，可以進(jìn)行下步試驗。此外，為保證試樣磨耗時狀態(tài)相同，砂紙打磨條件一致：載荷 40 N，試樣速度 50 m·min-1，滑移率 30%，落粉速度0.053 cm3·min-1，打磨時間 30 s。

表2 砂紙預(yù)打磨試驗數(shù)據(jù)

圖1 砂紙打磨前后示意

圖2 砂紙預(yù)打磨時磨耗速度的變化趨勢

2 結(jié)果與討論

2.1 載荷與磨耗速度的關(guān)系

按照方案1進(jìn)行試驗，結(jié)果如圖3所示，試樣速度、滑移率、落粉速度分別為50 m·min-1，30%，0.053 cm3·min-1。從圖3可以看出，載荷與磨耗速度呈線性相關(guān)，且相關(guān)性較高。

圖3 載荷與磨耗速度的關(guān)系

為深入研究載荷對磨耗速度的影響，進(jìn)行了接地面積的測量。使用新蘭伯恩磨耗設(shè)備自帶的載荷控制系統(tǒng)，將試樣表面涂滿拓印顏料后置于測試區(qū)。在試樣與砂紙磨輪之間放置拓印紙，啟動載荷控制系統(tǒng)，即可在測試過程中真實地拓印下接地面積并計算其數(shù)值，結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，載荷與接地面積呈正相關(guān)性。由此可知，接地面積和接地壓力的增大是導(dǎo)致磨耗速度增大的主要原因。載重汽車、巴士等大型車輛的輪胎內(nèi)壓約為700 kPa[8]，對應(yīng)測試載荷為40～50 N；轎車等小型車輛的輪胎內(nèi)壓約為250 kPa，對應(yīng)測試載荷為10～15 N。因此，可以根據(jù)橡膠的實際應(yīng)用方式選擇合適的測試條件。

圖4 載荷與接地面積的關(guān)系

2.2 試樣速度與磨耗速度的關(guān)系

按照方案2進(jìn)行試驗，結(jié)果如圖5所示，載荷、滑移率、落粉速度分別為40 N，30%，0.053 cm3·min-1。

圖5 試樣速度與磨耗速度的關(guān)系

從圖5可以看出，單位時間磨耗速度與試樣速度的相關(guān)性較高，而單位距離磨耗速度與試樣速度基本無相關(guān)性?？紤]到車輛的實際行駛情況，其滑移率和速度都是變化的，因此單位距離磨耗速度更能準(zhǔn)確地反映試樣速度與磨耗速度的關(guān)系。

2.3 滑移率與磨耗狀態(tài)的關(guān)系

按照方案3進(jìn)行試驗，結(jié)果如圖6—8所示，載荷、試樣速度、落粉速度分別為40 N，50 m·min-1，0.053 cm3·min-1。

圖6 滑移率與磨耗速度的關(guān)系

從圖6可以看出，滑移率與磨耗速度相關(guān)性較高。在進(jìn)行轎車、載重汽車輪胎用橡膠磨耗試驗時，通常選擇滑移率作為試驗條件的設(shè)定，這種做法能夠得出更接近實際車輛磨耗試驗的結(jié)果。從圖7可以看出，隨著滑移率的增大，試樣顏色逐漸加深，這是因為滑移率增大，即試樣磨耗苛刻度增加。試驗過程中滑石粉從過量到足量再到少量所對應(yīng)的磨耗類型與機理在不斷變化，從圖8可以看出，未清掃的A1試樣磨耗表面呈明顯發(fā)白狀態(tài)，幾乎無磨屑?xì)埩簦占降哪バ汲始?xì)小均勻分布，偶爾出現(xiàn)部分磨屑聚集情況，這表明在此膠料的磨損過程中，由于滑石粉使用過量，幾乎未發(fā)生由于磨屑聚集導(dǎo)致滾動剪切斷裂的黏著磨耗。A2試樣磨耗狀態(tài)與A1試樣較相似，以磨粒磨耗為主，但出現(xiàn)少量磨屑聚集，表面也有不明顯磨紋。A3—A5試樣的磨屑出現(xiàn)大塊聚集，磨紋愈發(fā)明顯，這是在法向負(fù)荷引起形變與接觸面內(nèi)剪切力共同作用下的結(jié)果。隨著苛刻度的增大，磨耗機理愈發(fā)復(fù)雜，磨粒磨耗、黏著磨耗、疲勞磨耗等摻雜其中，磨紋逐漸合并發(fā)展從而形成清晰可見、連續(xù)排列的形貌。

圖7 不同滑移率下試樣的磨耗表面

圖8 不同滑移率下樣品表面的磨耗情況

2.4 落粉速度與磨耗速度的關(guān)系

按照方案4進(jìn)行試驗，結(jié)果如圖9—10所示，載荷、試樣速度、滑移率分別為40 N，50 m·min-1和30%。

圖9 落粉速度與磨耗速度的關(guān)系

從圖9 可以看出，當(dāng)落粉速度小于0.3 cm3·min-1時，磨耗速度變化不大，結(jié)合圖10可見，落粉速度為0.053，0.160和0.266 cm3·min-1時的試樣表面呈較清晰的磨紋且磨屑存在較大結(jié)塊的情況，這可能是由于落粉速度較小，大部分膠屑不能及時脫落而迅速聚集成較大膠屑，在聚集過程中一些磨屑承擔(dān)了部分磨耗，最終由慣性作用下離開膠料表面，磨耗機理在此階段相對一致，以黏著磨耗和磨粒磨耗為主。隨著落粉速度的增大，且小于0.6 cm3·min-1時，磨耗速度先增大后趨于平緩，結(jié)合圖10可知，落粉速度為0.373和0.533 cm3·min-1時的試樣表面幾乎無磨紋且磨屑細(xì)膩，存在偶有聚集但短且細(xì)小的情況，這是因為落粉速度的增大對磨耗有積極作用，足量的滑石粉能夠使磨屑及時脫離膠料表面，減少由磨屑聚集導(dǎo)致磨耗，該過程磨耗機理相對穩(wěn)定，以磨粒磨耗為主，黏著磨耗占比較小。隨著落粉速度進(jìn)一步增大（＞0.6 cm3·min-1），磨耗速度迅速減小，結(jié)合圖10可見，落粉速度為0.799，1.078和1.350 cm3·min-1時的試樣表面明顯變白且逐漸加深，磨屑細(xì)膩，存在無聚集且由黑色過渡到灰白色的情況，這是因為落粉速度過大，磨屑雖能及時落下，減輕試樣磨損，但更多的滑石粉附著在膠料表面，參與磨耗行為，導(dǎo)致磨耗速度減小。

圖10 不同落粉速度下試樣的磨耗表面

為了清楚地展示試樣表面磨屑生長的過程，將落粉速度為0.373 cm3·min-1時的試樣分3部分進(jìn)行跟蹤拍攝，結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出，磨屑從無到有后聚集成條狀磨屑至最后脫落，這是因為落粉速度適中，而落粉速度過小或過大都無法觀察到此過程。

4 結(jié)論

（1）載荷與磨耗速度具有較高的相關(guān)性，且為正相關(guān)。

（2）試樣速度與單位時間磨耗速度具有較高的相關(guān)性，但與單位距離磨耗速度基本無相關(guān)性。

（3）滑移率與磨耗速度的相關(guān)性較高，隨著滑移率的增大，試樣表面的磨紋愈發(fā)清晰，磨屑聚集情況逐漸加重。

（4）落粉速度與磨耗速度的關(guān)系相對復(fù)雜，當(dāng)落粉速度較?。ǎ?.3 cm3·min-1）時，兩者的相關(guān)性較低；當(dāng)落粉速度適中（0.3～0.6 cm3·min-1）時，磨耗速度隨著落粉速度的增大而增大，此時可觀察到試樣表面磨屑的生長過程；當(dāng)落粉速度較大（＞0.6 cm3·min-1）時，磨耗速度隨著落粉速度的增大而迅速減小。