李 利，劉瀟冬，肖培光

(青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

子午線輪胎中，橡膠骨架材料復(fù)合體的性能是保證輪胎行駛安全性的關(guān)鍵因素，因此鋼絲簾線與橡膠黏合強(qiáng)度是子午線輪胎生產(chǎn)中的重要檢測項(xiàng)目。橡膠和鋼絲簾線之間的原始黏合強(qiáng)度固然重要，而在實(shí)際生活當(dāng)中，輪胎在動態(tài)使用過程中此黏合強(qiáng)度的保持率才是真正有價(jià)值的數(shù)據(jù)，因此動態(tài)疲勞對橡膠骨架材料復(fù)合體的黏合性能的影響尤為重要。另外，老化時(shí)間和橡膠鋼絲復(fù)合體的結(jié)構(gòu)因素不同，也會使黏合性能的測量產(chǎn)生不同的結(jié)果。筆者針對以上幾點(diǎn)因素進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，以探究出橡膠骨架材料復(fù)合體黏合性能的影響因素，并對其進(jìn)行分析研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

鋼骨架材料：D0.61 mm表面鍍青銅胎圈鋼絲和1×3×0.30HT OC高強(qiáng)度表面鍍黃銅(銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63.5%)鋼絲簾線，中國貝卡爾特鋼絲簾線有限公司：BR1500、硬脂酸、NR、氧化鋅、HAF炭黑、促進(jìn)劑、硫黃、防老劑等均為市售產(chǎn)品。

1.2 儀器設(shè)備

TS2005b萬能試驗(yàn)機(jī)：優(yōu)肯科技股份有限公司；GT-7806-1電腦伺服膠帶疲勞拉力試驗(yàn)機(jī)：高鐵檢測儀器(東莞)有限公司；X(S)M-1.7L實(shí)驗(yàn)用密煉機(jī)：青島科技大學(xué)自行研制；X(S)K-160開煉機(jī)：上海橡膠機(jī)械廠；QLB-D400×400×2平板硫化機(jī)：上海第一橡膠機(jī)械廠。

1.3 實(shí)驗(yàn)配方

實(shí)驗(yàn)中橡膠材料使用了表1所示的基本配方[1]，該配方為添加了有機(jī)酸鈷鹽的順丁橡膠(BR)/天然橡膠(NR)并用膠體系。

表1 橡膠配方

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)和動態(tài)2種實(shí)驗(yàn)來評價(jià)鋼絲簾線與橡膠的黏合性能，其中動態(tài)測量方法為軸向動態(tài)實(shí)驗(yàn)方法[2]，該方法是利用動態(tài)測量系統(tǒng)對橡膠/鋼絲復(fù)合體進(jìn)行軸向循環(huán)加載，并用拉力試驗(yàn)機(jī)對受載后復(fù)合體試樣進(jìn)行抽出，測出抽出力及覆膠量，從而獲得橡膠與鋼絲簾線的黏合強(qiáng)度[3]。

在靜態(tài)拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行靜態(tài)測試，調(diào)整拉力試驗(yàn)機(jī)夾持器的移動速度為50～150 mm/min的恒定速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。記錄簾線從橡膠中抽出所需的最大力和鋼絲簾線殘留的覆膠量，具體實(shí)驗(yàn)研究包括實(shí)驗(yàn)一：研究動態(tài)疲勞加載對橡膠骨架材料復(fù)合體試樣黏合性能的影響；實(shí)驗(yàn)二：研究老化后的復(fù)合體試樣與未老化復(fù)合體試樣的疲勞壽命；實(shí)驗(yàn)三：研究鋼絲與橡膠黏合的長短是否影響靜態(tài)抽出力。所需研究的條件及其參數(shù)如表2所示。

表2 動態(tài)測量實(shí)驗(yàn)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)及條件

2 結(jié)果與討論

2.1 橡膠/鋼絲黏合性能的靜、動態(tài)測量對比分析

將橡膠鋼絲復(fù)合體試樣放在拉力試驗(yàn)機(jī)上，設(shè)置拉力試驗(yàn)機(jī)的抽出速度為100 mm/min，直接進(jìn)行抽出并剝離，并對所得的靜態(tài)測試數(shù)據(jù)分析計(jì)算，得到拉力試驗(yàn)機(jī)靜態(tài)測量黏合強(qiáng)度，結(jié)果如表3所示。

表3 靜態(tài)測量黏合強(qiáng)度分析結(jié)果

動態(tài)測量實(shí)驗(yàn)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是鋼絲簾線與橡膠復(fù)合體受到疲勞應(yīng)力的往復(fù)周數(shù)[4]。對橡膠/鋼絲復(fù)合體試樣通過動態(tài)軸向疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行動態(tài)疲勞測試，得出在動態(tài)徑向變載荷應(yīng)力下橡膠鋼絲復(fù)合體的動態(tài)測試結(jié)果如表4所示。

表4 動態(tài)應(yīng)力下橡膠鋼絲復(fù)合體的測試結(jié)果

將動態(tài)徑向加載450次后的試樣拿到拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行靜態(tài)抽出，設(shè)置拉力試驗(yàn)機(jī)的抽出速度為500 mm/min，測得數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 動態(tài)加載后試樣做靜態(tài)抽出黏合力的測試報(bào)告

通過對比分析靜態(tài)測量結(jié)果(見表3)和動態(tài)測量結(jié)果(見表5)，以及對橡膠/鋼絲復(fù)合體試樣分別在靜動態(tài)測量系統(tǒng)作用下的黏合性能進(jìn)行比較，得到圖1。

(c) 覆膠量對比分析圖圖1 靜態(tài)測量與動態(tài)測量數(shù)據(jù)對比分析圖

從圖1可以看出，靜態(tài)測量得出的最大抽出力明顯大于動態(tài)測量得出的最大抽出力，表明動態(tài)測量系統(tǒng)能使復(fù)合體試樣產(chǎn)生疲勞；靜態(tài)測量得出的黏合強(qiáng)度也明顯大于動態(tài)測量得出的黏合強(qiáng)度，這說明了利用動態(tài)測量系統(tǒng)循環(huán)不斷地對橡膠鋼絲復(fù)合體試樣進(jìn)行軸向加載，產(chǎn)生的動態(tài)疲勞使鋼絲和橡膠的黏合性能明顯減弱。

2.2 老化后的橡膠/鋼絲復(fù)合體動態(tài)測量對比分析

對橡膠鋼絲復(fù)合體進(jìn)行熱空氣老化(老化溫度90 ℃)，將不同老化時(shí)間下的橡膠鋼絲復(fù)合體試樣，按照50次、150次、250次、350次、450次進(jìn)行循環(huán)變載荷軸向加載，得出在動態(tài)徑向變載荷應(yīng)力作用下不同老化時(shí)間橡膠鋼絲復(fù)合體的測試結(jié)果，如圖2所示。

(a) 動態(tài)力峰值平均值對比圖

(b) 動態(tài)力谷值平均值對比圖

(c) 動態(tài)加載幅值對比圖圖2 不同老化時(shí)間試樣的動態(tài)測量結(jié)果

從圖2可以看出，老化24 h的試樣和老化72 h的試樣動態(tài)力峰值平均值幾乎一致，并且隨著循環(huán)加載次數(shù)的增長而緩慢增長，變化范圍并不大。說明老化24 h的試樣和老化72 h的試樣隨著循環(huán)次數(shù)的增長，動態(tài)力峰值變化并不大。

未老化的試樣和老化120 h的試樣的動態(tài)力平均峰值相對來說比較小，并且老化120 h試樣的動態(tài)力平均峰值隨著循環(huán)次數(shù)的增加反而降低，說明老化到120 h試樣已經(jīng)達(dá)到了老化疲勞的效果。

另外，未老化的試樣受到的動態(tài)力平均谷值隨著循環(huán)次數(shù)的增大變化比較大，其它3種試樣變化很小。老化120 h后試樣的動態(tài)力平均谷值與其它3種試樣相反，隨著循環(huán)次數(shù)的增長而逐漸增加。

未老化試樣受到的動態(tài)加載幅度隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加而增加，并且變化幅度不斷增加。而其它3種試樣隨著循環(huán)次數(shù)的增長變化很小，說明老化后的試樣比未老化的試樣受力更均勻。分析對比老化后的橡膠鋼絲復(fù)合體試樣和未被老化的試樣在動態(tài)測量情況下的黏合性能，可以得到表6和圖3。

表6 不同老化時(shí)間的試樣動態(tài)加載后靜態(tài)抽出黏合力的測試結(jié)果

從圖3可以看出，老化后的橡膠鋼絲復(fù)合體的黏合性能低于未老化的橡膠鋼絲復(fù)合體。并且隨著熱空氣老化的時(shí)間推移，老化時(shí)間越長，橡膠鋼絲復(fù)合體的黏合強(qiáng)度越低，并且抽出力呈規(guī)律性降低，拉伸強(qiáng)度也逐漸降低。這主要是由于在熱空氣老化條件下，橡膠的熱敏感性要比橡膠和鋼絲簾線所形成的復(fù)合體黏合層高得多[5]，因此在老化后期，橡膠本身的物理性能要比橡膠鋼絲復(fù)合體黏合層差得多，此時(shí)通常能夠觀察到復(fù)合體的最大抽出力有較大程度下降，但覆膠量卻維持在較高的水平上。

老化時(shí)間/h(a) 最大抽出力對比分析圖

老化時(shí)間/h(b)黏合強(qiáng)度對比分析圖圖3 不同老化時(shí)間的試樣的動態(tài)測量黏合特性

2.3 不同接觸黏合長度試樣靜態(tài)測量對比分析

為了了解鋼絲與橡膠黏合的長短對其復(fù)合體試樣的靜態(tài)抽出力是否有影響，分別對4種不同的試樣進(jìn)行靜態(tài)抽出實(shí)驗(yàn)[6]，試樣1、試樣2、試樣3和試樣4分別為鋼絲埋入橡膠條長度的1/4處、2/4處、3/4處和4/4處。設(shè)置拉力試驗(yàn)機(jī)的抽出速度為500 mm/min，結(jié)果如圖4所示。

(a) 拉伸強(qiáng)度對比分析圖

(b) 最大抽出力對比分析圖圖4 不同接觸黏合長度的試樣的靜態(tài)測量

從圖4可以看出，鋼絲與橡膠的接觸黏合長度越長，靜態(tài)抽出力就越大，拉伸強(qiáng)度也隨之變大。這說明了不同的接觸黏合長度對橡膠鋼絲黏合強(qiáng)度的影響很大，尤其是從鋼絲埋入橡膠條長度的1/4處到2/4處時(shí)，靜態(tài)的最大抽出力變化最大，從2/4處到4/4處，靜態(tài)的最大抽出力呈穩(wěn)定變化。這比較直觀地反映了鋼絲埋入橡膠條的長度越短，橡膠鋼絲的黏合強(qiáng)度下降得越快，這更能體現(xiàn)出鋼絲簾線在帶束層橡膠中不可替代作用。

另一方面，隨著橡膠鋼絲接觸黏合長度的變化，橡膠鋼絲復(fù)合體的拉伸強(qiáng)度變化并不大且呈規(guī)律性變化，由此可以看出，橡膠鋼絲的接觸黏合長度對其復(fù)合體的拉伸強(qiáng)度并沒有太大的影響。

3 結(jié) 論

(1) 靜態(tài)測量得出的最大抽出力明顯大于動態(tài)測量得出的最大抽出力，靜態(tài)測量得出的黏合強(qiáng)度也明顯大于動態(tài)測量得出的黏合強(qiáng)度，說明動態(tài)疲勞加載對橡膠鋼絲復(fù)合體的黏合性能影響較大。同時(shí)動態(tài)受載后的試樣壽命明顯比靜態(tài)測量要短，這也反映了動態(tài)測量更能體現(xiàn)出輪胎在實(shí)際行駛過程中所受到的影響。

(2) 老化后的橡膠鋼絲復(fù)合體的黏合性能低于未老化的橡膠鋼絲復(fù)合體，并且隨著熱空氣老化的時(shí)間推移，老化時(shí)間越長，橡膠鋼絲復(fù)合體的黏合強(qiáng)度越低，并且抽出力呈規(guī)律性降低，拉伸強(qiáng)度也逐漸降低。

(3) 鋼絲與橡膠的接觸黏合長度越長，靜態(tài)抽出力就越大，拉伸強(qiáng)度也隨之變大。這說明了隨著橡膠鋼絲的接觸黏合長度不斷變長，橡膠鋼絲黏合強(qiáng)度的也隨之變大。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 唐躍，田會玲，李曉榮，等.半鋼子午線輪胎帶束層膠料配方的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].輪胎工業(yè)，2004，24(5)：281-283.

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[6] 王云.橡膠/鋼絲復(fù)合體黏合強(qiáng)度動態(tài)測量理論及方法研究[D].青島：青島科技大學(xué)，2012.