基于摩擦疲劳理论构建橡胶磨耗性能预测的数学模型

橡胶的磨耗是一个非常复杂的过程，是摩擦学研究的重点领域。由于橡胶磨耗机理的多样性以及磨耗过程的复杂性，对在一定条件下预测橡胶制品的磨耗寿命或磨耗特性仍缺乏统一的科学认识。本项目基于橡胶摩擦疲劳（tribo-fatigue）理论，在研究橡胶磨损过程与其动态疲劳破坏之间的交互作用的基础上，构建起基于橡胶基本物机性能和动态疲劳性能协同作用的预测橡胶磨耗特性和磨耗寿命的数学模型。通过测定具有不同物机性能的硫化胶在不同测试模式和条件下的磨耗性能，采用灰关联度分析法深入研究橡胶的硬度（H）、回弹性（R）、拉伸强度（σ）和动态疲劳性能与其磨耗强度之间的定性和定量关系，建立起硫化胶的磨耗强度与其硬弹性（H^a(Rσ)^m）之间的相关性，并以此构建具有普适性的橡胶磨耗寿命的预测模型。而且，本研究围绕硬弹性指数a和m的取值规律及其与硫化胶动态疲劳性能关系的研究，对进一步揭示橡胶的磨耗机理也具有重要的理论意义。

本项目全部完成课题计划研究内容。选择了多种不同结构的丁苯橡胶，通过配方设计制备了具有不同物理机械性能的胶料，在对这些硫化胶物理机械性能与橡胶磨耗性能相关性进行详细研究的基础上，通过灰关联度法对各因素指标与磨耗强度的关系进行了定量排序。研究结果发现橡胶的硬度（H）、回弹性（R）对丁苯橡胶的耐磨性具有非常重要的影响，通过数据拟合的方法得到橡胶的磨耗体积与硬弹积（H^4R）的对数成线性关系。但进一步研究发现硬弹积（H^4R）不适合于天然胶和顺丁胶体系。. 为对硬弹积（H^4R）进行修正，并赋予硬度指数以一定的物理意义，我们基于摩擦疲劳理论，在系统研究动态疲劳与磨耗性能相互作用的基础上，运用数据处理软件，通过数据拟合提出了以橡胶硬度（H）、回弹性（R）和动态疲劳特征参数（m）三个物理为基础的硬弹积（H^mR）的概念。并将硬弹积（H^mR）推广至胎面胶，研究结果发现无论是天然橡胶/丁苯橡胶（全天候轮胎胎面胶）并用体系还是顺丁橡胶/丁苯橡胶（低滚阻轮胎胎面胶）并用体系，H^mR的对数都与胎面胶的阿克隆磨耗和DIN磨耗体积之间都具有非常好的线性关系，说明该关系具有一定的普适性。.对橡胶的阿克隆磨耗过程进行分析，结果发现橡胶阿克隆磨耗进行到一定的阶段后（大约1000转）后，进入稳定磨耗阶段，此时阿克隆磨耗体积与摩擦时间（或转数、摩擦距离）成线性关系。基于这种线性关系，硬弹积（H^mR）基础上，通过引入时间变量，成功的构建了橡胶磨耗性能预测的数学模型。应用该数学模型对全钢载重子午线轮胎（11.00R20）胎面胶的耐磨性能进行预测，并借助 ABAQUS 非线性有限元软件对该胎面胶的磨耗性能进行预测。结果发现对该数学模型进行了验证。结果发现11.00R20载重轮胎以速度100km/h行驶1万公里后，胎面平均磨耗量大约为1.08mm。胎面胶厚度为14.5mm，磨耗标志高度为2.4mm，轮胎行驶里程大约为11.2万公里，该模拟结果与实测结果相差不大。. 另外以我们提出的硬弹积理念为指导，通过改变填料在两相间的分配，使填料在某一相中富集。这样制备的硫化胶在提高橡胶弹性的同时，保持橡胶的高硬度，从而获得具有较高耐磨性能的胶料。. 本项目发表与项目相关的科技论文16篇，其中SCI 收录论文4篇，发表会议论文2 篇，培养硕士研究生取得学位4人。