Available in: http://jips.ippi.ac.ir Iranian Journal of Polymer Science and Technology Vol. 24, No. 2, 5-64 June-July 20 ISSN: 06-255 Design, Construction, and Evaluation of Rubber Friction Tester M. Razzaghi Kashani* and R. Esmaeely Nisiany Polymer Engineering Group, Chemical Engineering Department, Tarbiat Modares University, P.O. Box: 45-4, Tehran, Iran A B S T R A C T Received 26 April 20, accepted July 20 Key Words: rubber coefficient of friction, viscoelastic properties, contact nominal pressure, sliding speed, surface roughness, Coefficient of friction (COF) for rubber parts is one of the key parameters in their interaction with solid rough surfaces (micrometer to millimeter scales), such as tire-road interactions. COF of rubber depends on viscoelastic properties of rubber, roughness characteristics of the counter-part surface, and process variables such as contact nominal pressure and sliding speed. Due to the need for measuring COF for rubber, a new friction tester, with continuous variation of nominal pressure and sliding speed, was designed and constructed in order to assess the effect of above mentioned parameters. Tire tread compounds, as the most common rubber part in the field of rubber tribology, was used for this purpose. Viscoelastic properties of compounds were varied by changing composition of styrene-butadiene rubber (SBR) and butadiene rubber (BR) in the blend. Effect of surface roughness was evaluated by using silicon-carbide papers with different roughness parameters. By statistical analysis it was shown that the designed friction tester has high accuracy in measuring the coefficient of friction of rubber and differentiating the effective parameters. Increasing the nominal pressure led to reduction of COF and increase in sliding speed forced it through a maximum. In conclusion, the loss factor of the compound and asymmetry in roughness distribution of the counter-surface are considered as the most effective parameters on COF of rubber. (*)To whom correspondence should be addressed. Email: mehdi.razzaghi@modares.ac.ir
قابل دسترس در نشانی: http://jips.ippi.ac.ir مجله علوم و تکنولوژی پلیمر سال بیست و چهارم شماره 2 صفحه 5-64 90 ISSN: 06-255 طراحي ساخت و ارزيابي دستگاه اندازه گيري ضريب اصطكاك الستيك مهدي رزاقي كاشاني * رسول اسمعيلي نيسياني تهران دانشگاه تربيت مدرس دانشكده مهندسي شيمي گروه مهندسي پليمر صندوق پستي 45-4 دریافت: 90/2/6 پذیرش: 90/5/9 چکیده واژههای کلیدی ضريب اصطكاك الستيك خواصگرانروکشسانی فشار اسمي تماس سرعتلغزش ناهمواريسطح تعيين ضريب اصطكاك الستيك با سطوح ديگر از عوامل كليدي در مطالعه برهمكنش قطعات الستيكي با سطوح ناهموار )در ابعاد ميكرومتر تا ميلي متر( مانند برهمكنش الستيك جاده است. ضريب اصطکاک آميزههاي الستيکي با عواملي همچون خواص گرانروکشسانی آميزه خواص ناهمواري سطح و عوامل فرايندي مانند فشار اسمي و سرعت لغزش در ارتباط است. به دليل نياز مبرم به اندازهگيري ضريب اصطكاك الستيك روي سطوح مختلف و تعيين اثر عوامل ذكر شده دستگاهي طراحي و ساخته شد كه قابلیت تغيير پيوسته فشار اسمي و سرعت لغزش را دارد. آميزه رويه تاير سواري به عنوان يكي از پركاربردترين آميزهها در بحث اصطكاك و سايش الستيك براي ارزيابي دستگاه مورد نظر انتخاب شد. محدوده خواص گرانروکشسانی اين آميزه با تغيير تركيب درصد الستيكهاي استيرن بوتادیان )SBR( و بوتادیان )BR( معين شد. همچنين اثر ناهمواري سطوح با انتخاب كاغذهاي سيليكون كاربيد با زبري متفاوت بررسي شد. بررسيهاي آماري نشان داد دستگاه اندازهگيري ضريب اصطكاك دقت زیادی دارد و بررسي اثر اين عوامل را بر ضريب اصطكاك الستيك ميسر مي سازد. افزايش فشار اسمي و سرعت لغزش به ترتيب باعث كاهش و عبور از بيشينه در ضريب اصطكاك شد. در ضمن ضریب اتالف آميزه و عدم تقارن توزيع ناهمواري سطح بيشترين اثر را بر تغييرات ضريب اصطكاك الستيك دارد. * مسئول مکاتبات پیامنگار: mehdi.razzaghi@modares.ac.ir
مهدی رزاقی کاشانی رسول اسمعیلی نیسیانی طراحي ساخت و ارزيابي دستگاه اندازه گيري ضريب اصطكاك الستيك مقدمه اصطكاك پديده اي است كه در مرز بين جامدات مايعات و گازها و هم چنين در درون آنها رخ مي دهد. لئوناردو داوینچی در اواخر قرن پانزدهم اولين نظریه را براي تبيين اصطکاک در جامدات بيان كرد. پس از آن تعاريف زيادي از اصطكاك بيان شد. اصطكاك در دانشنامه تريبولوژي به شکل نيروي مقاوم مماسي با مرز معلوم بين دو جسم كه تحت نيروي خارجي حركت يا تمايل به حركت نسبي دارند تعريف ميشود ][. Zhang و همكاران اصطكاك را اثر تبديل انرژي بيان كردهاند ][. اصطكاك به طور عمده اثر تبديل انرژي مكانيكي به گرمايي بين دو جسمي است كه تحت نيروي خارجي نسبت به هم حرکت دارند. بديهي است اين انرژي از نيروي مقاومت تماسي با نام نيروي اصطكاك ناشي ميشود كه يك پديده بين سطحي است. كاركرد اصطكاك هميشه به گونهاي است كه از لغزيدن سطوح مجاور نسبت به يك ديگر جلوگيري ميكند. نيروي اصطكاك با سطوحي كه نسبت به هم ميلغزند موازي است. جهت نيروي اصطكاك ممكن است در جهت حركت يا خالف آن باشد. از اولين معادالتی كه درباره اصطكاك ارایه شده قانون كولمب است ]2[. در اين معادله نيروي اصطكاك در جهت خالف حركت و متناسب با نيروي عمودي است. به منظور ايجاد تساوي از ثابتی استفاده ميشود كه به ضريب اصطكاك موسوم است. در اين معادله ضريب اصطكاك از مساحت سطح تماس و سرعت بين دو سطح مستقل است. الستيكها چندان از معادله كولمب پيروي نميكنند و ضريب اصطكاك در آنها عامل متغيري است كه تابعي از مساحت واقعي سطح تماس )تابعي از ناهمواري سطح و بار عمودي( خواص گرانروکشسانی آميزه الستيكي و سرعت لغزش است ]2[. به طور كلي نيروي اصطكاك بين الستيك و سطوح ناهموار از دو جزء تشكيل شده است كه با عنوان نيروي چسبندگي و نيروي انرژي اتالف بيان ميشود ][. جزء چسبندگي تنها در سطوح بسيار تميز و با ناهمواريهاي بسيار ريز داراي اهميت است و در كاربردهاي عملي مانند اصطكاك آميزه رويه تاير روي سطوح ناهموار و خيس جاده قابل صرفنظر است ][. جزء اتالفي نتيجه اصطكاك بين مولكولي در توده الستيك در ضخامت كمي از سطح تماس است. اين ضخامت متاثر از اندازه ناهمواريهاي سطح مقابل است. مثال درباره سطح جاده ابعاد ناهمواري از مقياس ميكرومتر تا ميليمتر مد نظر است ][. در طول لغزش الستيك روي ناهمواريهاي سطح يك نيروي نوساني با محدوده بسامد زیاد )حاصل تقسيم سرعت لغزش بر اندازه ناهمواريها( ولي كرنش كوچك به وسیله ناهمواريهاي سطح مقابل روي سطح الستيك اعمال میشود كه منجر به تغيير شكل نوساني در توده سطحي الستيک و در نتيجه اتالف انرژي به دليل پسماند گرانروکشسان در اين ناحيه میشود. بنابراين اصطكاك به خواص گرانروکشسانی الستيك وابسته است. از جمله اين خواص مهم ميتوان به مدول ذخيره ضريب اتالف و دماي انتقال شيشهاي )Tg( اشاره کرد. وابستگي ضريب اصطكاك الستيك به خواص گرانروکشسانی آميزه الستيكي براي اولين بار توسط Grosch مطرح و اثبات شد ]4[. اثر ضريب اتالف و مدول ذخيره بر تغييرات ضريب اصطكاك الستيك توسط Amino و همكاران نيز مشاهده شده است ]5[. در مطالعات ديگری نشان داده شده است كه با تغيير Tg )خواص گرانروکشسانی آميزه الستيك( ضريب اصطكاك پايا به شکل معناداري تغيير مييابد ]6-8[. از موارد دیگري كه بر تغييرات ضريب اصطكاك مؤثر است ناهمواري سطح مقابل است. به منظور بررسي اثر خواص ناهمواري بر ضريب اصطكاك از دو رويكرد برخال )fractal( و روش آماري استفاده شده است ]9-[. همچنين مطالعات گذشته به خوبي نشان ميدهد ضريب اصطكاك آميزههاي الستيكي تابع عوامل خارجي مثل فشار و سرعت است. اين مطالعات نشان ميدهد ضريب اصطكاك با افزايش فشار به شکل تواني كاهش مييابد ]2 [. اصطكاك و كشانش )traction( تاير روي سطح جاده نقش عمدهاي در ايمني خودروها و سرنشينان آن دارد. ايمني ترمزگيري در ارتباط مستقيم با برهمكنش تاير جاده است. همچنين طراحي سامانههاي ايمن ترمزگيري براساس همين برهم كنش انجام ميشود. مطالعه برهم كنش الستيك با سطح ساينده و اندازهگيري خواصي همچون ضريب اصطكاك و تعيين عوامل مؤثر بر آن مي تواند نقش بسزايي در بهينه سازي آميزههاي الستيكي رويه تاير و روسازي سطح جاده ايفا كند. دو نوع ضريب اصطكاك براي مواد مطرح ميشود. نوع اول ضريب اصطكاك ايستاست و مربوط به زماني است كه دو سطح حركتي را روي يك ديگر آغاز ميكنند. ديگري ضريب اصطكاك پاياست و به حالتي مربوط است كه لغزش دو جسم به شکل پايا روي يك ديگر آغاز شده است. شواهد تجربي نشان ميدهد ضريب اصطكاك ايستا برابر يا بزرگتر از ضريب اصطكاك پاياست ]4[. ناحيه اصطكاك پايا براي پليمر به طور گسترده مطالعه شده اما اصطكاك ايستا كمتر بررسی شده است. علت اين امر نياز به دادهبرداري بسيار دقيق و سريع براي اندازهگيري ضريب اصطكاك ايستا در كسري از ثانيه است. 55 مجله علمی پژوهشی علوم و تکنولوژی پلیمر سال بیست و چهارم شماره 2 خرداد تیر 90
طراحي ساخت و ارزيابي دستگاه اندازه گيري ضريب اصطكاك الستيك مهدی رزاقی کاشانی رسول اسمعیلی نیسیانی الزمه اندازهگيري اصطكاك بين دو سطح در حال تماس ايجاد حركت نسبي بين دو سطح و وجود ساز و كاري است كه بتواند نيروي اصطكاك ناشي از اين حركت را اندازهگيري كند ]4[. برخالف اندازهگيري سايش الستيك استاندارد بينالمللي خاصي براي اندازهگيري اصطكاك الستيكها وجود ندارد. شايد تنها استاندارد موجود BS ISO 5 يا BS 90 Part A 6 باشد كه مربوط به آونگ انگليسي است و معياري از ضريب اصطكاك را به دست ميدهد ]5[. مطالعات Pan و همكاران يا Omata بيشتر با استفاده از اين دستگاه بوده است ]6-8[. پژوهشگران مختلف دستگاههاي متفاوتي را براي اندازهگيري ضريب اصطكاك الستيك و مطالعات خود در اين زمينه ابداع كردهاند ]5[. ساير مطالعات پیشین نيز بيشتر با دستگاههايي بود كه ساز و كار حركت آنها تفاوت زيادي با وضعيت تماس تاير با سطح جاده دارد. به طور مثال مطالعات Chang روي اصطكاك بيشتر با اندازهگيري ضريب اصطكاك حركت ميله روي صفحه )pin-on-disk( بوده است ][. در اين مقاله اهميت معرفي دستگاه جديد براي اندازهگيري ضريب اصطكاك الستيك بررسي شده است. برخورداري از اين دستگاه اجازه بررسي عوامل مؤثر بر ضريب اصطكاك الستيك را فراهم ساخت. وابستگي اين ضريب به فشار اسمي سرعت لغزش و خواص گرانروکشسانی آميزه نشان داده شد. اثر ناهمواري سطح بر ضريب اصطكاك الستيك با معرفي مؤثرترين پارامتر ناهمواري توضيح داده شد. دستگاه مورد نظر و مطالعات حاضر ميتواند در طراحي قطعات الستيكي در كاربردهاي تريبولوژيكي و طراحي سطوح درگير با اين قطعات به كارگرفته شود. تجربي مواد دستگاهها و روشها هفت آميزه الستيكي بر پايه الستيک استيرن بوتاديان و الستيک بوتاديان طبق جدول ساخته شد. از الستيک استيرن بوتاديان نوع 2 پتروشيمي بندر امام )SBR-2( با 24/5-22/5 درصد استيرن و چگالي 0/94 g/cm و الستيک بوتاديان محصول پتروشيمي اراک با %96 سيس و چگالي 0/9 g/cm استفاده شد. براي پخت از سامانه پخت گوگردي استفاده شد. مدت زمان پخت به کمک آزمون رئومتري به وسیله دستگاه ODR2000 ساخت شركت Monsanto كشور انگليس مطابق استاندارد ASTM D2084 در دماي 60 C معین شد. پس از تعيين زمان پخت بهينه ورقهاي الستيكي با ضخامت 2 mm براي آزمون كشش يك طرفی و آزمون ديناميكي مكانيكي گرمایی )DMTA( در دماي 60 C پخت شد. آزمون مقاومت كششي با استفاده از دستگاه Instron 5565 ساخت كشور آمريكا مطابق استاندارد ASTM D42 براي سه نمونه تکرار شد و مقادير ميانگين و انحراف معيار محاسبه شد. آزمون ديناميكي مكانيكي گرمایی به وسیله دستگاه Tritor 2000 ساخت شرکت Triton كشور انگلستان با استاندارد ISO/IEC7025 انجام شد. اين آزمون در بسامد Hz و کرنش 0/005 در محدوده دمايي 20- تا 20 C+ با سرعت گرمادهی 5 C/min انجام شد. به منظور بررسي خواص اصطكاكي دستگاهی طراحي و ساخته شد كه بتواند ضريب اصطكاك آميزههاي مورد نظر را روي سطوح مختلف در فشار اسمي و سرعتهاي مختلف لغزش اندازه گيري كند. جزييات اين دستگاه در بخش بعدي به طور مفصل توضيح داده شده است. جدول - اجزای آميزههاي الستيكي. Q P O N M L K مواد )قسمت به ازاي 00 قسمت الستيك( 00 80 60 20 20 0 الستيک استيرن بوتاديان 0 20 40 60 80 00 الستيک بوتاديان دوده 5 5 5 5 5 5 5 روغن آروماتيک /8 /8 /8 /8 /8 /8 /8 گوگرد استئاريک اسيد روي اکسيد / / / / / / / TBBS (g) 0/ 0/ 0/ 0/ 0/ 0/ 0/ TMTD (g) 56 مجله علمی پژوهشی علوم و تکنولوژی پلیمر سال بیست و چهارم شماره 2 خرداد تیر 90
مهدی رزاقی کاشانی رسول اسمعیلی نیسیانی طراحي ساخت و ارزيابي دستگاه اندازه گيري ضريب اصطكاك الستيك انواع كاغذ سمباده از جنس سيليكون كاربيد با زبريهاي مختلف )P60 تا ) P000 به عنوان سطح مقابل انتخاب و نیم رخ ناهمواري سطح آنها به وسیله دستگاه + Surtronic ساخت شرکت Taylor Hobson کشور انگلستان اندازهگيري و پارامترهاي ناهمواري آنها محاسبه شدند. طراحي و ساخت دستگاه اندازهگيري ضريب اصطكاك الستيك اصول طراحي دستگاه مورد نظر ساز و کار برهمکنش پليمر با سطح مقابل از نوع برهمکنش لغزشي به عنوان ساز و كار غالب در تماس قطعات پليمري انتخاب شد. نوع لغزش ميتواند از نوع حرکت خطي يا دوراني باشد كه در اين دستگاه حرکت دوراني يک حلقه الستيکي )قطر داخلي 24/7 mm و قطر خارجي 7( mm روي يک صفحه ساينده طراحي شد. در سطوح ناپيوسته در جهت حركت فشار تماس در لبه پيش رو بشدت افزايش يافته به طوري كه درگيري اين لبه با سطح مقابل بسيار زياد شده و توزيع فشار در جهت حركت بسيارغيريكنواخت خواهد بود. به منظور حذف اثر لبه از يك حلقه پوسته در جهت حركت استفاده شد. حرکت دوراني نيز براي افزايش مسافت اندازهگيري انتخاب شد. محدوده فشار اسمي تماس بر اساس توزيع معمول فشار در سطح تماس قطعات الستيکي معين شد ]6[. متوسط فشار تماس براي تايرهاي سواري حدود 0/5 MPa و باري حدود 0/9 MPa است. محدوده فشار دستگاه از 0/ تا /25 MPa طراحي شد. ساختار دستگاه قابليت اعمال بار عمودي تا 200 kg را دارد اما حداكثر قدرت نيروسنج )لودسل الكترونيكي( به كار رفته در دستگاه 00 kg است كه با توجه به سطح تماس 596 mm 2 بين حلقه الستيكي و سطح مقابل محدوده فشار اسمي مورد نظر تأمين ميشود. با تغيير نيروسنج دستگاه ميتوان محدوده فشار مورد نظر را تغيير داد. نسبت لغزش در تاير برابر نسبت سرعت نسبي تاير و جاده به سرعت خطي خودرو است كه با درصد بيان ميشود. سرعت لغزش حاصل ضرب نسبت لغزش در سرعت خودرو است. به طور مثال نسبت لغزش تاير در حالت كشانش يا ترمزگيري ضعيف درصد كمي از سرعت خطي خودروست. اين در حالي است كه نسبت لغزش در وضعيت ترمزگيري كامل يا سریدن روي جاده برابر صددرصد است و سرعت لغزش برابر سرعت خطي خودروست. محدوده سرعت لغزش نيز بر اساس تجارب موجود در مقدار لغزش تاير بر سطح جاده در حد تا 000 mm/s انتخاب شد ]6[. اين محدوده فقط با تغيير دور موتور اصلي )AC( دستگاه قابل دستیابي است. نيروي اصطکاك هم چون سایر خواص سطحي مواد با ناپايداري سطحي و در نتیجه مشکالت در اندازهگيري با ابزار دقيق روبروست. بنابراين به منظور ايجاد پايداري در اندازهگيري نيروهاي عمودي و گشتاور اصطکاکي در طراحي دستگاه از چهار ميله راهنما سه صفحه سنگين فوالدي سنگ خورده و دقتهاي در حد )H7( 0/0 mm استفاده شد تا در حد امكان لرزشهاي مكانيكي كاهش يابد. در ضمن استفاده از كنترل الكترونيكي بسيار دقيق و سريع دادهبرداري دقيق دستگاه را تضمين میکند. اجزا و عملكرد دستگاه شکل طرحي از دستگاه ساخته شده را نشان ميدهد اجزای اين دستگاه به شرح زير است: : موتور DC که براي جابه جايي صفحه متحرک )قطعه ( استفاده ميشود. براي دقت بار اعمالي از گيربکس استفاده شد. 2: صفحات فلزي سنگ خورده ثابت شکل - طرحي از دستگاه اندازه گيري ضريب اصطکاک الستيك. 2 4 6 2 5 9 5 7 8 0 2 4 57 مجله علمی پژوهشی علوم و تکنولوژی پلیمر سال بیست و چهارم شماره 2 خرداد تیر 90
طراحي ساخت و ارزيابي دستگاه اندازه گيري ضريب اصطكاك الستيك مهدی رزاقی کاشانی رسول اسمعیلی نیسیانی : صفحه فلزي سنگ خورده متحرک 4: چهار عدد ميله راهنما 5: پيچ متصل به موتور DC براي جابه جاکردن صفحه متحرک و اعمال بار عمودي 6: نيروسنج افقي نوع S براي اندازهگيري نيروي گشتاور 7: سامانه اندازهگيري نيروي عمودي و گشتاور چرخشي. اين بخش شامل تعداد زيادي قطعه و طراحي پيچيدهاي است که بار اعمالي را به نيروسنج عمودي منتقل کرده و با ساز و کار چرخان خود نيروي گشتاور را نيز به نيروسنج افقي وارد ميکند. همه اين ساز و کار به وسیله يك جام به زير صفحه متحرك )قطعه ( متصل ميشود. 8: صفحه نگه دارنده سطح ناهموار )ساينده( 9: سطح خارجي نمونه الستيکي 0: محور چرخاننده قطعه الستيکي : بورد الکترونيکی که کليه دادههای قطعات ابزار دقيق در آن پردازش ميشود و ارتباط بين رایانه و دستگاه را برقرار ميکند. 2: کالچ براي كاهش زمان مورد نياز براي رسيدن به سرعت چرخشي مورد نظر : مبدل که با تغيير بسامد تغيير سرعت موتور را ايجاد ميکند و 4: موتور AC با سرعت اسمی مشخص که براي چرخش نمونه الستيکي استفاده میشود. شکل 2 تصويري از دستگاه استفاده شده را در آزمايشگاه فيزيک و مکانيک پليمرها در دانشگاه تربيت مدرس نشان ميدهد. حرکت صفحه متحرك )( روي ميلههاي راهنما )4( تماس الستيك )9( با سطح ساينده )8( و اعمال بار عمودي را بدون هرگونه ناپايداري و لرزش به وسیله موتور )( DC در باالي صفحه ثابت )2( بااليي تأمين ميکند. نيروي عمودي به وسیله نيروسنج عمودي )داخل 7( اندازهگيري و به کمک حلقه كنترل الكترونيكي به وسیله رايانه تثبيت ميشود. موتور )4( AC در زير صفحه ثابت )2( پاييني تعبيه شده است که حرکت چرخشي نمونه الستيكي را از راه كالچ )2( كوپلينگها و محور مربوط )0( ايجاد ميکند. حلقه كنترل الكترونيكي سرعت چرخشي ثابت نمونه را از راه رايانه تضمين ميکند. سرعت چرخش از راه يك مبدل )( به وسیله رايانه كنترل ميشود. نيروي گشتاور اعمال شده به سطح ساينده )8( با ساز و کاری پيچيده )7( به نيروسنج افقي )6( وارد و اندازهگيري ميشود. انتقال اطالعات رقمی از راه بورد الكترونيكی )( به رايانه انجام ميشود. اين بورد الكترونيكي قادر است 40 داده در ثانيه را بين دستگاه و رايانه منتقل کند. رايانه نيروي عمودي و سرعت چرخش را به شکل اطالعات ورودي دريافت و كنترل ميكند. سپس با اندازهگيري نيروي گشتاور و تقسيم اين نيرو بر نيروي عمودي ضريب اصطكاك را محاسبه ثبت و رسم ميكند. ضريب اصطكاك در سرعت و فشار معين در كسري از ثانيه حاصل ميشود. اين سرعت زیاد دادهبرداري امکان تفكيك ضريب اصطكاك ايستا و پايا را خواهد داد. شكل 2- دستگاه استفاده شده برای اندازهگيري ضريب اصطكاك الستيك. خروجي از دستگاه و محاسبه ضريب اصطکاک نيروي گشتاور اندازهگيري شده در هر لحظه )يا مسافت طي شده( به رايانه مربوط منتقل شده و با تقسيم بر نيروي عمودي اعمالي ضريب اصطكاك محاسبه ميشود. منحني ضريب اصطکاک نمونه الستيکي در فشار و سرعت چرخش معين در شکل نشان داده شده است. همان طور که مشاهده ميشود ضرايب اصطکاک ايستا گذرا و پايا به دليل دقت و سرعت دادبرداري دستگاه از يك ديگر تفكيك شده و ترسيم ميشوند. سایر اطالعات حاصل از اين منحني شيب ناحيه 58 مجله علمی پژوهشی علوم و تکنولوژی پلیمر سال بیست و چهارم شماره 2 خرداد تیر 90
مهدی رزاقی کاشانی رسول اسمعیلی نیسیانی طراحي ساخت و ارزيابي دستگاه اندازه گيري ضريب اصطكاك الستيك شكل - نمونه منحني ضريب اصطكاك خروجي از دستگاه. صعودي که متناسب با مدول برشي نمونه الستيكي شكل تغييرات ضريب اصطكاك در ناحيه گذرا و تغييرات ضريب اصطكاك در ناحيه پاياست كه معرف تغييرات ضريب اصطکاک نمونه در اثر ايجاد گرما و سايش است. نتايج و بحث خواص کششي آميزههاي الستيكي در شکل - 4 الف و ب ميانگين تنش و درصد ازياد طول تا پارگي و محدوده خطا براي تمام آميزههاي مورد استفاده رسم شده است. همان طور که مشاهده ميشود با افزايش مقدار الستيک استيرن-بوتاديان از نمونه K تا Q استحکام کششي آميزه به تدريج افزايش مييابد. با افزايش مقدار الستيک استيرن-بوتاديان به دليل استحکام کششي بیشتر اين الستيک نسبت به الستيک پليبوتاديان استحکام کششي آميزه افزايش مييابد. درصد ازدياد طول تا پارگي نيز روند مشابهی را با افزايش الستيک استيرن-بوتاديان در آميزه نشان ميدهد. با تغيير تركيب درصد دو نوع الستيك در آميزه تغيير تدريجي مناسبي در خواص مكانيكي حاصل شده است. خواص ديناميکي مکانيکي - گرمایی آميزههاي الستيكي در شکل - 5 الف و ب منحنيهاي مدول ذخيره و ضريب اتالف نمونههاي الستيکي بر حسب دما رسم شده است. همان طور که مشاهده ميشود با افزايش مقدار الستيک استيرن بوتاديان در آميزه مدول ذخيره افزايش مييابد که اين امر به دليل بیشتر بودن مدول اين الستيک نسبت به الستيک پليبوتاديان است. همچنين دماي انتقال شيشهاي و بيشينه ضريب اتالف نمونهها نيز با افزايش مقدار الستيک استيرن بوتاديان به طور منظم افزايش مييابد. همانطور که از اين شکل 4 - نمودارهاي ميانگين: )الف( تنش و )ب( کرنش در نقطه پارگي براي آميزهها. شکل ديده ميشود در تمام آميزهها ضريب اتالف بر حسب دما تنها داراي يک نقطه بيشينه است. به اين معنا که دو نوع الستيک مزبور با يک ديگر امتزاجپذير بوده و توزيع آنها در آميزهها کامال يکنواخت است ]7[. افزايش دماي انتقال شيشهاي به دليل باالتر بودن اين دما براي الستيک استيرن بوتاديان و افزايش بيشينه ضريب اتالف نيز به دليل اتالف مولکولي بيشتر اين الستيک نسبت به الستيک پليبوتاديان توضيح داده ميشود. نکته حايز اهميت دستيابي به محدوده وسيع و منظمي از خواص گرانروکشسانی در آميزهها با تغيير ترکيب درصد دو الستيک در آميزه است. اين امر امکان بررسي اثر تغييرات خواص گرانروکشسانی بر خواص اصطکاکي آميزههاي الستيکي را به طور نظام مند فراهم خواهد كرد. شایان ذكر است با توجه به بسامد زیاد بارگذاري سطح تاير )محدوده 00 khz تا ( MHz و دماي سرويس تاير )70 تا 00 C( در صنعت تاير مرسوم است كه شرايط معادل براي بررسي رفتار گرانروکشسانی آميزه رويه تاير در ارتباط با اصطكاك با استفاده از اصل برهم نهش دما- زمان در ناحيه الستيكي استفاده شود. شرايط معادل بسامد Hz و دماي 20- تا 5 C+ در نظر گرفته ميشود ]8[. به طور مثال ضريب اتالف در 59 مجله علمی پژوهشی علوم و تکنولوژی پلیمر سال بیست و چهارم شماره 2 خرداد تیر 90
طراحي ساخت و ارزيابي دستگاه اندازه گيري ضريب اصطكاك الستيك مهدی رزاقی کاشانی رسول اسمعیلی نیسیانی ضریب اتالف )Pa( ) C( )الف( شکل 5- تغييرات: )الف( مدول ذخيره و )ب( ضریب اتالف آميزهها بر حسب دما. )ب( ) C( بسامد Hz و اين محدوده دمايي به عنوان معياري براي مقايسه اصطكاك آميزههاي الستيكي به كار ميرود. اندازهگيري نیمرخ ناهمواری سطوح كاغذ سمباده و محاسبه پارامترهاي ناهمواري سطح ابتدا نیمرخ ناهمواري سطوح كاغذ سمباده با دستگاه زبريسنج سوزني اندازهگيري و سپس پارامترهاي بسياري كه معرف مشخصههاي مختلفي از ناهمواري سطح است محاسبه شد. جدول 2 پارامترهاي محاسبه شده را نشان ميدهد. همان طور که مشاهده ميشود اين نتايج نيز گوياي محدوده نسبتا وسيعي از اندازه پارامترهاي سطح R a براي نمونههاي مختلف کاغذ سمباده است. به طور مثال پارامتر که معيار عمق ناهمواريها ازخط مبناست داراي تغیيراتي حدود مقدار تا 0 است. ضريب اصطکاک نمونههاي الستيكي به منظور مشخص شدن اثر خواص گرانروکشسانی و ناهمواري سطح بر ضريب اصطکاک در فشار اسمي و سرعت لغزش معين از مجموعه آزمايش و تحليل آماري استفاده شد. بنابراين ضريب اصطکاک براي نمونه آميزههاي الستيکي روي کليه سطوح کاغذ سمباده در سرعت 00 rpm و نيروي عمودي 20 kg با 5 مرتبه تکرار اندازه گيري شد. جدول 2- نتايج اندازهگيري ناهمواري سطوح کاغذ سيليكون كاربيد. P60 P80 P00 P20 P P220 P240 P20 P600 P800 P000 کاغذ سيليكون كاربيد پارامترهاي ناهمواري 0/ 2/4-0/259 4/56 45/6 2 8 8 2/2 24/ 94/2 9/29 / 0/27 6/ 9/2 2/2 86/6 86/6 9/ 9/9 89/ 0/ 2/ 0/84 4/92 42/4 2/2 9/ 9/ 2/ 9/ 9/9 9/67 /7 0/46 4/49 4/7 27/2 74/9 74/9 2/ 8/6 8/9 9/0 0/8 0/452 /99 8/ 26/ 67/7 67/7 2/ 6/7 7 8/49 0/ 0/289 2/98 5/6 24/7 52/8 52/8 9/7 5/9 56/ 8/7 0/4-0/072 /7 8/8 25/5 64/5 64/5 8/9 9/9 65/8 8/9 0/8-0/0078 /22 42/5 26/4 6/4 6/4 20/5 2/9 68/2 4/72 5/82-0/72 /52 25/ 6/6 7/6 7/6 /9 / 42/7 4/95 6/0-0/0778 2/95 26/ 7/8 7/4 7/4 2/7 /6 9/ /42 4/2-0/047 4/54 8/5 2/8 / / 8/8 9/7 4 R a R q R sk R ku R z R z R max R y R p R v R t 60 مجله علمی پژوهشی علوم و تکنولوژی پلیمر سال بیست و چهارم شماره 2 خرداد تیر 90
مهدی رزاقی کاشانی رسول اسمعیلی نیسیانی طراحي ساخت و ارزيابي دستگاه اندازه گيري ضريب اصطكاك الستيك براي پي بردن به اثر فشار اسمي و سرعت لغزش ضريب اصطکاک آميزه O روي سطح کاغذ سمباده با اندازه مش P در سرعتهاي 5 400 00 200 00 80 60 و 700 rpm و نيروي عمودي 5 60 40 0 20 و 70 kg براي آميزهها با 5 مرتبه تكرار ارزيابي شد. با رسم نمودارهاي انتخابي اثر هر يک از عوامل تغيير خواص گرانروکشسانی )ناشي از آميزه کاري( پارامترهاي ناهمواري سطح فشار و سرعت ضريب اصطكاك جنبشي مشخص شد. سپس تمام دادهها ناشي از اين اندازهگيريها به کمک تحليل آماري ارزيابي شد. شکل 6 منحني ضريب اصطکاک آميزهها را روي کاغذ سمباده با اندازه مش P )در نيروي عمودي ثابت 20 kg و سرعت چرخش 00( rpm بر حسب شماره دادهبرداري )مسافت طي شده يا زمان انجام آزمون( نشان ميدهد. همانطور که ديده ميشود منحني ضريب اصطکاک داراي مقداري بيشينه )ضريب اصطکاک ايستا( است و پس از آن به مقداری نسبتا ثابت )ضريب اصطکاک پايا( ميرسد. با توجه به دقت زیاد دستگاه در دادهبرداري نيروي اصطكاك پیش از لغزش در لحظه شروع لغزش )اصطكاك ايستا( و پس از شروع لغزش )اصطكاك پايا( كامال از يك ديگر تفكيكپذیر هستند. همانطور که از اين شکل مشخص است با افزايش درصد الستيک استيرن بوتاديان در آميزهها ضريب اصطکاک افزايش مييابد. از آن جا که ضريب اصطکاک الستيک با انرژي اتالف در الستيک مرتبط است اين پديده با افزايش بيشينه ضريب اتالف در آزمون ديناميکي مکانيکي گرمایی در اثر افزايش درصد الستيک استيرن بوتاديان مطابقت خوبي دارد. در شکل 7 ميانگين ضريب اصطکاک جنبشي )ضريب اصطکاک در هر آزمون خود ميانگين اين ضريب در ناحيه اصطکاک پاياست( به همراه خطاي تکرار براي سطوح ناهموار مختلف براي آميزه O رسم شده است. اين دو منحني از نتايج آزمون اندازهگيري ضريب اصطکاک شکل 6- نمونه اي از منحنيهاي ضريب اصطکاک براي آميزههاي الستيكي روي سطح کاغذ سمباده P در نيروي عمودي 20 kg و سرعت چرخش 00. rpm شکل 7- ميانگين ضريب اصطکاک جنبشي برای آمیزه O در نیروی عمودی 20 kg و سرعت چرخش 00 rpm به همراه خطاي تکرار براي سطوح مختلف. در نيروي عمودي 20 kg و سرعت 00 rpm حاصل شده است. از شکل 7 مشخص است با تغيير سطح مقدار ضريب اصطکاک تغيير مييابد. سطح P بيشترين و سطح P60 کمترين ضريب اصطکاک را نشان ميدهند. به منظور پي بردن به اثر مؤثرترين عامل سطح بر تغييرات ضريب اصطكاك از محاسبه آماري ضريب تناظر بين تعدادي از پارامترهاي ناهمواري سطح و ضرايب اصطكاك براي آميزههاي مختلف استفاده شد كه نتايج آن در جدول نشان داده شده است. همانطور كه مشاهده ميشود بیشترين ضريب تناظر براي ضرايب R sk حاصل شده اصطكاك و پارامتر تقارن توزيع ارتفاع ناهمواري يا است. به عبارت ديگر ضرايب اصطكاك بيشترين همبستگي را با ممان سوم نیم رخ ناهمواري سطح دارد و مقدار عدم تقارن در ناهمواري سطح مؤثرترين عامل بر تغييرات ضريب اصطكاك آميزههاي الستيكي R sk مثبت نشان از تيزي قلههاي ناهمواري و سطح تماس است. مقادير واقعي كمتر و مقادير منفي آن نشان از شكستگي قله و سطح تماس واقعي باالتر با الستيك را دارد. مقادير نزديك به صفر نيز توزيع نرمال را براي سطحی با ناهمواري اتفاقي نشان ميدهد. در شکل 8 ميانگين ضريب اصطکاک براي آميزه O بر حسب نيروي عمودي مختلف رسم شده است. اين نتايج از انجام آزمون ضريب اصطکاک روي سطح کاغذ سمباده با اندازه مش P در سرعت 200 rpm حاصل شده است. همان طور که ديده ميشود با افزايش نيروي عمودي ضريب اصطکاک آميزه به شدت افت مییابد که به دليل تغييرات سطح تماس واقعي بين الستيک و سطح ناهموار در اثر افزايش فشار اسمي توضيح داده ميشود ][. در شکل 9 ميانگين ضريب اصطکاک جنبشي آميزه O بر حسب سرعت روي سطح کاغذ سمباده با اندازه مش P در نيروي عمودي ثابت 0 kg رسم شده است. همانطور که از اين منحني 6 مجله علمی پژوهشی علوم و تکنولوژی پلیمر سال بیست و چهارم شماره 2 خرداد تیر 90
طراحي ساخت و ارزيابي دستگاه اندازه گيري ضريب اصطكاك الستيك مهدی رزاقی کاشانی رسول اسمعیلی نیسیانی جدول - نتايج ضرايب تناظر بين پارامترهاي ناهمواري سطح و ضريب اصطكاك براي آميزه هاي مختلف. R t R v R p R y R max R z R z R ku R sk R q R a آميزه 0/55 0/ 0/9 0/58 0/289 0/92 0/45 0/289 0/092 0/09 0/086 0/006 0/85 0/9 0/24 0/ 0/424 0/549 0/486 0/600 0/629 0/05 0/89 0/292 0/46 0/8 0/457 0/52 0/05 0/89 0/292 0/46 0/8 0/457 0/52 0/277 0/442 0/499 0/59 0/0 0/64 0/62 0/077 0/45 0/29 0/9 0/265 0/47 0/45 0/226 0/0 0/045 0/206 0/74 0/4 0/95 0/795 0/896 0/926 0/967 0/975 0/906 0/95 0/02 0/2 0/296 0/424 0/57 0/474 0/50 0/009 0/27 0/2 0/449 0/82 0/49 0/52 K L M N O P Q مشهود است ضريب اصطکاک در سرعت 00 rpm براي آميزه الستيکي داراي مقدار بيشينه است. مقدار بيشينه ضريب اصطکاک بر حسب سرعت به محدوده زمان آسودگي الستيک محدوده اندازه ناهمواريهاي سطح و دماي آزمون بستگي دارد ][. از شکلهاي 6 تا 9 مشاهده ميشود ضريب اصطکاک تابعي از تغييرات نوع آميزه الستيکي سطح ناهموار فشار اسمي )نيروي عمودي( و سرعت لغزش است. نكته ديگر كه در این شکلها مشاهده ميشود كوچك بودن خطاهاي تكرار محاسبه شده براي هر آزمون به وسیله دستگاه طراحي شده است. به منظور شناسايي اثر هر يک از عوامل متغير و تفكيك آن از خطاي تكرار آزمايش از تحليل واريانس استفاده شد. تحليل آماري دادههاي ضريب اصطکاک اندازهگيري شده در بخش پیشین ديده شد با تغيير عواملي همچون خواص گرانروکشسانی ناهمواري سطح فشار اسمي و سرعت لغزش ضريب اصطكاك تغيير ميكند. از طرف ديگر در تكرار اندازه گيري در شرايط ثابت نيز تغييراتي مشاهده ميشود. بنابراین از تحليلهاي آماري واريانس براي بررسي دقيقتر عوامل مؤثر بر تغيير اصطكاك استفاده شد. نتايج تحليل واريانس براي نوع آميزه و سطح ناهموار در جدول 4 نشان داده شده است. عدد F )نسبت واريانس دو آزمايش( براي تغيير خواص گرانروکشسانی نمونه الستيكي و عدد F براي تغييرسطح F( crit در درجه آزادي ناهموار بسيار بزرگتر از مقدار بحراني آن ( مربوط و محدوده اطمينان %99 )0/0=α( است. اين طور استنباط ميشود كه اثر تغيير خواص گرانروکشسانی و سطح بر تغييرات ضريب اصطكاك بسيار مؤثر بوده است. نتايج اين جدول حاكي از آن است اثر تغيير خواص گرانروکشسانی و تغيير سطوح ناهموار بر تغييرات ضريب اصطكاك بسيار مؤثر است و مقدار بسيار كوچك عدد P حاكي از ناچيزبودن خطاي تكرار است. 5 20 0 40 60 70 )kg( شکل 8- ميانگين ضريب اصطکاک جنبشي به همراه خطاي تکرار برحسب تغيير نيروي عمودي براي آميزه O روي سطح کاغذ سمباده 200. rpm با سرعت چرخش P 60 80 00 200 00 400 5 700 سرعت چرخش )rpm( شکل 9- ميانگين ضريب اصطکاک جنبشي به همراه خطاي تکرار برحسب تغيير سرعت براي آميزه O روي سطح کاغذ سمباده P و نيروي عمودي 0. kg 62 مجله علمی پژوهشی علوم و تکنولوژی پلیمر سال بیست و چهارم شماره 2 خرداد تیر 90
مهدی رزاقی کاشانی رسول اسمعیلی نیسیانی طراحي ساخت و ارزيابي دستگاه اندازه گيري ضريب اصطكاك الستيك جدول 4- نتايج تحليل واريانس براي آميزهها روي سطوح مختلف در سرعت چرخش ثابت 00 rpm و نيروي عمودي ثابت 20. kg F crit P-value F منشاء تغيير مجموع مربعات درجه آزادي ميانگين مربعات 2/7992 2/88 /6688 0~ 0~ 0~ 422/65 6020/06 6/0795 0/2807 0/8702 0/009 7 6 42 0/8965 /22 0/07969 سطح ناهموار نمونه الستيكي برهمكنش جدول 5- نتايج تحليل واريانس تعيين اثر فشار و سرعت بر ضريب اصطكاك براي آميزه O روي سطح P. F crit P-value F منشاء تغيير مجموع مربعات درجه آزادي ميانگين مربعات 2/79924 2/884 /6688 E.9-6 0~ 0/02845 5/82704 2/55 /229 0/02020 /74686 0/004587 7 6 42 0/449 0/42 0/9266 سرعت لغزش فشار اسمي برهمكنش از طرفي نتايج تحليل واريانس اثر عوامل متغير سرعت لغزش و فشار اسمي بر ضريب اصطكاك در جدول 5 نشان داده شده است. از نتایج این جدول ميتوان مالحظه کرد كه مقدار F براي تغييرات فشار اسمي )نيروي عمودي( بسيار بزرگتر از مقدار بحراني در آن درجه آزادي و محدوده اطمينان %99 بوده است. بنابراین فشار اسمي نیز بر ايجاد تغيير در ضريب اصطكاك بسيار مؤثر است. از سوی ديگر مقايسه مقدار F براي تغييرات سرعت لغزش با مقدار بحراني آن در درجه آزادي و محدوده اطمينان %99 بيانگر آن است كه تغييرات سرعت در محدوده اندازهگيري شده نيز بر ايجاد تغييرات در ضريب اصطكاك مؤثر است. تمام دادههاي تحليل واريانس نشان ميدهد عواملي مانند خواص گرانروکشسانی ناهمواري سطح و فشار اثر بسزايي بر تغييرات ضريب اصطكاك دارد اما سرعت لغزش در محدوده اندازهگيري شده اثر نسبتا كمتري بر تغييرات اين ضريب دارد. نتيجهگيري به دليل اهميت اندازهگيري ضريب اصطكاك الستيك در مطالعه برهم كنش قطعات الستيكي و سطوح ناهموار مانند برهم كنش تاير جاده دستگاه اندازهگيري ضريب اصطكاك الستيك طراحي و ساخته شد. اين دستگاه امكان بررسي اثر عوامل فرايندي همچون فشار اسمي و سرعت لغزشي را فراهم کرده است. ارزيابي اين دستگاه با استفاده از آميزه الستيكي رويه تاير نشان داد دستگاه دقت خوبي را در اندازهگيري ضريب اصطكاك دارد و حساسيت مورد نياز در بررسي عوامل مؤثر بر ضريب اصطكاك را فراهم ميسازد. نتايج نشان داد ضريب اصطكاك الستيك با افزايش فشار اسمي كاهش و با افزايش سرعت لغزش از مقداری بيشينه عبور ميكند. افزون بر دو عامل فشار و سرعت اثر خواص گرانروکشسانی و عوامل ناهمواري سطح مقابل بر ضريب اصطكاك الستيك نيز به ترتيب با تغيير تركيب درصد الستيكهاي SBR و BR در آميزه و استفاده از كاغذ سيليكون كاربيد با زبريهاي متفاوت بررسي شد. نتايج نشان داد تغيير در تركيب درصد الستيكها محدوده وسيع و منظمي از خواص گرانروکشسانی را فراهم ميكند و افزايش ضريب اتالف در اثر افزايش مقدار الستيك SBR موجب افزايش ضريب اصطكاك آميزه الستيكي ميشود. هم چنين نشان داده شد كاغذ سيليكون كاربيد با زبريهاي متفاوت محدوده وسيعي از اندازه پارامترهاي زبري سطح را پوشش ميدهد و R sk كه معرف عدم تقارن منحني توزيع از ميان اين پارامترها پارامتر ارتفاع سطح است بيشترين ضريب همبستگي را با ضريب اصطكاك الستيك دارد و ميتواند به عنوان معياري در انتخاب سطح درگير با قطعه الستيكي به كار رود. از ميان عوامل مورد مطالعه سرعت لغزش در محدوده اندازهگيري شده اثر كمتري را بر تغييرات ضريب اصطكاك نشان داد. قدرداني نويسندگان مقاله از آقايان كمال افشاري و عظيم پوربخشيان كه در ساخت بخشهاي مكانيكي و الكترونيكي دستگاه ضريب اصطكاك همكاري بسيار داشتهاند كمال تشكر را دارند. درضمن از همكاري شركت توليدي ايران تاير در آمادهسازي نمونهها و انجام برخي آزمايشها قدرداني ميشود. 6 مجله علمی پژوهشی علوم و تکنولوژی پلیمر سال بیست و چهارم شماره 2 خرداد تیر 90
طراحي ساخت و ارزيابي دستگاه اندازه گيري ضريب اصطكاك الستيك مهدی رزاقی کاشانی رسول اسمعیلی نیسیانی مراجع. Zhang S.W., Tribology and Interface Engineering Series: Tribology of Elastomers, st ed., Elsevier, Amsterdam, 2004. 2. Moore D.F., The Friction and Lubrication of Elastomers, st ed., Pergamon, London, 972.. Persson B.N.J., On the Theory of Rubber Friction, Surf. Sci., 40, 445-454, 998. 4. Grosch K.A., The Relation between the Friction and Visco-elastic Properties of Rubber, Rubber Chem. Technol., 7, 86-404, 964. 5. Amino N. and Uchiyama Y., Relation between the Friction and Viscoelastic Properties of Rubber, Tire Sci. Technol., 28, 78-95, 2000. 6. Omata N., Suga T., Furusawa H., Urabe S., Kondo T., and Ni Q.Q., Viscoelastisity Evaluation of Rubber by Surface Reflection of Supersonic Wave, Ultrasonics, 44, 2-25, 2006. 7. Pan X.D., Kelly E.D., and Hayes M.W., Bulk Viscoelastic Contribution to the Wet-Sliding Friction of Rubber Compounds, J. Polym. Sci., Part B: Polym, Phys., 4, 757-77, 200. 8. Pan X.D., Relationship between the Dynamic Softening Transition and Wet Sliding Friction of Elastomer Compounds, J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys., 42, 2467-2478, 2004. 9. Pan X.D., Wet Sliding Friction of Elastomer Compounds on a Rough Surface under Varied Lubrication Conditions, Wear, 262, 707-77, 2007. 0. Klupple M. and Heinrich G., Rubber Friction on Self-Affine Road Tracks, Rubber Chem. Technol., 7, 578-606, 2000.. Chang W.R., The Effects of Surface Roughness and Contaminant on the Dynamic Friction of Porcelain Tile, Appl. Ergonom., 2, 7-84, 200. 2. Ergun M., Lyinam S., and Lyinam A.F., Prediction of Road Surface Friction Coefficient Using only Macro- and Microtexture Measurement, J. Transport. Eng.,, -9, 2005.. Schallamach A., Friction and Abrasion of Rubber, Rubber Chem. Technol.,, 982-04, 959. 4. Deladi E.L., Drooij M.B., and Gdevries E., Analytical and Experimental Investigation of the Static Friction Regime for Rubber-Rigid Ball Contact, Surf. Int. Anal, 8, 89-89, 2006. 5. Brown R., Physical Testing of Rubber, 4th ed., Springer, USA, 29-244, 2006. 6. Pottinger M.G., Contact Patch (Footprint) Phenomena, Pneumatic Tires, Gent A.N. and Walter J.D. (Eds.), National Highway Traffic Safety Administration, U.S. Department of Transportation, Washington, 2-287, 2005. 7. Marzocca A.J. Cerveny S., and Mendez J.M., Some Considerations Concerning the Dynamic Mechanical Properties of Cured Styrene-butadiene Rubber/Polybutadiene Blends, Polym. Int., 49, 26-222, 2000. 8. Gatti L., World Intellectual Property Organization PCT/ US99/0888, 999. 64 مجله علمی پژوهشی علوم و تکنولوژی پلیمر سال بیست و چهارم شماره 2 خرداد تیر 90