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回弹性测试仪预测输送带覆盖层化合物滚动阻力因数

来源:荣格 发布时间:2018-11-05 415
塑料橡胶 技术前沿
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无论是从经济和国家安全,还是从改善空气质量、降低温室效应等多方面考虑,减少能耗都是国家的一项目标。能源价格的上涨正在影响消费者和企业,也导致过去几年消费物价指数上升。

无论是从经济和国家安全,还是从改善空气质量、降低温室效应等多方面考虑,减少能耗都是国家的一项目标。能源价格的上涨正在影响消费者和企业,也导致过去几年消费物价指数上升。

在过去几年中,散装材料运输方面取得了重大的技术进展。传送带总是在不平坦的地形,穿过山隧道和在水平弯道上输送材料。但如今,提高传送效率的下一步是降低运行这些高性能系统所需的功率。正如一些轮胎提供较低的滚动阻力,取决于其结构和化合物,传送带也可以被设计,当其在支承托辊上滚动时,可提供较低的阻力。

能量效率因子将作为获取的标准,作为技术系统发展阶段以及散装物料输送技术的目标值,将会在未来获得重要的意义。一方面由于能源成本的增加,这一趋势将会被确定,并将在投资决策时更多地关注机器和系统的生命周期成本。另一方面,一般气候辩论鼓励在可持续经济活动范围内的生态思考。生态行动,即对诸如电等资源的经济处理,在未来经济上也将变得更具吸引力,如上文所示,从企业家的角度来看,提供了两个优点:即生态的必要性和在经济上的合理性。

带式输送机系统也具有生态优势,如萨莫拉诺(Zamorano)的案例研究所示,它提供了自动倾卸车和皮带输送系统两条不同输送线上的二氧化碳排放量的比较。

橡胶是一种粘弹性材料,具有粘性和弹性相。在橡胶变形的情况下,涉及到能量输入,当橡胶恢复到原来的形状时,能量会返回一部分。而这一部分能量不作为机械能被退回,而是橡胶以热的形式被消散。

许多橡胶制品在使用时,会在一定频率范围内进行快速循环变形,例如,用于从底盘或构成件中隔离发动机振动为目的的轮胎胎侧,或胎面和发动机支架。动态力学性能强烈取决于温度、频率、填充物的存在和变形的程度。

计算输送带压痕滚动阻力的各种分析计算方法。其中包括一、二维分析方法和二维有限元方法。一维温克(Winker)基础模型为分析橡胶变形提供了一种简单而直接的方法。约克斯(Jonkers)重点讨论了在一个稳定变形周期中的覆盖材料能量耗散率,而路德威克(Lodewijks)和其他人则确定托辊/支承界面应力分布的功率。与皮带输送机范围广泛的负荷或特定应用的操作环境相比,直接压痕滚动阻力测量实际上仅局限于一小部分的操作情形。

分析和计算方法依赖测量覆盖层化合物的动态力学性能。这些属性通常使用动态力学分析(DMA)设备进行测量。DMA机器依赖时间-温度转换来模拟高频循环测试,低频率、低温度数据沿频率轴移动,以在分析的温度下模拟更高频率的测试。根据压痕频率和工作温度,将实测的橡胶性能应用于理论模型。

较低的tanδ值预计会在现场输送机上提供较低的滚动损耗,因此消耗的功率也会降低。tanδ的结果可以从张力、压缩或剪切方法收集。能量损耗的tanδ分量是关联橡胶材料滚动阻力的一个有价值的工具。

在研究实验室中,为了特定的调查,开发了各种测试橡胶动态力学性能的实验技术。

在一个回弹测试仪中,变形是基于单次冲击而导致的一个压痕。返回能量与应用能量的比值被称为回弹性。当变形是一个单次冲击的压痕,这个比值被称为回弹性。给定材料的回弹性值不是一个固定数值,而是随温度、应变分布、应变率、应变能和应变历史而变化。

在一个动态力学分析仪(DMA1000+)中,用2%动态应变和10赫兹频率在张力模式下,测量﹣20℃至﹢70℃之间的带状试样的动态特性。可在动态力学分析仪中测量的属性如下:

● 弹性或存储模量(Eˊ)是复数模量(E*)的实部。它代表弹性材料 (弹性元件) 的刚度,与负载周期中存储的最大能量成正比。

● 粘性或损耗模量(E"),是复数模量(E*)的虚部。它代表粘性分量,并与负载周期中耗散的能量成正比。

● 损耗因数(tanδ)是损耗模量(E")除以存储模量(Eˊ)的比值。

● 滚动阻力因数(RRF)通过下式计算:

RRF(用DMA测量) =(E")/(Eˊ)4/3      (A)      

实验

具有不同橡胶共混物和炭黑(粘弹性性能的主要因素)的9种化合物在1.5升的实验室小型密炼机中混合,其配方分别在表1中列出。混合是按照功率集成法混合进行的。小型密炼机排出的化合物使用实验室小型双辊开炼机进行压片。

表 1、使用的配方

表 1、使用的配方

绿色化合物在电加热的实验室液压硫化机中被硫化。用于确定回弹性而维持的硫化条件为在150℃下tc90+5分钟;而用于动态力学性能而维持的硫化条件为在150℃下tc90+2分钟。

表 2、按回弹值预测滚动阻力因数(RRF)

表 2、按回弹值预测滚动阻力因数(RRF)

动态力学性能的测量使用粘度分析仪(Metravib DMA1000+),采用ASTM D 5992标准;而回弹性测量则使用回弹性测试仪,并采用ISO 4662标准。

按照方程B,利用线性回归分析和R2回归系数预测滚动阻力因数:

Y = m × X + C                                     (B)

在方程式B中,X是测量回弹性,Y是利用回弹预测的滚动阻力因数,m是趋势线的斜率,C是截距。

结果与讨论

利用回弹性测试仪测量25℃的回弹性,并用DMA1000+测量滚动阻力因数。表2总结了预测的、实测的和百分比的变化。

用公式C计算测量和预测的滚动阻力因数值的百分比变化:

百分比变化 = [(预测值-测量值)/测量值]×100  (C)

与此同时,利用动态力学分析仪计算了回弹性与RRF的相关系数。相关值的系数被发现为99%。

图1、线性回归分析

图1、线性回归分析

用线性回归法预测滚动阻力因数及其回归系数,如图1所示。

结论

两个设备测量的滚动阻力因数值表现出良好的相关性(相关系数=99%)。与DMA1000+测量值相比,回弹预测的滚动阻力因数小于10%。动态力学分析仪是一个非常昂贵的测试仪,与回弹弹性测试仪相比,小规模的橡胶生产商很难用DMA测试仪测量动态力学性能。因此,上述实验将有助于预测DMA所测量的粘弹性性能,只需通过一个比较便宜的测试仪,即回弹性测试仪进行测量。

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