450×90KB×51農(nóng)用橡膠履帶的研制

方周榮

（中策橡膠集團(tuán)有限公司永固橡膠廠，浙江 杭州 310011）

農(nóng)用橡膠履帶是用于農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械和運(yùn)輸車輛等設(shè)備的行走部件。1968年日本農(nóng)業(yè)機(jī)械制造企業(yè)ISEKI公司和輪胎企業(yè)普利司通公司聯(lián)合開發(fā)了第1條替代金屬履帶的農(nóng)用橡膠履帶[1]。與輪胎相比，橡膠履帶與地面接觸面積大，對地壓強(qiáng)小，牽引力大，在農(nóng)業(yè)機(jī)械中得到了廣泛應(yīng)用。

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度提高，我國對農(nóng)用橡膠履帶的需求量逐年提高。工業(yè)和信息化部發(fā)布的《農(nóng)機(jī)工業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2011-2015年）》顯示，“十二五”期間，我國聯(lián)合收割機(jī)總需求量約為80萬臺。2013年，久保田、福田雷沃、凱斯、洋馬、碧浪和柳林等10余個(gè)品牌的橡膠履帶式聯(lián)合收割機(jī)產(chǎn)量已達(dá)13萬臺，農(nóng)用橡膠履帶需求量已達(dá)到40萬條。

自1978年中策橡膠集團(tuán)有限公司研制和生產(chǎn)出我國首條農(nóng)用橡膠履帶以來，我國農(nóng)用橡膠履帶生產(chǎn)快速發(fā)展，目前我國橡膠履帶生產(chǎn)企業(yè)已有20余家。近年來我國農(nóng)用橡膠履帶性能與國外產(chǎn)品差距逐漸縮小，并逐步走向國際市場。中策橡膠集團(tuán)有限公司研發(fā)的無接頭農(nóng)用橡膠履帶生產(chǎn)工藝及設(shè)備已申請了6項(xiàng)專利（CN 203246015U，CN 103240807A，CN 203510543U，CN 103331851A，CN 203236687U，CN 103243443A）。

農(nóng)用橡膠履帶按用途可分為聯(lián)合收割機(jī)用橡膠履帶、田園耕作機(jī)械用橡膠履帶和農(nóng)田運(yùn)輸機(jī)械用橡膠履帶；按驅(qū)動方式可分為齒輪式橡膠履帶（CRT）和無芯金式橡膠履帶（WRT），與WRT相比，CRT主要用于中小型農(nóng)用機(jī)械。目前聯(lián)合收割機(jī)對橡膠履帶的需求量最大。與傳統(tǒng)鋼制履帶相比，450×90KB×51農(nóng)用橡膠履帶（CRT）具有作業(yè)性好、通用性強(qiáng)、質(zhì)量小、價(jià)格低的特點(diǎn)，適合在水稻、小麥和油菜等多種作物的田地作業(yè)，可與久保田688Q型聯(lián)合收割機(jī)以及福田雷沃、谷王和約翰迪爾等多種聯(lián)合收割機(jī)配套使用。本工作進(jìn)行了450×90KB×51農(nóng)用橡膠履帶的研制?，F(xiàn)將研制情況簡介如下。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

混煉膠918，935和947，自制；Φ2.0鋼絲簾線，張家港市沙洲鋼繩有限公司產(chǎn)品；4590 kB-8型芯金，浙江鄭升鍛造有限公司產(chǎn)品；開姆洛克粘合劑，牌號205和220，美國洛德公司產(chǎn)品。

1.2 主要設(shè)備與儀器

XK-450型開煉機(jī)，常州三橡機(jī)械有限公司產(chǎn)品；M200E型門尼粘度儀，北京友深電子儀器有限公司產(chǎn)品；XLBE-650×2050型顎式平板硫化機(jī)，青島亞東橡膠機(jī)械集團(tuán)有限公司產(chǎn)品；XLB-Q1000×3500型平板硫化機(jī)，青島第三橡膠機(jī)械廠產(chǎn)品；GT-TCS-200型伺服控制拉力試驗(yàn)機(jī)，高鐵檢測儀器有限公司產(chǎn)品；HY-10080型微控電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，上海衡翼精密儀器有限公司產(chǎn)品。

1.3 性能測試

橡膠履帶性能測試按照相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2 履帶設(shè)計(jì)

農(nóng)用橡膠履帶由膠料、芯金、簾線材料通過模壓硫化復(fù)合制成[2]。450×90KB×51農(nóng)用橡膠履帶結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中膠料質(zhì)量占比為61%，芯金質(zhì)量占比為34%，簾線材料質(zhì)量占比為5%。

圖1 農(nóng)用橡膠履帶結(jié)構(gòu)示意

2.1 膠料

橡膠履帶不同部位膠料具備不同的物理性能[3]。農(nóng)用橡膠履帶膠料一般選用天然橡膠（NR）/丁苯橡膠（SBR）并用膠、NR/SBR/順丁橡膠（BR）并用膠、NR/溶聚丁苯橡膠（SSBR）/BR并用膠和NR/BR并用膠作為主體材料。

450×90KB×51農(nóng)用橡膠履帶的花紋側(cè)膠與地面接觸，且長時(shí)間處于拉伸狀態(tài)，需要較好的耐磨性能、抗撕裂性能和較大的拉斷伸長率?；y側(cè)膠采用混煉膠947，其主體材料為NR/SBR（并用比85/15），并補(bǔ)加了增硬劑，膠料阿克隆磨耗量不小于0.5 cm3，撕裂強(qiáng)度不小于70 kN·m-1，拉斷伸長率大于500%。

輪側(cè)膠是與芯金粘合的部件，需要較大的硬度和較好粘合性能。輪側(cè)膠采用混煉膠918，其主體材料為復(fù)合橡膠/SBR（并用比70/30），膠料硬度較大，與芯金的剝離試驗(yàn)粘合強(qiáng)度不低于12.0 kN·m-1。

農(nóng)用橡膠履帶在運(yùn)行時(shí)鋼絲簾線膠一直產(chǎn)生剪切變形，為保證膠料滲入鋼絲簾線，要求鋼絲簾線膠具有良好的流動性和較小的門尼粘度。鋼絲簾線膠采用混煉膠935，其主體材料為復(fù)合橡膠，膠料彈性大、抗剪切變形性和耐疲勞性能好。

2.2 芯金

2.2.1 材質(zhì)

芯金是農(nóng)用橡膠履帶中傳遞動力、導(dǎo)向及橫向支撐的部分，其常用的材料有鍛鋼（如45#鍛鋼）、鑄鐵（如QT450鑄鐵）、玻璃纖維等。鑄鐵一般用于制造形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高、不易加工的芯金。450×90KB×51農(nóng)用橡膠履帶芯金采用45#鍛鋼，可以避免鑄鐵加工過程中因砂眼等缺陷導(dǎo)致的斷裂故障。農(nóng)用橡膠履帶芯金如圖2所示。

圖2 農(nóng)用橡膠履帶芯金示意

2.2.2 負(fù)荷

在受彎曲力時(shí)，芯金保持彈性變形的最大應(yīng)力不得小于機(jī)身重力的0.5倍。具體根據(jù)使用需求和作業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)芯金所能承受的負(fù)荷，例如在西南地區(qū)使用的農(nóng)用橡膠履帶芯金所能承受的負(fù)荷應(yīng)大于江浙地區(qū)使用的農(nóng)用橡膠履帶。長時(shí)間作業(yè)的農(nóng)用橡膠履帶也應(yīng)適當(dāng)提高芯金承受負(fù)荷的能力，以保證芯金磨損后的抗彎曲性能。

久保田688Q聯(lián)合收割機(jī)主要收割作物為水稻（水田）、小麥、油菜（旱地）。本工作綜合考慮該機(jī)型使用區(qū)域、作業(yè)環(huán)境及市場反饋的情況，適當(dāng)提高了450×90KB×51農(nóng)用橡膠履帶芯金負(fù)荷，芯金負(fù)荷設(shè)計(jì)為機(jī)身質(zhì)量的0.6倍。

2.2.3 尺寸

與金屬履帶和工程橡膠履帶相比，農(nóng)用橡膠履帶的運(yùn)行速度更快。農(nóng)用橡膠履帶芯金的寬度應(yīng)根據(jù)履帶的節(jié)距設(shè)計(jì)。芯金過寬，履帶運(yùn)行時(shí)的柔韌性會降低，芯金間橡膠擠壓形變明顯，芯金間橡膠易開裂與損壞；芯金過窄，芯金與橡膠的粘合面積過小，輪側(cè)膠與芯金粘合力不足，芯金易脫出。節(jié)距90 mm的農(nóng)用橡膠履帶芯金寬度一般設(shè)計(jì)為35～50 mm，其它節(jié)距的農(nóng)用橡膠履帶芯金寬度占節(jié)距的比例一般為38%～55%。

作為CRT，450×90KB×51農(nóng)用橡膠履帶支重輪作用于輪側(cè)膠上，因此芯金采用長條形設(shè)計(jì)，不含加強(qiáng)筋，以減小支重輪對輪側(cè)膠的剪切作用，防止輪側(cè)膠過早損壞，還可以減輕履帶高速運(yùn)行時(shí)的振動。450×90KB×51農(nóng)用橡膠履帶芯金寬度設(shè)計(jì)為42 mm，芯金寬度占節(jié)距的比例為46.7%。該結(jié)構(gòu)尺寸較好地避免了輪側(cè)膠與芯金粘合不良的缺陷，同時(shí)保證了履帶帶體的柔韌性。

2.3 鋼絲簾線

2.3.1 根數(shù)

在保證鋼絲簾線強(qiáng)度和柔韌性的同時(shí)，鋼絲簾線總寬度不得超過芯金寬度，否則鋼絲簾線會失去傳遞動力的作用。

鋼絲簾線縱向拉力應(yīng)大于機(jī)身重力的5倍以上，計(jì)算公式如下。

F=f×C

式中，F(xiàn)為履帶的縱向拉力，N；f為單根鋼絲簾線破斷力，N；C為履帶的鋼絲簾線（縱向）根數(shù)。

450×90KB×51農(nóng)用橡膠履帶f設(shè)計(jì)為3.9 kN；C為56根；F為218.4 kN，為機(jī)身重力的6.2倍。鋼絲簾線提供了機(jī)身所需的足夠驅(qū)動力，同時(shí)使帶體有足夠的柔韌性，可以滿足田間運(yùn)行作業(yè)的需求。

2.3.2 直徑

在保證鋼絲簾線強(qiáng)度的同時(shí)，還要考慮農(nóng)用橡膠履帶的使用環(huán)境。同樣規(guī)格的農(nóng)用橡膠履帶，若用于中高速運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)機(jī)械，則需要使用較細(xì)的鋼絲簾線并增加簾線根數(shù)，較細(xì)的鋼絲簾線可以保證履帶的柔軟性，減少裂口和脫帶事故的發(fā)生，這也是農(nóng)用橡膠履帶采用較細(xì)鋼絲簾線的原因。400～500 mm寬度的農(nóng)用橡膠履帶一般采用單根直徑2.0～2.5 mm的鋼絲簾線，根據(jù)450×90KB×51農(nóng)用橡膠履帶的運(yùn)行速度和頻率，鋼絲簾線直徑設(shè)計(jì)為2.0 mm較為適宜。

2.3.3 結(jié)構(gòu)

鋼絲簾線的結(jié)構(gòu)影響其強(qiáng)度、柔韌性及覆膠性。中心絲加粗有助于膠料滲入，提高鋼絲與橡膠的粘合性能。450×90KB×51農(nóng)用橡膠履帶在使用中出現(xiàn)過鋼絲簾線中心絲外露的情況，為解決這一問題，將其采用的0.27+6×0.22+6×7×0.22結(jié)構(gòu)鋼絲簾線的中心絲直徑由0.27 mm加粗至0.36 mm（如圖3所示），這樣有效提高了鋼絲簾線的覆膠性，避免了中心絲外露。

圖3 鋼絲簾線中心絲加粗

2.3.4 表面處理

為提高橡膠與鋼絲簾線的粘合性能，常采用表面鍍黃銅和鍍鋅的鋼絲簾線，鋼絲簾線鍍層的Cu/Zn質(zhì)量比為64/36時(shí)其與橡膠的粘合性能最佳。450×90KB×51農(nóng)用橡膠履帶的鋼絲簾線采用Cu/Zn鍍層（Cu/Zn質(zhì)量比為64/36，鍍層附著量為3.5～6.0 g·kg-1），橡膠與鋼絲粘合強(qiáng)度可達(dá)65 kN·m-1，完全能滿足使用需求。

2.4 花紋

2.4.1 類型

農(nóng)用橡膠履帶必須具有強(qiáng)大的牽引力，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)具有優(yōu)異的耐疲勞性能、耐磨性能和易脫泥性能。農(nóng)用橡膠履帶典型花紋如圖4所示。

圖4 農(nóng)用橡膠履帶典型花紋

450×90KB×51履帶采用Z型花紋，該花紋具有脫泥性好，摩擦驅(qū)動力大的優(yōu)點(diǎn)。V型和Y型花紋一般用于大型農(nóng)用機(jī)械的橡膠履帶中。

2.4.2 寬度和高度

適宜的花紋寬度和高度可以為設(shè)備運(yùn)行提供足夠的牽引力，減小應(yīng)力集中和裂口擴(kuò)展。以常用的400～500 mm寬度的農(nóng)用橡膠履帶為例，花紋寬度一般設(shè)計(jì)為45～65 mm，花紋高度一般設(shè)計(jì)為30～55 mm。450×90KB×51農(nóng)用橡膠履帶花紋采用寬度45 mm、高度35 mm、長短花塊相間的結(jié)構(gòu)。

3 成品橡膠履帶性能

本設(shè)計(jì)450×90KB×51農(nóng)用橡膠履帶性能見表1。從表1可以看出：450×90KB×51橡膠履帶的花紋側(cè)膠和輪側(cè)膠拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率、撕裂強(qiáng)度、磨耗量以及芯金負(fù)荷、鋼絲簾線破斷力達(dá)到或超過GB/T 20786—2006要求，橡膠與鋼絲簾線的粘合性能較好。450×90KB×51農(nóng)用橡膠履帶實(shí)際使用壽命可超過1000 h，質(zhì)保使用壽命超過500 h，優(yōu)于市場上其它同類產(chǎn)品。因故障率低、通用性強(qiáng)、綜合性能好，450×90KB×51農(nóng)用橡膠履帶取得了良好的口碑，在市場上深受歡迎。

表1 450×90KB×51農(nóng)用橡膠履帶性能

4 結(jié)語

農(nóng)用橡膠履帶具有質(zhì)量小、速度快、減振、噪聲低、耐腐蝕、接地壓力小等特點(diǎn)。隨著土地流轉(zhuǎn)加快，農(nóng)用機(jī)械補(bǔ)貼政策出臺，家庭農(nóng)場、合作社迅速崛起，高效農(nóng)用機(jī)械的需求量激增，農(nóng)用橡膠履帶的市場需求量將進(jìn)一步增大。農(nóng)用橡膠履帶向大型、高效、優(yōu)質(zhì)的方向發(fā)展，農(nóng)用橡膠履帶生產(chǎn)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)應(yīng)從膠料、芯金、簾線材料和花紋等方面改進(jìn)農(nóng)用橡膠履帶，提高我國農(nóng)用橡膠履帶的質(zhì)量。