整體式橡膠履帶力學性能試驗設計與研究

彭立群, 林達文, 陳 剛, 劉立峰, 沈 奎, 王 進

( 株洲時代新材料科技股份有限公司,湖南 株洲 412007)

整體式橡膠履帶力學性能試驗設計與研究

彭立群, 林達文, 陳 剛, 劉立峰, 沈 奎, 王 進

( 株洲時代新材料科技股份有限公司,湖南 株洲 412007)

對整體式橡膠履帶進行系統(tǒng)的力學性能試驗是履帶式車輛走行系統(tǒng)安全性判定的重要手段之一。簡要分析了一種履帶式車輛行走機構的結構與原理，設計出一套合理的試驗裝置及方法，對整體式橡膠履帶進行了定載荷下的伸長率、斷裂載荷和拉斷伸長率試驗及驅(qū)動齒剪切強度、導向齒剪切強度試驗，并與國外同類產(chǎn)品進行對比分析。研究表明：國產(chǎn)整體式橡膠履帶力學性能和國外產(chǎn)品基本一致，試驗設計達到預期效果，具有較好的實用推廣價值。研究成果對整體式橡膠履帶國產(chǎn)化設計和試驗起指導作用。

整體式橡膠履帶；力學性能；試驗研究

0 前 言

整體式橡膠履帶在軍事、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領域發(fā)揮了十分重要的作用。相對于金屬履帶，橡膠履帶具有不損傷路面、接地比壓小、濕地通過性好、震動小、噪聲低、油耗低、機械時速高，以及能減小機械質(zhì)量、提高牽引力、耐腐蝕性能好、更換方便等優(yōu)點。安裝了橡膠履帶的車輛既能在苛刻的路面上行駛，又能在等級公路上行駛而不破壞路面，不僅提高了使用壽命，而且改善了車輛的爬坡和越野性能，對車內(nèi)乘員、儀器等能起到很好的防振、吸振作用，更重要的是車輛的有效功率能得到充分的發(fā)揮[1-4]。

目前對整體式橡膠履帶的結構和力學性能的理論研究很多，但相應的試驗研究甚少，本文將從具體實驗設計與研究的角度出發(fā)，以國內(nèi)某企業(yè)研制的整體式橡膠履帶為對象，通過設計一套合理的試驗裝置及方法，不僅對整體式橡膠履帶進行系統(tǒng)的力學性能試驗，還與國外同類產(chǎn)品進行對比分析。

1 履帶式車輛走行系統(tǒng)結構

履帶式車輛走行系統(tǒng)被安裝于車輛底部，分1組或2組左右對稱安裝，直接與地面接觸。安裝位置如圖1所示。

圖1 一種全地形履帶式消防救援車

履帶式車輛的種類較多，根據(jù)履帶結構形式大致分為橡膠履帶式和金屬履帶式兩種，其中橡膠履帶應用于輕型運輸車輛，金屬履帶應用于重型裝甲車輛。其中走行系統(tǒng)是車輛的核心部件，也是最能體現(xiàn)該車輛運行特點的部分[5]。

履帶式車輛走行系統(tǒng)主要由整體式橡膠履帶、驅(qū)動輪、負重輪、導向輪、主橫梁、橡膠球鉸、扭轉(zhuǎn)臂、油壓減振器等組成，如圖2所示。其中橡膠履帶是走行系統(tǒng)的關鍵部件，是一種由橡膠與金屬或纖維復合材料制成的環(huán)形橡膠帶，整個環(huán)形橡膠帶由68個節(jié)距相等的齒條組成，環(huán)繞在整個傳動機構外，起承載、減振和直線運動的作用。

圖2 履帶式車輛走行系統(tǒng)

其中驅(qū)動輪安裝于履帶前端，通過驅(qū)動齒將轉(zhuǎn)動力矩傳遞給履帶，將動力源的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成車輛向前或向后的直線運動；橡膠球鉸均勻地壓裝于主橫梁，兩側通過扭轉(zhuǎn)臂安裝負重輪，構成一個偏心擺臂機構，將車輛載重引起的垂直運動轉(zhuǎn)換成橡膠球鉸的扭轉(zhuǎn)，并通過負重輪傳遞于履帶，達到減振、吸振的效果；導向輪安裝于履帶上端，起支撐導向和調(diào)節(jié)張緊力的作用。

2 實 驗

整體式橡膠履帶方面的標準主要參照GJB 3047—1997《車輛履帶板規(guī)范》、GB/T 4502—2009《轎車輪胎性能室內(nèi)試驗方法》、GB/ T 10716—2000《汽車同步帶物理性能試驗方法》、GJB 1259A—1998《履帶車輛掛膠負重輪規(guī)范》、TB/T 2843—2010《機車車輛橡膠彈性元件通用技術條件》等，具體試驗按《整體式橡膠履帶技術規(guī)范》執(zhí)行，力學性能試驗項目主要包括拉伸強度試驗和剪切強度試驗兩部分。

其中拉伸試驗分為定載荷下的伸長率、拉伸強度和拉斷伸長率試驗；剪切試驗分為驅(qū)動齒剪切強度和導向齒剪切強度試驗。

伸長率試驗是在規(guī)定的拉伸載荷條件下，橡膠履帶最大變形與初始變形的一個比值；拉伸強度和拉斷伸長率是測試橡膠履帶在極限承載條件下的最大破壞載荷和最大變形；驅(qū)動齒剪切強度試驗是測試橡膠履帶驅(qū)動齒橫向粘接強度；導向齒剪切強度試驗是測試橡膠履帶導向齒豎向粘接強度。

2.1 實驗設備及裝置

2.1.1 實驗設備

CSS-55100電子萬能試驗機，長春試驗機研究所；CSS-4600電子萬能試驗機，長春試驗機研究所；12通道組合加載試驗機，北京富力通達FTS；非標試驗裝置，自制；外接位移傳感器等，市售。

2.1.2 實驗裝置

2.1.2.1 拉伸強度

試驗裝置由加力架、轉(zhuǎn)動軸、模擬驅(qū)輪、側支撐筒、端蓋組成，分別安裝于試驗機兩端，其中左側固定于試驗機橫梁，調(diào)整至張緊初始位置并保持不變，右端與試驗機加載油缸連接，通過油缸對橡膠履帶施加拉伸載荷，如圖3所示。

圖3 拉伸試驗

2.1.2.2 導向齒剪切強度

試驗裝置由支撐座、下墊塊、壓緊塊、橫向壓條、刀具組成，所述的橡膠履帶以水平方式固定于底座，通過壓條、壓塊進行固定，并安裝于試驗機中心位置，通過刀具對其施加剪切載荷，如圖4所示。

圖4 驅(qū)動齒剪切試驗

2.1.2.3 驅(qū)動齒剪切強度

試驗裝置由定位塊、固定塊、螺栓、L形刀具組成，所述的橡膠履帶以垂直方式固定于定位塊，設計一種“L”型刀具對導向齒施加剪切力，如圖5所示。

圖5 導向齒剪切試驗

3 結果與討論

3.1 定載荷下的伸長率試驗

3.1.1 試驗方法

試驗前測量整體式橡膠履帶周長L0值。預加載試驗：將履帶通過工裝固定于試驗機上，水平以60 mm/min速度加載至最大工作載荷2F1max(138 kN)，保持10 min后卸載，停放5 min后正式加載。正式加載：水平以60 mm/min速度將產(chǎn)品拉伸至初始預緊狀態(tài)，記錄預張緊力和初始變形S0，繼續(xù)加載直至工作載荷2F1max(120 kN)，保持30 s，記錄最大變形S1。

按公式（1）計算伸長率：

式中：λ—伸長率（%）；S0—初始變形（mm）；S1—最終變形（mm）；L0—初始長度（mm）。

將所研制的整體式橡膠履帶（編號“TMT”）與國外同類產(chǎn)品（編號“國外”）進行對比，得到如表1、圖6所示試驗數(shù)據(jù)。

表1 定載荷下的伸長率試驗數(shù)據(jù)

圖6 定載荷下的伸長率試驗曲線

3.1.2 結果分析與討論

從表1得知TMT與國外整體式橡膠履帶定載荷下的伸長率分別為103.66%與102.24%，表明兩種產(chǎn)品的伸長率基本一致，說明該型整體式橡膠履帶既具有一定的彈性變形，且規(guī)定拉伸載荷下的變形均在有效范圍內(nèi)。

從圖6得知：TMT與國外整體式橡膠履帶定載荷下的伸長率均呈非線性，且斜率基本一致，TMT橡膠履帶最大工作載荷時的變形為46.70 mm，國外橡膠履帶最大工作載荷時則為46.02 mm。

3.2 拉斷伸長率試驗

3.2.1 試驗方法

試驗前測量整體式橡膠履帶周長L0值。預加載試驗同3.1.1。正式加載：以（60±3）mm/min的速度將產(chǎn)品加載拉伸到初始預張緊狀態(tài)，記錄此時的加載載荷（履帶預張緊力），并記錄此時的位移行程值作為初始值S0，繼續(xù)加載直到產(chǎn)品斷開或達到600 kN時，保持30 s后，記錄此時的最大載荷和最大變形?！皣狻迸c“TMT”的對比數(shù)據(jù)如表2、圖7所示。

3.2.2 結果分析與討論

從表2得知：TMT與國外整體式橡膠履帶的拉斷伸長率分別為355%與344%，其中TMT橡膠履帶拉斷載荷為587.33 kN，變形為141.95 mm；國外橡膠履帶拉斷載荷為563.25 kN，變形為137.58 mm。說明兩種橡膠履帶均具有較好的極限性能。

表2 拉斷伸長率試驗數(shù)據(jù)

從圖7得出橡膠履帶拉斷特性分析圖可以看出：拉斷載荷與變形基本呈線性遞增關系，當載荷到達破壞點時，變形停止且載荷急劇下降。

圖7 拉斷伸長率試驗曲線

3.3 剪切強度試驗

3.3.1 試驗方法

從樣帶上切取一個節(jié)距長的履帶，分別包含2個驅(qū)動齒和2個導向齒，將試樣夾裝在試驗工裝中，以（150±5）mm/min的速度加載，直至膠齒與履帶本體斷開或脫落，記錄位移和載荷曲線。驅(qū)動齒的試驗數(shù)據(jù)如表3及圖8所示，導向齒的試驗數(shù)據(jù)如表4、圖9所示。

3.3.2 結果分析與討論

從表3得知：4個驅(qū)動齒的最大破壞載荷為（14～18）kN，且TMT驅(qū)動齒的最大破壞載荷略高于國外產(chǎn)品。

表3 驅(qū)動齒剪切強度試驗數(shù)據(jù)

從圖8得知：驅(qū)動齒剪切強度特性呈非線性，剪切變形超過30 mm后載荷隨變形遞減，當載荷急劇下降時說明已達最大破壞值，表明驅(qū)動齒已破壞。

圖8 驅(qū)動齒剪切強度曲線

從表4得知：4個導向齒的最大破壞載荷位于（8.66～9.96）kN，且TMT驅(qū)動齒最大破壞載荷略高于國外產(chǎn)品。

表4 導向齒剪切強度試驗數(shù)據(jù)

從圖9得知：4個導向齒剪切強度剛度特性的趨勢基本一致，且與驅(qū)動齒剪切強度特性相似，在剪切變形超過60 mm后變形增加，載荷保持水平，表明導向齒已失去相應的承載能力。

圖9 導向齒剪切強度曲線

4 結 語

（1）簡要分析了履帶式車輛走行系統(tǒng)的結構與原理，提供了一套合理的試驗方案，為同類橡膠履帶產(chǎn)品國產(chǎn)化的設計與試驗提供參考。

（2）通過對整體式橡膠履帶進行系統(tǒng)的力學性能試驗，并與國外產(chǎn)品的比對分析發(fā)現(xiàn)：所研制的國產(chǎn)橡膠履帶力學性能與國外產(chǎn)品的基本一致。

（3）試驗方案設計達到預期效果，具有較好的實用推廣價值，研究成果對橡膠履帶的國產(chǎn)化設計和試驗起指導作用。

[1] 彭立群, 王進. 金屬橡膠彈性元件粘合性試驗設計與研究[J]. 世界橡膠工業(yè)，2013,40(11)：78-82.

[2] 彭立群, 王進. 水平狀態(tài)下整體式橡膠履帶延伸率、扯斷率試驗裝置及方法:中國, 201410417544.8[P]. 2014-07-22.

[3] 王克成. 橡膠履帶的性能與結構力學[J]. 世界橡膠工業(yè)，2011,38(7):25-31.

[4] 張建武, 潘玉田, 劉佳. 履帶板橡膠力學性能研究[J]. 特種橡膠制品，2011,32(5):65-67.

[5] 張立群, 耿海萍, 陳松. 坦克裝甲車輛用橡膠履帶板的研究開發(fā)[J]. 合成橡膠工業(yè)，1996,19(6):325-330.

[責任編輯：朱 胤]

Experimental Design and Research of Mechanical Performance Test for Integral Rubber Tracks

Peng Liqun, Lin Dawen, Chen Gang, Liu Lifeng, Shen Kui, Wang Jin
(Zhuzhou Times New Material Technology Co., Ltd., Zhuzhou 412007, China)

Mechanical performance test of integral rubber tracks is the most important method for determining the security of tracked vehicle walk system. In this paper, the structure and principle of a tracked vehicle walk system is analyzed and a set of reasonable experimental device and method is designed. The elongation under fi xed load, fracture load and the break elongation, shear strength of drive gear, shear strength of guide shear of the system were tested, and compared with those of the similar foreign products. The results showed that the domestic mechanical properties of the integral rubber tracks were as good as the foreign products.

Integral Rubber Tracks; Mechanical Properties; Experimental Research

TQ330.7+3

B

1671-8232(2015)05-0048-05

2014-11-13

彭立群（1983— ），男，湖南永州人,工程師，長期從事金屬橡膠彈性元件試驗研究與非標試驗裝備設計。