無簾線橡膠履帶結構設計與制造工藝的研究

蔣建國

(鎮(zhèn)江同立橡膠有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212006)

橡膠履帶是由橡膠和傳動筋板（以下簡稱芯金）、強力纖維（鋼簾線、芳綸簾線或聚酯簾線等）復合而成的環(huán)形軌道帶。與輪胎和鋼質(zhì)履帶相比橡膠履帶具有接地比壓低、牽引力大、震動小、噪音低、適用地形廣、不破壞路面和重量輕、節(jié)能環(huán)保等特點。因此，被廣泛運用于農(nóng)業(yè)機械、工程機械、運輸車輛、雪地車、智能裝備和國防軍工等，提高了車輛在各種地形上的通過性能。

1 傳統(tǒng)橡膠履帶的結構簡介

目前傳統(tǒng)的橡膠履帶按內(nèi)部結構不同可分為有芯金橡膠履帶和無芯金橡膠履帶兩大類，兩類橡膠履帶內(nèi)部都以鋼簾線、芳綸簾線或聚酯簾線等強力纖維作為縱向強力層來承受機械行走和作業(yè)時的驅(qū)動力。

1.1 有芯金橡膠履帶的結構

有芯金橡膠履帶的芯金和簾線的長度方向位置相互垂直，高度方向相互平行，兩者之間有一層2~8 mm緩沖橡膠隔離，各部分通過膠黏劑與橡膠經(jīng)模具加溫加壓粘接而成的帶行走花紋和輪側軌道的環(huán)形橡膠履帶（見圖1），因此橡膠與各部件的粘接是至關重要的。此類橡膠履帶主要適用于微型和小型挖掘機、裝載機、運輸車輛等設備。

圖1 有芯金橡膠履帶結構示意圖

1.1.1 有芯金橡膠履帶的優(yōu)點

（1）此類橡膠履帶自1968年誕生于日本的普利司通已有50余年[1]，生產(chǎn)設備和工藝成熟、質(zhì)量穩(wěn)定；

（2）產(chǎn)品第一次彎曲時自然順暢；

（3）用戶已使用習慣，認可度較高。

1.1.2 有芯金橡膠履帶的缺點

（1）由于要對鋼簾線等強力層進行擠出附膠纏繞，生產(chǎn)工序較多，設備投入較大；

（2）芯金只具有驅(qū)動、導向、導軌和提高橫向剛度功能，簾線只具有保證縱向強度的功能，芯金與芯金之間、芯金與簾線之間沒有形成一個強有力的整體，需要依靠粘接劑和粘接工藝來保證，機械對芯金的驅(qū)動力需要通過粘接橡膠傳遞到強力層簾線上，只要有一處由于粘接效果差或使用過程中粘接疲勞都會使整條橡膠履帶履帶使用失效。另外，由于簾線與芯金間距小，使用過程特別是屈撓過程中相互之間可能會形成摩擦，導致簾線斷裂、芯金脫落；

（3）使用壽命短，一般只能保證裝機后運行1 800 h，不能滿足用戶對橡膠履帶使用壽命日益提高的需求。

1.2 無芯金橡膠履帶的結構

無芯金橡膠履帶采用高硬度橡膠驅(qū)動導向齒代替了芯金進行驅(qū)動和導向，在縱向主簾線上下位置采用橫向和網(wǎng)狀交叉多層簾線代替芯金提供橫向剛度，所有簾線經(jīng)擠出附膠后制成簾布，與高硬度橡膠和花紋側膠、輪側膠經(jīng)模具加溫加壓硫化成帶行走花紋、輪側軌道和橡膠驅(qū)動導向齒的環(huán)形橡膠履帶（見圖2）。此類橡膠履帶更適用于滑移式轉(zhuǎn)載機、大型拖拉機和聯(lián)合收割機等高速運行的車輛。

圖2 無芯金橡膠履帶結構示意圖

1.2.1 無芯金橡膠履帶的優(yōu)點

（1）由于無芯金，此類橡膠履帶克服了產(chǎn)品在使用過程中特別在高速運行時鐵齒從橡膠中容易脫落的缺陷；

（2）消除了產(chǎn)品在使用過程中簾線屈撓疲勞斷裂和簾線與芯金之間的摩擦斷裂的可能性，提高了橡膠履帶的柔順性；

（3）此類橡膠履帶適用于高速運行的車輛（最快30 km/h左右）。

1.2.2 無芯金橡膠履帶的缺點

（1）成型工藝復雜、模具投入大，驅(qū)動導向齒塊和花紋塊需要用預成型模具進行預壓成型，橫向簾線需要貼合整齊；

（2）如采用分段硫化法，接頭部位要保持橫向簾線平整不變形難度較大；

（3）如采用整體硫化法，設備投入大且所能生產(chǎn)的橡膠履帶節(jié)數(shù)變化小。

2 無簾線橡膠履帶結構設計

無簾線橡膠履帶是帶體內(nèi)部采用同時具有縱向強度、傳動、導向、導軌和橫向剛度功能的相互連接的鏈軌代替鋼絲、芳綸或聚酯簾線等纖維材料作縱向強力層，與橡膠通過模具經(jīng)加溫加壓模壓而成的帶行走花紋和輪側軌道的環(huán)形橡膠履帶，是有芯金橡膠履帶的升級換代產(chǎn)品。

2.1 設計無簾線橡膠履帶的必要性

目前，由于橡膠履帶具有適應各種地形、不會破壞硬質(zhì)路面、重量比鋼質(zhì)履帶輕、節(jié)能環(huán)保等特性，歐洲、美洲、日本、澳大利亞等國家在工程機械領域，橡膠履帶使用普及率非常高，在微型挖掘機、小型挖掘機、裝載機和運輸車上幾乎全部用上了各種規(guī)格的橡膠履帶，特別是有芯金橡膠履帶。

我國是生產(chǎn)、銷售（包括出口）和使用工程機械數(shù)量最多的國家，現(xiàn)除了出口產(chǎn)品和北、上、廣等一線城市在小型挖掘機上有少量使用外，其它城市幾乎看不到應用。究其原因，除政府政策層面的導向因素外，主要還是橡膠履帶和鋼質(zhì)履帶的性價比懸殊很大，鋼質(zhì)履帶由于其強度高、耐磨性好、可局部更換修理、使用壽命長（挖掘機使用運行時間一般在8 000 h左右），而有芯金橡膠履帶在挖掘機中的使用壽命只有1 800 h左右，只有鋼質(zhì)履帶使用壽命的22.5%，價格卻約達到鋼質(zhì)履帶51%。如果用戶不考慮因橡膠履帶重量輕、不破壞路面、節(jié)能環(huán)保等特點且政府政策又不推行使用的話，國內(nèi)用戶對橡膠履帶的使用欲望是不高的。另外，隨著國際市場的發(fā)展，國外用戶對橡膠履帶使用壽命的要求也越來越高。

綜上所述，為了適應市場競爭，設計制造一種結構科學、強度合理、工藝簡單、成本不增和壽命增長的橡膠履帶顯得非常重要。因此，鎮(zhèn)江同立橡膠有限公司于2020年設計申請了基于鏈接鏈軌和無簾線結構的《一種新型的橡膠履帶結構》專利[2]，現(xiàn)已授權。

2.2 設計依據(jù)

如上所述，鋼質(zhì)履帶的使用壽命長，是由于其采用的是銷軸鏈接鏈軌的結構（此結構就像脊椎一樣，一環(huán)扣一環(huán)）再安裝上鋼履帶板形成環(huán)形的整體鋼履帶，所受的驅(qū)動力和重力全部由鋼質(zhì)的銷軸和鏈軌承擔，如設計強度足夠和材質(zhì)滿足要求，在正常使用情況下銷軸和鏈軌除了有少量磨損外不會斷裂。而有芯金橡膠履帶所受的驅(qū)動力和重力是從芯金通過粘接橡膠專遞到簾線，它的使用壽命不是由芯金性能而是由橡膠、粘接效果和簾線的性能來決定，所以有芯金橡膠履帶使用到最后的失效破壞形式不是芯金脫落就是在屈撓過程中芯金將簾線磨斷。因此，我們將鋼質(zhì)履帶的銷軸鏈接鏈軌的結構經(jīng)過優(yōu)化后移植到橡膠履帶中來，由銷軸兼顧增強橫向剛度的作用，并將簾線去除，再用熱硫化膠黏劑和橡膠經(jīng)模具加溫加壓硫化后形成帶行走花紋和輪側軌道的環(huán)形無簾線橡膠履帶。這樣就將有芯金橡膠履帶中芯金附著在橡膠上，履帶使用壽命由橡膠性能和粘接效果決定，轉(zhuǎn)變成無簾線橡膠履帶中橡膠附著于相互鏈接的銷軸和鏈軌上，履帶使用壽命由銷軸和鏈軌的性能決定，延長了橡膠履帶使用壽命。

2.3 鏈接鏈軌設計

鏈接鏈軌的結構設計要結合同機型的鋼質(zhì)履帶鏈軌、有芯金橡膠履帶的芯金和驅(qū)動輪、引導輪、支重輪的結構進行相應設計。鏈接鏈軌結構見圖3。

圖3 鏈接鏈軌結構示意圖

2.3.1 鏈軌設計

鋼質(zhì)履帶“Z”字形軌道形狀，在鏈接后的相鄰兩只鏈軌可以形成“無縫”連接，這種結構在支重輪滾動過程中可以大幅降低對機器的震動，提高駕乘人員的舒適感，本設計也采用“Z”字形軌道形狀，見圖4。

圖4 鏈軌結構示意圖

軌道的總高度H需根據(jù)橡膠履帶輪側軌道高度H1和帶體的包膠厚度確定，原則是輪側軌道高度H1不得低于挖掘機支重輪的凸臺高度h1，見圖5。軌道內(nèi)外軌寬度W、W1和單邊厚度h根據(jù)鋼質(zhì)履帶或有芯金橡膠履帶的內(nèi)外軌寬度決定，原則是相鄰兩軌道間重合部位的單邊厚度要小于50%原厚度，不得干涉；注意軌道四角處的倒角角度a和倒圓半徑R，原則是鏈接鏈軌最小彎曲內(nèi)徑DW≤Dg-2H1，鏈軌之間不得干涉。

圖5 挖掘機支重輪示意圖

2.3.2 銷套內(nèi)外直徑設計

銷套的內(nèi)徑D1、外徑D的圓心應該在驅(qū)動輪節(jié)圓圓周上D=D0-Dg，見圖6。

內(nèi)徑根據(jù)銷軸的直徑適當增加裝配余量，也可根據(jù)鋼質(zhì)履帶的銷套內(nèi)外徑設計銷套的內(nèi)外徑?？蓞⒖紘覚C械行業(yè)標準《液壓機械挖掘機 履帶總成》JB/T 11306-2013。

2.3.3 銷套流膠孔設計

由于銷軸和銷套有配合空隙，為了使銷軸和銷套在運行時不直接接觸磨損，在銷套中間部位設計了流膠孔，在成型硫化過程中使膠料充滿配合空隙，并有效粘接，利用橡膠變形來實現(xiàn)橡膠履帶的彎曲，見圖4。

2.3.4 節(jié)距設計

由于計算節(jié)距的基準位置不同，無簾線橡膠履帶的鏈接鏈軌是硬連接在直線狀態(tài)和彎曲狀態(tài)下的節(jié)距是不變的，數(shù)值就是嚙合在驅(qū)動輪上的兩只鏈軌銷套圓心之間的距離，與驅(qū)動輪兩個驅(qū)動齒中心線與節(jié)圓相交點之間的弦長相等。同型號機型的有芯金橡膠履帶的節(jié)距是以簾線的中心位置來計算的，由于簾線芯金之間有一個間距稱為簾線高度值Z,在與驅(qū)動輪彎曲嚙合時簾線圓弧直徑一般大于驅(qū)動輪的節(jié)圓直徑，所以有芯金橡膠履帶的節(jié)距一般大于鋼質(zhì)履帶的節(jié)距，不能直接采用，但可采用同型號機型的鋼質(zhì)履帶的節(jié)距，也可根據(jù)驅(qū)動輪的節(jié)圓直徑和齒數(shù)進行計算，無簾線橡膠履帶節(jié)距計算有芯金橡膠履帶節(jié)距計算：見圖6。

圖6 兩種橡膠履帶在驅(qū)動輪中節(jié)距計算基準位置示意圖

2.3.5 銷軸設計

銷軸是鏈接鏈軌的部件，直徑可根據(jù)鋼質(zhì)履帶的銷軸直徑進行設計，參考國家機械行業(yè)標準JB/T 11306-2013《液壓機械挖掘機 履帶總成》和國家標準GB/1243—2006《傳動用短節(jié)距精密滾子鏈、套筒鏈、附件和鏈輪》進行選型和選材，銷軸的長度可根據(jù)有芯金橡膠履帶的芯金長度確定。銷軸的直徑需考慮與銷套的裝配精度。

2.3.6 鏈軌和銷軸的選材

根據(jù)《液壓機械挖掘機 履帶總成》行業(yè)標準推薦，考慮到鏈軌需要高強度和耐磨性能，可選用40Mn2，調(diào)質(zhì)處理表面硬度52~58 HRC;銷軸由于需要有高強、度耐沖擊韌性抗彎曲性能，可選用40Cr，調(diào)質(zhì)處理表面硬度56~63 HRC。也可以根據(jù)實際情況選用其它材料，調(diào)質(zhì)處理后性能達需到國際標準《橡膠履帶》GB/T20786—2015有關芯金抗彎力不小于機器重量的0.5倍、橡膠履帶縱向設計拉力大于機器重量的5倍的要求。

2.4 無簾線橡膠履帶整體外形設計

銷軸鏈接的鏈軌是無簾線橡膠履帶的骨架材料，要使之成為最終橡膠履帶產(chǎn)品，還需要用花紋橡膠、輪側膠將其粘接包覆模壓硫化成一整體。外形尺寸可參考同型號的有芯金橡膠履帶的尺寸結合骨架材料的外圍尺寸進行設計，其中寬度W3、長度尺寸已由型號和節(jié)距t決定，主要帶體的厚度H3、H5尺寸必須考慮將帶體內(nèi)的骨架材料完全包覆，最小包覆膠厚度不得小于3 mm，以防使用過程中暴露腐蝕，凸出包膠鏈軌高度H4和內(nèi)外軌寬度W5、W4處，由于使用時直接與驅(qū)動輪、引導輪和支重輪接觸易磨損，包覆橡膠只起到臨時保護防銹作用，包覆膠厚度在鏈軌高度H1和內(nèi)外軌寬度W1、W的基礎上加1 mm左右即可，履帶接地行走花紋可根據(jù)耐磨、防滑、防裂和美觀等原則進行設計，見圖7。

圖7 無簾線橡膠履帶整體外形示意圖

3 制造工藝

無簾線橡膠履帶的制造，就是將上述銷軸鏈接的鏈軌骨架材料經(jīng)過表面處理浸涂熱硫化膠黏劑與橡膠混煉膠片按順序逐層擺放于相應規(guī)格的橡膠履帶模具中，在平板硫化機上經(jīng)兩次或兩次以上（包括接頭）加熱、加壓硫化成型的生產(chǎn)過程。就相當于采用了傳統(tǒng)的鋼簾布搭接分段成型硫化法[3],但與有芯金橡膠履帶的制造過程相比，去除了單根簾線擠出纏繞成簾布或多根簾線擠出成簾布的較為復雜工序，沒有簾布擺放或者搭接過程，從而簡化了制造工藝，工藝流程見圖8。

圖8 無簾線橡膠履帶制造工藝流程圖

3.1 膠料配方要點

無簾線橡膠履帶一般用于微型和小型挖掘機，適用于各種地形環(huán)境下，對接地花紋側膠料和輪側膠需要就較高的耐磨性、抗撕裂性、抗刺穿性、耐屈撓性、耐硫化還原性和耐天候老化性能等。配方中主要膠種可采用NR 、BR和SBR中的兩種或三種以一定比例并用，采用硫磺硫化體系，硫化促進劑宜選用后效應較好的NS、DZ等次磺酰胺類，配以少量抗硫化還原劑HTS、PK900等，以減少接頭硫化過程硫化還原現(xiàn)象；抗氧劑采用防老劑RD、BLE等酮胺類，抗臭氧劑采用防老劑4010NA、4020等化學抗臭氧劑與微晶石蠟等物理抗臭氧劑并用，以防老化龜裂；補強劑采用N220、N234等高結構中超耐磨炭黑與少量白炭黑配合硅烷偶聯(lián)劑、抗撕裂劑并用，以提高膠料的拉伸強度、抗撕裂性能和抗屈撓龜裂性能。

3.2 膠料塑煉和混煉

橡膠履帶用混煉膠可采用密煉三段混煉進行。

3.2.1 一段塑混煉

將天然橡膠、丁苯橡膠、順丁橡膠和部分炭黑投入密煉機中進行塑煉和混煉， 上頂栓壓力為4.0~6.0 MPa，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40~50 r/min，排膠溫度為155~160 ℃，時間為90~100 s，制得一段混煉膠。

3.2.2 二段混煉

將一段混煉膠、剩余炭黑、白炭黑、硅烷偶聯(lián)劑、氧化鋅、硬脂酸、防老劑、抗撕裂樹脂、微晶蠟等投入密煉機中進行混煉，上頂栓壓力為4.0~6.0 MPa，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為35~50 r/min，此段混煉要保證白炭黑和硅烷偶聯(lián)劑的適宜反應，排膠溫度為145~155 ℃，時間為120~140 s，制得二段混煉膠。

3.2.3 三段混煉

將二段混煉膠、促進劑、硫磺、抗硫化返原劑、防焦劑等投入密煉機中進行混煉，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為20~40 r/min，上頂栓壓力為4.0~6.0 MPa， 排膠溫度為100~110 ℃ ，時間為110~130 s，最終制得橡膠履帶混煉膠。

3.3 膠料出片和稱量

混煉膠停放8 h以上經(jīng)檢驗合格后即可出片備用。根據(jù)各規(guī)格橡膠履帶的花紋側膠和輪側膠的厚度和寬度尺寸設計口型尺寸，出片在冷喂料擠出機中進行，通過口型擠出成片，經(jīng)冷卻水池冷卻，再根據(jù)膠片的長度經(jīng)過自動裁剪成第一模和接頭模規(guī)定的長度尺寸，最后根據(jù)工藝規(guī)定每模消耗的裝較量用電子秤稱量待用。

3.4 銷軸和鏈軌的表面處理

要將鋼質(zhì)的銷軸和鏈軌與膠料高強度粘接，必須對其表面進行拋丸除銹、震動除灰、超聲波清洗油污和浸涂熱硫化膠黏劑等處理。

3.4.1 拋丸除銹、震動除灰

采用履帶式拋丸機，根據(jù)其裝料量用40目細鋼砂進行15~30 min的拋丸處理，使銷軸和鏈軌表面呈銀灰色，再進入振動篩清除砂粒和灰塵。

3.4.2 超聲波清洗

將拋丸除塵過的銷軸和鏈軌裝入鏤空鐵框中，放入裝有碳氫清洗液的清洗池和蒸餾清洗槽的超聲波清洗機中按一定頻率分別進行6~8 min超聲波清洗和6~8 min的蒸餾清洗，除去表面油污，清洗后停放使清洗液完全揮發(fā)待用。

3.4.3 浸涂熱硫化膠黏劑CH205和CH220

將清洗好的銷軸和鏈軌懸掛與自動浸膠線的掛鉤上，先浸涂底膠CH205后進入烘道在70~80 ℃溫度下烘干15~20 min，再浸涂面膠CH220后進入烘道在70~80 ℃溫度下烘干15~20 min，最后從掛鉤上取下存放待用。另外，也可以用噴涂、手工刷涂的方法對銷軸和鏈軌進行涂膠。

需要明確的是要根據(jù)實際情況調(diào)整兩種膠黏劑的粘度，保證工件表面無流掛、無漏掛露鐵現(xiàn)象，同時必須保證在底膠CH205徹底干燥后才能浸涂面膠CH220。兩種膠黏劑膜厚分別不得低于10 μm，測試粘接效果時，除了保證剝離強度外，主要是要保證剝離破壞形式為橡膠破壞HR。

3.5 成型硫化

由于無簾線橡膠履帶的結構簡單，所以成型硫化也比較簡單，主要步驟是:第一模成型硫化（模具兩端通冷卻水） →脫模修整→接頭模成型硫化→脫模修邊→檢驗入庫。

3.5.1 第一模成型硫化

在第一模下模上擺放輪側膠片；將第一模節(jié)數(shù)+2的鏈接銷軸和鏈軌數(shù)量擺放入模腔，兩端模具外各留一節(jié)作為接頭用；擺放花紋側膠片；推進平板硫化機；與第一模上模合模；加溫加壓硫化，硫化溫度控制在143~150 ℃，壓力和時間根據(jù)具體規(guī)格的橡膠履帶確定；上下模具兩端通冷卻水，保證兩端膠料呈未硫化狀態(tài)以便接頭橡膠粘接；硫化時間達到后脫模修整端部未硫化膠以便接頭時入模腔。

3.5.2 接頭模成型硫化

將第一模硫化好的帶坯兩端彎曲，把需重復硫化節(jié)數(shù)的銷軸和鏈軌（包括兩端個預留的一節(jié)）壓入接頭模兩端；在接頭模下模擺放輪側膠片；將接頭所需鏈接銷軸和鏈軌數(shù)量擺放入模腔，并與預留一節(jié)的鏈軌鏈接；推進平板硫化機；與接頭模上模合模；加溫加壓硫化，硫化溫度控制在143~150 ℃，壓力和時間根據(jù)具體規(guī)格的橡膠履帶確定；硫化時間達到后脫模、修邊、檢驗入庫。最終無簾線橡膠履帶成品見圖9。

圖9 無簾線橡膠履帶成品示意圖

4 橡膠履帶成品試驗

橡膠履帶產(chǎn)品試驗包括縱向拉力檢測和動態(tài)使用試驗。

4.1 縱向拉力檢測

橡膠履帶縱向拉力可以采用液壓張緊法檢測，如圖10所示。

圖10 橡膠履帶縱向拉力檢測裝置示意圖

將橡膠履帶安裝于該裝置的前后兩個張緊輪中，啟動液壓油缸通過頂桿使裝置可移動端位移張緊橡膠履帶，直至橡膠履帶斷裂，張緊力通過壓力傳感器傳遞到檢測軟件系統(tǒng)計算出橡膠履帶縱向拉力值F。

Fc-傳感器受力值。

4.2 動態(tài)使用試驗

橡膠履帶的動態(tài)使用的耐磨性能、疲勞性能、屈撓性能和使用壽命可在動態(tài)試驗臺上進行檢測試驗，也可直接裝機做實際使用試驗進行跟蹤檢測。鎮(zhèn)江同立橡膠有限公司研制的無簾線橡膠履帶230×45.6×74代替有鐵齒橡膠履帶230×48×70, 安裝于久保田U15挖掘機上進行實際使用試驗，經(jīng)過近一年半的使用，運行時間已達2 000 h，產(chǎn)品表面花紋除了磨損、使用龜裂和部分微小掉塊外，銷軸和鏈軌無失效損壞，完全可以繼續(xù)使用，估計使用壽命將大于2 500 h，較有鐵齒橡膠履帶提高40%左右。另外，由于鏈軌之間的“無縫連接”，機器減震性能提高，駕駛人員駕乘舒適感提高，反應良好。

5 無簾線橡膠履帶優(yōu)缺點

無簾線橡膠履帶與有鐵齒橡膠履帶比較，具有制造工藝簡單、使用壽命長、駕乘舒適感高等優(yōu)點，由于銷軸與鏈軌鏈接處和相鄰鏈軌“無縫鏈接”處由橡膠粘接在一起，存在無簾線橡膠履帶在初次使用時彎曲阻力較大的缺點，但在安裝過程的機械力完全能克服。

6 結語

無簾線橡膠履帶由于取消了鋼絲、芳綸或聚酯簾線，利用集導向、驅(qū)動、橫向剛度、縱向強度為一體的相互鏈接的銷軸和鏈軌作為骨架材料，簡化了橡膠履帶的內(nèi)部結構，減少了制造工序，延長了橡膠履帶的使用壽命，提高了駕乘人員的舒適感和橡膠履帶和鋼質(zhì)履帶的性價比，有利于節(jié)能環(huán)保的橡膠履帶產(chǎn)品的推廣，是有鐵齒橡膠履帶的升級換代產(chǎn)品，具有較大的市場價值和社會效益。