配方和結(jié)構(gòu)對(duì)履帶銷膠環(huán)疲勞壽命的影響研究

景玉龍，趙 鑫，江美娟，杜明欣，杜華太，楊興娟

（山東非金屬材料研究所，山東 濟(jì)南 250031）

履帶銷主要起到連接履帶板作用，是履帶式車輛行走系統(tǒng)的重要部件，在使用過程中通過自身的壓、扭傳遞牽引力[1-5]。履帶銷膠環(huán)過早出現(xiàn)裂紋、穿孔等缺陷是導(dǎo)致履帶節(jié)距增大、負(fù)重輪爬齒和脫帶的主要原因，履帶銷膠環(huán)的疲勞壽命直接決定履帶的使用壽命，進(jìn)而影響整車的機(jī)動(dòng)性與可靠性[6-10]。

目前針對(duì)履帶銷膠環(huán)的膠料性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和疲勞壽命三者之間的關(guān)系研究較少。本工作設(shè)計(jì)2種配方和3種結(jié)構(gòu)的履帶銷膠環(huán)，并研究配方和結(jié)構(gòu)對(duì)其疲勞壽命的影響，以期為延長履帶的使用壽命提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

天然橡膠（NR），1#煙膠片，印度尼西亞國營第九農(nóng)園公司產(chǎn)品；炭黑N330，青州博奧炭黑有限責(zé)任公司產(chǎn)品；氧化鋅，柳州中色鋅品有限責(zé)任公司產(chǎn)品；硬脂酸，高密市金福祥助劑有限公司產(chǎn)品；防老劑4010NA，青島海飛化學(xué)有限公司產(chǎn)品；防老劑RD和促進(jìn)劑MBTS，連云港銳巴化工有限公司產(chǎn)品；硫黃，臨沂國奧有限公司產(chǎn)品；其余助劑均為市售品。

1.2 試驗(yàn)配方

NR 100，炭黑N330 變量（1#配方 50，2#配方 40），氧化鋅 5，硬脂酸 2，防老劑4010/RD 2.5，硫黃 2.5，促進(jìn)劑MBTS 1。

1.3 主要設(shè)備和儀器

5 L密煉機(jī)和JIC-725型兩輥開煉機(jī)，威福興機(jī)械（上海）有限公司產(chǎn)品；M-3000 AU新型密閉式無轉(zhuǎn)子硫化儀，高鐵檢測儀器（東莞）有限公司產(chǎn)品；200 t真空平板硫化機(jī)，磐石油壓工業(yè)（安徽）有限公司產(chǎn)品；LX-A型邵爾A型硬度計(jì)，東莞市科銳儀器科技有限公司產(chǎn)品；CMT4104型電子拉力試驗(yàn)機(jī)，深圳市新三思材料檢測有限公司產(chǎn)品；JNP-50型掛膠履帶銷膠環(huán)扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南竟成測試技術(shù)有限公司產(chǎn)品。

1.4 試樣制備

1.4.1 混煉膠制備

在5 L密煉機(jī)中先加入3 kg NR塑煉1.5 min，再按配方比例加入炭黑N330、氧化鋅、硬脂酸、防老劑4010NA和防老劑RD，充分混煉5 min后排膠，隨后在開煉機(jī)上薄通下片。一段混煉膠放置24 h后在開煉機(jī)上進(jìn)行二段混煉，膠料包輥后加入硫黃和促進(jìn)劑MBTS，打三角包5個(gè)，薄通8－10次，混煉均勻后下片，即得NR混煉膠。

1.4.2 硫化膠制備

將NR混煉膠置于真空平板硫化機(jī)上硫化，硫化條件為143 ℃×20 min，硫化膠片厚度為2 mm。硫化膠停放12 h后進(jìn)行裁樣及性能測試。

1.4.3 履帶銷膠環(huán)的制備

設(shè)計(jì)3種履帶銷膠環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。3種履帶銷膠環(huán)的體積相同而結(jié)構(gòu)不同（結(jié)構(gòu)1為矩形，結(jié)構(gòu)2為梯形，結(jié)構(gòu)3為圓弧形），其在疲勞過程中的應(yīng)力分布不同。

將1#和2#配方NR混煉膠與涂覆膠粘劑的金屬件在143 ℃×20 min的硫化條件下制得3種結(jié)構(gòu)的履帶銷膠環(huán)，用于對(duì)比不同配方和不同結(jié)構(gòu)的履帶銷膠環(huán)的疲勞壽命。

1.5 性能測試

（1）邵爾A型硬度：采用邵爾A型硬度計(jì)按照GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠 壓入硬度試驗(yàn)方法 第1部分：邵氏硬度計(jì)法（邵爾硬度）》測試。

（2）拉伸性能：采用電子拉力試驗(yàn)機(jī)按照 GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》測試。

（3）疲勞性能：將履帶銷膠環(huán)試樣放置于掛膠履帶銷膠環(huán)扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī)（如圖2所示）中，給試樣施加恒定載荷，扭轉(zhuǎn)角度為±14°，扭轉(zhuǎn)頻率為256 r·min-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同配方NR硫化膠的物理性能

2種配方NR硫化膠的物理性能如表1所示。

表1 2種配方的NR硫化膠的物理性能 Tab.1 Physical properties of NR vulcanizates with two formulas

從表1可以看出，通過改變炭黑用量可得到物理性能相差較大的NR硫化膠。其中，炭黑用量較大的1#配方NR硫化膠的邵爾A型硬度和100%定伸應(yīng)力較大，表明其承載能力和抵抗變形能力較強(qiáng)[11-14]；拉斷伸長率較小，表明其阻止裂紋生長能力較弱[15-18]。與之相對(duì)比，炭黑用量較小的2#配方NR硫化膠的拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率較大，但其100%定伸應(yīng)力和邵爾A型硬度較小。

2.2 不同配方履帶銷膠環(huán)的疲勞壽命

將1#和2#配方的結(jié)構(gòu)1履帶銷膠環(huán)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，得到不同配方履帶銷膠環(huán)的變形量-疲勞次數(shù)曲線（載荷為2 t）如圖3所示。

從圖3可以看出，1#和2#配方履帶銷膠環(huán)的疲勞次數(shù)分別為55.8×104和79.3×104，即炭黑用量小的2#配方履帶銷膠環(huán)的疲勞次數(shù)多于1#配方履帶銷膠環(huán)，表明2#配方履帶銷膠環(huán)具有更長的疲勞壽命[19-21]。

2.3 不同結(jié)構(gòu)履帶銷膠環(huán)的疲勞壽命

對(duì)3種結(jié)構(gòu)的炭黑用量大的1#配方履帶銷膠環(huán)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，得到不同結(jié)構(gòu)履帶銷膠環(huán)的變形量-疲勞次數(shù)曲線（動(dòng)態(tài)加載條件），如圖4所示。在靜態(tài)條件下，不同結(jié)構(gòu)履帶銷膠環(huán)在不同載荷下的變形量如表2所示。

從圖4和表2可以看出，結(jié)構(gòu)1，2和3履帶銷膠環(huán)的疲勞次數(shù)分別為55.8×104，52.5×104和79.6×104，即結(jié)構(gòu)3履帶銷膠環(huán)的疲勞次數(shù)多于結(jié)構(gòu)1和2履帶銷膠環(huán)，只是變形量略大于結(jié)構(gòu)1履帶銷膠環(huán)，表明結(jié)構(gòu)3履帶銷膠環(huán)的疲勞壽命更長。

表2 不同結(jié)構(gòu)履帶銷膠環(huán)在不同載荷下的變形量 Tab.2 Deformations of track pin rubber rings with different structures under different loads mm

不同結(jié)構(gòu)履帶銷膠環(huán)的應(yīng)力分析如圖5 所示。

從圖5可以看出：矩形結(jié)構(gòu)1履帶銷膠環(huán)在疲勞過程中兩側(cè)應(yīng)力最大，易產(chǎn)生疲勞裂紋；梯形結(jié)構(gòu)2履帶銷膠環(huán)由于其粘接界面面積在3種結(jié)構(gòu)履帶銷膠環(huán)中最大，根部約束最大，導(dǎo)致其在疲勞過程中局部應(yīng)力過大而對(duì)疲勞壽命產(chǎn)生不利影響；結(jié)構(gòu)3履帶銷膠環(huán)兩側(cè)應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)1履帶銷膠環(huán)，且結(jié)構(gòu)3履帶銷膠環(huán)的應(yīng)力分布相對(duì)均勻，其根部應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)2履帶銷膠環(huán)。所以，圓弧形結(jié)構(gòu)3履帶銷膠環(huán)的疲勞壽命最長。

3 結(jié)論

（1）炭黑用量對(duì)NR硫化膠的物理性能有顯著影響，炭黑用量大的1#配方NR硫化膠的邵爾A型硬度和100%定伸應(yīng)力較大，拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率較小。

（2）炭黑用量小的2#配方履帶銷膠環(huán)具有更長的疲勞壽命。

（3）結(jié)構(gòu)3履帶銷膠環(huán)的兩側(cè)應(yīng)力低于結(jié)構(gòu)1履帶銷膠環(huán)，且結(jié)構(gòu)3履帶銷膠環(huán)的應(yīng)力分布相對(duì)均勻，根部應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)2履帶銷膠環(huán)，其疲勞壽命最長。