整体式橡胶履带力学性能试验设计与研究

彭立群, 林达文, 陈 刚, 刘立峰, 沈 奎, 王 进

( 株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南 株洲 412007)

整体式橡胶履带力学性能试验设计与研究

彭立群, 林达文, 陈 刚, 刘立峰, 沈 奎, 王 进

( 株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南 株洲 412007)

对整体式橡胶履带进行系统的力学性能试验是履带式车辆走行系统安全性判定的重要手段之一。简要分析了一种履带式车辆行走机构的结构与原理，设计出一套合理的试验装置及方法，对整体式橡胶履带进行了定载荷下的伸长率、断裂载荷和拉断伸长率试验及驱动齿剪切强度、导向齿剪切强度试验，并与国外同类产品进行对比分析。研究表明：国产整体式橡胶履带力学性能和国外产品基本一致，试验设计达到预期效果，具有较好的实用推广价值。研究成果对整体式橡胶履带国产化设计和试验起指导作用。

整体式橡胶履带；力学性能；试验研究

0 前 言

整体式橡胶履带在军事、农业、工业等领域发挥了十分重要的作用。相对于金属履带，橡胶履带具有不损伤路面、接地比压小、湿地通过性好、震动小、噪声低、油耗低、机械时速高，以及能减小机械质量、提高牵引力、耐腐蚀性能好、更换方便等优点。安装了橡胶履带的车辆既能在苛刻的路面上行驶，又能在等级公路上行驶而不破坏路面，不仅提高了使用寿命，而且改善了车辆的爬坡和越野性能，对车内乘员、仪器等能起到很好的防振、吸振作用，更重要的是车辆的有效功率能得到充分的发挥[1-4]。

目前对整体式橡胶履带的结构和力学性能的理论研究很多，但相应的试验研究甚少，本文将从具体实验设计与研究的角度出发，以国内某企业研制的整体式橡胶履带为对象，通过设计一套合理的试验装置及方法，不仅对整体式橡胶履带进行系统的力学性能试验，还与国外同类产品进行对比分析。

1 履带式车辆走行系统结构

履带式车辆走行系统被安装于车辆底部，分1组或2组左右对称安装，直接与地面接触。安装位置如图1所示。

图1 一种全地形履带式消防救援车

履带式车辆的种类较多，根据履带结构形式大致分为橡胶履带式和金属履带式两种，其中橡胶履带应用于轻型运输车辆，金属履带应用于重型装甲车辆。其中走行系统是车辆的核心部件，也是最能体现该车辆运行特点的部分[5]。

履带式车辆走行系统主要由整体式橡胶履带、驱动轮、负重轮、导向轮、主横梁、橡胶球铰、扭转臂、油压减振器等组成，如图2所示。其中橡胶履带是走行系统的关键部件，是一种由橡胶与金属或纤维复合材料制成的环形橡胶带，整个环形橡胶带由68个节距相等的齿条组成，环绕在整个传动机构外，起承载、减振和直线运动的作用。

图2 履带式车辆走行系统

其中驱动轮安装于履带前端，通过驱动齿将转动力矩传递给履带，将动力源的旋转运动转换成车辆向前或向后的直线运动；橡胶球铰均匀地压装于主横梁，两侧通过扭转臂安装负重轮，构成一个偏心摆臂机构，将车辆载重引起的垂直运动转换成橡胶球铰的扭转，并通过负重轮传递于履带，达到减振、吸振的效果；导向轮安装于履带上端，起支撑导向和调节张紧力的作用。

2 实 验

整体式橡胶履带方面的标准主要参照GJB 3047—1997《车辆履带板规范》、GB/T 4502—2009《轿车轮胎性能室内试验方法》、GB/ T 10716—2000《汽车同步带物理性能试验方法》、GJB 1259A—1998《履带车辆挂胶负重轮规范》、TB/T 2843—2010《机车车辆橡胶弹性元件通用技术条件》等，具体试验按《整体式橡胶履带技术规范》执行，力学性能试验项目主要包括拉伸强度试验和剪切强度试验两部分。

其中拉伸试验分为定载荷下的伸长率、拉伸强度和拉断伸长率试验；剪切试验分为驱动齿剪切强度和导向齿剪切强度试验。

伸长率试验是在规定的拉伸载荷条件下，橡胶履带最大变形与初始变形的一个比值；拉伸强度和拉断伸长率是测试橡胶履带在极限承载条件下的最大破坏载荷和最大变形；驱动齿剪切强度试验是测试橡胶履带驱动齿横向粘接强度；导向齿剪切强度试验是测试橡胶履带导向齿竖向粘接强度。

2.1 实验设备及装置

2.1.1 实验设备

CSS-55100电子万能试验机，长春试验机研究所；CSS-4600电子万能试验机，长春试验机研究所；12通道组合加载试验机，北京富力通达FTS；非标试验装置，自制；外接位移传感器等，市售。

2.1.2 实验装置

2.1.2.1 拉伸强度

试验装置由加力架、转动轴、模拟驱轮、侧支撑筒、端盖组成，分别安装于试验机两端，其中左侧固定于试验机横梁，调整至张紧初始位置并保持不变，右端与试验机加载油缸连接，通过油缸对橡胶履带施加拉伸载荷，如图3所示。

图3 拉伸试验

2.1.2.2 导向齿剪切强度

试验装置由支撑座、下垫块、压紧块、横向压条、刀具组成，所述的橡胶履带以水平方式固定于底座，通过压条、压块进行固定，并安装于试验机中心位置，通过刀具对其施加剪切载荷，如图4所示。

图4 驱动齿剪切试验

2.1.2.3 驱动齿剪切强度

试验装置由定位块、固定块、螺栓、L形刀具组成，所述的橡胶履带以垂直方式固定于定位块，设计一种“L”型刀具对导向齿施加剪切力，如图5所示。

图5 导向齿剪切试验

3 结果与讨论

3.1 定载荷下的伸长率试验

3.1.1 试验方法

试验前测量整体式橡胶履带周长L0值。预加载试验：将履带通过工装固定于试验机上，水平以60 mm/min速度加载至最大工作载荷2F1max(138 kN)，保持10 min后卸载，停放5 min后正式加载。正式加载：水平以60 mm/min速度将产品拉伸至初始预紧状态，记录预张紧力和初始变形S0，继续加载直至工作载荷2F1max(120 kN)，保持30 s，记录最大变形S1。

按公式（1）计算伸长率：

式中：λ—伸长率（%）；S0—初始变形（mm）；S1—最终变形（mm）；L0—初始长度（mm）。

将所研制的整体式橡胶履带（编号“TMT”）与国外同类产品（编号“国外”）进行对比，得到如表1、图6所示试验数据。

表1 定载荷下的伸长率试验数据

图6 定载荷下的伸长率试验曲线

3.1.2 结果分析与讨论

从表1得知TMT与国外整体式橡胶履带定载荷下的伸长率分别为103.66%与102.24%，表明两种产品的伸长率基本一致，说明该型整体式橡胶履带既具有一定的弹性变形，且规定拉伸载荷下的变形均在有效范围内。

从图6得知：TMT与国外整体式橡胶履带定载荷下的伸长率均呈非线性，且斜率基本一致，TMT橡胶履带最大工作载荷时的变形为46.70 mm，国外橡胶履带最大工作载荷时则为46.02 mm。

3.2 拉断伸长率试验

3.2.1 试验方法

试验前测量整体式橡胶履带周长L0值。预加载试验同3.1.1。正式加载：以（60±3）mm/min的速度将产品加载拉伸到初始预张紧状态，记录此时的加载载荷（履带预张紧力），并记录此时的位移行程值作为初始值S0，继续加载直到产品断开或达到600 kN时，保持30 s后，记录此时的最大载荷和最大变形。“国外”与“TMT”的对比数据如表2、图7所示。

3.2.2 结果分析与讨论

从表2得知：TMT与国外整体式橡胶履带的拉断伸长率分别为355%与344%，其中TMT橡胶履带拉断载荷为587.33 kN，变形为141.95 mm；国外橡胶履带拉断载荷为563.25 kN，变形为137.58 mm。说明两种橡胶履带均具有较好的极限性能。

表2 拉断伸长率试验数据

从图7得出橡胶履带拉断特性分析图可以看出：拉断载荷与变形基本呈线性递增关系，当载荷到达破坏点时，变形停止且载荷急剧下降。

图7 拉断伸长率试验曲线

3.3 剪切强度试验

3.3.1 试验方法

从样带上切取一个节距长的履带，分别包含2个驱动齿和2个导向齿，将试样夹装在试验工装中，以（150±5）mm/min的速度加载，直至胶齿与履带本体断开或脱落，记录位移和载荷曲线。驱动齿的试验数据如表3及图8所示，导向齿的试验数据如表4、图9所示。

3.3.2 结果分析与讨论

从表3得知：4个驱动齿的最大破坏载荷为（14～18）kN，且TMT驱动齿的最大破坏载荷略高于国外产品。

表3 驱动齿剪切强度试验数据

从图8得知：驱动齿剪切强度特性呈非线性，剪切变形超过30 mm后载荷随变形递减，当载荷急剧下降时说明已达最大破坏值，表明驱动齿已破坏。

图8 驱动齿剪切强度曲线

从表4得知：4个导向齿的最大破坏载荷位于（8.66～9.96）kN，且TMT驱动齿最大破坏载荷略高于国外产品。

表4 导向齿剪切强度试验数据

从图9得知：4个导向齿剪切强度刚度特性的趋势基本一致，且与驱动齿剪切强度特性相似，在剪切变形超过60 mm后变形增加，载荷保持水平，表明导向齿已失去相应的承载能力。

图9 导向齿剪切强度曲线

4 结 语

（1）简要分析了履带式车辆走行系统的结构与原理，提供了一套合理的试验方案，为同类橡胶履带产品国产化的设计与试验提供参考。

（2）通过对整体式橡胶履带进行系统的力学性能试验，并与国外产品的比对分析发现：所研制的国产橡胶履带力学性能与国外产品的基本一致。

（3）试验方案设计达到预期效果，具有较好的实用推广价值，研究成果对橡胶履带的国产化设计和试验起指导作用。

[1] 彭立群, 王进. 金属橡胶弹性元件粘合性试验设计与研究[J]. 世界橡胶工业，2013,40(11)：78-82.

[2] 彭立群, 王进. 水平状态下整体式橡胶履带延伸率、扯断率试验装置及方法:中国, 201410417544.8[P]. 2014-07-22.

[3] 王克成. 橡胶履带的性能与结构力学[J]. 世界橡胶工业，2011,38(7):25-31.

[4] 张建武, 潘玉田, 刘佳. 履带板橡胶力学性能研究[J]. 特种橡胶制品，2011,32(5):65-67.

[5] 张立群, 耿海萍, 陈松. 坦克装甲车辆用橡胶履带板的研究开发[J]. 合成橡胶工业，1996,19(6):325-330.

[责任编辑：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,工程师，长期从事金属橡胶弹性元件试验研究与非标试验装备设计。