配方和结构对履带销胶环疲劳寿命的影响研究

景玉龙，赵 鑫，江美娟，杜明欣，杜华太，杨兴娟

（山东非金属材料研究所，山东 济南 250031）

履带销主要起到连接履带板作用，是履带式车辆行走系统的重要部件，在使用过程中通过自身的压、扭传递牵引力[1-5]。履带销胶环过早出现裂纹、穿孔等缺陷是导致履带节距增大、负重轮爬齿和脱带的主要原因，履带销胶环的疲劳寿命直接决定履带的使用寿命，进而影响整车的机动性与可靠性[6-10]。

目前针对履带销胶环的胶料性能、结构设计和疲劳寿命三者之间的关系研究较少。本工作设计2种配方和3种结构的履带销胶环，并研究配方和结构对其疲劳寿命的影响，以期为延长履带的使用寿命提供技术支持。

1 实验

1.1 原材料

天然橡胶（NR），1#烟胶片，印度尼西亚国营第九农园公司产品；炭黑N330，青州博奥炭黑有限责任公司产品；氧化锌，柳州中色锌品有限责任公司产品；硬脂酸，高密市金福祥助剂有限公司产品；防老剂4010NA，青岛海飞化学有限公司产品；防老剂RD和促进剂MBTS，连云港锐巴化工有限公司产品；硫黄，临沂国奥有限公司产品；其余助剂均为市售品。

1.2 试验配方

NR 100，炭黑N330 变量（1#配方 50，2#配方 40），氧化锌 5，硬脂酸 2，防老剂4010/RD 2.5，硫黄 2.5，促进剂MBTS 1。

1.3 主要设备和仪器

5 L密炼机和JIC-725型两辊开炼机，威福兴机械（上海）有限公司产品；M-3000 AU新型密闭式无转子硫化仪，高铁检测仪器（东莞）有限公司产品；200 t真空平板硫化机，磐石油压工业（安徽）有限公司产品；LX-A型邵尔A型硬度计，东莞市科锐仪器科技有限公司产品；CMT4104型电子拉力试验机，深圳市新三思材料检测有限公司产品；JNP-50型挂胶履带销胶环扭转疲劳试验机，济南竟成测试技术有限公司产品。

1.4 试样制备

1.4.1 混炼胶制备

在5 L密炼机中先加入3 kg NR塑炼1.5 min，再按配方比例加入炭黑N330、氧化锌、硬脂酸、防老剂4010NA和防老剂RD，充分混炼5 min后排胶，随后在开炼机上薄通下片。一段混炼胶放置24 h后在开炼机上进行二段混炼，胶料包辊后加入硫黄和促进剂MBTS，打三角包5个，薄通8－10次，混炼均匀后下片，即得NR混炼胶。

1.4.2 硫化胶制备

将NR混炼胶置于真空平板硫化机上硫化，硫化条件为143 ℃×20 min，硫化胶片厚度为2 mm。硫化胶停放12 h后进行裁样及性能测试。

1.4.3 履带销胶环的制备

设计3种履带销胶环结构，如图1所示。3种履带销胶环的体积相同而结构不同（结构1为矩形，结构2为梯形，结构3为圆弧形），其在疲劳过程中的应力分布不同。

将1#和2#配方NR混炼胶与涂覆胶粘剂的金属件在143 ℃×20 min的硫化条件下制得3种结构的履带销胶环，用于对比不同配方和不同结构的履带销胶环的疲劳寿命。

1.5 性能测试

（1）邵尔A型硬度：采用邵尔A型硬度计按照GB/T 531.1—2008《硫化橡胶或热塑性橡胶 压入硬度试验方法 第1部分：邵氏硬度计法（邵尔硬度）》测试。

（2）拉伸性能：采用电子拉力试验机按照 GB/T 528—2009《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》测试。

（3）疲劳性能：将履带销胶环试样放置于挂胶履带销胶环扭转疲劳试验机（如图2所示）中，给试样施加恒定载荷，扭转角度为±14°，扭转频率为256 r·min-1。

2 结果与讨论

2.1 不同配方NR硫化胶的物理性能

2种配方NR硫化胶的物理性能如表1所示。

表1 2种配方的NR硫化胶的物理性能 Tab.1 Physical properties of NR vulcanizates with two formulas

从表1可以看出，通过改变炭黑用量可得到物理性能相差较大的NR硫化胶。其中，炭黑用量较大的1#配方NR硫化胶的邵尔A型硬度和100%定伸应力较大，表明其承载能力和抵抗变形能力较强[11-14]；拉断伸长率较小，表明其阻止裂纹生长能力较弱[15-18]。与之相对比，炭黑用量较小的2#配方NR硫化胶的拉伸强度和拉断伸长率较大，但其100%定伸应力和邵尔A型硬度较小。

2.2 不同配方履带销胶环的疲劳寿命

将1#和2#配方的结构1履带销胶环进行疲劳试验，得到不同配方履带销胶环的变形量-疲劳次数曲线（载荷为2 t）如图3所示。

从图3可以看出，1#和2#配方履带销胶环的疲劳次数分别为55.8×104和79.3×104，即炭黑用量小的2#配方履带销胶环的疲劳次数多于1#配方履带销胶环，表明2#配方履带销胶环具有更长的疲劳寿命[19-21]。

2.3 不同结构履带销胶环的疲劳寿命

对3种结构的炭黑用量大的1#配方履带销胶环进行疲劳试验，得到不同结构履带销胶环的变形量-疲劳次数曲线（动态加载条件），如图4所示。在静态条件下，不同结构履带销胶环在不同载荷下的变形量如表2所示。

从图4和表2可以看出，结构1，2和3履带销胶环的疲劳次数分别为55.8×104，52.5×104和79.6×104，即结构3履带销胶环的疲劳次数多于结构1和2履带销胶环，只是变形量略大于结构1履带销胶环，表明结构3履带销胶环的疲劳寿命更长。

表2 不同结构履带销胶环在不同载荷下的变形量 Tab.2 Deformations of track pin rubber rings with different structures under different loads mm

不同结构履带销胶环的应力分析如图5 所示。

从图5可以看出：矩形结构1履带销胶环在疲劳过程中两侧应力最大，易产生疲劳裂纹；梯形结构2履带销胶环由于其粘接界面面积在3种结构履带销胶环中最大，根部约束最大，导致其在疲劳过程中局部应力过大而对疲劳寿命产生不利影响；结构3履带销胶环两侧应力小于结构1履带销胶环，且结构3履带销胶环的应力分布相对均匀，其根部应力小于结构2履带销胶环。所以，圆弧形结构3履带销胶环的疲劳寿命最长。

3 结论

（1）炭黑用量对NR硫化胶的物理性能有显著影响，炭黑用量大的1#配方NR硫化胶的邵尔A型硬度和100%定伸应力较大，拉伸强度和拉断伸长率较小。

（2）炭黑用量小的2#配方履带销胶环具有更长的疲劳寿命。

（3）结构3履带销胶环的两侧应力低于结构1履带销胶环，且结构3履带销胶环的应力分布相对均匀，根部应力小于结构2履带销胶环，其疲劳寿命最长。