无帘线橡胶履带结构设计与制造工艺的研究

蒋建国

(镇江同立橡胶有限公司，江苏 镇江 212006)

橡胶履带是由橡胶和传动筋板（以下简称芯金）、强力纤维（钢帘线、芳纶帘线或聚酯帘线等）复合而成的环形轨道带。与轮胎和钢质履带相比橡胶履带具有接地比压低、牵引力大、震动小、噪音低、适用地形广、不破坏路面和重量轻、节能环保等特点。因此，被广泛运用于农业机械、工程机械、运输车辆、雪地车、智能装备和国防军工等，提高了车辆在各种地形上的通过性能。

1 传统橡胶履带的结构简介

目前传统的橡胶履带按内部结构不同可分为有芯金橡胶履带和无芯金橡胶履带两大类，两类橡胶履带内部都以钢帘线、芳纶帘线或聚酯帘线等强力纤维作为纵向强力层来承受机械行走和作业时的驱动力。

1.1 有芯金橡胶履带的结构

有芯金橡胶履带的芯金和帘线的长度方向位置相互垂直，高度方向相互平行，两者之间有一层2~8 mm缓冲橡胶隔离，各部分通过胶黏剂与橡胶经模具加温加压粘接而成的带行走花纹和轮侧轨道的环形橡胶履带（见图1），因此橡胶与各部件的粘接是至关重要的。此类橡胶履带主要适用于微型和小型挖掘机、装载机、运输车辆等设备。

图1 有芯金橡胶履带结构示意图

1.1.1 有芯金橡胶履带的优点

（1）此类橡胶履带自1968年诞生于日本的普利司通已有50余年[1]，生产设备和工艺成熟、质量稳定；

（2）产品第一次弯曲时自然顺畅；

（3）用户已使用习惯，认可度较高。

1.1.2 有芯金橡胶履带的缺点

（1）由于要对钢帘线等强力层进行挤出附胶缠绕，生产工序较多，设备投入较大；

（2）芯金只具有驱动、导向、导轨和提高横向刚度功能，帘线只具有保证纵向强度的功能，芯金与芯金之间、芯金与帘线之间没有形成一个强有力的整体，需要依靠粘接剂和粘接工艺来保证，机械对芯金的驱动力需要通过粘接橡胶传递到强力层帘线上，只要有一处由于粘接效果差或使用过程中粘接疲劳都会使整条橡胶履带履带使用失效。另外，由于帘线与芯金间距小，使用过程特别是屈挠过程中相互之间可能会形成摩擦，导致帘线断裂、芯金脱落；

（3）使用寿命短，一般只能保证装机后运行1 800 h，不能满足用户对橡胶履带使用寿命日益提高的需求。

1.2 无芯金橡胶履带的结构

无芯金橡胶履带采用高硬度橡胶驱动导向齿代替了芯金进行驱动和导向，在纵向主帘线上下位置采用横向和网状交叉多层帘线代替芯金提供横向刚度，所有帘线经挤出附胶后制成帘布，与高硬度橡胶和花纹侧胶、轮侧胶经模具加温加压硫化成带行走花纹、轮侧轨道和橡胶驱动导向齿的环形橡胶履带（见图2）。此类橡胶履带更适用于滑移式转载机、大型拖拉机和联合收割机等高速运行的车辆。

图2 无芯金橡胶履带结构示意图

1.2.1 无芯金橡胶履带的优点

（1）由于无芯金，此类橡胶履带克服了产品在使用过程中特别在高速运行时铁齿从橡胶中容易脱落的缺陷；

（2）消除了产品在使用过程中帘线屈挠疲劳断裂和帘线与芯金之间的摩擦断裂的可能性，提高了橡胶履带的柔顺性；

（3）此类橡胶履带适用于高速运行的车辆（最快30 km/h左右）。

1.2.2 无芯金橡胶履带的缺点

（1）成型工艺复杂、模具投入大，驱动导向齿块和花纹块需要用预成型模具进行预压成型，横向帘线需要贴合整齐；

（2）如采用分段硫化法，接头部位要保持横向帘线平整不变形难度较大；

（3）如采用整体硫化法，设备投入大且所能生产的橡胶履带节数变化小。

2 无帘线橡胶履带结构设计

无帘线橡胶履带是带体内部采用同时具有纵向强度、传动、导向、导轨和横向刚度功能的相互连接的链轨代替钢丝、芳纶或聚酯帘线等纤维材料作纵向强力层，与橡胶通过模具经加温加压模压而成的带行走花纹和轮侧轨道的环形橡胶履带，是有芯金橡胶履带的升级换代产品。

2.1 设计无帘线橡胶履带的必要性

目前，由于橡胶履带具有适应各种地形、不会破坏硬质路面、重量比钢质履带轻、节能环保等特性，欧洲、美洲、日本、澳大利亚等国家在工程机械领域，橡胶履带使用普及率非常高，在微型挖掘机、小型挖掘机、装载机和运输车上几乎全部用上了各种规格的橡胶履带，特别是有芯金橡胶履带。

我国是生产、销售（包括出口）和使用工程机械数量最多的国家，现除了出口产品和北、上、广等一线城市在小型挖掘机上有少量使用外，其它城市几乎看不到应用。究其原因，除政府政策层面的导向因素外，主要还是橡胶履带和钢质履带的性价比悬殊很大，钢质履带由于其强度高、耐磨性好、可局部更换修理、使用寿命长（挖掘机使用运行时间一般在8 000 h左右），而有芯金橡胶履带在挖掘机中的使用寿命只有1 800 h左右，只有钢质履带使用寿命的22.5%，价格却约达到钢质履带51%。如果用户不考虑因橡胶履带重量轻、不破坏路面、节能环保等特点且政府政策又不推行使用的话，国内用户对橡胶履带的使用欲望是不高的。另外，随着国际市场的发展，国外用户对橡胶履带使用寿命的要求也越来越高。

综上所述，为了适应市场竞争，设计制造一种结构科学、强度合理、工艺简单、成本不增和寿命增长的橡胶履带显得非常重要。因此，镇江同立橡胶有限公司于2020年设计申请了基于链接链轨和无帘线结构的《一种新型的橡胶履带结构》专利[2]，现已授权。

2.2 设计依据

如上所述，钢质履带的使用寿命长，是由于其采用的是销轴链接链轨的结构（此结构就像脊椎一样，一环扣一环）再安装上钢履带板形成环形的整体钢履带，所受的驱动力和重力全部由钢质的销轴和链轨承担，如设计强度足够和材质满足要求，在正常使用情况下销轴和链轨除了有少量磨损外不会断裂。而有芯金橡胶履带所受的驱动力和重力是从芯金通过粘接橡胶专递到帘线，它的使用寿命不是由芯金性能而是由橡胶、粘接效果和帘线的性能来决定，所以有芯金橡胶履带使用到最后的失效破坏形式不是芯金脱落就是在屈挠过程中芯金将帘线磨断。因此，我们将钢质履带的销轴链接链轨的结构经过优化后移植到橡胶履带中来，由销轴兼顾增强横向刚度的作用，并将帘线去除，再用热硫化胶黏剂和橡胶经模具加温加压硫化后形成带行走花纹和轮侧轨道的环形无帘线橡胶履带。这样就将有芯金橡胶履带中芯金附着在橡胶上，履带使用寿命由橡胶性能和粘接效果决定，转变成无帘线橡胶履带中橡胶附着于相互链接的销轴和链轨上，履带使用寿命由销轴和链轨的性能决定，延长了橡胶履带使用寿命。

2.3 链接链轨设计

链接链轨的结构设计要结合同机型的钢质履带链轨、有芯金橡胶履带的芯金和驱动轮、引导轮、支重轮的结构进行相应设计。链接链轨结构见图3。

图3 链接链轨结构示意图

2.3.1 链轨设计

钢质履带“Z”字形轨道形状，在链接后的相邻两只链轨可以形成“无缝”连接，这种结构在支重轮滚动过程中可以大幅降低对机器的震动，提高驾乘人员的舒适感，本设计也采用“Z”字形轨道形状，见图4。

图4 链轨结构示意图

轨道的总高度H需根据橡胶履带轮侧轨道高度H1和带体的包胶厚度确定，原则是轮侧轨道高度H1不得低于挖掘机支重轮的凸台高度h1，见图5。轨道内外轨宽度W、W1和单边厚度h根据钢质履带或有芯金橡胶履带的内外轨宽度决定，原则是相邻两轨道间重合部位的单边厚度要小于50%原厚度，不得干涉；注意轨道四角处的倒角角度a和倒圆半径R，原则是链接链轨最小弯曲内径DW≤Dg-2H1，链轨之间不得干涉。

图5 挖掘机支重轮示意图

2.3.2 销套内外直径设计

销套的内径D1、外径D的圆心应该在驱动轮节圆圆周上D=D0-Dg，见图6。

内径根据销轴的直径适当增加装配余量，也可根据钢质履带的销套内外径设计销套的内外径。可参考国家机械行业标准《液压机械挖掘机 履带总成》JB/T 11306-2013。

2.3.3 销套流胶孔设计

由于销轴和销套有配合空隙，为了使销轴和销套在运行时不直接接触磨损，在销套中间部位设计了流胶孔，在成型硫化过程中使胶料充满配合空隙，并有效粘接，利用橡胶变形来实现橡胶履带的弯曲，见图4。

2.3.4 节距设计

由于计算节距的基准位置不同，无帘线橡胶履带的链接链轨是硬连接在直线状态和弯曲状态下的节距是不变的，数值就是啮合在驱动轮上的两只链轨销套圆心之间的距离，与驱动轮两个驱动齿中心线与节圆相交点之间的弦长相等。同型号机型的有芯金橡胶履带的节距是以帘线的中心位置来计算的，由于帘线芯金之间有一个间距称为帘线高度值Z,在与驱动轮弯曲啮合时帘线圆弧直径一般大于驱动轮的节圆直径，所以有芯金橡胶履带的节距一般大于钢质履带的节距，不能直接采用，但可采用同型号机型的钢质履带的节距，也可根据驱动轮的节圆直径和齿数进行计算，无帘线橡胶履带节距计算有芯金橡胶履带节距计算：见图6。

图6 两种橡胶履带在驱动轮中节距计算基准位置示意图

2.3.5 销轴设计

销轴是链接链轨的部件，直径可根据钢质履带的销轴直径进行设计，参考国家机械行业标准JB/T 11306-2013《液压机械挖掘机 履带总成》和国家标准GB/1243—2006《传动用短节距精密滚子链、套筒链、附件和链轮》进行选型和选材，销轴的长度可根据有芯金橡胶履带的芯金长度确定。销轴的直径需考虑与销套的装配精度。

2.3.6 链轨和销轴的选材

根据《液压机械挖掘机 履带总成》行业标准推荐，考虑到链轨需要高强度和耐磨性能，可选用40Mn2，调质处理表面硬度52~58 HRC;销轴由于需要有高强、度耐冲击韧性抗弯曲性能，可选用40Cr，调质处理表面硬度56~63 HRC。也可以根据实际情况选用其它材料，调质处理后性能达需到国际标准《橡胶履带》GB/T20786—2015有关芯金抗弯力不小于机器重量的0.5倍、橡胶履带纵向设计拉力大于机器重量的5倍的要求。

2.4 无帘线橡胶履带整体外形设计

销轴链接的链轨是无帘线橡胶履带的骨架材料，要使之成为最终橡胶履带产品，还需要用花纹橡胶、轮侧胶将其粘接包覆模压硫化成一整体。外形尺寸可参考同型号的有芯金橡胶履带的尺寸结合骨架材料的外围尺寸进行设计，其中宽度W3、长度尺寸已由型号和节距t决定，主要带体的厚度H3、H5尺寸必须考虑将带体内的骨架材料完全包覆，最小包覆胶厚度不得小于3 mm，以防使用过程中暴露腐蚀，凸出包胶链轨高度H4和内外轨宽度W5、W4处，由于使用时直接与驱动轮、引导轮和支重轮接触易磨损，包覆橡胶只起到临时保护防锈作用，包覆胶厚度在链轨高度H1和内外轨宽度W1、W的基础上加1 mm左右即可，履带接地行走花纹可根据耐磨、防滑、防裂和美观等原则进行设计，见图7。

图7 无帘线橡胶履带整体外形示意图

3 制造工艺

无帘线橡胶履带的制造，就是将上述销轴链接的链轨骨架材料经过表面处理浸涂热硫化胶黏剂与橡胶混炼胶片按顺序逐层摆放于相应规格的橡胶履带模具中，在平板硫化机上经两次或两次以上（包括接头）加热、加压硫化成型的生产过程。就相当于采用了传统的钢帘布搭接分段成型硫化法[3],但与有芯金橡胶履带的制造过程相比，去除了单根帘线挤出缠绕成帘布或多根帘线挤出成帘布的较为复杂工序，没有帘布摆放或者搭接过程，从而简化了制造工艺，工艺流程见图8。

图8 无帘线橡胶履带制造工艺流程图

3.1 胶料配方要点

无帘线橡胶履带一般用于微型和小型挖掘机，适用于各种地形环境下，对接地花纹侧胶料和轮侧胶需要就较高的耐磨性、抗撕裂性、抗刺穿性、耐屈挠性、耐硫化还原性和耐天候老化性能等。配方中主要胶种可采用NR 、BR和SBR中的两种或三种以一定比例并用，采用硫磺硫化体系，硫化促进剂宜选用后效应较好的NS、DZ等次磺酰胺类，配以少量抗硫化还原剂HTS、PK900等，以减少接头硫化过程硫化还原现象；抗氧剂采用防老剂RD、BLE等酮胺类，抗臭氧剂采用防老剂4010NA、4020等化学抗臭氧剂与微晶石蜡等物理抗臭氧剂并用，以防老化龟裂；补强剂采用N220、N234等高结构中超耐磨炭黑与少量白炭黑配合硅烷偶联剂、抗撕裂剂并用，以提高胶料的拉伸强度、抗撕裂性能和抗屈挠龟裂性能。

3.2 胶料塑炼和混炼

橡胶履带用混炼胶可采用密炼三段混炼进行。

3.2.1 一段塑混炼

将天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶和部分炭黑投入密炼机中进行塑炼和混炼， 上顶栓压力为4.0~6.0 MPa，转子转速为40~50 r/min，排胶温度为155~160 ℃，时间为90~100 s，制得一段混炼胶。

3.2.2 二段混炼

将一段混炼胶、剩余炭黑、白炭黑、硅烷偶联剂、氧化锌、硬脂酸、防老剂、抗撕裂树脂、微晶蜡等投入密炼机中进行混炼，上顶栓压力为4.0~6.0 MPa，转子转速为35~50 r/min，此段混炼要保证白炭黑和硅烷偶联剂的适宜反应，排胶温度为145~155 ℃，时间为120~140 s，制得二段混炼胶。

3.2.3 三段混炼

将二段混炼胶、促进剂、硫磺、抗硫化返原剂、防焦剂等投入密炼机中进行混炼，转子转速为20~40 r/min，上顶栓压力为4.0~6.0 MPa， 排胶温度为100~110 ℃ ，时间为110~130 s，最终制得橡胶履带混炼胶。

3.3 胶料出片和称量

混炼胶停放8 h以上经检验合格后即可出片备用。根据各规格橡胶履带的花纹侧胶和轮侧胶的厚度和宽度尺寸设计口型尺寸，出片在冷喂料挤出机中进行，通过口型挤出成片，经冷却水池冷却，再根据胶片的长度经过自动裁剪成第一模和接头模规定的长度尺寸，最后根据工艺规定每模消耗的装较量用电子秤称量待用。

3.4 销轴和链轨的表面处理

要将钢质的销轴和链轨与胶料高强度粘接，必须对其表面进行抛丸除锈、震动除灰、超声波清洗油污和浸涂热硫化胶黏剂等处理。

3.4.1 抛丸除锈、震动除灰

采用履带式抛丸机，根据其装料量用40目细钢砂进行15~30 min的抛丸处理，使销轴和链轨表面呈银灰色，再进入振动筛清除砂粒和灰尘。

3.4.2 超声波清洗

将抛丸除尘过的销轴和链轨装入镂空铁框中，放入装有碳氢清洗液的清洗池和蒸馏清洗槽的超声波清洗机中按一定频率分别进行6~8 min超声波清洗和6~8 min的蒸馏清洗，除去表面油污，清洗后停放使清洗液完全挥发待用。

3.4.3 浸涂热硫化胶黏剂CH205和CH220

将清洗好的销轴和链轨悬挂与自动浸胶线的挂钩上，先浸涂底胶CH205后进入烘道在70~80 ℃温度下烘干15~20 min，再浸涂面胶CH220后进入烘道在70~80 ℃温度下烘干15~20 min，最后从挂钩上取下存放待用。另外，也可以用喷涂、手工刷涂的方法对销轴和链轨进行涂胶。

需要明确的是要根据实际情况调整两种胶黏剂的粘度，保证工件表面无流挂、无漏挂露铁现象，同时必须保证在底胶CH205彻底干燥后才能浸涂面胶CH220。两种胶黏剂膜厚分别不得低于10 μm，测试粘接效果时，除了保证剥离强度外，主要是要保证剥离破坏形式为橡胶破坏HR。

3.5 成型硫化

由于无帘线橡胶履带的结构简单，所以成型硫化也比较简单，主要步骤是:第一模成型硫化（模具两端通冷却水） →脱模修整→接头模成型硫化→脱模修边→检验入库。

3.5.1 第一模成型硫化

在第一模下模上摆放轮侧胶片；将第一模节数+2的链接销轴和链轨数量摆放入模腔，两端模具外各留一节作为接头用；摆放花纹侧胶片；推进平板硫化机；与第一模上模合模；加温加压硫化，硫化温度控制在143~150 ℃，压力和时间根据具体规格的橡胶履带确定；上下模具两端通冷却水，保证两端胶料呈未硫化状态以便接头橡胶粘接；硫化时间达到后脱模修整端部未硫化胶以便接头时入模腔。

3.5.2 接头模成型硫化

将第一模硫化好的带坯两端弯曲，把需重复硫化节数的销轴和链轨（包括两端个预留的一节）压入接头模两端；在接头模下模摆放轮侧胶片；将接头所需链接销轴和链轨数量摆放入模腔，并与预留一节的链轨链接；推进平板硫化机；与接头模上模合模；加温加压硫化，硫化温度控制在143~150 ℃，压力和时间根据具体规格的橡胶履带确定；硫化时间达到后脱模、修边、检验入库。最终无帘线橡胶履带成品见图9。

图9 无帘线橡胶履带成品示意图

4 橡胶履带成品试验

橡胶履带产品试验包括纵向拉力检测和动态使用试验。

4.1 纵向拉力检测

橡胶履带纵向拉力可以采用液压张紧法检测，如图10所示。

图10 橡胶履带纵向拉力检测装置示意图

将橡胶履带安装于该装置的前后两个张紧轮中，启动液压油缸通过顶杆使装置可移动端位移张紧橡胶履带，直至橡胶履带断裂，张紧力通过压力传感器传递到检测软件系统计算出橡胶履带纵向拉力值F。

Fc-传感器受力值。

4.2 动态使用试验

橡胶履带的动态使用的耐磨性能、疲劳性能、屈挠性能和使用寿命可在动态试验台上进行检测试验，也可直接装机做实际使用试验进行跟踪检测。镇江同立橡胶有限公司研制的无帘线橡胶履带230×45.6×74代替有铁齿橡胶履带230×48×70, 安装于久保田U15挖掘机上进行实际使用试验，经过近一年半的使用，运行时间已达2 000 h，产品表面花纹除了磨损、使用龟裂和部分微小掉块外，销轴和链轨无失效损坏，完全可以继续使用，估计使用寿命将大于2 500 h，较有铁齿橡胶履带提高40%左右。另外，由于链轨之间的“无缝连接”，机器减震性能提高，驾驶人员驾乘舒适感提高，反应良好。

5 无帘线橡胶履带优缺点

无帘线橡胶履带与有铁齿橡胶履带比较，具有制造工艺简单、使用寿命长、驾乘舒适感高等优点，由于销轴与链轨链接处和相邻链轨“无缝链接”处由橡胶粘接在一起，存在无帘线橡胶履带在初次使用时弯曲阻力较大的缺点，但在安装过程的机械力完全能克服。

6 结语

无帘线橡胶履带由于取消了钢丝、芳纶或聚酯帘线，利用集导向、驱动、横向刚度、纵向强度为一体的相互链接的销轴和链轨作为骨架材料，简化了橡胶履带的内部结构，减少了制造工序，延长了橡胶履带的使用寿命，提高了驾乘人员的舒适感和橡胶履带和钢质履带的性价比，有利于节能环保的橡胶履带产品的推广，是有铁齿橡胶履带的升级换代产品，具有较大的市场价值和社会效益。