配方和結構對履帶銷膠環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]。履帶銷膠環過早出現裂紋、穿孔等缺陷是導致履帶節距增大、負重輪爬齒和脫帶的主要原因，履帶銷膠環的疲勞壽命直接決定履帶的使用壽命，進而影響整車的機動性與可靠性[6-10]。

目前針對履帶銷膠環的膠料性能、結構設計和疲勞壽命三者之間的關系研究較少。本工作設計2種配方和3種結構的履帶銷膠環，并研究配方和結構對其疲勞壽命的影響，以期為延長履帶的使用壽命提供技術支持。

1 實驗

1.1 原材料

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

1.2 試驗配方

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，促進劑MBTS 1。

1.3 主要設備和儀器

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

1.4 試樣制備

1.4.1 混煉膠制備

在5 L密煉機中先加入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，隨后在開煉機上薄通下片。一段混煉膠放置24 h后在開煉機上進行二段混煉，膠料包輥后加入硫黃和促進劑MBTS，打三角包5個，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后進行裁樣及性能測試。

1.4.3 履帶銷膠環的制備

設計3種履帶銷膠環結構，如圖1所示。3種履帶銷膠環的體積相同而結構不同（結構1為矩形，結構2為梯形，結構3為圓弧形），其在疲勞過程中的應力分布不同。

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種結構的履帶銷膠環，用于對比不同配方和不同結構的履帶銷膠環的疲勞壽命。

1.5 性能測試

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

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

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

2 結果與討論

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%定伸應力較大，表明其承載能力和抵抗變形能力較強[11-14]；拉斷伸長率較小，表明其阻止裂紋生長能力較弱[15-18]。與之相對比，炭黑用量較小的2#配方NR硫化膠的拉伸強度和拉斷伸長率較大，但其100%定伸應力和邵爾A型硬度較小。

2.2 不同配方履帶銷膠環的疲勞壽命

將1#和2#配方的結構1履帶銷膠環進行疲勞試驗，得到不同配方履帶銷膠環的變形量-疲勞次數曲線（載荷為2 t）如圖3所示。

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

2.3 不同結構履帶銷膠環的疲勞壽命

對3種結構的炭黑用量大的1#配方履帶銷膠環進行疲勞試驗，得到不同結構履帶銷膠環的變形量-疲勞次數曲線（動態加載條件），如圖4所示。在靜態條件下，不同結構履帶銷膠環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，結構1，2和3履帶銷膠環的疲勞次數分別為55.8×104，52.5×104和79.6×104，即結構3履帶銷膠環的疲勞次數多于結構1和2履帶銷膠環，只是變形量略大于結構1履帶銷膠環，表明結構3履帶銷膠環的疲勞壽命更長。

表2 不同結構履帶銷膠環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

不同結構履帶銷膠環的應力分析如圖5 所示。

從圖5可以看出：矩形結構1履帶銷膠環在疲勞過程中兩側應力最大，易產生疲勞裂紋；梯形結構2履帶銷膠環由于其粘接界面面積在3種結構履帶銷膠環中最大，根部約束最大，導致其在疲勞過程中局部應力過大而對疲勞壽命產生不利影響；結構3履帶銷膠環兩側應力小于結構1履帶銷膠環，且結構3履帶銷膠環的應力分布相對均勻，其根部應力小于結構2履帶銷膠環。所以，圓弧形結構3履帶銷膠環的疲勞壽命最長。

3 結論

（1）炭黑用量對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%定伸應力較大，拉伸強度和拉斷伸長率較小。

（2）炭黑用量小的2#配方履帶銷膠環具有更長的疲勞壽命。

（3）結構3履帶銷膠環的兩側應力低于結構1履帶銷膠環，且結構3履帶銷膠環的應力分布相對均勻，根部應力小于結構2履帶銷膠環，其疲勞壽命最長。