橡胶履带力学分析及优化设计

1、CHINA RUBBER橡胶履带力学分析及优化设计王克成 橡胶履带是由橡胶与金属或纤维复合材料制成的环形橡胶带,橡胶履带实物见图1,主要用于农业机械、工程机械、运输机械与军用车辆等行走部分。图1橡胶履带实物环形橡胶带又由芯金、强力层、缓冲层和橡胶弹性体四大部件组成,橡胶履带构造见图2。橡胶弹性体把其它部件紧密地结合为一个整体,提供行走能力及整体的缓冲、减震和降噪功能。图2橡胶履带构造注:芯金;强力层;缓冲层;橡胶弹性体。一、橡胶履带运行时受力分析对橡胶履带在机械运行时的受力进行分析,是橡胶履带物理性能设计的基础。橡胶履带在机械运行中不但受圆周力和离心力的影响,同时也受到来自带体通过机械齿轮时产

2、生的弯曲应力以及带体自身重力的影响。1.由传递动力而产生的拉应力(1橡胶履带是靠机械齿轮转动时产生的驱动力,由机械齿轮传递给履带带孔中的芯金而驱动行走的(轮齿式。当机械在静止状态时,机械齿轮上下两侧的橡胶履带所受的初始张力是相等的,橡胶履带转动示意见图3。图3橡胶履带转动示意当机械运行时,机械齿轮上侧的橡胶履带为紧边状态,而机械齿轮下侧的橡胶履带则为松边状态。由橡胶履带中的芯金排列组成的导轨,来保证机械齿轮在行驶中不发生脱轨现象。从橡胶履带带体紧边到橡胶履带带体松边的拉力之差见式1:F 0=F 1-F 2(1式(1中,F 0橡胶履带带体转动时的有效圆周力,N ;F 1橡胶履带带体紧边拉力,N

3、;F 2橡胶履带带体松边拉力,N 。F 1与F 2的关系可用欧拉公式来表示,见式2:F 1=F 2·e fr(2式(2中,e 自然对数底;f 橡胶履带与机械齿轮的磨擦系数,f 与橡胶履带速v (m/s 的关系不大;r 橡胶履带与机械齿轮主动轮的接触弧度,r 与橡胶履带和机械齿轮主动轮的包角1关系见式3:r=/1800°×1(31与两端机械齿轮的中心距l 和机械齿轮从动轮直径d 2,机械齿轮主动轮直径d 1的关系见式4:1=1800°-60(d 2-d 1/l(4橡胶履带的拉应力1见式5:1=(F 1-F 2/A(5式(5中,1橡胶履带拉应力,MPa ;A

4、 橡胶履带横截面积,cm 2。结构设计2.由离心力而产生的离心应力(2橡胶履带具有一定的质量,在转动时其离心张力为F3,见式6:F3=q·v2/g(6式(6中,F3离心张力,N;q橡胶履带自重,N/m2;v橡胶履带转动线速度,m/s;g重力加速度,m/s2;由于离心力而产生的离心应力2,见式7:2=F3/A(7离心应力随橡胶履带速度增加而增大,当橡胶履带线速度小于5m/s时,设计时离心应力的影响可以忽略不计,当橡胶履带线速度超过10m/s时就不可忽略不计。3.由弯曲张力而产生的弯曲应力(3橡胶履带转动经过机械齿轮时,应力集中于橡胶履带弯曲弧度最大处,机械齿轮的轮径愈小,橡胶履带带体强

5、力层愈厚,则弯曲张力愈大,橡胶履带弯曲张力见式8:F4=E·A·h/d1(8式(8中,F4橡胶履带弯曲张力,N;E组成橡胶履带材料的杨氏模量,MPa;h橡胶履带厚度,cm;d1机械齿轮的半径,cm;由于弯曲张力而产生的弯曲应力3见式9:3=F4/A(9橡胶履带在一定负载和线速度下转动时,其受最大张力和最大应力见式10、式11:F max=F1+F3+F4(10max=1+2+3(11二、橡胶履带结构受力分析橡胶履带是厚型制品,在机械齿轮转动运行过程中,橡胶履带经过机械齿轮时,带体各部位所受的应力是不相同的,见图4。设橡胶履带在图I位置时,将橡胶履带带体分为三层剖面进行分析,

6、即A-C、C-E、E-G层。当橡胶履带AB从I位置运行到II位置时,C-E层既不受弯曲时的伸张,又不受弯曲时的压缩,此层为中性层。而A-C层却呈弯曲伸张状态,称伸张层。E-G层呈压缩状态称压缩层。当橡胶履带AB从II位置运行到III位置时,橡胶履带各层受力情况又恢复到I 状态。橡胶履带在I和III状态时,各层只受拉伸应力、压缩应力和离心应力的作用,而在II位置时不但受拉伸应力、压缩应力和离心应力的作用,还受到弯曲应力的作用。另外橡胶履带在III状态时,还承受着机械重力的作用。图4橡胶履带在机械运行时受力示意若把伸张层、中性层和压缩层再剖析成若干层,作如上同样的分析,不难看出,橡胶履带在机械齿轮

7、接触处,愈是靠近机械齿轮底部的部位,受弯曲压缩应力愈大;愈是在外层的部位,受弯曲伸长应力愈大。故在橡胶履带弹性体结构设计中必须考虑各层受力的情况,以合理地安排强力层在橡胶履带中的位置和各层选择合适的弹性体材料。三、橡胶履带弹性体与结构设计橡胶履带弹性体又可分为花纹侧胶、底胶、钢丝帘线胶与缓冲层胶、布层胶、齿胶和轮侧胶等部分。骨架材料有钢丝帘线、尼龙帘子布、尼龙帆布、芳纶以及芯金等,橡胶履带结构示意见图5。图5橡胶履带结构示意1.花纹侧胶与底胶复合成橡胶履带行驶面弹性体花纹侧胶性能设计特点是:花纹侧胶用来防止带体受机械损伤(穿洞和穿孔和早期磨损。向路面传递车辆的牵引力和制动力,增加与路面(土壤的

8、抓着力,以及吸收与传递履带在运动时的振荡。其CHINA RUBBER行驶部分是由不同形状的花纹块、花纹沟所构成的表面,橡胶履带花纹示意见图6。花纹侧胶应具备良好的耐磨、耐刺穿、抗撕裂、抗崩花掉块、耐屈挠龟裂、抗裂口增长性、耐臭氧、老化、耐拉伸永久变形性和动态疲劳性能等。与模具接触要求胶料充模性好、流动性好与排气性好。底胶性能设计特点是:底胶在花纹侧胶下层是基部胶,用来缓冲振荡和冲击。底胶在多次变形下,因摩擦作用而放出大量的热。因此,底胶应具备生热低、良好的导热性、高弹性、粘合性能佳等优点,因在带体中间部位传热慢,硫化速度相对要快。2.强力层与缓冲层橡胶履带强力层是牵引件,由钢丝帘线、钢丝胶构成

9、,是橡胶履带的纵向抗拉体,承受牵引力并保持履带节距的稳定性。橡胶履带钢丝帘线结构示意见图7。图7橡胶履带钢丝帘线结构示意钢丝帘线胶与缓冲层胶性能设计特点是:钢丝帘线胶应有与钢丝良好的粘合强度、具有较高的弹性与柔软性、良好的导热性和气密性、在多次变形下生热性小、应有高度的疲劳强度、有高度的耐热性能、耐多次剪切变形性能、良好的缓冲性能。骨架材料主要有钢丝帘线、镀锌钢丝、不锈钢钢丝。为了提高橡胶履带整体抗拉强度,保持履带节距的稳定性,设计使用高强力、预伸张钢丝帘线会更适宜。橡胶履带带体的伸长,主要是钢丝帘线伸长率高导致的。另外,在机械齿轮直径偏小时,应设计使用减小直径型号的钢丝帘线,以增加钢丝帘线的

10、柔韧性,降低作用于带体上的弯曲应力。缓冲层由缓冲层胶与擦胶帘布构成,承受带体强烈的振荡和冲击,以及履带行驶中径向、侧向和切向力所引起的多次变形。同时也是强力层牵引件保护层,保护牵引件不受外力作用而破坏,防止强力层的钢丝与芯金磨擦。布层胶性能设计特点是:布层胶应具有耐热、弹性高、耐老化、耐多次变形性能、抗撕裂、永久变形小。与帘布、钢丝帘线胶有良好的附着力,有良好的压延工艺性能。布层使用材料主要有尼龙帘子布、尼龙帆布以及玻璃纤维、芳纶或其它高强度低伸长合成纤维线。3.齿胶与轮侧胶复合成橡胶履带轮侧面弹性体齿胶性能设计特点是:齿胶应具有与芯金良好的粘合强度、与轮侧胶有良好的粘性、较高的强度与刚性,未

11、硫化状态的流动性要低,硫化时的流动性要好。轮侧胶性能设计特点是:轮侧胶应具有较高的弹性、抗撕裂性、耐臭氧和老化、耐屈挠龟裂、抗裂口增长性,较好的回弹性、耐压缩永久变形性和动态疲劳性能等。硫化时首先受热,为了防止过硫,要求胶料有较长的硫化平坦线。因为要与模具接触,所以要求胶料充模性、流动性与排气性要好。齿胶与轮侧胶复合成橡胶履带轮侧面弹性体,作为一个整体要求其复合件有优异的耐机械齿轮行驶时的碾压强度。4.芯金传动承载件芯金是传动承载件,起动力传递导向与横向支撑作用,使用材料主要有球墨铸铁、铸铁锻钢、铝合金与合金钢板材冲压成型组合件等,有些履带可使用尼龙或塑料做芯金,橡胶履带芯金传动承载件结构示意

12、见图8。芯金的硬度要适当,硬度偏低容易发生弯曲,造成带体变形,降低橡胶履带的使用寿命。硬度偏高容易发生断裂,造成橡胶履带报废。芯金传动承载件的设计应保证使用中抗弯、耐磨、抗剪切、抗扭图6橡胶履带花纹示意结构设计Mechanical analysis and optimal design of rubber TrackWang Ke-ChengAbstract:This paper analyses the stress situation and structure of rubber track and puts forward the optimal design of rubber cr

13、awler elastomer and product structure.It also points out that domestic rubber track manufacturers should change the design approach of physical mapping and anatomical analysis and vigorously carry out theoretical mechanics and material mechanical analysis,finite element analysis and application work

14、 to promote technical progress.转和横向支撑的能力,不会出现裂纹和断齿。橡胶履带弹性体的配方设计随履带的使用条件与机械性能不同有所区别。但是配方设计有一些共同的特点,现代履带生产制造工艺使用平板硫化机硫化,采取环形体有接头硫化或无接头二段硫化,因此一般多采用后效性硫化体系。另外防老剂用量较大,并采用多品种物理和化学防老剂并用。胶料一般以天然橡胶(NR 为主的NR/SBR 、NR/SBR/BR 、NR/SSBR/BR 和NR/BR 并用体系,及聚氨酯弹性体。橡胶履带弹性体不仅要有良好的物理机械性能、动态疲劳性能、抗应力集中和耐天候老化性能,还需要具有与传动件和保护层

15、间优异的粘合强度。对于某些特殊用途的橡胶履带,还要求有耐盐碱、耐油、耐寒和防火阻燃等特殊功能。高硬度、高速度以及彩色橡胶履带也有一定的需求。5.牵引能力、不脱轮性、抗振性和耐久性橡胶履带的牵引能力与其拉伸强度、剪切强度、带宽、横向刚性、节距和花纹块高度有关,也受路面状况和载荷的影响。直线型和侧面拉长间距型的花纹效果较好。不脱轮性取决于驱动转轮直径、转轮的配置和履带的导向长度。脱轮多发生在主动轮或张紧轮与转轮之间。保持履带具有一定的张紧度十分必要。橡胶履带的扭曲刚度、横向刚性、纵向柔顺性、节距与凸缘高度也对不脱轮性有重要影响。消除振源是减轻振动和降低噪声的最好办法。橡胶履带振动与其节距、转轮数及其配置、重心位置,胶料性能和花纹构形有关。橡胶履带设计的前提是对相关机械车辆类型、车轮结构、功率、速度、用途和工作条件进行了解,设计范围包括驱动方式、承载与牵引强度的计算、结构材料品种型号的选择、断面结构的布置、花纹形态和高度及胶料配方性