橡膠履帶力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、CHINA RUBBER橡膠履帶力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)王克成 橡膠履帶是由橡膠與金屬或纖維復(fù)合材料制成的環(huán)形橡膠帶,橡膠履帶實(shí)物見(jiàn)圖1,主要用于農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械與軍用車(chē)輛等行走部分。圖1橡膠履帶實(shí)物環(huán)形橡膠帶又由芯金、強(qiáng)力層、緩沖層和橡膠彈性體四大部件組成,橡膠履帶構(gòu)造見(jiàn)圖2。橡膠彈性體把其它部件緊密地結(jié)合為一個(gè)整體,提供行走能力及整體的緩沖、減震和降噪功能。圖2橡膠履帶構(gòu)造注:芯金;強(qiáng)力層;緩沖層;橡膠彈性體。一、橡膠履帶運(yùn)行時(shí)受力分析對(duì)橡膠履帶在機(jī)械運(yùn)行時(shí)的受力進(jìn)行分析,是橡膠履帶物理性能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。橡膠履帶在機(jī)械運(yùn)行中不但受圓周力和離心力的影響,同時(shí)也受到來(lái)自帶體通過(guò)機(jī)械齒輪時(shí)產(chǎn)

2、生的彎曲應(yīng)力以及帶體自身重力的影響。1.由傳遞動(dòng)力而產(chǎn)生的拉應(yīng)力(1橡膠履帶是靠機(jī)械齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力,由機(jī)械齒輪傳遞給履帶帶孔中的芯金而驅(qū)動(dòng)行走的(輪齒式。當(dāng)機(jī)械在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),機(jī)械齒輪上下兩側(cè)的橡膠履帶所受的初始張力是相等的,橡膠履帶轉(zhuǎn)動(dòng)示意見(jiàn)圖3。圖3橡膠履帶轉(zhuǎn)動(dòng)示意當(dāng)機(jī)械運(yùn)行時(shí),機(jī)械齒輪上側(cè)的橡膠履帶為緊邊狀態(tài),而機(jī)械齒輪下側(cè)的橡膠履帶則為松邊狀態(tài)。由橡膠履帶中的芯金排列組成的導(dǎo)軌,來(lái)保證機(jī)械齒輪在行駛中不發(fā)生脫軌現(xiàn)象。從橡膠履帶帶體緊邊到橡膠履帶帶體松邊的拉力之差見(jiàn)式1:F 0=F 1-F 2(1式(1中,F 0橡膠履帶帶體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的有效圓周力,N ;F 1橡膠履帶帶體緊邊拉力,N

3、;F 2橡膠履帶帶體松邊拉力,N 。F 1與F 2的關(guān)系可用歐拉公式來(lái)表示,見(jiàn)式2:F 1=F 2·e fr(2式(2中,e 自然對(duì)數(shù)底;f 橡膠履帶與機(jī)械齒輪的磨擦系數(shù),f 與橡膠履帶速v (m/s 的關(guān)系不大;r 橡膠履帶與機(jī)械齒輪主動(dòng)輪的接觸弧度,r 與橡膠履帶和機(jī)械齒輪主動(dòng)輪的包角1關(guān)系見(jiàn)式3:r=/1800°×1(31與兩端機(jī)械齒輪的中心距l(xiāng) 和機(jī)械齒輪從動(dòng)輪直徑d 2,機(jī)械齒輪主動(dòng)輪直徑d 1的關(guān)系見(jiàn)式4:1=1800°-60(d 2-d 1/l(4橡膠履帶的拉應(yīng)力1見(jiàn)式5:1=(F 1-F 2/A(5式(5中,1橡膠履帶拉應(yīng)力,MPa ;A

4、 橡膠履帶橫截面積,cm 2。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.由離心力而產(chǎn)生的離心應(yīng)力(2橡膠履帶具有一定的質(zhì)量,在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其離心張力為F3,見(jiàn)式6:F3=q·v2/g(6式(6中,F3離心張力,N;q橡膠履帶自重,N/m2;v橡膠履帶轉(zhuǎn)動(dòng)線速度,m/s;g重力加速度,m/s2;由于離心力而產(chǎn)生的離心應(yīng)力2,見(jiàn)式7:2=F3/A(7離心應(yīng)力隨橡膠履帶速度增加而增大,當(dāng)橡膠履帶線速度小于5m/s時(shí),設(shè)計(jì)時(shí)離心應(yīng)力的影響可以忽略不計(jì),當(dāng)橡膠履帶線速度超過(guò)10m/s時(shí)就不可忽略不計(jì)。3.由彎曲張力而產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力(3橡膠履帶轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)機(jī)械齒輪時(shí),應(yīng)力集中于橡膠履帶彎曲弧度最大處,機(jī)械齒輪的輪徑愈小,橡膠履帶帶體強(qiáng)

5、力層愈厚,則彎曲張力愈大,橡膠履帶彎曲張力見(jiàn)式8:F4=E·A·h/d1(8式(8中,F4橡膠履帶彎曲張力,N;E組成橡膠履帶材料的楊氏模量,MPa;h橡膠履帶厚度,cm;d1機(jī)械齒輪的半徑,cm;由于彎曲張力而產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力3見(jiàn)式9:3=F4/A(9橡膠履帶在一定負(fù)載和線速度下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),其受最大張力和最大應(yīng)力見(jiàn)式10、式11:F max=F1+F3+F4(10max=1+2+3(11二、橡膠履帶結(jié)構(gòu)受力分析橡膠履帶是厚型制品,在機(jī)械齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中,橡膠履帶經(jīng)過(guò)機(jī)械齒輪時(shí),帶體各部位所受的應(yīng)力是不相同的,見(jiàn)圖4。設(shè)橡膠履帶在圖I位置時(shí),將橡膠履帶帶體分為三層剖面進(jìn)行分析,

6、即A-C、C-E、E-G層。當(dāng)橡膠履帶AB從I位置運(yùn)行到II位置時(shí),C-E層既不受彎曲時(shí)的伸張,又不受彎曲時(shí)的壓縮,此層為中性層。而A-C層卻呈彎曲伸張狀態(tài),稱(chēng)伸張層。E-G層呈壓縮狀態(tài)稱(chēng)壓縮層。當(dāng)橡膠履帶AB從II位置運(yùn)行到III位置時(shí),橡膠履帶各層受力情況又恢復(fù)到I 狀態(tài)。橡膠履帶在I和III狀態(tài)時(shí),各層只受拉伸應(yīng)力、壓縮應(yīng)力和離心應(yīng)力的作用,而在II位置時(shí)不但受拉伸應(yīng)力、壓縮應(yīng)力和離心應(yīng)力的作用,還受到彎曲應(yīng)力的作用。另外橡膠履帶在III狀態(tài)時(shí),還承受著機(jī)械重力的作用。圖4橡膠履帶在機(jī)械運(yùn)行時(shí)受力示意若把伸張層、中性層和壓縮層再剖析成若干層,作如上同樣的分析,不難看出,橡膠履帶在機(jī)械齒輪

7、接觸處,愈是靠近機(jī)械齒輪底部的部位,受彎曲壓縮應(yīng)力愈大;愈是在外層的部位,受彎曲伸長(zhǎng)應(yīng)力愈大。故在橡膠履帶彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮各層受力的情況,以合理地安排強(qiáng)力層在橡膠履帶中的位置和各層選擇合適的彈性體材料。三、橡膠履帶彈性體與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)橡膠履帶彈性體又可分為花紋側(cè)膠、底膠、鋼絲簾線膠與緩沖層膠、布層膠、齒膠和輪側(cè)膠等部分。骨架材料有鋼絲簾線、尼龍簾子布、尼龍帆布、芳綸以及芯金等,橡膠履帶結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖5。圖5橡膠履帶結(jié)構(gòu)示意1.花紋側(cè)膠與底膠復(fù)合成橡膠履帶行駛面彈性體花紋側(cè)膠性能設(shè)計(jì)特點(diǎn)是:花紋側(cè)膠用來(lái)防止帶體受機(jī)械損傷(穿洞和穿孔和早期磨損。向路面?zhèn)鬟f車(chē)輛的牽引力和制動(dòng)力,增加與路面(土壤的

8、抓著力,以及吸收與傳遞履帶在運(yùn)動(dòng)時(shí)的振蕩。其CHINA RUBBER行駛部分是由不同形狀的花紋塊、花紋溝所構(gòu)成的表面,橡膠履帶花紋示意見(jiàn)圖6?；y側(cè)膠應(yīng)具備良好的耐磨、耐刺穿、抗撕裂、抗崩花掉塊、耐屈撓龜裂、抗裂口增長(zhǎng)性、耐臭氧、老化、耐拉伸永久變形性和動(dòng)態(tài)疲勞性能等。與模具接觸要求膠料充模性好、流動(dòng)性好與排氣性好。底膠性能設(shè)計(jì)特點(diǎn)是:底膠在花紋側(cè)膠下層是基部膠,用來(lái)緩沖振蕩和沖擊。底膠在多次變形下,因摩擦作用而放出大量的熱。因此,底膠應(yīng)具備生熱低、良好的導(dǎo)熱性、高彈性、粘合性能佳等優(yōu)點(diǎn),因在帶體中間部位傳熱慢,硫化速度相對(duì)要快。2.強(qiáng)力層與緩沖層橡膠履帶強(qiáng)力層是牽引件,由鋼絲簾線、鋼絲膠構(gòu)成

9、,是橡膠履帶的縱向抗拉體,承受牽引力并保持履帶節(jié)距的穩(wěn)定性。橡膠履帶鋼絲簾線結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖7。圖7橡膠履帶鋼絲簾線結(jié)構(gòu)示意鋼絲簾線膠與緩沖層膠性能設(shè)計(jì)特點(diǎn)是:鋼絲簾線膠應(yīng)有與鋼絲良好的粘合強(qiáng)度、具有較高的彈性與柔軟性、良好的導(dǎo)熱性和氣密性、在多次變形下生熱性小、應(yīng)有高度的疲勞強(qiáng)度、有高度的耐熱性能、耐多次剪切變形性能、良好的緩沖性能。骨架材料主要有鋼絲簾線、鍍鋅鋼絲、不銹鋼鋼絲。為了提高橡膠履帶整體抗拉強(qiáng)度,保持履帶節(jié)距的穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)使用高強(qiáng)力、預(yù)伸張鋼絲簾線會(huì)更適宜。橡膠履帶帶體的伸長(zhǎng),主要是鋼絲簾線伸長(zhǎng)率高導(dǎo)致的。另外,在機(jī)械齒輪直徑偏小時(shí),應(yīng)設(shè)計(jì)使用減小直徑型號(hào)的鋼絲簾線,以增加鋼絲簾線的

10、柔韌性,降低作用于帶體上的彎曲應(yīng)力。緩沖層由緩沖層膠與擦膠簾布構(gòu)成,承受帶體強(qiáng)烈的振蕩和沖擊,以及履帶行駛中徑向、側(cè)向和切向力所引起的多次變形。同時(shí)也是強(qiáng)力層牽引件保護(hù)層,保護(hù)牽引件不受外力作用而破壞,防止強(qiáng)力層的鋼絲與芯金磨擦。布層膠性能設(shè)計(jì)特點(diǎn)是:布層膠應(yīng)具有耐熱、彈性高、耐老化、耐多次變形性能、抗撕裂、永久變形小。與簾布、鋼絲簾線膠有良好的附著力,有良好的壓延工藝性能。布層使用材料主要有尼龍簾子布、尼龍帆布以及玻璃纖維、芳綸或其它高強(qiáng)度低伸長(zhǎng)合成纖維線。3.齒膠與輪側(cè)膠復(fù)合成橡膠履帶輪側(cè)面彈性體齒膠性能設(shè)計(jì)特點(diǎn)是:齒膠應(yīng)具有與芯金良好的粘合強(qiáng)度、與輪側(cè)膠有良好的粘性、較高的強(qiáng)度與剛性,未

11、硫化狀態(tài)的流動(dòng)性要低,硫化時(shí)的流動(dòng)性要好。輪側(cè)膠性能設(shè)計(jì)特點(diǎn)是:輪側(cè)膠應(yīng)具有較高的彈性、抗撕裂性、耐臭氧和老化、耐屈撓龜裂、抗裂口增長(zhǎng)性,較好的回彈性、耐壓縮永久變形性和動(dòng)態(tài)疲勞性能等。硫化時(shí)首先受熱,為了防止過(guò)硫,要求膠料有較長(zhǎng)的硫化平坦線。因?yàn)橐c模具接觸,所以要求膠料充模性、流動(dòng)性與排氣性要好。齒膠與輪側(cè)膠復(fù)合成橡膠履帶輪側(cè)面彈性體,作為一個(gè)整體要求其復(fù)合件有優(yōu)異的耐機(jī)械齒輪行駛時(shí)的碾壓強(qiáng)度。4.芯金傳動(dòng)承載件芯金是傳動(dòng)承載件,起動(dòng)力傳遞導(dǎo)向與橫向支撐作用,使用材料主要有球墨鑄鐵、鑄鐵鍛鋼、鋁合金與合金鋼板材沖壓成型組合件等,有些履帶可使用尼龍或塑料做芯金,橡膠履帶芯金傳動(dòng)承載件結(jié)構(gòu)示意

12、見(jiàn)圖8。芯金的硬度要適當(dāng),硬度偏低容易發(fā)生彎曲,造成帶體變形,降低橡膠履帶的使用壽命。硬度偏高容易發(fā)生斷裂,造成橡膠履帶報(bào)廢。芯金傳動(dòng)承載件的設(shè)計(jì)應(yīng)保證使用中抗彎、耐磨、抗剪切、抗扭圖6橡膠履帶花紋示意結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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.轉(zhuǎn)和橫向支撐的能力,不會(huì)出現(xiàn)裂紋和斷齒。橡膠履帶彈性體的配方設(shè)計(jì)隨履帶的使用條件與機(jī)械性能不同有所區(qū)別。但是配方設(shè)計(jì)有一些共同的特點(diǎn),現(xiàn)代履帶生產(chǎn)制造工藝使用平板硫化機(jī)硫化,采取環(huán)形體有接頭硫化或無(wú)接頭二段硫化,因此一般多采用后效性硫化體系。另外防老劑用量較大,并采用多品種物理和化學(xué)防老劑并用。膠料一般以天然橡膠(NR 為主的NR/SBR 、NR/SBR/BR 、NR/SSBR/BR 和NR/BR 并用體系,及聚氨酯彈性體。橡膠履帶彈性體不僅要有良好的物理機(jī)械性能、動(dòng)態(tài)疲勞性能、抗應(yīng)力集中和耐天候老化性能,還需要具有與傳動(dòng)件和保護(hù)層

15、間優(yōu)異的粘合強(qiáng)度。對(duì)于某些特殊用途的橡膠履帶,還要求有耐鹽堿、耐油、耐寒和防火阻燃等特殊功能。高硬度、高速度以及彩色橡膠履帶也有一定的需求。5.牽引能力、不脫輪性、抗振性和耐久性橡膠履帶的牽引能力與其拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、帶寬、橫向剛性、節(jié)距和花紋塊高度有關(guān),也受路面狀況和載荷的影響。直線型和側(cè)面拉長(zhǎng)間距型的花紋效果較好。不脫輪性取決于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)輪的配置和履帶的導(dǎo)向長(zhǎng)度。脫輪多發(fā)生在主動(dòng)輪或張緊輪與轉(zhuǎn)輪之間。保持履帶具有一定的張緊度十分必要。橡膠履帶的扭曲剛度、橫向剛性、縱向柔順性、節(jié)距與凸緣高度也對(duì)不脫輪性有重要影響。消除振源是減輕振動(dòng)和降低噪聲的最好辦法。橡膠履帶振動(dòng)與其節(jié)距、轉(zhuǎn)輪數(shù)及其配置、重心位置,膠料性能和花紋構(gòu)形有關(guān)。橡膠履帶設(shè)計(jì)的前提是對(duì)相關(guān)機(jī)械車(chē)輛類(lèi)型、車(chē)輪結(jié)構(gòu)、功率、速度、用途和工作條件進(jìn)行了解,設(shè)計(jì)范圍包括驅(qū)動(dòng)方式、承載與牽引強(qiáng)度的計(jì)算、結(jié)構(gòu)材料品種型號(hào)的選擇、斷面結(jié)構(gòu)的布置、花紋形態(tài)和高度及膠料配方性