履带板挂胶磨损试验机的设计与研究

王东 ，黄磊 ，陈帮

(1. 南京金三力橡塑有限公司，江苏 南京 210061 ；2. 陆军驻南京地区第二军代室，江苏 南京 210000)

0 引言

运用了履带板挂胶技术的履带车辆既能在苛刻路面条件下行驶，又能在等级公路上行驶时保护路面，橡胶履带板在装甲车上应用极为广泛，为更好的为国防事业服务，深度挖掘橡胶潜力，制造出性能优异的挂胶履带板，因此能够快速验证橡胶性能的模拟试验机就显得特别重要。

近些年，国内外学者从不同角度对橡胶履带板进行研究分析。以色列D.Rubinstein 和R.Hitron 用动力学仿真全检LMS-DADS 对M113 装甲运输车进行了研究，分别建立了单块履带和地面的数学模型，对履带做了理论上的分析[1]。雷雪媛通过建立单块履带板-地面相互作用的力学模型，进行了履带板牵引性能有限元分析，针对不同典型路面提出了履带板优化参数，并对不同工况条件下的履带板进行了有限元强度校核[2]。卢咏来通过不饱和羧酸金属盐原位聚合增强POE纳米复合材料进行挂胶履带板橡胶配方的优化设计[3]。

由于各种橡胶原材料的力学、化学性质不同，当采用不同的原材料和改变材料配用量时，由这些橡胶配方制取的硫化橡胶，其抗破坏能力会有很大差异。不论是通过数学模型、有限元分析还是聚合材料，都不能快速的对配方进行筛选。本文设计了一种履带板挂胶磨损试验机，可从每批试验的优胜配方中选出受破坏程度最小、工艺性能最好、质量稳定性最高的配方和工艺方案，从而达到快速验证研发成果的目的。

1 试验机的设计与结构

设计的试验机需要满足两个基本要求：

（1）可以模拟履带板挂胶实际工作状态，包括路面条件、行驶速度、承受压力等；

（2）同时进行多种橡胶配方试验，以实现快速筛选。

针对设计要求，对履带板挂胶磨损试验机进行了总体结构设计，总体结构如图1 所示，由试验样轮、驱动轴、链轮、驱动轴安装架、蝶形弹簧、机架、调节螺丝、弹簧、模拟跑道、底座、减速机( 及电控系统)组成。试验样轮1（试验样轮由8 个试样块组装，如图2 所示）安装在驱动轴2 上，驱动轴与减速机11 采用链轮3 传动，速度无级可调；驱动轴安装架4 与机架6 之间安装有多组蝶形弹簧5，通过转动调节螺丝7改变蝶形弹簧组的变形量，可上下浮动，调整试验样轮对模拟跑道9 的压力；驱动轴安装架与底座10 之间有弹簧8 连接；模拟跑道为环形，可沿轨座（A）转动，跑道内浇注有混凝土或其他材料（B）模拟实际路面。

图1 试验机结构示意图

试验机通过减速机带动驱动轴带动试验样轮转动，试验样轮通过调节蝶形弹簧组的变形量对模拟跑道产生压力，来模拟车轮在实际路面上奔驰的状态。

为了模拟履带板挂胶实际工作状态，并提高试验机筛选橡胶配方的效率，本文设计的试验样轮可由8个试样块组装而成，可同时对1～8 种橡胶配方进行试验。试验样轮结构如图2 所示。每个试验块为长60 mm× 宽30 mm× 厚3 mm 的金属底板和厚6～15 mm厚的橡胶通过硫化形成的整体，再用螺丝固定在试样样轮上，形成整体。

图2 试验样轮结构示意图

驱动轴采用无级可调变速，变速范围0～500 r/min，来模拟履带板行驶过程中的速度。驱动轴与减速机采用链轮传动，实现动力传输。

驱动轴安装架与机架之间安装有多组蝶形弹簧，通过转动调节螺丝改变蝶形弹簧组的变形量，可上下浮动，使试验样轮对模拟跑道的形成0～40 kN 的压力。

驱动轴安装架与底座之间有弹簧连接，弹簧起到减震作用，便于保持试验机的稳定性。

模拟跑道为环形，可沿轨座（A）转动，跑道内浇注有混凝土或其他材料（B）模拟实际路面，跑道可以是混泥土水泥铺装路，亦可以是含有尖锐石子的的砂石路面。

按设计完成了试验机制作与安装，实物如图3 所示。

图3 磨损试验机实物图

2 试验方法

履带板挂胶磨损试验机的试验方法，步骤如下：

（1）步骤一

根据实际路面情况，浇制模拟环形跑道，跑道可以是混泥土水泥铺装路，亦可以是含有尖锐石子的的砂石路面，定期保养维护后再使用。

（2）步骤二

将8 个试样块组装在试验样轮上，这8 个试验块为长60 mm× 宽30 mm× 厚3 mm 的金属底板和厚6～15 mm 厚的橡胶通过硫化形成的整体，再用螺丝固定在试样样轮上，形成整体，通过键槽进行与驱动轴连接。

（3）步骤三

转动调节螺丝改变蝶形弹簧组的变形量，可上下浮动，使试验样轮对模拟跑道的形成0～40 kN 的压力。

（4）步骤四

驱动轴采用无级可调变速，变速范围0～500 r/min，来模拟履带板行驶过程中的速度。

（5）步骤五

通过磨损量和橡胶履带板表面破损状态来进行对比。

3 试验过程及结果分析

为验证试验机的设计，进行了磨损试验。以100 g 一号烟片为基底，通过加入不同成分制成了4 种不同配方，分别命名为164、164F、J63C、H42，每种配方的胶料经过160°、40 min 的硫化后，各制作了2个试样，使用的试样配方各成分如表1 所示：

表1 试样配方各成分比例

按试验步骤开展磨损试验，根据某型装备履带板实际受压，计算并调整试验样轮与跑道间压力为156.25 N，跑道转速为300 r/min，试验共耗时1 524 min，行驶里程数为 222.519 km，模拟跑道为水泥表面。

对试样表面磨损情况进行观测、记录，如图4 所示。对比可以发现，164、164F 两种试样表面磨损程度较轻，J63C 有明显沟痕，H42 磨损最严重。

图4 试样表面磨损情况

对试验前后试样重量变化进行记录，并计算平均磨损度。结果如表2 所示。由表可见，对比164 和164F，芳纶短纤维的加入，对橡胶耐磨性能没有提高。对比4 种配方，可以发现，N330 炭黑在4 种配方中的重量比例分别为25.7%、24.9%、0.0%、6.6%，平均磨损量为7.82%、8.89%、10.25%、10.12%，可以认为影响橡胶耐磨性能的主要成分是N330 炭黑。福州大学的李庆、杨晓翔对9 种不同体积含量的炭黑填充橡胶材料进行了准静态力学实验研究，也得到了N330炭黑填充量越高橡胶材料的刚度越大的结论[4]。经过分析，配方164 磨损度最低，表面破坏程度最轻，性能相对更加优良。

表2 模拟试验结果

综上所述，磨损试验机在较短时间内可同时完成4 组配方的试验与筛选，且操作简单、成本低廉，满足设计要求。

4 结束语

本文设计了一种履带板挂胶磨损试验机及试验方法，制作安装了实物，并进行了一次模拟试验，试验结果表明，本文设计的磨损试验机具有如下优点：

（1）可从每批试验的优胜配方中选出受破坏程度最小、工艺性能最好、质量稳定性最高的配方和工艺方案，从而达到快速验证研发成果的目的。

（2）试验机制作成本低、易于实现，试验方法简单，试验结果直观。