橡膠履帶硫化成型工藝及設備研究進展

褚凡忠，張有忱，楊衛民，安 瑛，譚 晶*

（1.北京化工大學 機電工程學院，北京 100029；2.輪胎設計與制造工藝國家工程實驗室，北京 100029）

橡膠履帶是一種橡膠與金屬或纖維材料復合而成的橡膠制品[1]，主要由芯金、強力層、緩沖層和橡膠彈性體四部分組成，與履帶輪共同作用，為履帶式行走機械傳遞驅動力。與金屬履帶和輪胎相比，橡膠履帶具有接地壓力小、震動小、噪聲低、行駛速度快、壽命長以及多地形通過性能好等優點，因此廣泛用于農業機械[2-8]、工程機械[9-10]、運輸機械[11]、雪地車[12]以及特種機械[13-15]等領域。近年來隨著相關技術的發展，橡膠履帶的應用越來越廣泛，對橡膠履帶的性能要求也不斷提高，因此對橡膠履帶的硫化成型工藝及設備提出了新的要求。

橡膠履帶最早由日本的普利司通公司于1968年開發成功并投入使用，目前日本已成為橡膠履帶的主要生產國家，并在世界各地建有生產基地，在產品質量、市場份額及品牌方面都處于領先地位；韓國、斯里蘭卡等國發展較快。我國的相關研究工作起步較晚，由同立橡膠有限公司和杭州中策橡膠集團永固橡膠分公司于1988年首先研發并實現橡膠履帶生產。橡膠履帶制造由最初采用擠出機生產鋼絲簾布的方式，逐漸發展為單根纏繞生產鋼絲簾布的無接頭生產方式，后來逐漸出現了二次成型硫化法、一次成型硫化法和成型硫化一體化等成型方法。本文分別對各成型方法及其特點進行闡述。

1 二次成型硫化法

二次成型硫化法亦稱為分段硫化法，即硫化時將預成型的帶坯分為若干段進行硫化，是現階段應用最廣泛的生產方法，按照鋼絲簾布有無接頭分為搭接式環形體二段硫化法和環形成型分段硫化法。

1.1 搭接式環形體二段硫化法

搭接式環形體二段硫化法[16-22]工藝的簡要流程如下：煉膠出片→傳動筋板表面處理→鋼絲簾布擠出、裁斷→長模成型硫化（兩端通冷卻水）→脫模→接頭模成型硫化→脫模修邊→檢驗入庫。

利用該工藝生產橡膠履帶時需要長模、接頭模和鄂式硫化機，橡膠履帶帶坯先在長模中用鄂式硫化機加壓硫化，兩端預留出搭接的鋼絲簾布長度，并在長模兩端通入冷卻水，使端部帶體處于未硫化狀態；將脫模后的長帶彎曲成型，把兩端未硫化部分放入接頭模中，將鋼絲簾布上下搭接后成型硫化，最終得到環狀履帶成品。

搭接式環形體二段硫化法的優點為成型方法簡單、生產效率較高、勞動強度低、產品節數可變化等。其主要缺點為：1）帶體厚；2）成本高；3）鋼絲簾布的接頭易抽出伸長；4）長模硫化時需在兩端通冷卻水；5）接頭模硫化時造成產品重復硫化，重復硫化部分硫化程度不一致，易導致裂口。

1.2 環形成型分段硫化法

環形成型分段硫化法[17-22]工藝出現在搭接式環形體二段硫化法工藝之后，其簡要流程如下：煉膠出片→傳動筋板表面處理→鋼絲簾線纏繞掛膠制成環形鋼絲簾布→第1模成型硫化（四端通冷卻水）→脫模→第2模成型硫化→脫模修邊→檢驗入庫。

該工藝需要兩副模具和熱板對稱成型硫化，且熱板可以移動取出。第1模成型時，將環形帶坯放入上下兩副模具中，并在兩端預留第2模硫化所需的鋼絲簾布長度，與搭接式環形體二段硫化法成型類似，硫化時每個模具兩端需要通冷卻水；第2模成型時，需將環形帶坯沿環形軸向旋轉一定角度，把未硫化鋼絲簾布對稱放入模具中成型硫化，最終得到環形履帶成品。

環形成型分段硫化法的主要優點為：1）鋼絲簾布無接頭、帶體不易伸長；2）產品節數可變化；3）與鋼絲簾布搭接法相比可減小帶體厚度；4）降低成本。其主要缺點為：1）第1模硫化時四端所通的冷卻水難以控制；2）第2模成型重復硫化部分較多，導致硫化程度不一致，易產生裂口；3）生產效率低且勞動強度大。

為了提高產品質量，研究人員對環形成型分段法進行了改進。T.Muramastu[23]使用兩套不同的模具，用第1套模具和鋼板在上下模中分別壓出帶芯金的花紋塊，第2套模具需在兩端使用輔助花紋塊壓出，然后逐段硫化得到成品橡膠履帶。該方法步驟繁瑣，成型效率低。藤田靖章[24]使用上、中、下模同時進行硫化，除了在橡膠履帶接頭處的模具兩端通入冷卻水外，在中模中通入熱流體進行加熱，較T.Muramastu所用方法成型效率有所提高。陳榮[25]、朱志勇[26]、謝安良等[27]提出了無接頭鋼絲簾布的制作方法，把芯金、鋼絲簾布、橡膠條依次放入模具中預成型和分段硫化，使芯金定位準確、橡膠履帶節距均勻。謝安良等[28]設計了輔助小車裝置，實現了膠料和芯金準確放置的機械化及自動化。R.Mai[29]將膠條、鋼絲簾線、芯金依次纏繞到成型鼓上，形成預成型貼合件后，放入模具中硫化成型，這種方法與前面所述工藝的不同點是先在硫化模具外把各部分預成型為帶坯，然后放入模具內分段硫化成型，使芯金較易放置，且定位更準確，并可縮短硫化時間。黃忠浩等[30]在鄂式硫化機上加了前后導柱，使中層熱板豎向運動自由，縱向進退平穩、方便，但使硫化機體積增大、占地面積擴大。朱樹生[31]設計了一種帶有雙面操作臺的履帶硫化機，功能上相當于兩臺傳統鄂式硫化機，同時可減小機器占地面積，縮小操作臺之間的距離，提高工作效率。許嵐等[32]設計了一種二段式無接頭橡膠履帶專用硫化機組，包括結構相同的一段和二段鄂式硫化主機、轉序機器人、控制裝置等。該機組的硫化主機與鄂式硫化機結構相似，但其中熱板固定，上下模具合模后由鎖模機構鎖緊，機架不受合模機構的影響，且中熱板的長度可以調節，從而可以硫化不同規格的橡膠履帶。

2 一次成型硫化法

一次成型硫化法又稱為無接頭硫化法，與二次硫化成型相比，一次成型硫化的主要特點是帶坯在模具中同時進行硫化成型，避免了硫化接頭處帶體硫化不均勻的現象，從而提高了橡膠履帶的壽命。

L.T.Fike[33-34]最早在美國申請了一次硫化成型法的專利，利用機械手將橡膠驅動齒和環形橡膠帶坯依次放入圓形內模后，硫化內模和外模各模塊沿徑向運動，分別形成一個圓周，將橡膠驅動齒和環形橡膠帶坯完全包圍在內，然后帶錐形腔的外模套在模具外增加合模壓力。硫化模具采用分模塊的形式，易于加工制造，且寬窄模塊異步運動，能夠形成完整的圓周，使模具結構緊湊，但整個成型過程較復雜，輔助設備較多。

蔣建國等[22，35]研究發明的橡膠履帶壓注成型整體硫化法工藝的簡要流程如下：收縮活絡內模、放置芯金和內層膠→張緊活絡內模→裝入下模→安裝外模并向壓注室裝外層膠→裝入柱塞模并壓注外層膠→硫化→脫去下模、柱塞模和外模→收縮活絡內模、取出產品。

該工藝采用壓注結構模具，模具主要由柱塞模、哈弗外模、活絡內模和下模四部分組成。其主要特點是硫化內模為活絡模，外模為整體模具，與柱塞模和下模一起構成密閉型腔。柱塞模將外層膠從內模和外模之間的壓注室經壓注孔壓注到模腔內。壓注成型整體硫化工藝已使用在雪地車和農業機械橡膠履帶的生產上，產品壽命比二次硫化成型法產品提高50%以上。

橡膠履帶壓注成型整體硫化法的優點為：1）帶體膠料物性均勻一致，克服了傳統工藝重復硫化所產生的硫化程度不一致、接頭污染或接頭冷卻水失控等易導致的膠料裂口或斷裂等質量缺陷，從而延長使用壽命；2）鋼絲簾布無接頭，帶體不易伸長；3）只需一次成型硫化，比傳統工藝生產效率高。其缺點為：1）采用圓形模具，模具節數固定，一副模具只能生產一種規格的橡膠履帶；2）同種規格產品生產所需平板硫化機熱板面積比傳統工藝大，模具和設備投入較大。此外，蔣建國等[36]設計的一次成型硫化裝置由上下內模、上下外模、收縮張緊滑塊、定位鉸鏈等組成，通過可伸縮的收縮張緊滑塊結構將上下內模連為一體。在收縮張緊滑塊處于收縮狀態時進行帶坯安裝或履帶脫模，而張緊時進行硫化成型，從而一次完成硫化成型。

陳志強[37]設計的圓型模硫化裝置與蔣建國等[36]的設計相比，不同之處在于模具外側的油缸通過托模架驅動內模各模塊，使油缸尺寸不受內模空間限制。朱樹生[38-39]設計的一次性硫化模具由內外模具、錐形柱塞等構成，內模由若干圓弧子模組成，能沿徑向前后移動，便于橡膠履帶的裝模和脫模；內外模具合模后，錐形柱塞沿中心軸向下運動，向外擠壓內模，補充合模后內模施加給帶坯的壓力使擠壓更充分，合模更緊湊。該模具也只能成型一種規格的橡膠履帶。彭威等[40]設計的一次硫化成型模具，主要由內模板、外模板、冷卻板、驅動油缸、鎖模機構、支架等組成，內外模具均由多塊異步模塊組成，各模塊通過相應的驅動油缸實現異步運動，有利于橡膠履帶的裝模和脫模，能夠實現無接頭一次硫化成型，解決了搭接頭處強度低的問題，有利于改進橡膠履帶的結構和生產工藝，提高生產效率，但對各模塊運動精度要求較高，并且只能成型一種規格的橡膠履帶。

楊衛民等[41]設計的一種無接頭橡膠履帶一次性硫化成型設備如圖1所示，主要由機架、圓周段驅動部件、中部驅動部件、分段外模系統和鏈狀內模組成，旨在解決現有生產設備分段硫化效率低及每臺設備只能生產一種規格產品的問題。其簡要生產工藝流程如下：鏈狀內模收縮→在鏈狀內模上安裝預成型件→鏈狀內模張開→外模板沿徑向內移至硫化工位→內外模同時加壓加熱進行硫化→外模板沿徑向外移→鏈狀內模收縮→取出產品。

圖1 無接頭橡膠履帶一次性硫化成型設備整體結構示意

該工藝采用無接頭橡膠履帶一次硫化成型模具，優點為：1）可以一次成型，生產效率高；2）鋼絲加強層在硫化時受力均勻，提高橡膠履帶壽命；3）硫化時各部分溫度比較均勻，履帶強度高；4）采用矩形和圓形相結合的模具，模具節數可調，一副模具可以生產多種節數的橡膠履帶，設備利用率高；5）采用電磁感應加熱方法進行硫化，生熱快、能源利用率高；6）避免和消除了產品重復硫化部位和膠料接頭可能出現的缺陷。其缺點為結構較復雜、設計難度大、強度要求高。

3 成型硫化一體化硫化法

成型硫化一體化硫化是指橡膠履帶帶坯在硫化模具外進行預成型，預成型的內模同時作為硫化內模進行硫化，從而將預成型和硫化緊密結合起來。

L.T.Fike[42]公布了一種拖拉機橡膠履帶成型系統，其主要特點為：1）成型內模由上下兩半成型內模嚙合而成；2）導向齒橡膠塊、未硫化橡膠條、簾布層和鋼絲簾線在內模上依次放置形成預成型帶坯；3）成型后的橡膠帶坯連同成型內模一起在硫化外模中硫化。

A.J.Yovichin等[43-44]公布了一種橡膠履帶成型方法，與驅動齒在中間的橡膠履帶不同，其導向齒在橡膠履帶的內表面兩端錯落分布，該方法的成型步驟與L.T.Fike[42]所述成型硫化一體化成型步驟相同，不同點在于其成型內模是由若干輻條互相嚙合而成的環狀模具，比兩半內模加工難度大，但更易脫模。

成型硫化一體化硫化法將預成型模具作為硫化內模使用，不僅精簡了設備，減少了工藝步驟，保證了橡膠履帶尺寸精確，而且提高了生產效率，但內模加工難度大，強度要求較高。

4 存在的問題和發展趨勢

芯金具有動力傳遞導向與橫向支撐的作用，因此在橡膠履帶生產過程中要求芯金定位準確，以保證動力傳遞的均勻性和連續性。目前最常用的二次成型硫化法中芯金多數用人工定位，易導致接頭附近的芯金距離不一，而且接頭處的橡膠硫化質量不均勻。然而，由于二次成型法對設備要求較低，投入少，因此受到青睞。一次成型硫化法芯金定位準確，橡膠履帶各部分硫化均勻，但硫化成型設備熱板面積大，即設備體積較大，占地面積擴大，且對設備強度要求較高，輔助設備較多，投入大，因此一次成型硫化法未普及開來。成型硫化一體化硫化法相對于一次成型硫化法，能保證橡膠履帶各部分在預成型和硫化過程中相對位置不變，芯金定位更準確，減少硫化成型步驟，但對硫化成型內模要求更高，設備更復雜。隨著履帶機械的發展，對橡膠履帶的要求向長壽命、高強度、多品種、綠色節能等方向發展，而硫化成型是橡膠履帶生產的關鍵環節，對橡膠履帶的使用壽命影響很大，因此，硫化工藝和設備的改進至關重要。

目前橡膠履帶的設計還是沿用比較傳統的手繪設計方法，硫化工藝條件也是在已有的基礎上反復試驗確定，效率低，成本高。

近年來，計算機技術的不斷發展以及各種仿真分析軟件的開發和完善，為橡膠履帶新品種的開發和硫化工藝條件的確定開辟了新道路，但是目前借助仿真分析軟件的研究工作開展得較少，未來計算機輔助設計和制造橡膠履帶將成為發展方向。

5 結語

目前我國已逐步發展成為橡膠履帶的生產大國，但在產品品質及知名度方面不如日本等主要生產橡膠履帶的國家，而且我國農業機械和工程機械使用橡膠履帶較少，因此，我國生產的橡膠履帶多出口日本、歐洲、北美等使用橡膠履帶較普遍的國家和地區，但多屬于低端產品，且價格低廉，產品競爭力較低，附加值小。其根本原因是我國只擁有少數結構設計和硫化相關專利。這些專利總體代表了橡膠履帶的發展方向，但在現有技術和生產成本等客觀因素的限制下，在實際生產中應用的專利較少。

我國需在擴大國內橡膠履帶使用市場的同時，注重擁有自主知識產權產品的設計和借助計算機技術進行制造新工藝的開發，在國內外現有的橡膠履帶生產標準基礎上，制定新的技術標準，形成一套符合自身可持續發展的規范，不斷提高自身競爭力。