21.00－35 40PR港口工程機械輪胎的設計

2017-07-22 01:17:56王道和承友昕

輪胎工業 2017年5期

關鍵詞：設計

王道和，承友昕，吳輝，何劍

（中策橡膠集團有限公司，浙江杭州 310016）

隨著世界經濟的發展，港口也越來越發展壯大。與港口建設相配套的工程機械及其工程機械輪胎也進入歷史性的發展空間。隨著港口吞吐量的急劇增加，與港口龍門吊配用的21.00－25輪胎已不能滿足現有港口的發展，而轉向21.00－35輪胎，不僅可提高載荷能力，還可降低成本提高運輸效率[1-2]。因此，龍門吊配用的21.00－35輪胎在港口市場上得到了快速發展。下面介紹港口龍門吊專用21.00－35 40PR工程機械輪胎的開發情況。

1 技術要求

根據GB/T 2979—2001，確定21.00－35 40PR工程機械輪胎的技術參數為：花紋代號IND-3，標準輪輞 15.00/3.0－35，充氣外直徑（D′） 2 005（1 971～2 038） mm，充氣斷面寬（B′）570（547～604） mm。因該輪胎用于港口龍門吊，根據輪胎使用于硬質改良路面，標準充氣壓力提高到1 000 kPa，在速度為10和5 km·h-1下，最大負荷分別為32 800和35 200 kg。

2 結構設計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

為使輪胎充氣外緣尺寸達到標準要求，并具有良好的使用性能，根據類似規格輪胎的參數及實際經驗，本次設計D取2 005 mm，B取510 mm，即外直徑膨脹率（D′/D）為1.0，斷面寬膨脹率（B′/B）為1.117 6，由此計算，斷面高度（H）為560 mm，H/B為1.098。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h是決定胎冠形狀的主要參數，分別與斷面寬、斷面高成一定比例關系，行駛面的形狀對輪胎的牽引性、耐磨性、轉向性、接地面積和路面抓著力、生熱等都有直接影響，增大b、降低h，有利于增大輪胎與路面的接觸面積，減小單位面積的壓力，顯著提高胎面的耐磨性和牽引性，改善對路面壓力的分布。若胎冠設計過于平攤，則胎肩增厚、剪切力增大，生熱提高，出現早期肩空等問題，故本次設計采用兩段冠弧，既增大b，也適當增大h，本設計b取475 mm，h取45 mm，b/B為0.931 3，h/H為0.080。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

因為21.00－35為港口無內胎輪胎，使用于高氣壓、高負荷。要確保輪胎的氣密性，胎圈部位的設計是結構設計的關鍵，為使胎圈與輪輞緊密配合，在輪胎胎圈設計上，d和C的選取至關重要，d選取太大著合不緊密，使用時易磨損胎圈，太小輪胎裝卸困難。故根據經驗，選取裝配過盈量為5 mm，胎圈座采用兩個不同的傾斜角代替傳統的單一傾角，C選取比輪輞寬度大25.4 mm（1英寸），以避免胎圈應力集中及胎圈早期損壞。故本設計的d為885 mm，傾角為5°和10°，C為405 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸位于斷面最寬點，是輪胎充氣和法向負荷下變形最大的位置，也是輪胎屈撓最大的部位。因此水平軸的位置決定著變形量和應力分布情況，其選取合理與否對輪胎性能有很大影響。若水平軸過高，即取值偏大，最大屈撓應力及應變部位接近胎肩部位，則胎肩部位由于受很大的剪切變形而升溫，造成肩部早期簾布脫層或胎面剝離；若水平軸位置過低，即取值偏小，輪胎使用中最大的屈撓應力及應變接近到胎圈簾布包邊差級處，則該處因為互相剪切摩擦升溫而造成胎圈脫層及胎圈簾布斷裂等。根據工程機械輪胎使用特點和以往設計經驗，綜合考慮各方面因素，本設計H1/H2取0.931 0。

輪胎斷面輪廓如圖1所示。

圖1 輪胎斷面輪廓示意

2.5 胎面花紋

胎面花紋的基本作用是傳遞牽引力和制動力，以及保持輪胎和路面在縱橫兩方面的緊密接觸性能。因此胎面花紋設計直接關系到輪胎使用性能和壽命。考慮到21.00－35輪胎使用路面條件良好，速度不高，但對輪胎的耐磨性能、轉向性能、抗滑性能和抓著性能要求高，故本設計胎面采用八角花紋形式，其花紋塊大而硬、散熱性差，易生熱及產生肩空肩裂等問題，故在花紋節數上選取30等份，花紋飽和度設計為78%，同時兼顧輪胎的耐磨性、胎體結實等情況，花紋深度選取38 mm。同時為減少花紋溝底裂口，花紋溝底部采用了小圓弧過渡。

胎面花紋展開如圖2所示。

圖2 胎面花紋展開示意

3 施工設計

3.1 胎面

港口用輪胎對耐磨性、耐老化和低生熱要求極高。故在胎面膠配方中選擇了綜合性能最佳的天然橡膠（NR）與彈性高、耐磨性好的順丁橡膠并用，在補強體系中采用了補強性能高、耐磨性好、高結構中超耐磨炭黑與抗撕裂性能好的白炭黑，并配合使用硅烷偶聯劑改善膠料壓縮變形和滯后損失，進一步提高膠料的抗撕裂和耐動態疲勞性能，同時提高膠料的彈性，降低生熱。

（1）基部膠。由于該規格輪胎使用條件苛刻，特別是工作時扭曲大，簾布層間剪切力大，胎肩生熱高，因此配方設計以降低生熱、提高耐熱性為主，即以NR為主，并用部分丁苯橡膠和低生熱高耐磨的炭黑作為補強劑，增強防老體系，提高膠料定伸應力，使基部膠料具有良好的耐熱性和耐老化性能。同時采用了半有效硫化體系，使基部膠具有很好的抗硫化返原性能，以達到防止中期脫層，提高輪胎使用壽命的目的。

（2）胎側膠。港口橋吊輪胎使用周期長，尤其對胎側膠的耐天候老化性能要求苛刻，因此胎側膠配方采用了大量的物理防老劑和耐臭氧龜裂性能特別好的防老劑4020，從而大大提高了輪胎的耐老化龜裂性能。

胎面膠物理性能如表1所示。從表1可以看出，膠料的加工性能較好，磨耗量小，綜合物理性能良好。

表1 胎面膠物理性能

3.2 胎體結構設計及安全倍數

胎體結構設計主要包括簾布層數、緩沖層、隔離膠、內襯層、附膠簾布厚度等。簾布層數的確定根據是輪胎類型、負荷、充氣壓力、簾線強度和胎體強度安全倍數。21.00－35輪胎主要使用于高充氣壓力、高負荷條件，特別是胎體原地扭曲度較大（接近90°），故胎體要求挺性高、強度大，具體進行以下設計。

（1）胎體簾布采用20層2100dtex/2V1錦綸66簾布，成型方式為6-6-5-3，安全倍數達到6.5。

（2）胎體簾布裁斷角度選用變角設計。通過計算得知：從第1層到最后一層簾線伸張是不均勻的，內層伸張值比外層大2.5%，尤其是多層簾布的工程機械輪胎，為保證輪胎內外層簾線伸張一致，減小簾布層間的剪切應力，本設計簾布裁斷角度采用26.5°～30°變角設計。

（3）胎冠簾線角選取54°的較大值，以提高胎冠部位剛性，減少充氣時徑向變形。

（4）增大簾布層反包高度，將端點高度接近斷面水平軸，目的是增強下胎側的強度和剛性，降低下胎體區域變形，使反包端點所受應變能減小，避免胎側、胎圈部位早期損壞。

（5）緩沖層采用2層930dtex/2V3錦綸66簾布，簾布裁斷角度設計為32°。

（6）為保證簾布層間的附著力，膠簾布厚度為1.27 mm，緩沖膠附膠簾布厚度為1.35 mm。

3.3 氣密層

氣密層是無內胎工程機械輪胎的關鍵部位，21.00－35輪胎對氣密性能要求特別高，為使氣體滲透率小，膠料與胎體及膠料與纖維粘合強度高，不脫層、不起泡，具有耐老化、耐熱等特性，在配方設計中膠種選用了氣密性好、耐老化性能好的氯化丁基橡膠，同時并用部分NR，以改善氯化丁基橡膠與膠體粘合性差的缺陷，同時使用了新型交聯劑和活性劑，以提高膠料的耐熱性能和均勻分散性能，從而提高了氣密層的耐氣透性及與胎體簾布的粘合性。在施工方面：氣密層厚度設計為4.5 mm，寬度以包過胎趾部位為依據，從而達到保氣性能，延長使用壽命。

3.4 胎圈

胎圈是輪胎承載狀態下應變能相對最大的部位，也是最易損壞的部位，對于無內胎工程機械輪胎，其胎圈部位的應力要比普通有內胎輪胎高，再則受胎圈與輪輞過盈量的影響，在胎圈強度設計時，采用多鋼絲圈寬胎圈設計及最佳鋼絲排列方法，即鋼絲圈采用Φ1.20 mm回火胎圈鋼絲，強度倍數設計為9，排列方式為10×14結構，采用鋼絲纏繞及半硫化工藝，以提高鋼絲的粘合力，確保輪胎在高負荷狀態下的胎圈強度。同時為提高胎圈下胎側部位的支撐性能，采用了大三角膠和三鋼絲圈結構，并采取鋼絲圈變直徑（898.2～908 mm）設計，使鋼絲截面積所受應力限制到最小值，提高輪胎在超負荷下的穩定性。同時為確保輪胎的氣密性，胎圈包布采用了640dtex×640dtex網孔布，同時采用胎圈防護膠結構，保證輪胎氣密性及保護輪輞對輪胎胎圈部位的磨損。

3.5 成型

采用838.2～889 mm（33～35英寸）成型機，成型方式為6-6-5-3型，機頭直徑為1 140 mm，機頭寬度為1 267 mm。

根據各部位使用性能的不同要求，胎面部分采用胎冠、基部和胎側3個配方。胎冠膠采用新型冷喂料擠出纏繞工藝成型，以提高胎面的致密性和粘合性能，減少胎面多層貼合引起的層間氣泡，從根本上解決輪胎的脫層問題。在胎面纏繞尺寸設計上，根據輪胎材料分布及輪胎花紋形狀，由三維圖形計算胎面膠體積，然后將設計成胎面形狀，使胎面形狀盡可能地接近輪胎花紋形狀，減少膠料的流動。纏繞機根據輸入的設計參數（胎面設計參數輸入纏繞機的電腦程序）進行胎面纏繞，達到技術施工要求。通過采用胎面膠纏繞工藝，降低了胎面膠料的損耗，大大降低了工人的勞動強度，提高了生產效率。

胎肩膠采用貼壓法成型，減小冠中基部膠厚度，加大肩部基部膠厚度，最厚處達18 mm，以便有效降低胎肩部位的生熱。

胎側膠采用貼壓法成型，其胎側形狀根據材料分布，盡可能地設計成與成品接近形狀，減少胎側膠料的流動。胎面形狀如圖3所示。