21.00－25 40PR無內胎港口工程機械輪胎的優化設計

吳 輝，丁趙楊，劉呈祥

（中策橡膠集團有限公司，浙江 杭州 310018）

全球貿易運輸90%通過海運，隨著全球貿易量的不斷增大，我國港口規模也持續擴大，港口與港口建設相配套的工程機械及其輪胎進入歷史性的快速發展期。目前港口配套使用21.00－25規格輪胎的龍門吊設備已經占據主流市場，該輪胎的使用量逐年提高。隨著設備及現場管理水平的提升，龍門吊輪胎在使用過程中需要不斷升級換代，提高產品質量，但是由于該產品使用周期很長（最短也在3年以上），產品的更新換代速度相應降低。經過多年的技術積累，我公司開發了21.00－25 40PR無內胎港口工程機械輪胎的優化產品，提高了質量并解決了之前產品最主要的漏氣問題，在市場上取得了良好的反饋。

1 技術要求

21.00－25 40PR無內胎港口工程機械輪胎設計滿足GB/T 2980—2018《工程機械輪胎規格、尺寸、氣壓與負荷》及GB/T 1190—2018《工程機械輪胎技術要求》標準要求，充氣外直徑（D′）為1 716～1 783 mm，充氣斷面寬（B′）為547～604 mm。針對該類輪胎在港口龍門吊上使用時出現的胎圈異常磨損、輪胎使用前中期慢漏氣和肩部脫層等問題，對輪胎輪廓形狀、結構、花紋和生產工藝進行改進，部分進行重新設計，使產品滿足港口設備長時間正常使用的要求。

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，適當增大輪廓尺寸。根據該規格輪胎現有設計經驗，本次設計D取1 780 mm，B取540 mm，外直徑膨脹率（D′/D）為0.98，斷面寬膨脹率（B′/B）為1.055，由此計算，斷面高（H）為575.5 mm，H/B為1.065 7。通過優化設計外輪廓尺寸，提高了輪胎承載能力，減少了因輪胎扭轉產生的變形，降低了輪胎破壞風險。

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，增大b、減小h，能增大輪胎與路面的接觸面積，減小接地壓力，改善接地壓力分布，顯著提高輪胎的耐磨性能和牽引性能。龍門吊對輪胎承載性能要求很高，同時有適當的防肩空要求。因此本次設計采用兩段冠弧，既增大行駛面寬度，也適當增大行駛面高度，b取510 mm，h取44 mm，b/B為0.944 4，h/H為0.076 5。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

目前21.00－25港口工程機械輪胎全部為無內胎設計，應用工況為高充氣壓力、高負荷。要確保無內胎輪胎的氣密性，胎圈位置曲線是設計的關鍵，如圖1所示，紅色位置受力最大，且最容易缺膠，極易造成磨損，應盡量減小應力峰值。胎圈位置的半徑、d和C的選取至關重要，曲線位置過盈量不超過1 mm。d過大使用時易磨損胎圈，過小則輪胎裝卸困難，最終選取直徑過盈量為5 mm，胎圈座采用單一傾角取代雙角度，并減小1°，更貼合輪輞，減少胎趾位置膠料堆積，降低生熱，提升輪胎品質。C選取與輪輞寬度相同，以避免輪胎安裝困難及因偏移引起異常磨損現象。因此本設計d取629 mm，傾角為5°，C取381 mm。

圖1 胎圈受力有限元分析

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸位于斷面最寬點，即輪胎屈撓最大部位，決定輪胎變形量和應力分布情況，對輪胎性能有很大影響。經過對多品牌產品的測試及問題調查發現，斷面水平軸靠下的輪胎氣密層部位受剪應力極大，易破裂導致輪胎使用中期漏氣問題。由于龍門吊輪胎運行速度不高，路況不復雜，出現肩空脫層問題較少，因此調高斷面水平軸，將最大屈撓應力及應變部位上移接近肩部，同時可避免簾布包邊差級處因互相剪切摩擦升溫而導致胎圈脫層及胎圈簾布折斷等問題。綜合考慮各方面因素，本設計H1/H2取0.868 5，輪胎斷面結構如圖2所示。

圖2 輪胎斷面結構示意

2.5 胎面花紋

胎面花紋的基本用途是傳遞牽引力和制動力。考慮到21.00－25輪胎主要用于港口龍門吊，對輪胎的支撐性能和抗濕滑性能要求高，且輪胎在長期使用過程中會出現少量溝底裂紋等情況，本設計胎面花紋采用大八角花紋形式，并在溝底增加大圓弧過渡，花紋周節數為26，花紋飽和度為72%。經過多年跟蹤記錄發現，龍門吊輪胎的胎面磨損非常緩慢，在其使用周期中很少出現花紋完全磨損的情況，因此兼顧輪胎的性價比和減少冠部生熱等情況，花紋深度由原來的45 mm調整為35 mm。同時，為減少花紋溝底裂口，花紋溝底部采用了臺階過渡。胎面花紋展開如圖3所示，三維效果如圖4所示。

圖3 胎面花紋展開示意

圖4 胎面花紋三維效果示意

3 施工設計

3.1 胎面

21.00－25輪胎主要用于港口作業，對耐磨性能和低生熱有一定要求，對耐老化性能有特殊的要求，因此本設計胎面配方膠種選擇綜合性能最佳的天然橡膠（NR）與彈性高、耐磨性能好的順丁橡膠并用；補強體系采用補強性能高、耐磨性能好、高結構中超耐磨炭黑和抗撕裂性能好的白炭黑，并配合使用硅烷偶聯劑改善膠料的壓縮變形和滯后損失性能，進一步提高膠料的抗撕裂性能和動態疲勞性能，同時提高彈性，降低生熱。

（1）胎面膠。不同于普通工程機械輪胎，龍門吊輪胎胎面處于高剪切、低生熱條件下，不需要高抗撕裂性能，且花紋溝較淺，因此取消單獨基部膠，采用新型冷喂料擠出纏繞一體成型，簡化了工藝，可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，很大程度上解決了輪胎的脫層問題。胎面纏繞時直接在電腦上輸入纏繞尺寸，通過系統校準，調整形狀和質量數據，以達到滿意效果，由此可以減小膠料流動。完成后進行多點測算，核對胎面形狀，防止尺寸偏差。由于大型輪胎貼合的胎面膠質量非常大，原手工方法貼合難度很大，使用設備纏繞后一方面明顯降低了胎面膠的損耗，另一方面大大降低了工人的勞動強度，提高了生產效率，也減小了膠料在移動過程中沾染灰塵的可能性，避免脫層風險。

（2）胎側膠。龍門吊輪胎使用周期長，對胎側膠的耐天候老化性能要求尤其苛刻，其使用環境溫度為－30～41 ℃，相對濕度大（最大100%），有鹽霧（鹽度≥40%）和海洋氣候侵蝕，多塵，使用3年后大部分輪胎胎側出現龜裂現象，因此胎側膠配方中采用大量物理防老劑和耐臭氧龜裂性能特別好的防老劑4020，以提高輪胎的耐老化龜裂性能，延長輪胎的使用壽命。胎側膠采用貼壓法成型，適當減小側部寬度，且設計形狀盡可能與成品接近，由此可減小膠料的質量和流動性。減小質量可以有效降低工人的操作難度，減少問題發生。

胎面形狀如圖5所示。

圖5 胎面形狀示意

3.2 胎體

21.00－25輪胎使用具有高充氣壓力、高負荷及輪胎原地扭轉度較大（接近90°角）等特點，胎體挺性和強度及胎圈強度和支撐性能要求高，因此胎體設計如下。

（1）胎體采用24 層1870dtex/2V1和2 層2100dtex/2V2錦綸66浸膠簾布，胎體安全倍數設計值達到9.2，比之前產品強度提高20%左右。根據多年來解剖問題輪胎以及針對問題進行的有限元分析[1]（見圖6）可知，采用低強度多層數的設計方法可有效增大胎圈厚度，大幅提高支撐性能，減少因胎圈過度變形而引起氣密層破裂的最核心問題，延長輪胎使用壽命。提高胎圈的支撐性能后，輪胎的徑向變形問題也得到很大改善，靜負荷性能提高。

圖6 輪胎破壞點有限元分析

（2）胎體簾布筒采用變角度設計。通過計算得知，胎體各層簾線伸張是不均勻的，為保證簾線伸張的均勻性，本設計胎體簾布采用24.5°～29.5°變角度裁斷。

（3）胎冠簾布角選取中間值54°，并通過工藝手段減小最內層簾布與最外層簾布的角度差值，以提高胎冠部位剛性，并保持各層之間的均勻性。同時減小最內層簾布的胎冠角，以有效減小內應變，降低氣密層出現裂紋的可能性。

（4）提高胎體簾布反包高度，使反包端點高度接近斷面水平軸，以增強下胎側的強度和剛性，降低下胎體區域變形，使反包端點應變能減小，避免胎側和胎圈部位早期損壞。胎體簾布覆膠厚度為1.24 mm。

（5）緩沖層采用2層930dtex/2V3錦綸66簾布，裁斷角度設計為30°，簾布覆膠厚度為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件，因龍門吊輪胎長期處于高充氣壓力、高負荷條件下，故對氣密性能要求特別高，為降低氣體滲透率，氣密層需保持與胎體簾布高粘合強度，不起泡、不脫層，具備耐熱和耐老化等特性，因此配方設計方案如下：膠種選用氣密性和耐老化性能好的氯化丁基橡膠（CIIR），并用少量NR以改善CIIR粘合性差的缺點，同時使用新型交聯劑和活性劑，提高膠料的耐熱性能，從而提高氣密層的耐氣透性能及與胎體簾布的粘合性能，保證輪胎充氣壓力穩定。在施工上：氣密層厚度設計為4.0 mm，并采用雙層壓延方式，減小氣泡出現概率，使用最新寬幅擠出設備，增大單塊密封膠尺寸，從而減少貼合縫，提高保氣性能，延長輪胎使用壽命。

3.4 胎圈

胎圈是輪胎承載狀態下應變能最大的部位，也最易損壞，尤其是龍門吊輪胎，其瞬間負荷頻繁達到最高標準值。鋼絲圈強度過低容易出現單個鋼絲圈緩慢偏移，從而造成鋼絲圈周向割裂，甚至出現趾口炸裂和鋼絲圈刺出等重大問題，因此胎圈設計對強度要求很嚴格。新EL27鋼絲圈采用Φ1.20 mm回火胎圈鋼絲，排列方式為10×14三鋼絲圈結構，胎圈強度安全倍數設計為9，比之前產品提高了25%左右。鋼絲圈采用鋼絲纏繞成型及預硫化工藝，以提高鋼絲粘合力；為了減少胎圈堆膠，防止異常磨損，鋼絲圈采用變直徑（651～659 mm）設計，以提高輪胎在超負荷下的穩定性；為確保輪胎的氣密性，胎圈采用雙層包布；增加具有一定硬度且耐磨性能好的胎圈護膠，提高胎圈的抗沖擊性能和耐磨性能。

3.5 成型

采用LCX-5型半芯輪式成型機成型，成型方式為8-8-8-2，機頭直徑為900 mm，機頭寬度為1 355 mm。

3.6 胎坯打孔

為了保證硫化后排出簾布層間和膠料之間的空氣，需要在硫化之前預打孔。為了避免打孔針刺穿氣密層造成缺陷點，從而在高充氣壓力、高負荷下出現氣密層破損引起漏氣情況發生，我公司專門開發了自動打孔設備，如圖7所示。

圖7 打孔設備簡視圖

通過限位既保證每次打孔的深度精確，又不傷及氣密層，減少人為因素造成的風險。

3.7 硫化

采用2 235或2 667 mm（88或105英寸）單模膠囊定型硫化罐硫化，硫化條件為：過熱水溫度（175±5） ℃，過熱水進口壓力 2.9 MPa，內壓冷卻水壓力 ≥1.8 MPa，充氣水壓力 ≥1.0 MPa，外溫 （155±5） ℃，正硫化時間 166 min。

為了控制開罐后輪胎胎體簾線劇烈收縮，需要額外增加0.5～1 h的缸內冷卻時間。同時必須盡量縮短轉移至后充氣設備的操作時間，這對成品輪胎的耐久性能有很關鍵的影響。后充氣過程中要控制夾盤高度，使成品輪胎的胎圈寬度控制在360～380 mm之間。合適的成品輪胎寬度既能保證輪胎安裝方便，同時避免因不當安裝引起滑移及偏歪問題，造成胎圈早期損壞。

4 成品性能

4.1 充氣外緣尺寸

成品輪胎在標準充氣壓力下安裝在標準輪輞15.00/3.0－25上所測D′和B′分別為1 766和598 mm，符合國家標準要求，且在同類型產品中，其輪廓尺寸設計更為合理，比我公司上代產品有較大改善。

4.2 物理性能

成品輪胎物理性能測試結果如表1所示。

表1 成品輪胎物理性能測試結果

從表1可以看出，成品輪胎物理性能達到了國家標準要求。

4.3 輪胎靜負荷性能

龍門吊使用特點對輪胎靜負荷性能要求非常高，定負荷下沉量越大，輪胎壽命越短。靜負荷性能可以直接反映龍門吊輪胎的使用性能，在我公司的Φ5 m轉鼓試驗機上進行測試，測試方法為：在38 ℃環境溫度下對輪胎施加負荷從2 t增至30 t。不同充氣壓力下輪胎的靜負荷下沉量和接地面積曲線分別如圖8和9所示。

圖8 不同充氣壓力下輪胎的靜負荷下沉量曲線

從圖8和9可以看出，輪胎的靜負荷性能優異，比上代產品有較大改善，達到了預期設計目標。

5 結語

圖9 不同充氣壓力下輪胎的接地面積曲線

優化后21.00－25 40PR無內胎港口工程機械輪胎成品測試結果表明，輪胎的充氣外緣尺寸和物理性能符合國家標準要求，靜負荷性能優異，達到了預期設計目標。

新輪胎自投產以來應用于各港口龍門吊設備上，外觀質量穩定，常見的使用中期漏氣問題大大減少，受到用戶的好評，為公司贏得了新的經濟增長點，取得了良好的經濟效益和社會效益。