315/70R22.5 NHS小型輪式挖掘機全鋼工程機械子午線輪胎的設計

裴權華，王曉娟，王若飛，周亞兵

（風神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

隨著國內外中小型工程項目的增加，小型與微型挖掘機的使用越來越廣泛，其中輪式挖掘機適用于城市路面、建筑工地以及混凝土攪拌站等處的維修或工作，便于車輛快速移動，且駕駛舒適性較好[1-4]。目前，國際品牌如CAT，VOLVO和DOOSAN等主機廠都有輪式挖掘機的需求，且正在日益增大。國內三一重工股份有限公司、徐工集團工程機械有限公司等大型主機廠也在逐步開發不同型號的輪式挖掘機[5-10]。

為滿足市場需求，我公司開發了315/70R22.5 NHS 22PR（以下簡稱315/70R22.5）小型輪式挖掘機全鋼工程機械子午線輪胎，下面將輪胎的設計情況簡要介紹如下。

1 技術要求

根據《美國輪胎輪輞協會標準年鑒（TRA）》和《歐洲輪胎輪輞技術組織標準手冊（ETRTO）》，確定315/70R22.5全鋼工程機械子午線輪胎的技術參數為：標準輪輞寬度 228.6～571.5 mm（9.00～22.5英寸），充氣外直徑（D′） 1 024（1 000.73～1 027.28） mm，充氣斷面寬（B′）318（299.52～324.48） mm，標準充氣壓力 850 kPa，標準負荷 4 250 kg。

2 結構設計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

由于子午線輪胎冠部具有周向帶束層箍緊胎體，輪胎的外直徑膨脹率（D′/D）非常小，在保證輪胎負荷能力并滿足國家標準的前提下，D取值應盡可能小些，便于輪胎的裝配和降低設計成本。經綜合考慮，本次設計D′/D取1.000 6，D為1 023 mm，斷面寬膨脹率（B′/B）取1.01，B為315 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h是決定輪胎胎冠形狀的主要參數。行駛面的形狀對胎面的耐磨性能、牽引性、轉向性及生熱等多項使用性能有直接影響。增大b和減小h能提高輪胎胎面的耐磨性能，但h的減小會影響輪胎接地印痕（特別對于低斷面輪胎），從而影響胎面壓力分布。對于70，80系列及以上規格輪胎，b/B一般取0.75～0.85為宜。h與b和斷面高（H）有關，為保證輪胎與路面在b范圍內有最大的接地面積，一般h/H取0.03～0.05為宜。根據我公司設計經驗，本次設計b和h分別為310和9 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

本次設計輪胎屬于無內胎全鋼子午線輪胎，主要通過d與輪輞直徑的過盈配合設計和胎趾角度等因素來保證輪胎與輪輞的緊密配合。根據我公司經驗，本次設計d取570.5 mm，與相同產品保持一致，同時胎圈底部傾斜角比輪輞底座傾斜角略大。為達到分散胎圈部位應力、減少胎圈部位缺陷的目的，本次設計采取加大12.7 mm（0.5英寸）設計C值，C取247 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

輪胎H1/H2位于輪胎斷面最寬處，是輪胎負荷下變形和屈撓最大的區域。為減小下胎側和胎圈部位因應力集中造成的損壞風險，本次設計H1/H2取0.87。

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

綜合考慮胎面花紋對輪胎耐磨性能、牽引力、操縱穩定性和自潔性等性能的影響，本次設計采用牽引型有向花紋，花紋深度為21 mm，花紋周節數為27，花紋飽和度為45%。該花紋主要特點為自潔性能良好，可以提供優異的牽引性能及操作舒適性，滿足最高車速（40 km·h-1）下的連續作業，提升作業效率。

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

胎面膠采用專用配方，耐磨性能突出，特別適用于建筑工地和混凝土等路面的作業環境。胎面采用擠出后在成型過程中貼合的方式，胎面結構如圖3所示。

圖3 胎面結構示意

3.2 胎體

為保證膠料與鋼絲簾線良好粘合以及高耐疲勞性能，采用強度高、膠料滲透性能好的鋼絲簾線，本次設計采用3＋8×0.21ST鋼絲簾線，胎體安全倍數達到8.45，滿足設計要求。

3.3 帶束層

帶束層的剛性對輪胎使用性能影響很大，帶束層應有足夠的剛性，防止胎冠部位的伸張，保證輪胎操縱穩定性和耐磨性能。

根據我公司經驗，本次設計采用兩層帶束層結構，兩層帶束層均為工作層，承受大部分應力，是保證帶束層剛性的關鍵組成部分。帶束層采用3＋8×0.33HT鋼絲簾線，安全倍數為5.8，滿足設計要求。

3.4 胎圈

胎圈采用直徑為1.65 mm的鍍銅胎圈鋼絲，覆膠后直徑為1.8 mm，共58根，采用15°斜六邊形排列結構，排列方式為7-8-9-10-9-8-7，胎圈鋼絲外表面用錦綸簾布纏繞，確保胎圈有足夠的強度和剛性，設計安全倍數達到2.7，滿足設計要求。

3.5 成型和硫化

成型采用天津賽象科技股份有限公司的兩鼓一次法成型機，采用膠囊式反包成型鼓；計算機和光電子系統控制所有部件的貼合位置定位，設備工藝參數穩定，定位精度高，成型部件貼合密實。

硫化采用B型雙模硫化機，硫化條件為：上下熱板溫度 151 ℃，循環水壓力 2.6 MPa，溫度160 ℃，總硫化時間 68 min。

4 有限元模擬分析

通過有限元技術對輪胎進行靜態模擬分析，驗證輪胎的充氣輪廓尺寸和骨架材料受力，并通過輪胎接地印痕的模擬進行分析和優化。

輪胎有限元分析結果如圖4—6所示。

圖4 輪胎充氣輪廓示意

圖5 胎圈過盈示意

圖6 輪胎接地印痕示意

從圖4—6可以看出，輪胎的充氣輪廓尺寸、骨架材料受力和接地印痕均滿足設計要求。

5 成品性能

5.1 外緣尺寸

安裝于標準輪輞上的成品輪胎在標準充氣壓力下的D′和B′分別為1 025和319 mm，均滿足國家標準和設計要求。

5.2 物理性能

成品輪胎胎面膠物理性能試驗結果見表1。

表1 成品輪胎胎面膠物理性能試驗結果

從表1可以看出，成品輪胎胎面膠物理性能達到國家標準要求。

5.3 耐久性能

按照企業標準要求進行成品輪胎室內耐久性試驗，結果如表2所示。

表2 輪胎耐久性試驗結果

從表2可以看出，成品輪胎室內耐久性試驗累計行駛97 h仍未損壞，成品輪胎耐久性能良好。

6 結語

我公司315/70R22.5小型輪式挖掘機無內胎全鋼工程機械子午線輪胎的充氣外緣尺寸、物理性能和耐久性能均滿足相應設計及國家標準和企業標準要求，生產工藝穩定，市場競爭力強。該產品滿足40 km·h-1的最高車速連續作業要求，胎肩采用特殊的防擦臺設計，能有效避免小碎石塊進入輪胎雙胎內側，可有效保護胎側區域，減少劃傷。該產品于2020年年初開發完成，目前已批量投入市場，為公司帶來了明顯的經濟增長。