460/85R38 Marshland水田農業子午線輪胎的設計

孔延坤

[特瑞堡輪胎工業產品（邢臺）有限公司，河北 邢臺 054000]

我國農作物種植收獲綜合機械化率不斷提高的同時，大功率拖拉機的數量也在不斷增加，這導致子午線輪胎在農業中的應用日益廣泛。許多歐洲國家的拖拉機輪胎子午化率已經達到90%以上，北美地區也接近50%，我國僅為2.5%左右。根據中國橡膠工業協會發布的輪胎行業“十四五”規劃指導綱要，我國農業輪胎子午化率的目標是15%左右。這一數據顯示出中國農業子午線輪胎市場巨大的潛力[1-2]。

與農業斜交輪胎相比，農業子午線輪胎表現出諸多優勢：使用壽命更長、燃油經濟性更高、胎面耐磨性能更出色、牽引力更大、對土壤單位面積施加的壓力更小，從而對土壤起到保護性作用，為農業用地的可持續發展做出積極貢獻。為了滿足市場需求，我公司專注于研制和開發適用于水田的大花紋農業子午線輪胎。由于水田作業時輪胎接觸的是軟土、爛泥等，因此輪胎設計時更加注重防滑性能，可以通過增加接地面積和提高摩擦因數等方式增強輪胎的抓著力，以更好地適應水田作業的特殊需求[3-10]。

現將460/85R38 Marshland水田農業子午線輪胎的設計介紹如下。

1 技術要求

為滿足用戶需求，參照《中國輪胎輪輞標準年鑒（2020）》的要求，確定輪胎設計參數為：標準輪輞 W16×38，充氣外直徑（D′）1 820（1 791～1 828）mm，充氣斷面寬（B′）506（484～514）mm，R-1W花紋，標準充氣壓力 60 kPa，最大負荷 3 250 kg。

2 結構設計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

D和B是直接影響輪胎是否符合車輛匹配和性能要求的重要參數。本設計D取1 810 mm，D′/D為1.005 5。考慮到錦綸簾線和聚酯帶束層的伸張值，本設計B取480 mm，B′/B為1.054。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

由于本設計輪胎主要用于水田作業，輪胎接觸的都是爛泥、軟土等，考慮到該特殊工況下的需求，本次設計注重提高輪胎的牽引力。根據以往的設計經驗，b/B取0.901，b為438 mm。在確定h取值時，需要考慮其與b的比值，避免h/b過大或過小。如果h/b過大，會導致外直徑尺寸不穩定，接地面積過小，輪胎磨耗不均，使用壽命縮短；h/b過小則會導致胎冠過于寬和平，增加生產成本，并可能造成胎肩受力增大、生熱高，導致局部損壞。根據以往的經驗，本設計h/b取0.071，h為31 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

一般根據輪胎裝配的輪輞尺寸確定d值。如果d值過大，輪胎與輪輞之間可能會出現打滑的情況；相反，如果d值過小，過盈配合太緊密，會對裝卸工作造成困難。因此，在防止輪胎打滑的同時，也要保證輪胎與輪輞之間的配合緊密，并方便人工裝卸。綜合考慮，本設計d取965 mm。在確定C時，一般會參考輪輞寬度標準進行計算，并比輪輞的寬度略大。這樣做有很多優點，例如可以提高胎側的柔軟性，提高車輛行駛過程中的舒適性和操縱穩定性。結合水田農業輪胎的使用環境和使用特點，本設計C取444.5 mm，并設置胎趾傾角為8°。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

輪胎斷面水平軸位置的選擇非常關鍵，因為其是輪胎在負荷下變形最大的位置。一般來說，子午線輪胎的受力情況直接決定H1/H2值。如果H1/H2值過小，斷面水平軸的位置會偏低，接近下胎側，這可能在正常使用過程中導致胎圈折斷、應力集中的問題。另一方面，如果H1/H2值過大，斷面水平軸的位置會偏高，靠近胎肩，這可能在正常使用過程中導致胎肩脫層和胎肩裂口的問題。由于本設計輪胎為水田農業輪胎，花紋塊深度較大，綜合考慮，本設計H1/H2取1.514。

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

考慮到本設計輪胎主要在水田中作業，受力主要集中在花紋塊的根部。由于對牽引性能的高要求，胎面花紋選擇PR-1W型花紋。該花紋有17個周節，最大花紋深度為80 mm，花紋飽和度為16.957%。為了提高輪胎的視覺效果和美觀度，所有花紋塊均采用變角度設計，前傾角為17.5°，后傾角為22.7°，使輪胎呈現出飽滿的視覺效果。前傾角的減小可以提高輪胎的牽引力，而后傾角的增大可以增強花紋塊的自清潔功能。這樣的設計不僅能防止花紋塊根部裂口，還提高了花紋的耐磨性能。花紋深度大的輪胎的常見問題是在使用過程中花紋塊根部出現裂口，影響輪胎的使用壽命。因此，本設計在花紋溝過渡時采用圓弧連接，連接弧的半徑取19 mm。

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 氣密層

氣密層的設計采用常用的子午線輪胎氣密層膠料，以確保良好的氣密性能。氣密層的厚度為2.5 mm，寬度以包覆胎趾部位為最佳?？紤]到降低成本和保證輪胎正常使用的因素，輪胎與輪輞之間應保持良好的氣密性，使外胎兼具內胎的功能。該設計輪胎無需額外配備內胎，因為其本身具有內胎結構，空氣直接充填在輪胎中。這種設計不僅提供了良好的氣密性能，長期保持不漏氣，而且輪胎工作溫度較低，使用壽命長，結構簡單且輕巧。由于氣密層設計將一層內膜緊密粘附在輪胎內壁上，使輪胎在作業中不易聚熱，即使輪胎發生穿孔，壓力也不會急劇下降，能繼續安全地行駛一段距離。

3.2 擠出半成品

擠出半成品根據相應部件的壓縮比設計口型。

胎面膠料采用天然橡膠、順丁橡膠與丁苯橡膠并用膠。該配方膠料具有良好的抗花紋崩裂和掉塊性能。由于該設計輪胎的花紋塊較深，可以有效防止掉塊，提高強度和耐老化性能。胎面采用冷喂料擠出機擠出并進行直接纏繞，與胎面層貼相比，這種設計減小了胎面間脫層的隱患。

胎側的長度為3 328 mm，寬度為310 mm，厚度為12 mm，質量為10 kg。胎肩墊膠的長度為3 250 mm，寬度為150 mm，厚度為23 mm，質量為8.5 kg。胎面冠部的總厚度為47 mm，寬度為600 mm，質量為116 kg。

胎側膠使用天然橡膠與順丁橡膠并用膠，具有良好的耐老化性能和耐屈撓性能。在設計口型板時，直接設計兩種配方膠料口型，同時在三復合擠出機上擠出，使得胎側同時存在兩種配方的膠料，且位于不同的位置。這樣的設計有助于提高胎側的耐屈撓能力和胎圈部位的支撐能力，經過后續的試驗也得到了良好的驗證。

3.3 胎體

胎體使用3層940dtex/2 F121錦綸66浸膠簾布。在四輥壓延機上，簾布采用雙面覆膠的方法進行壓延，以確保簾布與胎體膠料具有良好的粘合性能，防止脫層。壓延后的覆膠簾布厚度為（1.2±0.3）mm。

3.4 帶束層

本設計輪胎行駛速度較低，為了滿足使用要求并提高操控性和降低成本，本設計采用4層帶束層結構。帶束層采用1100/3 F70聚酯浸膠簾布，簾線角度為28°。帶束層在受力后對胎體起到箍緊作用，直接影響輪胎的充氣外緣尺寸。在成型過程中，每層帶束層層貼時的差級應控制為25 mm。

3.5 胎圈

鋼絲圈采用Φ0.96 mm 19#鍍銅高強度鋼絲，鋼絲圈直徑為976 mm，排列方式為9×10，膠芯使用17 mm×32 mm的三角膠。胎圈護膠采用專用的膠料，鋼絲圈安全倍數大于7。

3.6 成型

成型采用二次法成型技術，使用LCY-2446型成型機，配備腰帶式成型機頭。根據輪胎的輪輞直徑、材料分布圖以及鋼絲圈直徑，確定機頭直徑為1 041 mm，機頭寬度為900 mm。為了滿足機頭寬度的要求，選擇合適尺寸的腰帶以與現有直徑的機頭匹配。

3.7 硫化

硫化采用241.3 cm（95英寸）蒸鍋式單模膠囊硫化機。硫化條件為：內蒸汽壓力（0.8±0.01）MPa，過熱水出口壓力（2.75±0.2）MPa，硫化溫度（150±0.2）℃，內冷回水溫度 ＜25 ℃，一次定型高度（320±20）mm，二次定型高度（230±20）mm，硫化膠囊拉伸高度 1 000 mm，總硫化時間 140 min。為了保證輪胎尺寸的穩定性，通常會在硫化結束后進行后充氣，后充氣時間一般為1個硫化周期。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

將成品輪胎與W16輪輞配合后進行充氣，充氣壓力為160 kPa，測量到輪胎的D′為1 820 mm，B′為503 mm，符合設計要求。

4.2 物理性能

成品輪胎的物理性能見表1。

表1 成品輪胎的物理性能

從表1可以看出，成品輪胎的物理性能達到國家標準要求。

4.3 耐久性能

按照GB/T 34823—2017進行成品輪胎耐久性能試驗，試驗條件為：充氣壓力160 kPa，額定負荷3 250 kg，試驗速度40 km·h-1。

在標準充氣壓力下，成品輪胎累計行駛310.5 h，符合國家標準要求。

5 結語

我公司在普通農業子午線輪胎基礎上成功地開發了系列水田農業子午線輪胎。460/85R38 Marshland水田農業子午線輪胎是該系列中的第1個規格，之后又相繼研制了420/85R38 Marshland 和380/85R38 Marshland 等 規 格。460/85R38 Marshland水田農業子午線輪胎生產工藝穩定，性能符合國家標準和設計要求，質量良好，合格率達到99.7%。目前，該輪胎已大量出口，市場反饋良好。