14.00R24NHS港口專用全鋼工程機(jī)械子午線輪胎的設(shè)計(jì)

王若飛，崔志武，王曉娟，陳 宇，宋朝興

（風(fēng)神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，內(nèi)外貿(mào)港口運(yùn)輸需求增大，港口集裝箱吞吐量相應(yīng)遞增，港口的生產(chǎn)作業(yè)模式也在發(fā)生改變，港口機(jī)械逐步向多樣化、大型化、無(wú)人化等領(lǐng)域發(fā)展[1]。港口集裝箱堆高機(jī)以通用叉車技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了部分起重功能，主要用于集裝箱的搬運(yùn)和堆垛作業(yè)，具有可頻繁轉(zhuǎn)向與制動(dòng)、機(jī)動(dòng)靈活、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

本工作主要介紹專為港口集裝箱堆高機(jī)開(kāi)發(fā)的14.00R24NHS港口專用全鋼工程機(jī)械子午線輪胎（簡(jiǎn)稱14.00R24NHS專用輪胎）的設(shè)計(jì)。

1 技術(shù)要求

根據(jù)《中國(guó)輪胎輪輞氣門(mén)嘴標(biāo)準(zhǔn)年鑒》規(guī)定及客戶需求，14.00R24NHS專用輪胎的主要技術(shù)參數(shù)為：輪輞 10.00W，充氣外直徑（D′） 1 420（1 396～1 444） mm，充氣斷面寬（B′） 388（364～401） mm，負(fù)荷 14 100 kg，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力1 000 kPa。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

D和B的大小取決于輪胎的充氣尺寸及其膨脹率，充氣尺寸根據(jù)市場(chǎng)需求及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)確定。影響膨脹率的因素有輪胎帶束層結(jié)構(gòu)（鋼絲簾線種類、帶束層厚度和角度）、花紋深度、材料模量等。本工作根據(jù)相同系列規(guī)格產(chǎn)品的膨脹率取平均值，選取外直徑膨脹率（D′/D）為1.007，斷面寬膨脹率（B′/B）為1.055，本次設(shè)計(jì)D為1 410 mm，B為368 mm。

需要注意的是，該產(chǎn)品適配車型存在前部輪胎雙胎并裝的現(xiàn)象，需考慮負(fù)荷下斷面寬及雙胎間距配合的問(wèn)題，以避免并胎風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h決定了胎冠曲率半徑的大小，從而影響輪胎接地印痕的形狀。胎冠曲率半徑太大，胎冠區(qū)域接地壓力分布更趨向于胎肩，輪胎使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)磨肩的情況；胎冠曲率半徑太小，輪胎使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)磨冠的情況。因此，b和h的取值對(duì)輪胎的接地印痕形狀、接地壓力及其分布有著決定性的作用，對(duì)成品輪胎的制動(dòng)性能、耐磨性能以及生熱性能影響較大[2]。

本次設(shè)計(jì)產(chǎn)品為港口專用，轉(zhuǎn)向頻繁，所以接地印痕的目標(biāo)形狀為橢圓形，h應(yīng)取偏大的值，同時(shí)考慮超加深花紋的生熱情況，b應(yīng)取偏小的值，參數(shù)選擇對(duì)輪胎耐磨性能的負(fù)面影響從提升港口輪胎專用胎面膠配方的抗切割性能方面來(lái)解決。本工作根據(jù)相同系列規(guī)格產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，b/B取0.871，h/斷面高（H）取0.049 8，H為400 mm，本次設(shè)計(jì)b為320 mm，h為20 mm。

2.3 胎圈著合寬度（C）和著合直徑（d）

C和d是影響輪胎裝配性能的重要參數(shù)，應(yīng)在防止輪胎漏氣、滑移和易裝卸方面進(jìn)行綜合考慮。其中C要比輪輞標(biāo)定寬度大0～25.4 mm（0～1英寸），對(duì)于子午線輪胎，適當(dāng)增大C，在輪胎充氣后，其應(yīng)力應(yīng)變會(huì)往胎肩方向移動(dòng)，減小胎圈損壞的風(fēng)險(xiǎn)[3]，同時(shí)需要考慮到C/B的增大會(huì)使B′/B增大，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)C為274 mm。

d的選取主要考慮輪輞類型和標(biāo)定直徑，本產(chǎn)品推薦輪輞為平底輪輞，輪輞標(biāo)定直徑可拆卸端大小為609.6 mm，固定端大小為612.8 mm，本次設(shè)計(jì)d為610 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

H1/H2表示胎側(cè)區(qū)域變形最大的位置，即負(fù)荷下斷面寬的測(cè)量位置，其中H1表示水平軸下方斷面高度（水平軸至胎踵垂直距離），H2表示水平軸上方斷面高度（水平軸至胎冠中心垂直距離）。負(fù)荷狀態(tài)下，最大變形位置低于水平軸位置，則胎圈部位應(yīng)力應(yīng)變更大，輪胎使用過(guò)程中易出現(xiàn)胎圈裂、趾口爆等缺陷；最大變形位置高于水平軸位置，則胎肩部位應(yīng)力應(yīng)變更大，輪胎使用過(guò)程中易出現(xiàn)肩空等缺陷[4]。本工作參考相同系列規(guī)格產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，H1/H2取0.739 1，H1為170 mm，H2為230 mm。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

根據(jù)《中國(guó)輪胎輪輞氣門(mén)嘴標(biāo)準(zhǔn)年鑒》和輪胎的行駛里程、使用壽命需求，胎面花紋采用超加深塊狀花紋設(shè)計(jì)，花紋深度為64 mm，花紋飽和度為72.2%，花紋周節(jié)數(shù)為28，增加花紋磨耗標(biāo)志，花紋主要特點(diǎn)為高飽和度、牽引力強(qiáng)、防側(cè)滑性能出色。

胎面花紋展開(kāi)如圖2所示。

3 施工設(shè)計(jì)

3.1 胎面

胎面設(shè)計(jì)考慮部件厚度及擠出設(shè)備能力，為滿足擠出胎面工藝通過(guò)性要求，對(duì)胎面進(jìn)行了3層拆分設(shè)計(jì)和擠出（見(jiàn)圖3），對(duì)比胎面纏繞工藝，可有效釋放成型產(chǎn)能。

圖3 胎面結(jié)構(gòu)示意

3.2 胎體和帶束層

根據(jù)驅(qū)動(dòng)輪負(fù)荷能力要求，本次設(shè)計(jì)胎體鋼絲簾線采用3＋9＋15×0.225ST，可滿足強(qiáng)度、高耐疲勞和耐磨性能的要求。

根據(jù)使用工況，帶束層結(jié)構(gòu)采用4層鋼絲簾布疊式排列設(shè)計(jì)。其中1#帶束層是過(guò)渡層，鋼絲簾線采用3＋9＋15×0.175＋0.15HT，角度為60°，方便胎體鋼絲簾線與工作層角度的過(guò)渡，減小帶束層的層間剪切力和防止帶束層層間脫層，密度為低密度（46根·dm-1），可以進(jìn)一步保證帶束層與胎體的粘合強(qiáng)度，保證安全倍數(shù)；2#和3#帶束層為工作層，是保證帶束層剛性和箍緊作用的主要結(jié)構(gòu)，鋼絲簾線采用高模量的3＋9＋15×0.220＋0.15HT，角度為20°，有效提高了帶束層對(duì)胎體的箍緊作用，同時(shí)提升了產(chǎn)品的承載能力，考慮帶束層的安全倍數(shù)及膠料與鋼絲簾線的附著，密度為58根·dm-1；保護(hù)層為最靠近胎面的一層，本次設(shè)計(jì)保護(hù)層鋼絲簾線采用高伸長(zhǎng)率和高抗沖擊型的3×7×0.20HE，角度為16°，密度為40根·dm-1，這種結(jié)構(gòu)不僅能避免石塊等雜物直接刺穿工作層，而且有利于增大胎面與帶束層的附著力。運(yùn)用彼德?tīng)柭絒5]計(jì)算，帶束層安全倍數(shù)為11.8，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 胎圈

鋼絲圈采用常見(jiàn)的六邊形結(jié)構(gòu)，鋼絲直徑為2.03 mm，覆膠鋼絲直徑為2.30 mm，排列方式為8-13-8。胎圈安全倍數(shù)為4.6。

3.4 胎圈加強(qiáng)層

與斜交輪胎相比，全鋼工程機(jī)械子午線輪胎的胎圈結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了避免應(yīng)力集中，需要綜合考慮各部件端點(diǎn)的位置，防止因端點(diǎn)重合導(dǎo)致胎圈部位出現(xiàn)早期損壞。

考慮到超加深花紋對(duì)整個(gè)冠部區(qū)域的加強(qiáng)作用，為保證輪胎最大變形處于水平軸位置，本次設(shè)計(jì)胎圈部位增加了鋼絲包布的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，鋼絲包布鋼絲簾線選擇3×7×0.20HE，內(nèi)外端點(diǎn)進(jìn)行錯(cuò)開(kāi)設(shè)計(jì)。

3.5 成型

成型設(shè)備采用了天津賽象科技股份有限公司生產(chǎn)的一次法兩鼓/三鼓成型機(jī)，胎體鼓周長(zhǎng)為1 770 mm，設(shè)備滿足成型過(guò)程中各參數(shù)（平寬、定型寬、輔鼓周長(zhǎng)等）的設(shè)計(jì)要求。

3.6 硫化

硫化設(shè)備采用2 235.2和2 413.0 mm（88和95英寸）蒸鍋式硫化機(jī)。硫化條件為：蒸汽溫度 145℃，總硫化時(shí)間 320 min。硫化膠囊 RB12004，膠囊拉伸高度 835 mm，預(yù)定型高度 570 mm，定型高度 590 mm。

4 有限元仿真優(yōu)化

通過(guò)有限元仿真技術(shù)對(duì)輪胎設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化[6]，充氣輪廓分析結(jié)果（取1/2輪胎）如圖4所示，優(yōu)化后的輪胎接地印痕及接地壓力分布如圖5所示。

圖4 輪胎充氣輪廓分析結(jié)果

圖5 優(yōu)化后的輪胎接地印痕及接地壓力分布

從圖4可以看出，通過(guò)有限元仿真優(yōu)化，輪胎充氣輪廓滿足設(shè)計(jì)要求。

從圖5可以看出，輪胎接地印痕形狀趨于橢圓形，接地壓力分布均勻，設(shè)計(jì)方案滿足要求。

5 成品性能

5.1 外緣尺寸

輪胎裝配標(biāo)準(zhǔn)輪輞，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力為1 000 kPa，按照GB/T 521—2023進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得D′為1 418 mm，B′為386 mm，成品輪胎外緣尺寸滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.2 物理性能

成品輪胎胎面膠的物理性能如表1所示。

表1 成品輪胎胎面膠的物理性能測(cè)試結(jié)果

從表1可以看出，成品輪胎胎面膠的物理性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.3 靜負(fù)荷性能

根據(jù)成品輪胎的室內(nèi)測(cè)試結(jié)果，輪胎靜負(fù)荷半徑、負(fù)荷下斷面寬與負(fù)荷的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 輪胎靜負(fù)荷半徑、負(fù)荷下斷面寬與負(fù)荷的關(guān)系曲線

采用多項(xiàng)式擬合圖6中靜負(fù)荷半徑和負(fù)荷下斷面寬隨負(fù)荷變化的曲線方程（y1為靜負(fù)荷半徑，y2為負(fù)荷下斷面寬，x為負(fù)荷）如下：

根據(jù)式（1）和（2）建立數(shù)學(xué)模型，用于輪胎靜負(fù)荷性能的分析和研究，結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

14.00R24NHS專用輪胎工藝通過(guò)性高，成品輪胎室內(nèi)性能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)設(shè)計(jì)要求。該產(chǎn)品已批量投入市場(chǎng)，市場(chǎng)反饋良好，完善了我公司港口專用輪胎產(chǎn)品系列。