9.00R20NHS井下礦用光面全鋼工程機械子午線輪胎的設計

宋朝興，李曉明，陳 宇，王若飛，周亞兵

（風神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

光面工程機械輪胎系列產品主要適用于兩類特定作業條件：一是用在巷道工作的鏟運機及類似環境工作的工程機械上，適用于井下礦產的開采、運輸、隧道建設等惡劣環境下作業；二是用在筑路機械上，適用于高速公路攤鋪瀝青路面和路基的壓實作業。

本工作主要介紹9.00R20NHS井下礦用光面全鋼工程機械子午線輪胎的設計。

1 技術要求

根據ETRTO—2017《歐洲輪胎輪輞技術組織標準手冊》及客戶需求，選取9.00R20NHS井下礦用光面全鋼工程機械子午線輪胎的技術參數如下：標準輪輞 7.00T，充氣外直徑（D′） 1 054 mm，充氣斷面寬（B′） 260 mm，標準負荷 4 375 kg，標準充氣壓力 825 kPa。

2 結構設計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

在充氣狀態下，輪胎充氣輪廓大于輪胎模具尺寸，充氣輪廓與模具尺寸的比值用膨脹率表示。由于子午線輪胎冠部有周向不易伸張的帶束層箍緊胎體，充氣后輪胎的外直徑膨脹率（D′／D）較小，參考相同結構、類似規格（12.00R24，13.00R25和14.00R20，下同）輪胎的D′／D平均值，本次設計D′／D取1.003 8，D取1 050 mm。

B是一個重要的參數，應慎重選取，B取值大容易引起并胎現象，B取值小不滿足標準，參考相同結構、類似規格輪胎的斷面寬膨脹率（B′／B）平均值，B′／B取1.020，B取255 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h是決定輪胎胎冠主要形狀以及成品接地印痕的關鍵參數。確定b和h后，再確定胎冠采用多段弧還是一段弧以及多段弧是否相切，最終確定胎冠的形狀及其對胎面耐磨性能、牽引性、轉向性及生熱等多項使用性能的影響[1]。井下礦用光面輪胎系列要求b較大，因此可適當增大b。本次設計取相同結構、類似規格輪胎的b／B平均值0.902，根據已經確定的B，b取230 mm，胎冠曲線采用相切的兩段弧設計。

h對輪胎接地印痕的影響較大，增大h可以降低胎肩與地面的接觸應力，減小h可以增大胎肩與地面的接觸應力。為保證輪胎與路面在b范圍內有最大的接地面積，一般h／斷面高（H）為0.03～0.05，本次設計h取10 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

C是指上下胎踵之間的垂直距離，以使用輪輞寬度為基礎進行確定，對于子午線輪胎，適當增大胎圈寬度，輪胎充氣后，輪胎的應力應變會往胎肩方向移動，從而減小胎圈損壞的風險[2]。結合設計經驗，小型工程機械輪胎胎圈寬度比輪輞寬度大0～6.35 mm（0.25英寸），本次設計C取184 mm。d依據輪輞類型和輪輞標定直徑確定，保證輪胎胎圈部位與輪輞裝配后緊密不漏氣且裝卸方便，本次設計d取510 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸又稱斷面中心線，位于斷面最寬處，是負荷下法向形變的最大部位，如何保證輪胎從充氣狀態至負荷狀態下H1／H2保持不變是設計的重點和難點。輪胎在使用過程中，如果斷面水平軸往胎冠方向偏移，容易引起胎肩部位應力集中，如果斷面水平軸往胎圈方向偏移，容易引起下胎側應力集中，兼顧胎圈和胎肩應力分布找到最優H1／H2非常重要[3]，參考相同結構、類似規格輪胎的H1／H2平均值，本次設計H1／H2取0.753，H1為116 mm，H2為154 mm。

輪胎輪廓如圖1所示。

圖1 輪胎輪廓示意

2.5 胎面花紋

胎面花紋采用超厚光面花紋設計，根據《中國輪胎輪輞氣門嘴標準年鑒》，花紋代號為L-5S，可提高井下等惡劣工況下輪胎的耐磨性能，花紋深度為51 mm。胎肩增加測深溝標識（見圖2），上下模各3個，均勻錯開。

圖2 胎肩測深溝標識示意

3 施工設計

3.1 胎面

胎面采用3層設計，包括上胎面、中胎面、下胎面（見圖3），上胎面和中胎面采用耐磨性能好的專用配方，下胎面采用低生熱配方，可降低輪胎使用中的生熱[4]。

圖3 胎面結構示意

3.2 胎體和帶束層

胎體采用0.25＋6＋12×0.225HT鋼絲簾線，運用薄膜-網絡理論[5]計算胎體簾線應力，得到胎體安全倍數為13，輪胎的耐疲勞性能和耐磨性能滿足要求。

帶束層采用4層結構。1#帶束層為過渡層，簾線角度一般相對大一些，常用范圍為50°～60°，本次設計1#帶束層使用3＋9＋15×0.175＋0.15HT鋼絲簾線，角度為55°。2#和3#帶束層為工作層，是帶束層結構中主要承受應力的簾布層，簾線角度常用范圍為15°～22°，本次設計2#和3#帶束層使用3＋9＋15×0.22＋0.15HT鋼絲簾線，角度均為18°。4#帶束層為保護層，一般采用高伸長率和高抗沖擊型鋼絲簾線，常用角度范圍與工作層接近，本次設計4#帶束層使用3×7×0.20HE鋼絲簾線，角度為15°。運用彼德爾曼公式[5]計算帶束層簾線應力，最終得出安全倍數為10。

3.3 胎圈

胎圈采用常用的六邊形結構，排列方式為5-9-6，鋼絲直徑為Φ1.65 mm，未纏繞錦綸包布前鋼絲圈內直徑為526 mm，安全倍數為4。

3.4 胎圈填充膠、胎圈加強層和胎側

子午線輪胎胎圈結構部件種類多，相對于斜交輪胎比較復雜，本次胎圈填充膠采用雙復合結構，分為硬三角膠和軟三角膠，填充膠擠出后采用冷敷貼方式組成胎圈組合件。

胎圈加強層使用鋼絲簾布加強，采用U型包方式。

胎側采用三復合結構設計，降低耐磨膠端點打褶的風險，且因為用于井下，路況惡劣，胎側容易被割傷，對胎側厚度進行了加強設計（見圖4）。

圖4 胎側施工示意

3.5 成型

成型采用一次法兩鼓成型機，胎體伸張值取1.5%計算平寬，帶束層伸張值取3%計算輔鼓周長。成型預定型寬度為510 mm，定型寬度為400mm，超定型寬度為310 mm。

3.6 硫化

采用1 473.2 mm（58英寸）雙模熱板式硫化機硫化。由于本次設計為超加深光面花紋，為縮短硫化時間、提高生產效率，模具需額外增加模套設計，可以顯著提高硫化速度。

硫化機采用RB9001型硫化膠囊，硫化膠囊拉伸高度為675 mm，預定型高度為400 mm，定型高度為280 mm。

4 成品性能

4.1 充氣外緣尺寸

輪胎裝配標準輪輞，標準充氣壓力為825 kPa，按照GB／T 521—2012進行測試，測得D′為1 055 mm，B′為257 mm，輪胎充氣外緣尺寸滿足相應設計要求及國家標準要求。

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，成品輪胎的物理性能滿足國家標準要求。

4.3 靜負荷性能

輪胎靜半徑（輪胎充氣后，在負荷狀態下其中心到接地端的距離）和負荷斷面寬與負荷的關系曲線如圖5所示，輪胎接地面積與負荷的關系曲線如圖6所示。

圖5 輪胎靜半徑和負荷斷面寬與負荷的關系曲線

圖6 輪胎接地面積與負荷的關系曲線

針對輪胎靜半徑、負荷斷面寬和接地面積隨負荷的變化曲線，用多項式擬合出變化曲線，具體如下。

靜半徑隨負荷變化的曲線方程（x1為負荷，y1為靜半徑）如下：

負荷斷面寬隨負荷變化的曲線方程（x2為負荷，y2為負荷斷面寬）如下：

接地面積隨負荷變化的曲線方程（x3為負荷，y3為接地面積）如下：

根據上述各曲線方程建立數學模型，用于輪胎靜負荷性能的分析和研究，結果均滿足設計要求。

5 結語

9.00R20NHS井下礦用光面全鋼工程機械子午線輪胎生產工藝穩定，外形美觀大方，質量合格，成品輪胎的充氣外緣尺寸、物理性能和靜負荷性能均滿足國家標準及相應設計要求。該產品的成功研發完善了我公司產品圖譜，是小規格井下用途系列輪胎的重要品種。