井下礦用12.00R24全鋼工程機械輪胎肩空脫層優化的有限元分析

張文杰，印海建，王銳佳，雍占福，李 淼，王傳鑄*

[1.泰凱英（青島）專用輪胎技術研究開發有限公司，山東 青島 266100；2.青島科技大學 橡塑材料與工程教育部重點實驗室，山東 青島 266042]

近年來，隨著采礦業的快速發展，對全鋼工程機械輪胎的需求日益增加，尤其井下礦用工程機械輪胎。由于井下礦用輪胎的使用環境非常嚴苛，且輪胎損壞往往影響車輛的使用效率，客戶對井下礦用輪胎的性能提出了更高的要求，以縮短因輪胎損壞而造成的停工時間。

有限元方法可以快速為設計者提供必要的數據支撐，是產品質量提升的重要工具。輪胎的使用同時存在著材料、幾何、接觸三大非線性問題，理論求解幾乎不可能，因此在輪胎結構設計中有限元方法顯得更加重要，而且應用越來越廣泛[1-2]。根據市場反饋，針對全鋼工程機械輪胎使用中后期肩空脫層的問題，本工作以井下礦用12.00R24全鋼工程機械輪胎為研究對象，基于Abaqus軟件對輪胎肩空脫層的原因進行有限元分析，并對輪胎設計方案進行優化，以期為改善輪胎性能提供參考。

1 有限元模型的建立

輪胎的有限元分析主要包括材料模型建立、有限元模型建立以及分析計算和后處理。

1.1 橡膠材料模型及骨架結構設計

全鋼工程機械輪胎主要由橡膠和金屬骨架材料構成。在輪胎有限元分析中一般使用Yeoh本構模型表征橡膠材料的高彈性[3-7]。本研究將輪胎各部位膠料循環拉伸8次，消除Mullins效應之后，取最后1次穩定的應力-應變曲線，通過最小二乘法擬合得到Yeoh本構模型的材料參數。金屬骨架材料是線彈性材料，使用彈性模量和泊松比表征其應力-應變行為。

原始方案輪胎帶束層設計如表1所示。

表1 原始方案輪胎帶束層設計

1.2 有限元模型

對12.00R24全鋼工程機械輪胎的材料分布圖進行合理簡化，去掉對結果影響小的防擦線和裝飾線，然后劃分網格，如圖1所示。

圖1 輪胎材料分布圖及有限元模型

根據材料分布圖，輪胎各部位分別賦予相應的材料。橡膠材料的單元類型分別采用CGAX3H和CGAX4H，骨架材料的單元類型采用SFMGAX1。利用Abaqus軟件進行二維充氣和三維靜態加載等分析。

2 輪胎肩空脫層原因分析與有限元仿真結果

2.1 原始方案輪胎肩空脫層原因分析

通過對市場反饋的肩空脫層的原始方案輪胎進行斷面分析，發現輪胎損壞的起始點均位于3#帶束層端點，如圖2所示。分析認為，3#帶束層端點應力集中導致了輪胎損壞。

圖2 損壞輪胎斷面

2.2 有限元仿真結果

利用有限元技術仿真原始方案輪胎肩部的受力情況，分析輪胎使用中后期肩空脫層的原因，并進行優化方案分析。

2.2.1 原始方案輪胎胎肩部位受力有限元分析

原始方案輪胎胎肩部位應力分布有限元分析結果見圖3。從圖3可以看出，輪胎胎肩部位最大應力位于3#帶束層的邊部下方，此位置與市場反饋的問題輪胎的損壞起始點一致。

圖3 原始方案輪胎胎肩部位應力分布有限元分析結果

原始方案輪胎胎肩部位應變能分布有限元分析結果見圖4。從圖4可以看出，輪胎胎肩部位最大應變能也位于3#帶束層邊部下方。

圖4 原始方案輪胎胎肩部位應變能分布有限元分析結果

原始方案輪胎胎肩部位剪切應變分布有限元分析結果見圖5。從圖5可以看出，輪胎胎肩部位最大剪切應變也位于3#帶束層的端點部位。

圖5 原始方案輪胎胎肩部位剪切應變分布有限元分析結果

2.2.2 優化方案輪胎胎肩部位有限元分析

為了解決輪胎使用中后期出現肩空脫層的問題，對原始方案輪胎的骨架材料設計進行調整，采用全新的帶束層結構，即4層帶束層＋0°帶束層結構，同時適當調整帶束層角度，合理優化帶束層 寬度。

優化方案輪胎帶束層設計如表2所示，胎肩部位材料分布主要調整包括帶束層結構優化、墊膠厚度優化和內輪廓調整。優化方案和原始方案輪胎胎肩部位材料分布如圖6所示。

圖6 優化方案和原始方案輪胎胎肩部位材料分布

表2 優化方案輪胎帶束層設計

優化方案輪胎胎肩部位應力分布有限元分析結果見圖7。從圖7可以看出，優化方案輪胎胎肩部位應力的最大值比原始方案輪胎大幅下降，降幅達51.4%，且胎肩部位整體應力也明顯降低。

圖7 優化方案輪胎胎肩部位應力分布有限元分析結果

優化方案輪胎胎肩部位應變能分布有限元分析結果見圖8。從圖8可以看出，優化方案輪胎胎肩部位應變能的最大值比原始方案輪胎大幅下降，降幅達74%，且胎肩部位最大應變能的位置也轉移至胎肩墊膠下方。

圖8 優化方案輪胎胎肩部位應變能分布有限元分析結果

優化方案輪胎胎肩部位剪切應變分布有限元分析結果見圖9。從圖9可以看出，優化方案輪胎胎肩部位應變能的最大值比原始方案輪胎大幅下降，降幅達60%，且胎肩部位最大剪切應變的位置也發生了轉移。

圖9 優化方案輪胎胎肩部位剪切應變分布有限元分析結果

3 成品輪胎性能驗證

采用優化方案試制成品輪胎，進行TKPH值（負荷與速度的乘積）測試，并與原始方案輪胎進行對比。

TKPH值測試步驟如下。

（1）將輪胎安裝在標準測試輪輞上，充入規定的測試充氣壓力。

（2）將充氣輪胎停放至規定時間后，以該規格輪胎的最低測定速度開始運行。

（3）輪胎每運行1 h，測量所有測溫孔的溫度，測量完成后繼續運行，直到溫度保持穩定。在確保安全的情況下，溫度測量應在15 min內完成。

（4）對所有測溫孔進行編號，每次按同一順序進行溫度測量，所有測溫孔溫度穩定（同一測溫孔連續測量3次溫度均停止上升或3次測量溫度最高值與最低值之差小于3 ℃）時，即達輪胎的平衡溫度，停止測量。

（5）輪胎冷卻至室溫，按下一個測定速度開始運行，直至在此速度下達到溫度穩定。

（6）按照測試規定至輪胎損壞或將選取的測試速度測試完。

TKPH值的計算方法為：環境溫度設為38 ℃，以試驗過程中每個速度階段的每組測溫點所達到的最高平衡溫度為縱坐標，以輪胎試驗負荷與試驗速度相乘所得的值為橫坐標，繪制曲線，在曲線圖上讀取輪胎臨界溫度對應的TKPH值就是輪胎的TKPH額定值。

臨界溫度值取決于輪胎的結構、材料性能及膠料配方等，因制造商不同而各異，推薦溫度為93～121 ℃。

試驗結果表明，原始方案輪胎的TKPH值為17.3，優化方案輪胎的TKPH值為33.3，比原始方案輪胎提高了93%。由此可見，輪胎胎肩部位性能有較大提高，說明優化方案有效可行。

4 結論

利用有限元仿真方法分析井下礦用12.00R24全鋼工程機械輪胎肩空脫層的原因為3#帶束層端點應力集中，對輪胎原始設計方案進行優化，采用4層帶束層＋0°帶束層結構、適當調整帶束層角度、合理優化帶束層寬度，并采用有限元方法對優化方案輪胎的胎肩部位力學性能進行評估，擺脫了僅靠設計人員的經驗和主觀判定對輪胎胎肩部位力學性能進行評價的思路，能更好地指導輪胎設計優化，解決輪胎使用中后期肩空脫層的問題，縮短研發周期，節約研發成本。優化方案改善了輪胎的胎肩部位應力分布，將胎肩部位的應力集中點進行分散，優化方案輪胎的TKPH值比原始方案輪胎提高了93%。