385/95R25工程機械子午線輪胎的設(shè)計

程 超，張 甲，張 鵬，朱仕翻，龍云山，黃 勛

（貴州輪胎股份有限公司，貴州 貴陽 550008）

當(dāng)前，隨著社會的發(fā)展，城市基礎(chǔ)建設(shè)、建筑、鐵路及公路建設(shè)等領(lǐng)域發(fā)展迅速，高速吊車的用途越來越廣，高速吊車產(chǎn)業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)，并向智能化、科技化和綠色化發(fā)展。終端客戶為了滿足市場高強度的作業(yè)現(xiàn)狀，對車輛性能的要求也越來越高。

在車輛輪胎方面，高速吊車用系列輪胎在市場終端使用時面臨三方面要求：不斷提高輪胎的耐磨性能、進(jìn)一步提高產(chǎn)品的性價比、降低終端用戶的成本投入。此外，客戶對輪胎花紋的不規(guī)則磨損（偏磨）性能也提出了較高的要求，但偏磨這一使用表象在高速吊車系列產(chǎn)品中普遍存在，與車輛本身的調(diào)校、行駛模式等因素有關(guān)，所有輪胎品牌都會發(fā)生，目前只能改善，不能完全消除。再者，高速吊車作業(yè)模式較為特殊，場地經(jīng)常不固定，隨時需要快速機動，所以對輪胎的高速性能要求也非常高，因此對輪胎的整個胎體，特別是胎圈性能，以及冠部性能要求較高，相對而言發(fā)生病象的風(fēng)險也較大，因此對胎圈及胎冠性能設(shè)計亦有很高的要求。

本工作對高速吊車用385/95R25工程機械子午線輪胎進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，以滿足客戶對高耐磨、高性價比、高機動性的需求，為終端用戶創(chuàng)造更高價值。

1 技術(shù)要求

通過查閱國家化學(xué)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2018、美國輪胎輪輞標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)（TRA—2018）、歐洲輪胎輪輞技術(shù)組織標(biāo)準(zhǔn)手冊（ETRTO—2018）等相關(guān)資料，確定385/95R25工程機械子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)如下：標(biāo)準(zhǔn)輪輞 10.00/1.5，充氣外直徑（D′）1 368（1 347～1 391）mm，充氣斷面寬（B′）385（368～406）mm，速度級別 G級，輪胎最高速度

90 km·h-1，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 900 kPa，單胎標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷 6 000 kg，胎面花紋 徑向塊狀、周向線性條狀，作業(yè)類型 全地形高速機動。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

結(jié)合該車型目前市場實際使用需求，以及結(jié)合車型全驅(qū)全轉(zhuǎn)功能特點。以平衡輪廓理論作為數(shù)學(xué)模型，以經(jīng)典力學(xué)原理作為架構(gòu)，并通過有限元對其進(jìn)行模擬分析。最終優(yōu)化得出D為1 365 mm、B為385 mm，該結(jié)果滿足工程機械輪胎模具尺寸和輪胎產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

輪胎行駛面直接接觸作業(yè)路面，b以及h會影響輪胎在運動狀態(tài)下的穩(wěn)定性和耐磨性能，特別是不規(guī)則磨損及偏磨表象。該類型輪胎本身作用工況復(fù)雜，全地形全路面作業(yè)，輪胎的抓著穩(wěn)定性、耐磨性能、高速性能等均為關(guān)鍵性能指標(biāo)。在設(shè)計中，本著增大輪胎接地面積以及提升抓著性能的原則，b取320 mm，h取10 mm。通過優(yōu)化設(shè)計，可以使輪胎運動狀態(tài)下的接地面積增大，使得輪胎花紋單位接地壓力分布更加均勻、合理，耐磨性能得到優(yōu)化提升[2]，同時高速性能也得到提高。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

該系列輪胎主要采用無內(nèi)胎裝配方式，d設(shè)計主要根據(jù)輪輞的尺寸確認(rèn)。為確保輪胎與輪輞配合緊密，以獲得良好的保氣性能，并能夠提高胎圈部位的剛性支撐，同時能夠很好地裝卸輪胎，輪胎與輪輞采用過盈配合，即d取630 mm；C采用加寬12.7 mm（0.5英寸）設(shè)計（C通常要大于輪輞寬度0.5～1英寸），即C取266.7 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

輪胎設(shè)計中，H1/H2的取值關(guān)系到胎圈、胎肩耐久疲勞失效模式，并且斷面水平軸位置均需要與輪胎斷面的最寬點相匹配，該部位是輪胎斷面中最薄、屈撓變形最大的區(qū)域，對于輪胎性能起到關(guān)鍵作用。該工程機械子午線輪胎的負(fù)荷較高、速度較快，H1/H2一般取0.80～0.95。本次設(shè)計中，H1/H2取0.88[3]，可以避免傳統(tǒng)輪胎H1/H2取值不合理問題，即H1/H2取值過大，會導(dǎo)致輪胎胎肩受力集中，使胎肩出現(xiàn)早期失效；H1/H2取值過小，會導(dǎo)致胎圈受力集中，使胎圈出現(xiàn)早期失效。兩種表現(xiàn)均會造成輪胎的胎肩、胎圈出現(xiàn)因應(yīng)力集中而過度疲勞，最終導(dǎo)致輪胎性能失效。

輪胎有限元模擬接地印痕及輪胎輪廓分別如圖1和2所示。

圖2 輪胎輪廓示意

2.5 輪胎花紋

該類輪胎匹配車型為高速吊車，作業(yè)路況是全地形、綜合工況。一般車輛在作業(yè)時，都處于非鋪裝惡劣工況環(huán)境中；但在轉(zhuǎn)場機動時，則會在公路上快速機動。輪胎的抓著性能、散熱性、高速性能、自潔能力以及磨耗壽命必須首要考慮，既要保證輪胎在惡劣工況下具有較高的抗切割、抗刺扎性能以及良好的驅(qū)動、操控性能，又要滿足在高速機動下的高速性能、耐磨性能以及不規(guī)則磨耗等，最終提高輪胎的綜合使用壽命。鑒于該輪胎在特定的環(huán)境下作業(yè)，通常應(yīng)滿足以下條件：（1）具有良好的抓著性能；（2）具有較好的高速性能；（3）抗?jié)窕湍湍バ阅芎茫唬?）花紋溝不夾帶泥沙和石子，有較好的自潔性；（5）具有較強的抗切割和抗崩花掉塊能力，不裂口[2-3]。設(shè)計當(dāng)中，以傳統(tǒng)斜交輪胎花紋為設(shè)計基礎(chǔ)，花紋采用中間徑向塊狀、邊塊周向線性條狀形式，花紋深度設(shè)計為23 mm，采用等節(jié)距設(shè)計，花紋周節(jié)數(shù)為50，花紋飽和度為65%。

輪胎花紋展開圖和三維圖分別見圖3和4。

圖3 輪胎花紋展開圖

圖4 輪胎花紋三維圖

3 施工設(shè)計

3.1 胎面

鑒于該類輪胎作業(yè)工況的特殊性，以及結(jié)合國內(nèi)外市場的該類車型輪胎使用案例。胎面采用熱喂料、冷喂料雙復(fù)合擠出工藝，上層膠選用抗刺扎、抗切割、高耐磨及相對低生熱的配方，從而保證輪胎在該類工況下的綜合使用性能；下層膠著重考慮在高速情況下的生熱及熱聚問題，以及與帶束層之間的剛度匹配過渡等要素，優(yōu)先考慮低生熱配方，以有效抑制輪胎在作業(yè)狀態(tài)下的生熱及熱聚現(xiàn)象，同時使胎面與帶束層間形成良好的過渡。

3.2 帶束層

帶束層的設(shè)計決定輪胎性能及使用質(zhì)量。帶束層設(shè)計應(yīng)保證其與胎體進(jìn)行合理的應(yīng)力分配，以提高輪胎的高速性能、耐磨性能、抗刺扎以及操縱穩(wěn)定性等。本次設(shè)計選擇了4層帶束層結(jié)構(gòu)，其中1#—3#帶束層采用3＋9＋15×0.22＋0.15HT鋼絲簾線，4#帶束層采用高延伸的3×7×0.22HE鋼絲簾線。帶束層安全倍數(shù)為6.0，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 胎體

全鋼子午線輪胎的胎體主要由各類鋼絲骨架材料組成，在輪胎應(yīng)用時起承載負(fù)荷的關(guān)鍵作用，同時直接關(guān)聯(lián)輪胎的剛度性能、扭轉(zhuǎn)性能以及舒適性等，對輪胎的綜合功能性、安全性、體驗舒適性產(chǎn)生直接的影響。本次設(shè)計考慮到輪胎本身的功能性、安全性和使用體驗性要求，經(jīng)綜合分析和參數(shù)確認(rèn)，胎體采用3＋9＋15×0.22W鋼絲簾線。胎體安全倍數(shù)為6.2，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4 胎圈

對胎圈部位進(jìn)行力學(xué)分析可知，胎圈既要承受輪胎行駛中的制動力矩、離心力，又要承受輪輞的過盈力。此外，該系列輪胎在實際使用時出現(xiàn)氣壓維護(hù)不當(dāng)?shù)娘L(fēng)險較高，在低氣壓情況下運行，胎圈部位會存在應(yīng)力集中而疲勞破壞風(fēng)險；氣壓過高又會使其安全倍數(shù)降低。再者，特別是該輪胎在G級速度下行駛時，高頻率轉(zhuǎn)動下的胎圈應(yīng)力疲勞失效需要充分分析。綜上所述，本次胎圈設(shè)計保留了傳統(tǒng)工程機械輪胎的六角形鋼絲圈結(jié)構(gòu)，但對其中鋼絲、覆膠鋼絲的直徑以及鋼絲根數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，即鋼絲直徑、覆膠鋼絲直徑分別為1.83和2.1 mm，鋼絲根數(shù)為95。胎圈安全倍數(shù)為6.3，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.5 成型

成型是產(chǎn)品制造過程中的關(guān)鍵工序，成型精度直接決定產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性，因此成型工序是輪胎制造過程中需要關(guān)鍵控制的環(huán)節(jié)。首先，必須考慮施工方案的可行性、有效性、便捷性，施工方案必須結(jié)合實際現(xiàn)場過程能力情況，盡可能考慮步序防差錯，并盡可能實現(xiàn)自動化控制，減少人員主觀干預(yù)引起的產(chǎn)品質(zhì)量波動。另外，在保證產(chǎn)品制造過程質(zhì)量的情況下提高生產(chǎn)效率，盡可能減少生產(chǎn)過程中的浪費，降低操作人員的勞動強度。本次設(shè)計采用一次法成型機成型[3]，可以一次性完成單個輪胎的生產(chǎn)流程，具有較高的生產(chǎn)效率。此外一次法成型機的應(yīng)用可以避免人工模式下的一些質(zhì)量問題，如人工不規(guī)范操作導(dǎo)致胎坯質(zhì)量受損等。

3.6 硫化

鑒于以往蒸鍋硫化模式下模腔內(nèi)易積水，以及熱效率相對低的情況。本次設(shè)計采用單模熱板式硫化機，硫化條件為：內(nèi)溫（170±3）℃，二次水壓力（2.7±0.1）MPa，一次水壓力（0.6±0.02）MPa，熱板溫度（150±3）℃，模套溫度（160±3）℃，總硫化時間 85 min。硫化過程中無過硫和缺膠等問題。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

成品輪胎外緣尺寸按照GB/T 521—2012《輪胎 外緣尺寸測量方法》測量。安裝在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上的輪胎在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下的D′和B′分別為1 368和388mm，均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 耐久性能

按照GB/T 30193—2013《工程機械輪胎耐久性試驗方法》并結(jié)合企業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行耐久性能試驗，試驗條件如表1所示。

表1 成品輪胎耐久性能試驗條件

試驗按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求完成前3個階段測試后，達(dá)到47 h輪胎無損壞失效，再按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求繼續(xù)測試至第7階段結(jié)束，累計行駛時間87 h輪胎無損壞失效。經(jīng)測試，輪胎的耐久性能達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，遠(yuǎn)超國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語

本設(shè)計385/95R25工程機械子午線輪胎的充氣外緣尺寸達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求，耐久性能滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，并遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)要求，輪胎性能得到重大突破，性能指標(biāo)上了一個新臺階。該輪胎投入市場后，使用效果較好，大大降低了輪胎早期胎圈及胎冠失效損壞的風(fēng)險。該輪胎為高速吊車市場提供了優(yōu)異的輪胎解決方案，性價比較高，得到終端客戶一致的高度認(rèn)可，主機配套及后市場占有率不斷增大，主機廠還提出專供要求，為終端用戶創(chuàng)造了更高價值，為公司帶來了較高的經(jīng)濟效益。