硫化后充氣壓力和時(shí)間對(duì)航空輪胎性能的影響

于祥釗，盛春敬，劉北江

（青島森麒麟輪胎股份有限公司，山東 青島 266229）

航空輪胎作為飛機(jī)唯一與地面接觸的部件，是確保飛機(jī)安全起飛、著陸及滑行的核心零部件。相對(duì)于地面車輛，飛機(jī)由于速度高、載荷大、壓縮變形大和間歇性使用等特點(diǎn)，決定了航空輪胎需要承受比地面車輛輪胎更為嚴(yán)格的考驗(yàn)。隨著航空行業(yè)的發(fā)展，對(duì)航空輪胎的安全性要求不斷提高。

在輪胎制造過程中，輪胎在完成硫化周期并從硫化模具卸出后，硫化過程仍在持續(xù)，因此在硫化后冷卻期間簾線會(huì)產(chǎn)生熱收縮。為減小簾線熱收縮對(duì)輪胎性能的影響，硫化后的輪胎需要在張力下進(jìn)行冷卻，常見的冷卻方式包括模內(nèi)冷卻或機(jī)外后充氣冷卻。而硫化后充氣壓力和時(shí)間會(huì)明顯影響輪胎的整體性能。

本工作通過簾線干熱收縮儀測(cè)量錦綸簾線在不同溫度下的收縮率和收縮力，以27×7.7－15航空輪胎作為研究對(duì)象，通過熱電偶測(cè)溫法測(cè)得輪胎硫化結(jié)束出模時(shí)的胎體最高溫度，結(jié)合實(shí)際測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)與理論計(jì)算，得出確保簾線不產(chǎn)生收縮所需要的最小后充氣壓力和時(shí)間[1-2]。最后通過成品輪胎外緣尺寸及動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證硫化后充氣壓力和時(shí)間選取的合理性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 簾線及輪胎技術(shù)參數(shù)

1400dtex/2錦綸66簾線，河南神馬簾子布有限公司產(chǎn)品。27×7.75－15航空輪胎技術(shù)參數(shù)為：額定速度 362 km·h-1，額定充氣壓力 1 380 kPa，額定載荷 42.95 kN。

1.2 主要儀器和設(shè)備

簾線干熱收縮儀，英國(guó)TESTRITE公司產(chǎn)品；輪胎熱電偶測(cè)量?jī)x，華南理工大學(xué)產(chǎn)品；航空輪胎動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)機(jī)，德國(guó)TS測(cè)試服務(wù)有限公司產(chǎn)品。

1.3 性能測(cè)試

（1）通過簾線干熱收縮儀對(duì)1400dtex/2錦綸66簾線進(jìn)行測(cè)試，得到不同溫度下簾線收縮率和收縮力。

（2）通過熱電偶測(cè)溫法測(cè)量輪胎硫化過程中溫度的變化情況。

（3）在硫化后充氣過程中，從輪胎出模開始每5 min對(duì)輪胎上下模胎面、胎側(cè)及胎圈區(qū)域進(jìn)行測(cè)溫，記錄溫度隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)，測(cè)算出輪胎溫度降到室溫所需的時(shí)間。

（4）按照GB/T 9747—2008《航空輪胎試驗(yàn)方法》和中國(guó)民用航空技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)CTSO-C62e進(jìn)行成品輪胎外緣尺寸及動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 充氣壓力作用下胎體簾線張力

通過理論計(jì)算成品輪胎胎體單根錦綸簾線在不同充氣壓力下所受的張力，結(jié)合硫化測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，得出輪胎在出模溫度下保證簾線不收縮所需的最小后充氣壓力。

單根簾線在充氣壓力作用下的張力采用比德爾曼公式計(jì)算：

式中N——單根簾線張力，N；

P0——輪胎充氣壓力，kPa；

Rk——充氣輪胎胎里半徑，cm；

R0——輪胎零點(diǎn)半徑，cm；

i——充氣輪胎冠部簾線密度，根·cm-1；

j——充氣輪胎簾布層序數(shù)；

α——充氣輪胎胎冠簾線角度，（°）。

27×7.75－15輪胎胎體采用1400dtex/2錦綸66簾線。根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)爆破壓力值與計(jì)算值對(duì)比得出，爆破壓力實(shí)測(cè)值約為計(jì)算值的0.7倍，故引入效能因數(shù)為0.7，修正后胎體簾線張力計(jì)算結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，胎體簾線張力與充氣壓力呈線性關(guān)系。

圖1 胎體簾線張力與充氣壓力的關(guān)系曲線

2.2 硫化過程中溫度因素的影響

2.2.1 簾線收縮率

采用干熱收縮儀測(cè)試1400dtex/2錦綸66簾線收縮率與溫度的關(guān)系，如圖2所示。從圖2可以看出，簾線收縮率隨溫度升高而增大。

圖2 簾線收縮率與溫度的關(guān)系曲線

2.2.2 簾線收縮力

采用干熱收縮儀測(cè)試1400dtex/2錦綸66簾線收縮力與溫度的關(guān)系，如圖3所示。從圖3可以看出，簾線收縮力隨溫度升高而增大。

圖3 簾線收縮力與溫度的關(guān)系曲線

2.2.3 胎體最高溫度

通過熱電偶測(cè)溫法測(cè)量輪胎硫化過程中溫度的變化情況，應(yīng)用等效硫化效應(yīng)理論，推算出等效硫化時(shí)間，以此來(lái)確定輪胎各部位（見圖4）的硫化程度與膠料的硫化匹配情況。這里將胎體硫化測(cè)溫點(diǎn)所測(cè)得的最高溫度作為輪胎出模時(shí)胎體的最高溫度，從而確定該溫度下保證簾線不收縮所需的最小后充氣壓力。

圖4 輪胎測(cè)溫點(diǎn)埋線位置示意

硫化結(jié)束出模時(shí)輪胎各測(cè)溫點(diǎn)的最高溫度如表1所示。從表1可以看出，輪胎出模時(shí)胎體最高溫度為156.7 ℃。

表1 硫化結(jié)束出模時(shí)輪胎各測(cè)溫點(diǎn)的最高溫度 ℃

2.2.4 輪胎溫度隨后充氣時(shí)間的變化情況

輪胎安裝在后充氣卡盤裝置后，分別在輪胎上下模胎面區(qū)域、上下模胎圈區(qū)域（表面）、上下模胎肩區(qū)域周向三等分位置設(shè)置6個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，從輪胎出模開始每隔5 min測(cè)量溫度變化情況，結(jié)果如表2所示。輪胎溫度與后充氣時(shí)間的關(guān)系曲線如圖5所示。

表2 后充氣過程輪胎各測(cè)溫區(qū)域的平均溫度 ℃

圖5 輪胎溫度與后充氣時(shí)間的關(guān)系曲線

由表2和圖5可以看出，輪胎溫度隨著后充氣時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸降低，降低至環(huán)境溫度所需要的時(shí)間為95 min。

2.3 后充氣壓力和時(shí)間的確定

由表1可知，輪胎出模時(shí)測(cè)得的胎體最高溫度為156.7 ℃；由圖3可知，160 ℃時(shí)簾線收縮力為4.69 N；由圖1可知，充氣壓力為200 kPa時(shí)，胎體簾線張力為5.7 N，即在該充氣壓力下簾線張力大于簾線收縮力。為消除測(cè)量誤差帶來(lái)的影響，保證簾線在充氣壓力下張力大于收縮力，取值可以留有余量。由圖3可知，在170 ℃時(shí)簾線收縮力為5.31 N，仍小于200 kPa充氣壓力下的簾線張力。

根據(jù)熱電偶測(cè)溫結(jié)果，通過等效硫化效應(yīng)理論計(jì)算出輪胎正硫化時(shí)間為138 min。由圖5可知，胎圈區(qū)域溫度下降速率較快，其次為胎肩區(qū)域，胎面區(qū)域溫度下降速率較慢。由表2可知，輪胎溫度下降至室溫需要95 min。輪胎熱電偶測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)顯示，胎體溫度降至輪胎表面溫度需要38～43 min，簾線溫度下降趨勢(shì)與輪胎表面溫度相符。因此輪胎硫化后充氣時(shí)間選取為1個(gè)硫化周期即138 min，可以保證輪胎冷卻至環(huán)境溫度。

綜上所述：輪胎最小硫化后充氣壓力設(shè)為200 kPa，可以保證輪胎在胎體溫度為160～170 ℃時(shí)出模胎體簾線不產(chǎn)生熱收縮；硫化后充氣時(shí)間控制在1個(gè)硫化周期，可以保證輪胎冷卻至環(huán)境溫度。

3 成品輪胎性能

3.1 外緣尺寸

確定輪胎硫化后充氣壓力及時(shí)間分別為200 kPa和138 min，根據(jù)GB/T 9747—2008，測(cè)量3條輪胎的充氣外緣尺寸，結(jié)果如表3所示。

表3 輪胎的充氣外緣尺寸 mm

從表3可以看出，3條輪胎的充氣外直徑和充氣斷面寬均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，且數(shù)據(jù)一致性較好，表明設(shè)定的硫化后充氣壓力和時(shí)間可以保證輪胎充氣外緣尺寸的穩(wěn)定性。

3.2 動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)

按照GB/T 9747—2008，并根據(jù)CTSO-C62e規(guī)定的61次動(dòng)態(tài)試驗(yàn)要求，對(duì)測(cè)量完充氣外緣尺寸的3條輪胎進(jìn)行50次正常起飛試驗(yàn)、8次正常滑行試驗(yàn)、2次1.2倍超載滑行試驗(yàn)和1次1.5倍超載起飛動(dòng)力試驗(yàn)。輪胎在動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)機(jī)上的安裝如圖6所示。

圖6 輪胎在動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)機(jī)上的安裝示意

3條輪胎均完成61次動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)，胎面完好，輪胎與輪輞間無(wú)滑移，均通過試驗(yàn)。試驗(yàn)后測(cè)量3條輪胎的外直徑分別為677.4，677.3和677.5 mm，斷面寬分別為189.7，189.5和189.3 mm。

4 結(jié)論

（1）錦綸66簾線的收縮率和收縮力隨溫度升高而增大。

（2）輪胎硫化后充氣壓力選取原則為：簾線在該充氣壓力下的張力不小于在出模溫度下的簾線收縮力；后充氣時(shí)間選取原則為：輪胎內(nèi)外溫度降至室溫所需要的時(shí)間。

（3）27×7.7－15航空輪胎最小后充氣壓力設(shè)定為200 kPa，可以保證輪胎在胎體溫度為160～170 ℃時(shí)出模胎體簾線不產(chǎn)生熱收縮；后充氣時(shí)間設(shè)定為1個(gè)硫化周期即138 min，可以保證輪胎冷卻至環(huán)境溫度。

（4）成品輪胎充氣外緣尺寸及動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了后充氣壓力和時(shí)間選取的合理性，輪胎充氣外緣尺寸一致性較好。