工程車輛翻新輪胎接地力學(xué)特性分析

齊　鵬，王　強(qiáng)，王云龍，齊曉杰，楊　兆， 王國(guó)田

(1.哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150081；2.黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

近年來(lái)，隨著礦山開(kāi)采、建筑施工等行業(yè)的迅速發(fā)展，工程車輛輪胎的需求量也與日俱增，工程車輛輪胎通常在土石方等露天礦采區(qū)作業(yè)，承載大、頻繁起動(dòng)且制動(dòng)多、受凸起物沖擊力大，廢舊輪胎的產(chǎn)生率較快且量較大[1-3]。一條工程車輛輪胎的耗膠量占整個(gè)輪胎耗膠量的15%左右，因此，提高廢舊工程車輛輪胎的翻新率，可有效提高廢舊工程車輛輪胎的利用率，有利于節(jié)約橡膠資源并促進(jìn)綠色環(huán)保，“黑色污染”將會(huì)有效轉(zhuǎn)化為“黑色能源”。目前，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、日本、韓國(guó)以及我國(guó)的研究主要集中在輪胎翻新行業(yè)狀況及相關(guān)政策分析、輪胎翻新工藝技術(shù)、翻新輪胎胎面改性增強(qiáng)技術(shù)等方面[4-6]。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家和我國(guó)均對(duì)車輛輪胎及翻新輪胎進(jìn)行了大量研究，但對(duì)工程車輛翻新輪胎使用中呈現(xiàn)出的宏觀及微觀力學(xué)性能研究不多，除了本文作者及課題組近年來(lái)相關(guān)研究外還未見(jiàn)任何成果發(fā)表。工程輪胎翻新基礎(chǔ)技術(shù)缺乏，其在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)胎面不耐磨、易崩花掉塊、甚至出現(xiàn)胎面脫層、被壓爆及刺爆的損壞形式，嚴(yán)重影響了其推廣應(yīng)用。為此，本文通過(guò)構(gòu)建工程車輛翻新輪胎計(jì)算機(jī)幾何模型、地面力學(xué)接觸模型、有限元分析模型、接地壓力特性試驗(yàn)系統(tǒng)，定性和定量描述和評(píng)價(jià)工程車輛翻新輪胎接地壓力特性，為工程車輛翻新輪胎的性能評(píng)價(jià)研究提供重要的理論指導(dǎo)。

1　工程車輛翻新輪胎靜態(tài)工況三維模型

本文以26.5R25工程車輛翻新輪胎為主要研究對(duì)象，應(yīng)用Pro/E Wildfire軟件構(gòu)建的三維幾何模型如圖1所示，構(gòu)建的接地工況三維裝配模型如圖2所示，主要由胎面、緩沖膠、帶束層、舊胎體、胎側(cè)、 趾口膠、 鋼絲圈及地面組成[7-10]。本文研究的工程翻新輪胎胎面花紋溝較窄(花紋溝面積僅占胎面總面積的5%左右)，將胎面花紋對(duì)性能的影響忽略不計(jì)，故將花紋簡(jiǎn)化處理掉。

圖1　三維幾何模型

圖2　接地工況三維裝配模型

2　工程車輛翻新輪胎與地面接觸對(duì)模型

26.5R25翻新輪胎與地面接觸對(duì)模型利用摩擦接觸模型進(jìn)行描述，并應(yīng)用罰函數(shù)法進(jìn)行構(gòu)建，設(shè)置地面為剛性目標(biāo)面、輪胎胎面為柔性接觸面。輪胎受徑向力與切向力共同作用，其中徑向力用式(1)描述，大小與徑向接觸剛度、胎面與地面的間距有關(guān)。切向力可用式(2)來(lái)描述，大小與胎面所處狀態(tài)有關(guān)：當(dāng)胎面處于粘著狀態(tài)時(shí)，其大小與切向剛度、胎面的彈性變形量有關(guān)；當(dāng)胎面處于滑動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其大小與滑動(dòng)摩擦系數(shù)、徑向力有關(guān)[12-15]

(1)

(2)

式中:fn為徑向力，N；fs為切向力，N；Kn為法向接觸剛度，N/mm；C為胎面與地面的間距，mm；Kt為切向剛度，N/mm；ηe為胎面的彈性變形量，mm；μ為滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

3　工程車輛翻新輪胎有限元分析模型

應(yīng)用ANSYS Workbench軟件構(gòu)建有限元模型，如圖3所示，網(wǎng)格劃分采用不同階次的單元形式并進(jìn)行局部細(xì)化，模型由19 976個(gè)自由度、68 377個(gè)節(jié)點(diǎn)、41 554個(gè)單元組成。構(gòu)建與地面的接觸對(duì)模型如圖4所示，剛性地面與柔性輪胎二者之間的接觸摩擦系數(shù)設(shè)定為0.9[16-17]。胎面、緩沖膠、胎側(cè)、趾口膠及鋼絲圈等材料參數(shù)經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得，如表1所示，舊胎體和帶束層的材料參數(shù)經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得，如表2所示，其中胎面、緩沖膠、胎側(cè)、趾口膠應(yīng)用Mooney-Rivlin模型來(lái)模擬，鋼絲圈應(yīng)用Solid單元來(lái)模擬，舊胎體和帶束層采用Layer單元來(lái)模擬。模型中所用單元具有大變形和應(yīng)力硬化功能，計(jì)算過(guò)程分為若干個(gè)子步，每一步實(shí)行平衡迭帶。采用牛頓-拉夫森疊代求解非線性方程組，預(yù)先設(shè)定收斂誤差為0.5。

圖3　有限元模型

圖4　接觸對(duì)模型

材料彈性模量/MPa泊松比密度/(kg/m3)胎面7260481790緩沖膠5940481020胎側(cè)10360481240趾口膠12140481370鋼絲圈212e50297850

表2　舊胎體及帶束層材料參數(shù)

4　工程車輛翻新輪胎接地力學(xué)特性有限元數(shù)值模擬

4.1　接地壓力特性分析

4.1.1接地壓力分布有限元分析

工程翻新輪胎在胎壓600 kPa、載荷135 kN時(shí)接地壓力分布云圖如圖5所示，接地摩擦應(yīng)力分布云圖如圖6所示。由圖5可知，翻新輪胎在接地區(qū)域內(nèi)的壓力分布不均，其最大值為10.503 MPa(發(fā)生在胎肩部位)，其最小值為1.167 MPa(發(fā)生在胎面中心)，接地壓力從胎面中心沿輪胎寬度方向及滾動(dòng)方向均呈現(xiàn)不同程度的增大規(guī)律。由圖6可知，翻新輪胎接地區(qū)域摩擦力呈現(xiàn)不均勻分布規(guī)律，其中最小值為1.94 MPa(發(fā)生在胎面中心)，最大值為8.51 MPa(發(fā)生在胎肩)，摩擦力從胎面中心分布沿輪胎寬度方向及滾動(dòng)方向均呈現(xiàn)不同程度的增大規(guī)律。

工程翻新輪胎胎壓分別為450 kPa、500 kPa、550 kPa、600 kPa，載荷分別為135 kN、155 kN、165 kN及185 kN，在此工況下的接地壓力分布曲線如圖7～圖10所示。

圖5　接地壓力分布云圖

圖6　接地摩擦力分布云圖

圖7　沿輪胎寬度方向(a)及滾動(dòng)方向(b)接地壓力分布(p=450 kPa)

圖8　沿輪胎寬度方向(a)及滾動(dòng)方向(b)接地壓力分布(p=500 kPa)

圖9　沿輪胎寬度方向(a)及滾動(dòng)方向(b)接地壓力分布(p=550 kPa)

圖10　沿輪胎寬度方向(a)及滾動(dòng)方向(b)接地壓力分布(p=600 kPa)

4.1.2接地壓力分布測(cè)試

測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖11所示，測(cè)試系統(tǒng)基本組成如圖12所示，工程翻新輪胎4固定在旋轉(zhuǎn)主軸3上，應(yīng)用壓縮機(jī)1對(duì)翻新輪胎4充氣到合適胎壓，加載平板8與翻新輪胎接觸用來(lái)模擬路面，數(shù)顯力加載器6完成載荷的施加，通過(guò)膜片式壓力傳感器9測(cè)得的接地壓力分布結(jié)果如圖13所示。

圖11　測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

1—壓縮機(jī)　2—立柱　3—旋轉(zhuǎn)主軸　4—翻新輪胎　5—胎壓計(jì)　6—數(shù)顯力加載器 7—基準(zhǔn)平臺(tái)　8—加載平板　9—膜片式壓力傳感器　10—數(shù)據(jù)顯示器圖12　測(cè)試系統(tǒng)基本組成

4.1.3接地壓力結(jié)果分析

當(dāng)胎壓600 kPa，垂直載荷135 kN、155 kN、165 kN、185 kN時(shí)，將工程翻新輪胎的三維接地壓力與仿真值進(jìn)行對(duì)比，二者的分布規(guī)律及大小基本吻合。由仿真及試驗(yàn)結(jié)果可知，工程翻新輪胎的接地壓力分布近似呈“V”型變化規(guī)律，在輪胎接地中心區(qū)域壓力值最小，沿著輪胎滾動(dòng)周方向呈線性增大趨勢(shì)，在滾動(dòng)方向接地邊緣出現(xiàn)最大值，沿著輪胎胎面寬度方向向胎肩兩側(cè)呈非線性增大趨勢(shì)，在胎肩處出現(xiàn)最大值。當(dāng)載荷不變時(shí)，接地壓力值在胎壓P=450 kPa與P=500 kPa兩種工況下比較接近，隨著胎壓不斷增大，接地壓力也呈現(xiàn)出不斷增大趨勢(shì)。分析結(jié)果表明：工程翻新輪胎胎肩部位所受接地壓力較大，且該部位橡膠層較厚且存在弧形輪廓，較易形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致實(shí)際工作中胎肩部位容易出現(xiàn)崩花掉塊、裂紋、脫層撕裂等損壞現(xiàn)象。

4.2　接地形狀與接地面積特性分析

工程翻新輪胎在胎壓為600 kPa、垂直載荷分別為115 kN、155 kN及185 kN工況下，其接地形狀如圖14所示，輪胎側(cè)滑距離云圖如圖15所示。

圖13　工程翻新輪胎不同載荷下的三維接地壓力分布(p=600 kPa)

圖14　輪胎接地形狀

圖15　輪胎側(cè)滑距離云圖

由圖14可知，工程翻新輪胎接地形狀具有一定對(duì)稱性，接地形狀隨著載荷的增大逐漸發(fā)生變化，當(dāng)載荷較小時(shí)，近似為圓形，隨著載荷的增大，形狀逐漸變?yōu)榻茩E圓形和矩形，當(dāng)載荷增大到一定程度時(shí)，形狀變成近似馬鞍形，且不再發(fā)生變化。由圖15可知，工程翻新輪胎沿著輪胎軸向方向產(chǎn)生了0.08 mm的側(cè)滑距離(較小)，在實(shí)際工作時(shí)可以忽略，這與實(shí)際情況相符。

5　結(jié)　論

1)靜態(tài)接地工況，工程翻新輪胎接地區(qū)域胎面中心點(diǎn)接地壓力及接地摩擦力均最小，二者從胎面中心沿輪胎寬度方向及滾動(dòng)方向均呈現(xiàn)不同程度的增大規(guī)律。

2)工程翻新輪胎接地形狀隨著載荷的增加逐漸發(fā)生變化，載荷較小時(shí)近似為圓形，載荷增大時(shí)近似橢圓形，載荷較大時(shí)近似矩形，最后變成近似馬鞍形。

3)當(dāng)胎壓一定時(shí)，隨著載荷的增加，工程翻新輪胎接地面積逐漸增大，增大趨勢(shì)呈非線性變化規(guī)律。

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