超長運距21.00R35 E2高速工程機械子午線輪胎的開發(fā)

趙 君，張燕龍，殷洪鑫

[泰凱英（青島）專用輪胎技術(shù)研究開發(fā)有限公司，山東 青島 266100]

隨著國內(nèi)外礦產(chǎn)行業(yè)的復(fù)蘇，80 t級重型自卸工程機械車輛相對大中型工程機械車輛的作業(yè)運行更方便快捷，對路況要求不高，并且前期投入較少，因此得到市場的高度認可，受到終端市場的青睞，整個行業(yè)重型自卸工程機械車輛市場保有量以及工程機械輪胎需求量呈現(xiàn)快速增長趨勢。但是，傳統(tǒng)的斜交輪胎存在質(zhì)量缺陷多、使用壽命短的問題，尤其是面對國外部分超長運距的工況條件，即運輸路線的最大單程運距達到100 km，平均運距在20～70 km，車輛行駛速度最大可達75 km·h-1，斜交輪胎因其自身生熱過高，無法滿足此類工況條件，甚至部分子午線輪胎也因生熱高而出現(xiàn)早期肩空、冠空和爆胎等問題，未達到超長運距條件下對工程機械輪胎的性能要求[1-3]。

為滿足客戶需求并提高公司經(jīng)濟效益，本工作研發(fā)超長運距下使用的21.00R35工程機械子午線輪胎，以期解決斜交輪胎生熱高以及子午線輪胎早期肩空、冠空及爆胎等問題，提高產(chǎn)品性能，為客戶創(chuàng)造更高的價值。

1 技術(shù)要求

根據(jù)歐洲輪胎輪輞技術(shù)組織標準手冊（ETRTO—2018）以及美國輪胎輪輞標準協(xié)會標準（TRA—2016），確定21.00R35全鋼工程機械子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)為：標準輪輞 15.00/3.0，充氣外直徑（D′） 2 004（1 970.6～2 037.5） mm，充氣斷面寬（B′） 572（554.8～623.5） mm，標準充氣壓力[適用于E2使用條件（重型自卸車）的輪胎]700 kPa，標準負荷（單胎） 14 500 kg，無內(nèi)胎輪胎，作業(yè)類型為搬運。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計時以經(jīng)典力學原理作為設(shè)計架構(gòu)，以平衡輪廓設(shè)計理論作為數(shù)學模型，利用有限元方法進行模擬分析，同時綜合該車型在用戶端的實際使用情況及作業(yè)條件，優(yōu)化得出本設(shè)計輪胎的D為1 990 mm，B為568 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b是輪胎與地面直接接觸的平面寬度，b和h對輪胎行駛過程中的穩(wěn)定性和耐磨性能有較大影響，因此針對超長運距使用條件，為了保證輪胎的耐磨性能與耐熱性能，在產(chǎn)品設(shè)計時需對輪胎的接地面積進行平衡，結(jié)合有限元分析，對輪胎的接地印痕進行分析優(yōu)化，確定b和h的最佳值，在提升輪胎耐熱性能的同時保證輪胎的耐磨性能。本次設(shè)計b取480 mm，h取13 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

輪胎與輪輞配合的緊密性主要受d和C取值的影響，合適的d和C既可以獲得更好的氣密性、提高胎圈部位的剛性支撐，又能保證輪胎裝卸方便。通常胎圈與輪輞采用過盈配合，本次設(shè)計C在標準輪輞寬度的基礎(chǔ)上增大25.4 mm，取406.4 mm。同時，考慮該車型重載、高速的使用條件，為避免胎圈與輪輞間產(chǎn)生滑移，本次設(shè)計d取882 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸位于輪胎斷面最寬點，也是輪胎斷面最薄、胎側(cè)變形最大的位置，H1/H2的選取對輪胎性能影響較大。H1/H2取值偏小，會導致輪胎胎圈出現(xiàn)較高的疲勞積累，導致輪胎異常損壞；H1/H2取值偏大，易造成輪胎肩部應(yīng)力集中，導致輪胎出現(xiàn)肩空和脫層等問題。工程機械子午線輪胎的負荷較大，H1/H2一般選取0.73～0.90?？紤]到長運距、高速的使用工況，應(yīng)盡量避免肩部應(yīng)力集中，減少生熱，因此本次設(shè)計H1/H2取0.88。

輪胎斷面輪廓如圖1所示。

圖1 輪胎斷面輪廓示意

2.5 胎面花紋

該產(chǎn)品為非公路用途，在超長運距、高速工況下使用，輪胎的散熱性能、耐磨性能、自潔性能、牽引性能須優(yōu)先考慮。因此既要保證輪胎耐熱、耐用，減少輪胎早期失效現(xiàn)象，又要延長輪胎的綜合使用壽命。鑒于工程機械輪胎花紋類型屬于越野花紋，且輪胎適用于山路、礦山、建筑工地、砂地等路面，因此其花紋特點為：（1）行駛面具備良好的牽引性能；（2）較好的耐磨性能；（3）良好的自潔性能，花紋溝不可夾帶石子；（4）較強的抗切割及抗崩花掉塊性能；（5）較好的散熱性能。花紋設(shè)計以高速輪胎花紋為基礎(chǔ)，采用4條主花紋溝槽設(shè)計，同時肩部花紋塊增加散熱孔，以提升輪胎的散熱性能；采用小塊狀花紋，以提升輪胎的牽引性能；縱向花紋塊之間采用加強筋設(shè)計，提升輪胎的抗崩花掉塊性能和耐磨性能；花紋溝底增加防夾石凸臺設(shè)計，以提升輪胎的自潔性能?；y深度取32 mm，花紋飽和度取67.8%，花紋周節(jié)數(shù)取53。

胎面花紋展開示意見圖2，輪胎三維花紋效果見圖3。

圖2 胎面花紋展開示意

圖3 輪胎三維花紋效果

3 施工設(shè)計

3.1 胎面

胎面是輪胎直接接觸地面的部位，對胎面膠的要求一般是使輪胎在行駛時具有良好的耐磨性能、牽引性能及抗刺扎性能。考慮該車型作業(yè)工況及方式的特殊性，結(jié)合競品的主要失效模式，胎面膠選用生熱相對較低、耐磨性能較好、抗刺扎性能優(yōu)異的膠料配方，以保證輪胎在超長運距、高速作業(yè)狀態(tài)下的性能表現(xiàn)良好。對基部膠的要求是生熱低、散熱好、有較高的撕裂強度，且其與帶束層接觸，還應(yīng)具有良好的鋼絲粘合性能，同時要考慮其與帶束層之間的過渡作用，因此選用低生熱、高定伸和抗撕裂的膠料，既有利于降低輪胎在作業(yè)狀態(tài)下的生熱，又保證胎面與帶束層之間具有良好的過渡性能。

3.2 帶束層

全鋼工程機械子午線輪胎一般采用4—6層帶束層結(jié)構(gòu)，最貼近胎體的為1#帶束層。1#和2#帶束層為過渡層；3#和4#帶束層為主要受力層，采用強度高、膠料滲透性好的鋼絲簾線；5#和6#帶束層為保護層，采用高伸長鋼絲簾線。帶束層決定了輪胎性能和使用質(zhì)量。帶束層設(shè)計應(yīng)保證其與胎體簾線有一定的受力分配，以提高輪胎的操縱穩(wěn)定性、耐磨性能和抗刺扎性能[4-11]。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＋0.15NT鋼絲簾線，4#帶束層采用4×6×0.25NT HE鋼絲簾線。帶束層安全倍數(shù)為7.6，滿足標準要求。

3.3 胎體

胎體骨架材料在輪胎中主要起承載的作用，其中反包胎體高度通常高于斷面水平軸，起到保護胎側(cè)，提高承載能力的作用。本次設(shè)計考慮重載車型及使用條件，以充氣后輪胎作為設(shè)計基礎(chǔ)，采用7×7×0.25＋0.15HT鋼絲簾線。胎體安全倍數(shù)為7.1，滿足標準要求。

3.4 胎圈

胎圈主要作用為啟動和制動時，將輪胎緊固在輪輞上，承受輪輞的過盈力。保留傳統(tǒng)工程機械輪胎用六邊形鋼絲圈結(jié)構(gòu)，鋼絲直徑為2.0 mm，覆膠直徑為2.2 mm，胎圈鋼絲根數(shù)為183，胎圈的安全倍數(shù)為9。

3.5 成型

對于成型工藝主要考慮兩點，一是考慮生產(chǎn)效率，盡可能減少生產(chǎn)過程中物料和人力的浪費，二是考慮生產(chǎn)人員的操作便捷性，降低勞動強度，提升生產(chǎn)工藝的準確性。采用一次法成型機進行生產(chǎn)，可一次性完成單胎的生產(chǎn)流程，效率較高。

3.6 硫化

采用單模蒸鍋式硫化機硫化[12-14]。硫化條件為：內(nèi)溫 （173±3） ℃，外溫 （143±3） ℃，內(nèi)壓 （2.8±0.1） MPa，外壓 （0.21±0.02）MPa，總硫化時間 196 min。硫化輪胎外觀質(zhì)量檢測合格，無過硫和缺膠等現(xiàn)象。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

按GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測量方法》測定輪胎外緣尺寸。安裝在標準輪輞上的輪胎在標準充氣壓力下的D′和B′分別為1 996和582 mm，均符合國家標準要求。

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)測試標準進行輪胎耐久性試驗，試驗條件見表1，試驗結(jié)果要求按國家標準完成前3個階段測試后，輪胎無損壞；企業(yè)標準要求測試必須進入第10階段。試驗結(jié)果表明，實際測試中輪胎進入第12階段結(jié)束，累計行駛152 h后輪胎未損壞。輪胎的耐久性能達到企業(yè)標準要求，超過國家標準要求。

表1 輪胎耐久性試驗條件

5 結(jié)語

本次針對超長運距、高速使用條件設(shè)計開發(fā)的21.00R35 E2工程機械子午線輪胎的充氣外緣尺寸滿足國家標準要求，耐久性能滿足企業(yè)標準要求，并且遠高于國家標準要求。該產(chǎn)品投入市場使用一段時間后，客戶反饋使用效果良好，肩空和爆胎損壞比例明顯減小，為此類型的礦用輪胎應(yīng)用提供了有效的解決方案，并為公司帶來了較高的經(jīng)濟效益。