航空子午線輪胎波紋保護層的結構設計和生產工藝

王超群，臧云紅，吳洪全

（青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266400）

2000年7月，協(xié)和飛機制造商歐洲公司（簡稱EADS公司）飛機發(fā)生墜毀事件。在飛機起飛過程中，跑道上的異物造成輪胎爆破，震波傳至油箱使其破裂起火，導致飛機墜毀，機上人員全部遇難。EADS公司原來使用斜交輪胎，輪胎骨架材料抗刺扎特性不足是造成輪胎爆破的主要原因。EADS公司接洽法國米其林公司，米其林公司開發(fā)出接近零膨脹的航空子午線輪胎，優(yōu)化改進輪胎骨架層結構，輪胎膨脹率只有3%，使輪胎抗刺扎性能大大增強，之后該輪胎廣泛應用于空客A340-500/600和380等10多種機型，得到世界多家航空公司認可。

為了提高航空子午線輪胎承受大負荷、大加速度和大沖擊變形的性能，改善輪胎抗外物刺扎和機械損傷性能，需要在環(huán)形筒狀纏繞帶束層外側設計胎體補強材料以起到保護帶束層的作用。

1 波紋保護層的結構

1.1 波紋保護層的設計原理

研究表明，在帶束層外側相對輪胎的赤道面夾角成30°～60°的范圍內，鋪設2層左右方向交叉的有機纖維簾布，能夠較好地保護帶束層并有效防止較小異物侵入。當纖維簾線角度超過30°～60°范圍時，輪胎充氣并負載后可能引起抗切割性能下降。當纖維簾線相對于輪胎赤道面的角度為θ時，簾線在周向上的受力應乘以cosθ，因此可以保證2層加強材料周向剛度較帶束層剛度足夠小，即使輪胎充氣并加大負荷，輪胎徑向膨脹，纏繞筒狀帶束層仍能起到優(yōu)良的保護作用，2層加強材料不會受到大的力，從而保證輪胎具有良好的抗機械損傷性能。

基于以上原理，設計開發(fā)出一組波紋狀高強度纖維簾線經過壓延覆膠且預成型的半成品，其周向層貼在纏繞筒狀帶束層外側，稱為“波紋保護層”。

1.2 波紋保護層結構設計

波紋保護層的三維效果和局部效果圖分別如圖1和2所示。

波紋保護層是利用特殊用途骨架材料經過特制專用設備壓延而成的用于航空子午線輪胎的專用半成品膠部件[1]。根據不同規(guī)格并排108～120根簾線，間距為2.65～3.6 mm，波幅為7～8 mm，波長為28～35 mm，簾線上下面覆膠，總厚度控制在2.3～3.5 mm。波紋保護層展開如圖3所示。

波紋保護層結構設計和局部放大分別如圖4和5所示。

波紋保護層寬度設計一般大于兩側最外側溝槽，小于胎肩。航空輪胎翻新時要刨除并更換新的波紋保護層。

波紋保護層貼合工藝（見圖6）：波紋保護層平鋪在最外層纏繞帶束層上面的翻新基部膠片上，周向一圈層貼，對接角度為45°，接口部位使用薄膠片包邊，對接接頭并壓實。

2 波紋保護層材料的設計選型

2.1 骨架材料選擇

目前，適合用作波紋保護層的骨架材料有芳綸纖維、鋼絲和聚酮纖維簾線。

2.1.1 芳綸纖維簾線

芳綸纖維及其復合簾線在航空子午線輪胎中應用趨勢日益廣泛。芳綸纖維簾線采用專用配方表面浸漬處理，具有耐高溫、高強度、高模量以及變形小等特性，是目前航空輪胎波紋保護層最理想的骨架材料。

航空子午線輪胎使用的芳綸纖維屬于對位芳酰胺纖維，分子鏈排列呈直線狀，全稱為聚對苯二甲酰對苯二胺（PPTA），是一種新型合成纖維，具有良好的耐老化和絕緣性能。芳綸纖維強度達到19 cN·dtex-1，是鋼絲的5～6倍，模量為鋼絲或玻璃纖維的2～3倍，韌性是鋼絲的2倍，而密度不到鋼絲的1/5，在487 ℃以上碳化，不分解、不熔化。1972年，杜邦公司最早生產出各種用途的PPTA纖維，商品名為Kevlar，我國分別于1981和1985年生產芳綸14和芳綸1414。

芳綸纖維具有顯著的性能優(yōu)勢，但缺陷也非常明顯。由于分子呈沿軸向排列的規(guī)則褶疊層結構，因此芳綸纖維存在表面化學惰性、抗壓縮性能差的問題，提高芳綸纖維簾線與橡膠的粘合性能成為波紋保護層骨架材料必須解決的技術難題，可采用如下措施。

（1）纖維表面的粘合活化可提高纖維的粘合強度，例如用氨氣和氧氣等氣體對芳綸纖維進行等離子體改性處理；用酰氯類、酸堿類等化學刻蝕劑處理芳綸表面使其發(fā)生水解，生成可與橡膠分子反應的—COOH、—OH等極性基團[2]。

（2）簾線二浴浸漬法是目前芳綸纖維簾線供貨廠家普遍采用的方法，用環(huán)氧樹脂、異氰酸酯、離子型聚氨酯的粘合活化劑作底涂，間苯二酚-甲醛-膠乳（RFL）浸漬液作表涂[3]。

（3）采用適當?shù)恼澈象w系，通過配方改進可以將芳綸纖維簾線與膠料的粘合性能提高20%以上。

2.1.2 鋼絲簾線

航空子午線輪胎波紋保護層所用鋼絲簾線規(guī)格可以按照子午線輪胎常用鋼絲簾線規(guī)格進行選取，選擇原則是：鋼絲直徑小、強度高、根數(shù)盡量少、鍍銅量嚴格限制，選擇開放或半開放型鋼絲簾線結構，鋼絲與膠料粘合性能相對較高[4]。

鋼絲簾線通常選擇強制機械變形時不分叉、有2種捻向的鋼絲簾線，以防止在壓制成波浪形鋼絲過程中散開；選擇耐沖擊鋼絲簾線意味著鋼絲簾線抗拉強度大，壓制波浪線過程不便控制成型。

鋼絲簾線的生產工藝流程為：盤條→粗絲拉拔→中絲氣體保護熱處理→中絲拉拔→電鍍黃銅→單絲拉拔→捻股→外繞→重卷→包裝，關鍵工序是電鍍黃銅和單絲拉拔。

盤條是生產鋼絲簾線的原料，其力學性能對于波紋保護層鋼絲選材起著關鍵性作用，一般鋼絲中含碳量越高，抗拉強度越大，用作波紋保護層的鋼絲原料盤條一般選取LX80B等級及以上盤條，抗拉強度在1 070～1 350 MPa。

在中絲拉拔的鋼絲上鍍上一層合金黃銅，其主要作用是提高鋼絲簾線與橡膠之間的粘合力。GB/T 11181—2016中對不同直徑鋼絲含銅組分、鍍層厚度有嚴格規(guī)定。一般來說，低銅鍍層鋼絲簾線與橡膠的粘合性能遠優(yōu)于高銅鍍層鋼絲簾線[5]。

單絲拉拔就是把電鍍黃銅的鋼絲拉拔成0.22，0.25和0.28 mm等不同直徑的單絲，高強度鋼絲簾線生產過程有3次拉拔，在工藝計算中要考慮總壓縮率和部分壓縮率的分配問題。高強度鋼絲簾線單絲的抗拉強度、屈服強度比普通強度鋼絲簾線高10%以上[6]。

高強度鋼絲簾線在壓制波紋線過程中，單絲強度高、殘余應力和形狀控制難度大，對壓制鋼絲波紋保護層的特種壓延機提出更高的技術性能要求。

2.1.3 聚酮纖維簾線

聚酮纖維是由一氧化碳和乙烯合成的新型綠色材料。聚酮纖維沖擊強度比錦綸和聚酯纖維高230%，與錦綸66拉伸強度相當，但聚酮纖維在足夠的拉伸強度下具有優(yōu)異的沖擊強度和伸長率，極高的耐磨性能、韌性和彎曲模量；抗化學介質（酸堿溶液）性能穩(wěn)定，熱變形溫度是200 ℃，與錦綸66相當，優(yōu)于錦綸6、聚酯和聚甲醛等材料[7]。

聚酮纖維生產可以采用溶液紡絲法，但最經濟可行的途徑是熔紡法，可以在短暫超過聚酮熔點（220 ℃）40 ℃的情況下熔紡成單絲和復絲。

在高溫時聚酮纖維簾線與橡膠的粘合性能比芳綸纖維簾線高，將聚酮纖維簾線用作波紋保護層骨架材料，既可以保持與芳綸簾線同等的抗切割性能，還能作為帶束層和胎面之間過渡層，提高層間抗剝離性能。用于波紋保護層的聚酮纖維簾線的拉伸強度應大于5 cN·dtex-1、初始模量大于21 cN·dtex-1，定伸應力大于1 cN·dtex-1[8]。

2.1.4 綜合性能對比

幾種骨架材料的綜合性能對比如表1所示。

表1 幾種骨架材料的綜合性能對比

錦綸66的拉伸強度、張力模量明顯偏低，顯然不適合用作波紋保護層骨架材料。芳綸纖維的拉伸強度和張力模量最高，驗證了上述高強度、高模量、低密度、耐高溫等性能特點。但芳綸纖維的明顯缺陷是抗壓縮變形性能差，抗扭轉性能差，不耐加捻，捻度越大，強度損失越大，因此芳綸纖維不適合直接用在航空輪胎胎體變形特別大的部位，而且芳綸纖維簾線與橡膠的粘合性能需要大大提高。目前，國內芳綸生產企業(yè)通常采用二浴浸漬方法，結合橡膠配方的改善，芳綸纖維簾線用作波紋保護層骨架材料成為航空子午線輪胎廠家的普遍工藝。

聚酮纖維綜合性能優(yōu)異，適合用作波紋保護層骨架材料。聚酮纖維簾線目前在國內尚處于試制驗證階段，沒有形成批量化生產，但其是替代芳綸纖維簾線用于波紋保護層的理想骨架材料。

鋼絲密度最大，這無疑對航空子午線輪胎輕量化造成較大風險，鍍銅鋼絲簾線與橡膠的粘合性能較芳綸優(yōu)越。目前，美國固特異公司的航空子午線輪胎普遍采用鋼絲簾線作為波紋保護層骨架材料。鋼絲簾線在拉伸強度和斷裂伸長率等方面表現(xiàn)差，決定了鋼絲簾線經過波紋壓制處理后僅用在航空子午線輪胎波紋保護層部位。

以某規(guī)格民用航空子午線輪胎為例，不同骨架材料波紋保護層的具體參數(shù)如表2所示。

表2 不同骨架材料航空子午線輪胎波紋保護層的參數(shù)

從表2可以看出，鋼絲簾線直徑較小，但質量較芳綸纖維簾線仍高54%，與航空輪胎輕量化設計方向相悖。

2.2 膠料配合體系

3種骨架材料與膠料的粘合性能不同，配合體系差異明顯，以芳綸簾線與膠料的粘合體系為例進行論述。

芳綸簾線與橡膠的粘合強度要求不小于200 kN·m-1，配方為：橡膠 100，補強劑 40～50，硫化活性劑 5～7.5，防老劑 2～4.5，粘合樹脂1～2.5，亞甲基給予體 3～4.5，不溶性硫黃3～5，促進劑 1～1.8，防焦劑 0.1～0.4。

配合體系中基體橡膠選擇標準煙膠片（優(yōu)選泰國標準1#煙膠片），其塑性初值≥40.0，塑性保持率≥60.0%，門尼粘度[ML（1＋4）100 ℃]為83±10。加強波紋保護層中膠料與芳綸纖維簾線的粘合性能可以提高輪胎抗刺扎性能，改善應力分布。

補強劑選擇炭黑，硫化活性劑選擇以鋅錠為原料間接法生產的氧化鋅，防老劑選自對苯二胺類防老劑與喹啉類防老劑的混合物，促進劑選擇N-叔丁基-2-苯并噻唑次磺酰胺，粘合樹脂優(yōu)選間苯二酚-甲醛樹脂配合亞甲基給予體RA65（HMMM質量分數(shù)為0.65，白炭黑質量分數(shù)為0.35），兩者形成間-甲粘合體系，以提升橡膠與簾線的粘合力。防焦劑優(yōu)選CTP（N-環(huán)己基硫代鄰苯二甲酰亞胺），有利于提高膠料的加工安全性。

3 波紋保護層的生產及應用

我公司開發(fā)了一種壓延法生產航空子午線輪胎波紋保護層的工藝技術，波紋保護層壓延機是我公司與設備廠家共同開發(fā)的特制壓延技術裝備。

3.1 生產工藝流程

波紋保護層壓延工藝流程如圖7所示。

錠子架有135個工位，每排45個工位，橫向共3排，需要投用108～120個工位，壓延108～120根簾線、最大寬度為410 mm的波紋保護層，每個工位可將芳綸簾線張力控制在2.0～3.5 N。

所有簾線經過整形架后，呈“一”字排列，簾線間距控制在2.65～3.6 mm，公差為±0.1 mm，壓延過程中無需調整簾線間距，整形效果一次到位。

排列整齊、張力控制統(tǒng)一的簾線由3a（波形擺動裝置）進入壓延主機，定位精度要求非常高，壓出波形公差控制在0.1 mm，由伺服電機驅動擺形架左右勻速、往復運動。調整伺服電機擺動頻率與主機輥筒轉動速度，使其速度匹配，簾線壓延后波形波幅控制在7～8 mm，波長控制在28～35 mm。壓延主機的兩個主輥筒3b和3c相對旋轉，調節(jié)兩輥筒的間距可控制波紋保護層的壓延厚度，厚度控制在2.3～3.5 mm，公差控制在±0.15 mm。兩個主輥筒通入蒸汽加熱，控制壓延工藝溫度，輥筒溫度控制在120～130 ℃，經過加熱的膠片溫度控制在90～100 ℃。3f為上層膠片供料卷，上層膠片經過傳送輥、預熱輥筒3d（預熱溫度120～130 ℃），從3b上部進入，3b順時針旋轉；3g為下層膠片供料卷，下層膠片經過傳送輥、預熱輥筒3e（預熱溫度120～130 ℃），從3c下部進入，3c逆時針旋轉；經過定寬壓制、到達預熱溫度的上、下兩層膠片與經過3a擺線的簾線一同進入3b和3c之間完成壓延。壓延主機為波紋保護層壓延機核心部件，集機械、電氣、程序控制于一體，經過周密計算分析數(shù)據，才可滿足半成品壓延工藝技術要求。

壓延后的波紋保護層在冷卻牽引裝置的牽引力作用下經過冷卻、修邊，完成半成品壓延工作。

卷曲裝置5分成前后兩個卷曲工位5a和5b，可實現(xiàn)半成品膠部件不停機卷曲工作，卷曲速度控制在15～30 m·h-1。

航空子午線輪胎波紋保護層由專用波紋保護層壓延機生產，壓延后半成品膠部件外觀平整，符合工藝、技術要求，線距均勻、波形一致，無并線、壓壞、缺膠、露線等質量缺陷。

3.2 性能驗證

航空子午線輪胎波紋保護層應具有拉伸強度高、定伸應力和撕裂強度較高、壓縮疲勞生熱低的性能特點。波紋保護層的最重要作用是作為航空輪胎防刺扎層，束緊帶束層，有效提高帶束層寬度上應力分布的均勻性，降低帶束層邊緣應力，從而解決帶束層邊緣脫空現(xiàn)象。

帶束層部件在全部寬度范圍內沿周向的總強度Tbelt（單位為N）滿足式（1）和（2）[9]。

式中：W為充氣輪胎寬度，m；D為充氣輪胎外直徑，m；Tbw為波紋保護層周向斷裂強度，N。

以某航空子午線輪胎為例，波紋保護層使用芳綸纖維簾線，規(guī)格為3360dtex/3，簾線直徑為1.25～1.35 mm，拉斷伸長率為3.5%～6.5%，斷裂強度≥1 500 N，芳綸纖維簾線根數(shù)為115。該輪胎Tbw為1.73×105N。

帶束層采用纏繞8層設計，各帶束層設計寬度自中心向外側依次為375，375，355，355，335，335，315和315 mm，每根帶束條寬度為10 mm，由7根簾線均勻排列，使用芳綸纖維/錦綸混合簾線1660dtex/2＋N66 2100dtex/1，斷裂強度＞600 N，帶束層纏繞角度θ為12°，計算得到Tbelt為1.13×106N。

D為1.2 m，W為0.48 m，代入公式（1）和（2），結果均滿足設計要求。

芳綸纖維簾線的100 N定負荷伸長率和干熱收縮率較低，100 N定負荷伸長率為0.3%～0.9%，與橡膠的粘合強度≥200 kN·m-1，1%定伸長負荷≥150 N，干熱收縮率≤0.5%。采用本方案設計波紋保護層所制成的航空輪胎安全強度進一步提升，尺寸穩(wěn)定性好，滿足航空輪胎高速、抗沖擊的性能。

4 結語

采用本設計方案波紋保護層研制的某規(guī)格航空子午線輪胎經過動態(tài)模擬試驗，試驗結果滿足中國民航總局（CAAC）的技術標準要求，通過中國技術標準規(guī)定（CTSO）和航空輪胎標準GJB 108B動態(tài)模擬試驗測試。

法國米其林、日本普利司通、美國固特異等國際著名航空子午線輪胎品牌都普遍應用波紋保護層，國內尚處于研發(fā)、產品性能驗證階段。應用不同的骨架材料都需要解決好抗沖擊、抗刺扎、輪胎輕量化、增強骨架材料與膠料的粘合性能、降低生產成本等方面的問題，這也是未來一段時期航空子午線輪胎主要的技術研發(fā)方向。