315/70R22.5 NHS小型輪式挖掘機全鋼工程機械子午線輪胎的設(shè)計

裴權(quán)華，王曉娟，王若飛，周亞兵

（風神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

隨著國內(nèi)外中小型工程項目的增加，小型與微型挖掘機的使用越來越廣泛，其中輪式挖掘機適用于城市路面、建筑工地以及混凝土攪拌站等處的維修或工作，便于車輛快速移動，且駕駛舒適性較好[1-4]。目前，國際品牌如CAT，VOLVO和DOOSAN等主機廠都有輪式挖掘機的需求，且正在日益增大。國內(nèi)三一重工股份有限公司、徐工集團工程機械有限公司等大型主機廠也在逐步開發(fā)不同型號的輪式挖掘機[5-10]。

為滿足市場需求，我公司開發(fā)了315/70R22.5 NHS 22PR（以下簡稱315/70R22.5）小型輪式挖掘機全鋼工程機械子午線輪胎，下面將輪胎的設(shè)計情況簡要介紹如下。

1 技術(shù)要求

根據(jù)《美國輪胎輪輞協(xié)會標準年鑒（TRA）》和《歐洲輪胎輪輞技術(shù)組織標準手冊（ETRTO）》，確定315/70R22.5全鋼工程機械子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)為：標準輪輞寬度 228.6～571.5 mm（9.00～22.5英寸），充氣外直徑（D′） 1 024（1 000.73～1 027.28） mm，充氣斷面寬（B′）318（299.52～324.48） mm，標準充氣壓力 850 kPa，標準負荷 4 250 kg。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

由于子午線輪胎冠部具有周向帶束層箍緊胎體，輪胎的外直徑膨脹率（D′/D）非常小，在保證輪胎負荷能力并滿足國家標準的前提下，D取值應(yīng)盡可能小些，便于輪胎的裝配和降低設(shè)計成本。經(jīng)綜合考慮，本次設(shè)計D′/D取1.000 6，D為1 023 mm，斷面寬膨脹率（B′/B）取1.01，B為315 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h是決定輪胎胎冠形狀的主要參數(shù)。行駛面的形狀對胎面的耐磨性能、牽引性、轉(zhuǎn)向性及生熱等多項使用性能有直接影響。增大b和減小h能提高輪胎胎面的耐磨性能，但h的減小會影響輪胎接地印痕（特別對于低斷面輪胎），從而影響胎面壓力分布。對于70，80系列及以上規(guī)格輪胎，b/B一般取0.75～0.85為宜。h與b和斷面高（H）有關(guān)，為保證輪胎與路面在b范圍內(nèi)有最大的接地面積，一般h/H取0.03～0.05為宜。根據(jù)我公司設(shè)計經(jīng)驗，本次設(shè)計b和h分別為310和9 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

本次設(shè)計輪胎屬于無內(nèi)胎全鋼子午線輪胎，主要通過d與輪輞直徑的過盈配合設(shè)計和胎趾角度等因素來保證輪胎與輪輞的緊密配合。根據(jù)我公司經(jīng)驗，本次設(shè)計d取570.5 mm，與相同產(chǎn)品保持一致，同時胎圈底部傾斜角比輪輞底座傾斜角略大。為達到分散胎圈部位應(yīng)力、減少胎圈部位缺陷的目的，本次設(shè)計采取加大12.7 mm（0.5英寸）設(shè)計C值，C取247 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

輪胎H1/H2位于輪胎斷面最寬處，是輪胎負荷下變形和屈撓最大的區(qū)域。為減小下胎側(cè)和胎圈部位因應(yīng)力集中造成的損壞風險，本次設(shè)計H1/H2取0.87。

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

綜合考慮胎面花紋對輪胎耐磨性能、牽引力、操縱穩(wěn)定性和自潔性等性能的影響，本次設(shè)計采用牽引型有向花紋，花紋深度為21 mm，花紋周節(jié)數(shù)為27，花紋飽和度為45%。該花紋主要特點為自潔性能良好，可以提供優(yōu)異的牽引性能及操作舒適性，滿足最高車速（40 km·h-1）下的連續(xù)作業(yè)，提升作業(yè)效率。

胎面花紋展開如圖2所示。

圖2 胎面花紋展開示意

3 施工設(shè)計

3.1 胎面

胎面膠采用專用配方，耐磨性能突出，特別適用于建筑工地和混凝土等路面的作業(yè)環(huán)境。胎面采用擠出后在成型過程中貼合的方式，胎面結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 胎面結(jié)構(gòu)示意

3.2 胎體

為保證膠料與鋼絲簾線良好粘合以及高耐疲勞性能，采用強度高、膠料滲透性能好的鋼絲簾線，本次設(shè)計采用3＋8×0.21ST鋼絲簾線，胎體安全倍數(shù)達到8.45，滿足設(shè)計要求。

3.3 帶束層

帶束層的剛性對輪胎使用性能影響很大，帶束層應(yīng)有足夠的剛性，防止胎冠部位的伸張，保證輪胎操縱穩(wěn)定性和耐磨性能。

根據(jù)我公司經(jīng)驗，本次設(shè)計采用兩層帶束層結(jié)構(gòu)，兩層帶束層均為工作層，承受大部分應(yīng)力，是保證帶束層剛性的關(guān)鍵組成部分。帶束層采用3＋8×0.33HT鋼絲簾線，安全倍數(shù)為5.8，滿足設(shè)計要求。

3.4 胎圈

胎圈采用直徑為1.65 mm的鍍銅胎圈鋼絲，覆膠后直徑為1.8 mm，共58根，采用15°斜六邊形排列結(jié)構(gòu)，排列方式為7-8-9-10-9-8-7，胎圈鋼絲外表面用錦綸簾布纏繞，確保胎圈有足夠的強度和剛性，設(shè)計安全倍數(shù)達到2.7，滿足設(shè)計要求。

3.5 成型和硫化

成型采用天津賽象科技股份有限公司的兩鼓一次法成型機，采用膠囊式反包成型鼓；計算機和光電子系統(tǒng)控制所有部件的貼合位置定位，設(shè)備工藝參數(shù)穩(wěn)定，定位精度高，成型部件貼合密實。

硫化采用B型雙模硫化機，硫化條件為：上下熱板溫度 151 ℃，循環(huán)水壓力 2.6 MPa，溫度160 ℃，總硫化時間 68 min。

4 有限元模擬分析

通過有限元技術(shù)對輪胎進行靜態(tài)模擬分析，驗證輪胎的充氣輪廓尺寸和骨架材料受力，并通過輪胎接地印痕的模擬進行分析和優(yōu)化。

輪胎有限元分析結(jié)果如圖4—6所示。

圖4 輪胎充氣輪廓示意

圖5 胎圈過盈示意

圖6 輪胎接地印痕示意

從圖4—6可以看出，輪胎的充氣輪廓尺寸、骨架材料受力和接地印痕均滿足設(shè)計要求。

5 成品性能

5.1 外緣尺寸

安裝于標準輪輞上的成品輪胎在標準充氣壓力下的D′和B′分別為1 025和319 mm，均滿足國家標準和設(shè)計要求。

5.2 物理性能

成品輪胎胎面膠物理性能試驗結(jié)果見表1。

表1 成品輪胎胎面膠物理性能試驗結(jié)果

從表1可以看出，成品輪胎胎面膠物理性能達到國家標準要求。

5.3 耐久性能

按照企業(yè)標準要求進行成品輪胎室內(nèi)耐久性試驗，結(jié)果如表2所示。

表2 輪胎耐久性試驗結(jié)果

從表2可以看出，成品輪胎室內(nèi)耐久性試驗累計行駛97 h仍未損壞，成品輪胎耐久性能良好。

6 結(jié)語

我公司315/70R22.5小型輪式挖掘機無內(nèi)胎全鋼工程機械子午線輪胎的充氣外緣尺寸、物理性能和耐久性能均滿足相應(yīng)設(shè)計及國家標準和企業(yè)標準要求，生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，市場競爭力強。該產(chǎn)品滿足40 km·h-1的最高車速連續(xù)作業(yè)要求，胎肩采用特殊的防擦臺設(shè)計，能有效避免小碎石塊進入輪胎雙胎內(nèi)側(cè)，可有效保護胎側(cè)區(qū)域，減少劃傷。該產(chǎn)品于2020年年初開發(fā)完成，目前已批量投入市場，為公司帶來了明顯的經(jīng)濟增長。