200/50-10 6.50F M2高性能叉車充氣式實(shí)心橡膠輪胎的設(shè)計(jì)

宋國(guó)星，孔延坤

[特瑞堡輪胎工業(yè)（河北）有限公司，河北 邢臺(tái) 054000]

叉車使用極為廣泛，尤其在港口碼頭是主力車輛，工廠的貨物搬運(yùn)都必不可少地使用叉車。據(jù)中國(guó)叉車后市場(chǎng)聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)，叉車市場(chǎng)保有量不少于260萬(wàn)臺(tái)，輪胎使用更換周期在8個(gè)月左右，輪胎需求量很大。充氣輪胎因需要經(jīng)常維護(hù)充氣壓力、抗刺扎性能差和壽命短等造成維修維護(hù)費(fèi)用高，因此我公司設(shè)計(jì)了M2系列叉車專用充氣式實(shí)心橡膠輪胎?，F(xiàn)以200/50-10 6.50F M2高性能叉車充氣式實(shí)心橡膠輪胎為例，介紹產(chǎn)品的設(shè)計(jì)情況。

1 技術(shù)要求

為使輪胎在中國(guó)市場(chǎng)和國(guó)外市場(chǎng)能夠通用，根據(jù)GB/T 10823—2020《充氣輪胎輪輞實(shí)心輪胎規(guī)格、尺寸與負(fù)荷》和歐洲輪胎輪輞技術(shù)組織標(biāo) 準(zhǔn)ETRTO—2020，200/50-10 6.50F M2高性能叉車充氣式實(shí)心橡膠輪胎主要技術(shù)參數(shù)確定為：標(biāo)準(zhǔn)輪輞 6.50F-10，充氣外直徑（D′） 456（453～462） mm，充氣斷面寬（B′） 200 （197～205） mm，行駛速度為10 km·h-1時(shí)標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷 2 910 kg。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

D和B是輪胎承載能力和成本的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，通過(guò)采集大量同類產(chǎn)品數(shù)據(jù)、走訪叉車市場(chǎng)、了解競(jìng)品輪胎數(shù)據(jù)和輪胎損壞類型，應(yīng)用充氣式實(shí)心橡膠輪胎設(shè)計(jì)仿真軟件，通過(guò)輸入不同膠料性能及不同D和B等參數(shù)值，選取最優(yōu)的D和B值。本次設(shè)計(jì)D取460.2 mm，B取203 mm，輪胎外直徑收縮率（D′/D）為0.991，斷面寬收縮率（B′/B）為0.985。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h是決定胎冠形狀的主要參數(shù)，合理取值對(duì)輪胎的牽引性能、接地性能和耐偏磨性能影響很大。由于叉車在載貨時(shí)速度較低、空車返回時(shí)速度在15 km·h-1以上，充氣式實(shí)心橡膠輪胎變形較小，要求輪胎具有較高的牽引性能和通過(guò)性。適當(dāng)增大b，可以增大接地面積，減小單位面積接地壓力，提高輪胎的抗切割性能和行駛安全性。b的確定以參考輪輞寬度（Rm）為基礎(chǔ)，一般情況下，對(duì)于508 mm（20英寸）以下輪胎，b＝Rm±16 mm；對(duì)于508 mm（20英寸）以上輪胎，b＝Rm±33 mm。然后結(jié)合實(shí)際路況確定具體數(shù)值，在較好路況條件下，b取值較小，在較差和惡劣路況條件、速度較低時(shí)，b取值較大。

h的取值與b值相關(guān)聯(lián)，b值較大時(shí)，相應(yīng)h值較大。同時(shí)h取值必須考慮與行駛面弧度半徑、防擦線部位寬度和斷面高（H）的協(xié)調(diào)配合關(guān)系。本次設(shè)計(jì)b取177.6 mm，h取3.86 mm，b/B為0.875，h/H為0.035 7，胎面冠部一般采用一段弧線加直線結(jié)構(gòu)[1-3]。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

根據(jù)GB/T 12939—2020《工業(yè)車輛輪輞規(guī)格系列》中6.50F-10平底5°輪輞曲線設(shè)計(jì)胎圈寬度。由于輪胎裝配于平底輪輞，因此胎圈必須與輪輞緊密配合，保證輪胎行駛時(shí)不打滑，且裝卸方便。本次設(shè)計(jì)采用過(guò)盈配合，標(biāo)準(zhǔn)輪輞直徑為253.2 mm，d取245 mm，保證輪胎與輪輞緊密配合。此外，合理設(shè)計(jì)輪緣高度和胎圈配合部位的半徑，使胎圈部位曲線與輪緣曲線吻合，起到保護(hù)輪緣的作用，標(biāo)準(zhǔn)輪輞寬度為165 mm，本次設(shè)計(jì)C取172 mm[4]。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

為了擴(kuò)大輪胎的使用范圍，通過(guò)更換模具STD（適用于標(biāo)準(zhǔn)輪輞）鋼圈和LOC（適用于無(wú)鎖圈充氣式實(shí)心輪胎輪輞）鋼圈，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)兩種充氣式實(shí)心橡膠輪胎。本次設(shè)計(jì)STD和LOC輪胎的H1和H2取值是一致的。

H1/H2的取值對(duì)輪胎整體性能影響很大，根據(jù)輪胎的使用條件、應(yīng)力分布情況及輪廓扁平的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為避免輪胎中間層膠料生熱過(guò)大，H1/H2的取值結(jié)合耐磨層、中間層和基部膠的分布、變形、生熱和受力特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)H1取48.11 mm，H2取59.49 mm，H1/H2為0.809，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

胎面花紋設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到輪胎使用性能的發(fā)揮，更能提升輪胎的外觀美感。叉車既在良好路面行駛，又在苛刻的建筑工地、松土路、砂地上行駛，要求輪胎胎面具有良好的抗刺扎性能、自潔性能、牽引性能和散熱性能。因此本次設(shè)計(jì)采取M2型大塊狀花紋設(shè)計(jì)，每個(gè)花紋塊角度均采用較大圓弧進(jìn)行過(guò)渡連接，花紋溝采取變角度過(guò)渡，以提高胎面自潔性能，有效減少輪胎崩花掉塊問(wèn)題發(fā)生。M2型花紋設(shè)計(jì)可以減小花紋塊滑移，增大花紋塊接地面積，有利于冠部受力時(shí)胎冠膠（耐磨膠）與中間膠（應(yīng)力緩沖膠）層的粘合和應(yīng)力過(guò)渡，同時(shí)也提高了輪胎的耐磨性能。本次設(shè)計(jì)花紋深度取值為：冠中 7.5 mm，冠部1/3處 10 mm，肩部過(guò)渡處 15 mm，充分考慮到輪胎應(yīng)力應(yīng)變和散熱的需要，花紋飽和度為77.6%，花紋周節(jié)數(shù)為 12。

胎面花紋展開圖和UG軟件立體效果圖分別如圖2和3所示[5]。

圖2 胎面花紋展開示意

圖3 輪胎花紋立體效果

3 施工設(shè)計(jì)

3.1 膠料配方及分布結(jié)構(gòu)

輪胎采用全分層結(jié)構(gòu)，分別是耐磨層、中間層和基部膠。胎面膠（耐磨層）采用高耐磨性能、低滾動(dòng)阻力的天然橡膠（NR）/順丁橡膠（BR）并用膠優(yōu)化配方，以提高輪胎的耐磨性能和抗刺扎性能。中間層也采用低生熱的NR/BR并用膠優(yōu)化配方，使用導(dǎo)熱性能好的活性氧化鋅等助劑，達(dá)到接受和傳導(dǎo)應(yīng)力快、低生熱、高散熱的性能要求?；磕z采用NR/BR/丁苯橡膠并用膠優(yōu)化配方，邵爾A型硬度控制在70度，既滿足與輪輞配合的硬度要求，又避免因膠料過(guò)硬脆性增大，使胎圈部位具有足夠的剛性。根據(jù)同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合競(jìng)品輪胎性能分析和輪胎使用損壞形式，應(yīng)用充氣式實(shí)心橡膠輪胎設(shè)計(jì)仿真軟件進(jìn)行分析，選取合理的膠料配方設(shè)計(jì)。M2型輪胎膠料分布如圖4所示[6-8]。

圖4 M2型輪胎膠料分布示意

國(guó)內(nèi)廠家為節(jié)約成本，多采用胎面膠＋混有短纖維的基部膠構(gòu)成，在基部膠中加入鋼筋圈，以提高基部剛性，減小基部變形，硫化后，胎面、短纖維基部胎芯和基部膠的邵爾A型硬度分別為65，72和84度，質(zhì)量比一般控制在35/40/25。這種結(jié)構(gòu)輪胎剛性較大，適合支架平臺(tái)車在速度8 km·h-1以下使用，否則生熱較大，易從鋼筋圈底部或側(cè)部中間起泡，應(yīng)根據(jù)車型和使用環(huán)境設(shè)計(jì)性價(jià)比最合理的輪胎。

國(guó)外為提高輪胎負(fù)荷和應(yīng)力分散能力研發(fā)的新產(chǎn)品在耐磨層與中間層、中間層與基部膠接觸部位使用2層中間帶有膠片的930dtex/2錦綸6浸膠簾布，分布級(jí)差為15～40 mm，極大地避免了花紋溝裂口和使用中期脫層爆胎問(wèn)題，同時(shí)對(duì)膠料設(shè)計(jì)提出了新要求[9]。

根據(jù)冠部應(yīng)力分散情況，930dtex/2錦綸6浸膠簾布角度在2°～35°分布范圍內(nèi)調(diào)整取值，膠料配方設(shè)計(jì)必須使用AS MK400 PS抗靜電劑等助劑。簾布的應(yīng)力應(yīng)變和彈性模量與上下層膠料有所區(qū)別，可以起到過(guò)渡層的作用。這種設(shè)計(jì)多在礦用實(shí)心橡膠輪胎中探索使用，其極大適應(yīng)實(shí)心橡膠輪胎低速高載的特性，同時(shí)通過(guò)胎側(cè)曲線設(shè)計(jì)和增加應(yīng)力減震孔延長(zhǎng)輪胎在突破行駛速度20 km·h-1時(shí)的連續(xù)使用時(shí)間和運(yùn)行距離。

3.2 鋼絲圈

利用輪胎理論設(shè)計(jì)公式合理選取鋼絲圈的過(guò)盈力、總壓力及安全倍數(shù)[4]。

鋼絲圈采用符合GB/T 1445—2020《胎圈用鋼絲》的Φ1.0 mm回火鍍銅胎圈鋼絲，鋼絲圈結(jié)構(gòu)為7×4，鋼絲圈數(shù)量為5個(gè)，鋼絲圈內(nèi)直徑取269 mm，鋼絲總數(shù)量為140根，鋼絲圈安全倍數(shù)大于5.9，以保證胎圈部位具有足夠的強(qiáng)度和剛性。鋼絲圈采取扁平化設(shè)計(jì)，有利于增大與輪輞的受力面積，發(fā)揮輪胎行駛過(guò)程中鋼絲圈的彈性作用，減小應(yīng)力集中生熱，其排列方式見圖1。

3.3 成型

（1）成型機(jī)頭直徑。成型機(jī)頭直徑根據(jù)d而定，一般情況下，對(duì)于381 mm（15英寸）以下輪胎，成型機(jī)頭直徑比d大2～4 mm；對(duì)于381 mm（15英寸）以上輪胎，成型機(jī)頭直徑比d大5～7 mm，以便于裝模硫化。本次設(shè)計(jì)d為245 mm，成型機(jī)頭直徑確定為251 mm，機(jī)頭寬度可根據(jù)輪胎B取值，成型機(jī)頭寬度＝B＋（50～150） mm，本次設(shè)計(jì)成型機(jī)頭寬度確定為300 mm。

（2）成型方式。考慮到實(shí)心輪胎膠料硬度高、自粘性較差，為提高膠層間的粘合性能，應(yīng)控制膠料在開煉機(jī)上的粗煉和細(xì)煉工藝，下片調(diào)整到施工要求的厚度和寬度，使用貼輥式成型機(jī)纏取到指定厚度，利用成型機(jī)轉(zhuǎn)輥貼合到開煉機(jī)轉(zhuǎn)輥上產(chǎn)生的壓力壓實(shí)膠片，再利用兩個(gè)轉(zhuǎn)輥的轉(zhuǎn)速比不同，使膠片產(chǎn)生一定的張力，排除氣體，壓實(shí)膠片，同時(shí)在一定的混煉溫度下可利用膠片的自然收縮使膠層之間粘合緊密，確保成品輪胎在高負(fù)荷下使用不脫層。

（3）鋼絲圈制作。鋼絲圈直徑等于成型機(jī)頭直徑＋第1層基部膠的厚度＋2～3 mm，本輪胎鋼絲圈直徑取269 mm，使用公司自制的SX10-15LCX型成型機(jī)成型。

使用鋼絲圈省去了在實(shí)心輪胎制作中鋼筋圈涂刷開姆洛克的工藝，鋼絲圈本身帶有專用509鋼絲膠，加強(qiáng)了與基部膠的粘合強(qiáng)度，充分發(fā)揮了鋼絲圈彈性好的特性，鋼絲圈制作是實(shí)心輪胎生產(chǎn)中的重要工藝，鋼絲圈制作包括以下步驟：鋼絲導(dǎo)開、調(diào)直、擦拭清洗、電預(yù)熱、擠出和覆膠、冷卻、盤卷成形、裁斷、覆隔離粉。覆隔離粉通過(guò)覆粉輸送裝置完成，以防止覆膠成型后鋼絲圈發(fā)生粘連。鋼絲圈尺寸應(yīng)符合施工要求，無(wú)噴霜、拔絲、露銅、雜質(zhì)、粘連，存放溫度不高于45 ℃，新生產(chǎn)的鋼絲圈停放4 h后才允許使用，最長(zhǎng)停放時(shí)間不超過(guò)72 h，并按先后順序使用，需要合理安排生產(chǎn)計(jì)劃，避免造成浪費(fèi)。

3.4 硫化

采用600 t熱板式硫化機(jī)硫化輪胎，硫化條件為：熱板溫度 131～137 ℃，合模壓力 （30±5） t，硫化前15 min為升溫階段，溫度由110 ℃升至 137 ℃，中間為正硫化階段，溫度為131～137 ℃，后10 min是降溫階段，溫度為137～120 ℃，總硫化時(shí)間為195 min，裝模后合模次數(shù)不少于2次，余膠應(yīng)及時(shí)清理干凈。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

安裝于STD和LOC輪輞輪胎各1條，因?yàn)閷?shí)心輪胎散熱較慢，試驗(yàn)后至少停放72 h再進(jìn)行測(cè)量，其他條件和方法按照GB/T 10824—2020選取，測(cè)量D′為460～461 mm，B′為198～201mm，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 物理性能

成品輪胎物理性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 成品輪胎物理性能測(cè)試結(jié)果

從表1可以看出，成品輪胎的物理性能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 靜負(fù)荷性能

按照GB/T 10824—2020進(jìn)行成品輪胎靜負(fù)荷試驗(yàn)，試驗(yàn)輪胎硫化后停放72 h以上，其中包括至少在GB/T 2941—2006規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境下停放24 h以上，輪胎外觀質(zhì)量符合HG/T 2177—2011的要求，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 成品輪胎靜負(fù)荷性能試驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出，輪胎受力平穩(wěn)均勻，同時(shí)兼顧剛性和彈性的要求，在行駛時(shí)既可減小阻力，又滿足輪胎抓著性能的需要，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.4 耐久性能

按照GB/T 10824—2020進(jìn)行成品輪胎耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：室溫 （25±5） ℃，輪胎停放時(shí)間 ≥72 h，試驗(yàn)負(fù)荷基準(zhǔn)為GB/T 10823—2020中規(guī)定的平衡重式叉車在速度10 km·h-1下的驅(qū)動(dòng)輪負(fù)荷2 910 kg，試驗(yàn)轉(zhuǎn)鼓的表面線速度為10 km·h-1。完成國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的程序后，每1 h負(fù)荷增加10%繼續(xù)試驗(yàn)，每1 h測(cè)量一次輪胎測(cè)溫孔底部溫度，直至輪胎損壞為止，成品輪胎耐久性試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 成品輪胎耐久性試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，輪胎耐久性能良好并優(yōu)于競(jìng)品輪胎，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

200/50-10 6.50F M2高性能叉車充氣式實(shí)心橡膠輪胎的各項(xiàng)性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，耐磨性能好，使用壽命長(zhǎng)，抗刺扎性能好，維護(hù)成本低。

以本輪胎為代表的M2系列充氣式實(shí)心橡膠輪胎共18個(gè)規(guī)格已經(jīng)批量生產(chǎn)5年，產(chǎn)品自投放市場(chǎng)以來(lái)，深受國(guó)內(nèi)外用戶青睞和認(rèn)可，產(chǎn)品供不應(yīng)求，批量生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，取得了很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。