380/85R28農(nóng)業(yè)子午線輪胎的設(shè)計(jì)

張楨浩，曲 建，李 強(qiáng)

（青島橡建工業(yè)工程有限公司，山東 青島 266000）

隨著人們生活水平的不斷提高，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展趨勢(shì)凸顯。農(nóng)業(yè)機(jī)械化在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程中已顯現(xiàn)了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備對(duì)輪胎的性能要求日益提高，除基本的承載性能外，還要求輪胎具有自潔性、節(jié)能環(huán)保性和安全舒適性等[1-3]。

我公司根據(jù)市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了高性能的380/85R28農(nóng)業(yè)子午線輪胎，其除具有油耗低、環(huán)保、牽引力大的特點(diǎn)外，還具有耐屈撓龜裂、耐磨、地面壓力分布均勻等特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域取得良好效果?，F(xiàn)將本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)情況介紹如下。

1 技術(shù)要求

依據(jù)GB/T 2979—2017，確定380/85R28農(nóng)業(yè)子午線輪胎主要技術(shù)參數(shù)如下：充氣外直徑（D′）1 357（1 316～1 366） mm，充氣斷面寬（B′）380（364.8～402.8） mm，標(biāo)準(zhǔn)輪輞 W12，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷 2 060 kg，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 160 kPa。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

由于輪胎的胎面與地面直接接觸，是輪胎的主要受力部位，而帶束層則是輪胎的主要受力部件，對(duì)輪胎有箍緊作用，充氣輪胎的形狀在很大程度上受帶束層的影響[4]。在充氣狀態(tài)下，輪胎徑向方向由于受帶束層的拉伸剛度及帶束層箍緊作用的影響，D變化不大。由于本產(chǎn)品帶束層骨架材料采用的是4層聚酯簾布，充氣后輪胎外直徑膨脹率比鋼絲帶束層輪胎要大些，結(jié)合我公司380/85R30輪胎的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)D取1 341.6 mm，外直徑膨脹率（D′/D）為1.011 48。

農(nóng)業(yè)子午線輪胎B的取值需綜合考慮胎體和帶束層的影響，包括胎體簾線的伸張率及帶束層簾線的箍緊因數(shù)、角度和長(zhǎng)度等。本產(chǎn)品采用2層錦綸簾布胎體，另外，由于本產(chǎn)品不屬于低斷面輪胎（屬于85系列輪胎），本次設(shè)計(jì)B取370 mm，斷面寬膨脹率（B′/B）為1.027。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

由于農(nóng)業(yè)子午線輪胎主要從事農(nóng)田作業(yè)，因此b一方面考慮宜取較大值，以適當(dāng)增大胎面的曲率半徑和減小胎面的拱度，從而增大胎面與地面的接觸面積，降低單位面積壓力，提高胎面的耐磨性能和牽引力（輪胎使用過(guò)程中不易打滑）以及抗刺扎性能；但考慮到b若取值過(guò)大，胎面拱度過(guò)小而過(guò)于寬平，會(huì)導(dǎo)致肩部材料過(guò)多過(guò)厚，輪胎在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)肩部生熱大而散熱慢等情況，容易造成肩空、肩裂等早期損壞問(wèn)題。為此，結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)b/B取0.906 7，b取335.5 mm。

當(dāng)農(nóng)業(yè)子午線輪胎的b/B較小時(shí)，輪胎的胎冠較窄，h與斷面高（H）之比應(yīng)適當(dāng)減小，否則輪胎容易產(chǎn)生左右磨耗不對(duì)稱(chēng)、土壤壓實(shí)等問(wèn)題，這是由于胎冠呈拱形，胎面與地面的接觸面積減小而導(dǎo)致單位面積壓力增大。當(dāng)b/B取值較大時(shí)，h/H應(yīng)適當(dāng)增大，否則胎冠由于曲率半徑過(guò)大而過(guò)于寬平，胎肩部位材料多而厚，在內(nèi)應(yīng)力不斷作用下，也易造成集中生熱且操作不穩(wěn)定的現(xiàn)象。根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)h/H取0.056 4，h取17.78 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

d的取值本著輪胎與輪輞裝卸方便同時(shí)保持良好氣密性的原則。如果d取值過(guò)大，可以使輪輞與胎圈之間貼合緊密以防脫圈漏氣，但是輪輞與胎圈之間過(guò)盈量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致裝卸困難；如果d取值過(guò)小，輪輞與胎圈之間的過(guò)盈量小甚至沒(méi)有過(guò)盈量，雖便于裝卸但氣密性差，且農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)在農(nóng)田工作，產(chǎn)生的水平牽引力較大，易產(chǎn)生脫圈的隱患。根據(jù)320/85R28輪胎設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)d宜比輪輞著合直徑稍大，過(guò)盈量為2～4 mm，因此d取711.63 mm。

為提高輪胎胎側(cè)的柔軟性，C應(yīng)適當(dāng)大于輪輞寬度，綜合各種因素，一般英制農(nóng)業(yè)子午線輪胎C的取值比輪輞寬度大12.7～25.4 mm（0.5～1英寸）。但農(nóng)業(yè)輪胎在田間使用時(shí)負(fù)荷較高，相對(duì)速度較低，如果其胎側(cè)過(guò)于柔軟，在使用過(guò)程中通過(guò)性能差，結(jié)合成熟產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，此次設(shè)計(jì)C取317.5 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

H1/H2的設(shè)計(jì)是保證上下胎側(cè)彎曲剛度平衡的關(guān)鍵。如果H1/H2取值不當(dāng)，容易因上下胎側(cè)彎曲差異懸殊而導(dǎo)致斷面水平軸偏移過(guò)大，肩部變形大，縮短輪胎的使用壽命（如耐磨性能和耐久性能等受影響）。結(jié)合380/85R30輪胎設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)H1/H2取0.721。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

結(jié)合路面情況、輪胎結(jié)構(gòu)類(lèi)型及使用特點(diǎn)對(duì)胎面花紋的寬度、深度、角度等進(jìn)行設(shè)計(jì)。考慮到產(chǎn)品主要用于田間操作，兼作運(yùn)輸，為提高對(duì)土壤的附著力，以免壓實(shí)土壤，本次設(shè)計(jì)采用左右呈對(duì)錯(cuò)開(kāi)的人字形花紋（R-1W濕牽引型花紋），花紋周節(jié)數(shù)為20，花紋深度為普通人字形花紋深度的1.2倍左右，取45 mm，花紋飽和度為22.27%；花紋塊前后切入角度即前后支撐角度采用15°～25°變角度設(shè)計(jì)，前切入（前支撐）變角度取值范圍為15°～18°，后切入（后支撐）變角度取值范圍為18°～25°，同時(shí)采用加大花紋塊根部圓弧半徑進(jìn)行平滑過(guò)渡，以增大花紋塊底部厚度，防止根部出現(xiàn)破口與撕裂，提高胎面的抗撕裂性能和抗刺扎性能。

在花紋塊底部空間處設(shè)計(jì)有高2 mm的規(guī)格字體和呈S形曲線的磨耗凸起交替排列，不但增強(qiáng)了輪胎的外觀立體感，提高了輪胎使用過(guò)程中的排水、排泥性能，同時(shí)起到花紋底部支撐和增大散熱面積的作用。胎面花紋平面展開(kāi)如圖2所示。

圖2 胎面花紋平面展開(kāi)示意

3 施工設(shè)計(jì)

3.1 胎面

胎面采用自動(dòng)擠出纏繞生產(chǎn)方式。胎面膠要求具有良好的耐磨性能、抗刺扎性能、緩沖性能、耐疲勞性能等，防止簾布層被割破和刺穿[5-7]。結(jié)合380/85R30輪胎胎面設(shè)計(jì)參數(shù)，本輪胎胎面設(shè)計(jì)全寬為370 mm，肩寬為320 mm，肩厚為33 mm，中厚為25.5 mm。胎面斷面示意見(jiàn)圖3。

圖3 胎面斷面示意

3.2 胎體

胎體簾布采用2層裁斷角度為4°、厚度為1.35 mm的2100dtex/2 V1錦綸簾布，2層胎體簾布之間的寬度差級(jí)為180 mm。經(jīng)計(jì)算胎體的安全倍數(shù)達(dá)到15以上，符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 帶束層

帶束層采用4層裁斷角度為62°～65°、厚度為1.2 mm的1670dtex/2 E2聚酯簾布，其中1#帶束層與3#帶束層和2#帶束層與4#帶束層寬度分別一致，差級(jí)為20 mm。經(jīng)計(jì)算帶束層安全倍數(shù)達(dá)到16.73，符合設(shè)計(jì)要求。

3.4 氣密層

對(duì)于無(wú)內(nèi)胎輪胎而言，氣密層起到內(nèi)胎的作用，對(duì)輪胎的安全性和保壓性起到至關(guān)重要的作用，因此氣密層厚度設(shè)計(jì)和材料選用成為重要考慮因素[8-10]。結(jié)合相似成熟產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)半成品氣密層厚度取2.2 mm，以確保成品氣密層厚度不小于1.5 mm；氣密層膠主體材料采用氣密性和耐老化性能較好的鹵化丁基橡膠，同時(shí)氣密層接頭處采用厚度為2 mm的封口膠片，位于氣密層接頭下。

3.5 胎圈

本輪胎的單個(gè)胎圈共采用90根胎圈鋼絲，其中鋼絲層數(shù)為9，每層鋼絲根數(shù)為10，鋼絲的裸絲直徑為0.96 mm，鋼絲圈是寬度為14.85 mm、高度為12.15 mm的矩形鋼絲圈，經(jīng)計(jì)算安全倍數(shù)為15.64，符合設(shè)計(jì)要求。本輪胎三角膠尺寸為13 mm×50 mm。

3.6 成型

成型采用二次法成型機(jī)，一段成型鼓機(jī)頭直徑為795 mm，機(jī)頭寬度為700 mm；二段成型鼓機(jī)頭直徑為1 138 mm，寬度為950 mm。成型時(shí)嚴(yán)格按照上正、壓實(shí)、接好頭的工藝要求進(jìn)行。

3.7 硫化

輪胎硫化采用1 905 mm（75英寸）硫化機(jī)，硫化介質(zhì)為過(guò)熱水，工藝條件如下：外溫 140～146℃，外 壓 0.34～0.36 MPa，過(guò) 熱 水 壓 力2.2～2.7 MPa，過(guò)熱水溫度 170～176 ℃，硫化時(shí)間 84 min。

4 成品輪胎性能

4.1 外緣尺寸

按照GB/T 521—2012將成品輪胎安裝于標(biāo)準(zhǔn)輪輞上（W12）進(jìn)行測(cè)量，輪胎D′和B′分別為1 365.4和376.3 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 物理性能和粘合性能

按照GB/T 1192—2017對(duì)成品輪胎的性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 成品輪胎的性能測(cè)試結(jié)果

由表1可見(jiàn)，胎面膠的物理性能及各部位的粘合強(qiáng)度達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)的380/85R28農(nóng)業(yè)子午線輪胎充氣外緣尺寸、胎面膠的物理性能和各部位的粘合性能均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)設(shè)計(jì)要求。產(chǎn)品投放市場(chǎng)后得到認(rèn)可，為社會(huì)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值的同時(shí)，也進(jìn)一步推動(dòng)了我公司打開(kāi)國(guó)外市場(chǎng)的進(jìn)程。