鋼絲簾線疲勞性能的影響因素研究

倪自飛，黃 河

（南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，江蘇 南京 210023）

鋼絲簾線在輪胎使用過程中受到非常復(fù)雜的交變負(fù)荷以及周期性的彎曲變形，因此彎曲疲勞壽命直接影響輪胎的使用壽命和安全性[1-3]。為了配合輪胎輕量化、綠色化發(fā)展的要求，在鋼絲簾線結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，一方面要考慮破斷力（靜態(tài)強(qiáng)度），另一方面要考慮動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，若作為輪胎骨架材料時(shí)對(duì)其疲勞強(qiáng)度有更高的要求[4-7]。目前，影響子午線輪胎鋼絲簾線疲勞壽命的主要機(jī)理尚不清楚，缺乏相關(guān)理論與試驗(yàn)結(jié)果。

本工作主要探討鋼絲簾線的單絲直徑、強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)其彎曲疲勞性能的影響，為新結(jié)構(gòu)鋼絲簾線開發(fā)與設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 鋼絲簾線疲勞性能測(cè)試原理

將鋼絲簾線與橡膠粘合經(jīng)硫化后制成一定尺寸的硫化試樣。將硫化試樣壓在三輥導(dǎo)輪下，兩端接通電源后，在施加一定載荷（載荷為鋼絲簾線破斷力的10%）下，試樣進(jìn)行周期性往復(fù)彎曲變形。當(dāng)鋼絲簾線疲勞失效時(shí)（即硫化試樣內(nèi)的鋼絲簾線有一根單絲斷裂），鋼絲簾線電流會(huì)產(chǎn)生變化，由此可檢測(cè)其疲勞壽命。應(yīng)用三輥疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行鋼絲簾線彎曲疲勞性能測(cè)試的原理如圖1所示[4]。

圖1 三輥疲勞試驗(yàn)機(jī)測(cè)試鋼絲簾線彎曲疲勞性能的原理示意

2 鋼絲簾線彎曲疲勞性能的影響因素分析

2.1 單絲直徑

3/9系列是目前在輪胎胎體中應(yīng)用最為廣泛的一種鋼絲簾線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由12根單絲組成，按相同捻向與捻距一次捻制而成，其中3根直徑大的單絲組成芯線，9根直徑小的單絲組成面線，其截面近似于三角形，如圖2所示。

圖2 3/9系列鋼絲簾線截面示意

3/9系列鋼絲簾線中的單絲與單絲之間為線接觸，可減小單絲之間的接觸摩擦，提高鋼絲簾線的耐疲勞性能。選取相同HT強(qiáng)度等級(jí)、不同直徑的單絲捻制而成的3/9鋼絲簾線的疲勞壽命如表1所示。

從表1可以看出，相同結(jié)構(gòu)、同等強(qiáng)度的鋼絲簾線，隨著單絲直徑的增大，破斷力提高，但疲勞壽命反而縮短。

表1 不同單絲直徑鋼絲簾線疲勞壽命對(duì)比

2.2 鋼絲簾線強(qiáng)度

為了確定鋼絲簾線強(qiáng)度與彎曲疲勞性能的關(guān)系，選擇NT，HT，ST，UT以及UMT結(jié)構(gòu)的3×0.22/9×0.20系列鋼絲簾線進(jìn)行彎曲疲勞性能測(cè)試。其中，3×0.22/9×0.20UMT的制備工藝見文獻(xiàn)[8]，相同結(jié)構(gòu)、不同強(qiáng)度等級(jí)鋼絲簾線的疲勞壽命測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 不同強(qiáng)度等級(jí)鋼絲簾線疲勞壽命對(duì)比

從表2可以看出，隨著單絲強(qiáng)度的提高，鋼絲簾線的破斷力提高，相應(yīng)的疲勞壽命顯著延長(zhǎng)。輪胎在使用過程中，輪胎負(fù)載高速運(yùn)轉(zhuǎn)，且胎側(cè)不斷受到屈撓作用，胎體要承受周期性的徑向屈撓變形和扭矩傳遞過程中復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)變形。因此，胎體用鋼絲簾線需具備高強(qiáng)度，良好的耐疲勞、耐磨損性能和尺寸穩(wěn)定性。低滾動(dòng)阻力和輕量化是實(shí)現(xiàn)降低平均燃油消耗的保障，是研究綠色輪胎的重要措施。

鋼絲簾線作為輪胎骨架材料，占輪胎成品質(zhì)量的20%～30%，對(duì)成品輪胎質(zhì)量、承載、安全、節(jié)油、耐磨和可翻新等方面起到重要的作用，因此使用超/特高強(qiáng)度且疲勞性能優(yōu)異的鋼絲簾線成為制備低滾動(dòng)阻力和輕量化輪胎必要手段[9]。

從表1和2進(jìn)一步分析得出，3×0.22/9×0.20 CCUMT鋼 絲簾 線 的 強(qiáng)度 高 于3×0.24/9×0.225 CCHT鋼絲簾線，但3×0.22/9×0.20CCUMT鋼絲簾線的直徑僅為3×0.24/9×0.225CCHT鋼絲簾線的72.6%，而疲勞壽命提高26%。因此，采 用3×0.22/9×0.20 CCUMT鋼 絲 簾 線 替 代3×0.24/9×0.225CCHT鋼絲簾線，不但可減小鋼絲簾線的用量，還可降低輪胎的滾動(dòng)阻力，延長(zhǎng)輪胎的使用壽命以及提高耐磨性能。

文獻(xiàn)研究了兩組帶束層用鋼絲簾線（2×0.30HT與2×0.30ST，3×0.30NT與3×0.30ST）的彎曲疲勞性能，測(cè)試結(jié)果與本試驗(yàn)結(jié)果相一致，都表明結(jié)構(gòu)相同、強(qiáng)度等級(jí)越高的鋼絲簾線，其疲勞壽命越長(zhǎng)。

2.3 鋼絲簾線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為研究鋼絲簾線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)鋼絲簾線彎曲疲勞性能的影響規(guī)律，選取了1＋6＋12與1＋18兩種結(jié)構(gòu)的鋼絲簾線，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 兩種鋼絲簾線的結(jié)構(gòu)示意

基于上述兩種結(jié)構(gòu)的鋼絲簾線，分別設(shè)計(jì)了1×0.22＋6×0.20＋12×0.20HT，1×0.22＋18×0.20CCHT和1×0.22＋18×0.20CCST三種鋼絲簾線結(jié)構(gòu)，三種結(jié)構(gòu)單絲根數(shù)相同，各層單絲直徑相同。但是，1＋6＋12結(jié)構(gòu)分兩步成繩，內(nèi)層1＋6芯股與外層捻距不同，簾線鋼絲間呈點(diǎn)接觸。1＋18結(jié)構(gòu)為一步成繩且同向捻向，內(nèi)層和外層捻距相同，鋼絲間呈線接觸。3種鋼絲簾線結(jié)構(gòu)的彎曲疲勞性能測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 不同結(jié)構(gòu)鋼絲簾線疲勞壽命對(duì)比

從表3可以看出，呈線接觸的1＋18結(jié)構(gòu)鋼絲簾線的彎曲疲勞性能要優(yōu)于呈點(diǎn)接觸1＋6＋12結(jié)構(gòu)鋼絲簾線，且鋼絲簾線的破斷力越高，其疲勞壽命越長(zhǎng)，彎曲疲勞性能越優(yōu)異，與文獻(xiàn)結(jié)果相一致。綜上所述，鋼絲簾線超高強(qiáng)度化且具有良好的彎曲疲勞性能是輪胎骨架材料鋼絲簾線的必然發(fā)展趨勢(shì)。

3 結(jié)論

（1）相同結(jié)構(gòu)、同等強(qiáng)度等級(jí)的鋼絲簾線，隨著單絲直徑的增大，鋼絲簾線的破斷力提高，但疲勞壽命反而縮短。

（2）相同結(jié)構(gòu)、不同強(qiáng)度等級(jí)的鋼絲簾線，隨著單絲強(qiáng)度提高，鋼絲簾線的破斷力增大，疲勞壽命顯著延長(zhǎng)。

（3）單絲直徑與單絲根數(shù)相同，但結(jié)構(gòu)不同的鋼絲簾線，呈線接觸1＋18結(jié)構(gòu)鋼絲簾線的彎曲疲勞性能優(yōu)于呈點(diǎn)接觸1＋6＋12結(jié)構(gòu)鋼絲簾線。

（4）鋼絲簾線超高強(qiáng)度化且具有良好的彎曲疲勞性能是輪胎骨架材料鋼絲簾線的發(fā)展趨勢(shì)。