460/85R38 Marshland水田農(nóng)業(yè)子午線輪胎的設(shè)計

孔延坤

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

我國農(nóng)作物種植收獲綜合機械化率不斷提高的同時，大功率拖拉機的數(shù)量也在不斷增加，這導(dǎo)致子午線輪胎在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。許多歐洲國家的拖拉機輪胎子午化率已經(jīng)達到90%以上，北美地區(qū)也接近50%，我國僅為2.5%左右。根據(jù)中國橡膠工業(yè)協(xié)會發(fā)布的輪胎行業(yè)“十四五”規(guī)劃指導(dǎo)綱要，我國農(nóng)業(yè)輪胎子午化率的目標(biāo)是15%左右。這一數(shù)據(jù)顯示出中國農(nóng)業(yè)子午線輪胎市場巨大的潛力[1-2]。

與農(nóng)業(yè)斜交輪胎相比，農(nóng)業(yè)子午線輪胎表現(xiàn)出諸多優(yōu)勢：使用壽命更長、燃油經(jīng)濟性更高、胎面耐磨性能更出色、牽引力更大、對土壤單位面積施加的壓力更小，從而對土壤起到保護性作用，為農(nóng)業(yè)用地的可持續(xù)發(fā)展做出積極貢獻。為了滿足市場需求，我公司專注于研制和開發(fā)適用于水田的大花紋農(nóng)業(yè)子午線輪胎。由于水田作業(yè)時輪胎接觸的是軟土、爛泥等，因此輪胎設(shè)計時更加注重防滑性能，可以通過增加接地面積和提高摩擦因數(shù)等方式增強輪胎的抓著力，以更好地適應(yīng)水田作業(yè)的特殊需求[3-10]。

現(xiàn)將460/85R38 Marshland水田農(nóng)業(yè)子午線輪胎的設(shè)計介紹如下。

1 技術(shù)要求

為滿足用戶需求，參照《中國輪胎輪輞標(biāo)準(zhǔn)年鑒（2020）》的要求，確定輪胎設(shè)計參數(shù)為：標(biāo)準(zhǔn)輪輞 W16×38，充氣外直徑（D′）1 820（1 791～1 828）mm，充氣斷面寬（B′）506（484～514）mm，R-1W花紋，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 60 kPa，最大負荷 3 250 kg。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

D和B是直接影響輪胎是否符合車輛匹配和性能要求的重要參數(shù)。本設(shè)計D取1 810 mm，D′/D為1.005 5。考慮到錦綸簾線和聚酯帶束層的伸張值，本設(shè)計B取480 mm，B′/B為1.054。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

由于本設(shè)計輪胎主要用于水田作業(yè)，輪胎接觸的都是爛泥、軟土等，考慮到該特殊工況下的需求，本次設(shè)計注重提高輪胎的牽引力。根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗，b/B取0.901，b為438 mm。在確定h取值時，需要考慮其與b的比值，避免h/b過大或過小。如果h/b過大，會導(dǎo)致外直徑尺寸不穩(wěn)定，接地面積過小，輪胎磨耗不均，使用壽命縮短；h/b過小則會導(dǎo)致胎冠過于寬和平，增加生產(chǎn)成本，并可能造成胎肩受力增大、生熱高，導(dǎo)致局部損壞。根據(jù)以往的經(jīng)驗，本設(shè)計h/b取0.071，h為31 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

一般根據(jù)輪胎裝配的輪輞尺寸確定d值。如果d值過大，輪胎與輪輞之間可能會出現(xiàn)打滑的情況；相反，如果d值過小，過盈配合太緊密，會對裝卸工作造成困難。因此，在防止輪胎打滑的同時，也要保證輪胎與輪輞之間的配合緊密，并方便人工裝卸。綜合考慮，本設(shè)計d取965 mm。在確定C時，一般會參考輪輞寬度標(biāo)準(zhǔn)進行計算，并比輪輞的寬度略大。這樣做有很多優(yōu)點，例如可以提高胎側(cè)的柔軟性，提高車輛行駛過程中的舒適性和操縱穩(wěn)定性。結(jié)合水田農(nóng)業(yè)輪胎的使用環(huán)境和使用特點，本設(shè)計C取444.5 mm，并設(shè)置胎趾傾角為8°。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

輪胎斷面水平軸位置的選擇非常關(guān)鍵，因為其是輪胎在負荷下變形最大的位置。一般來說，子午線輪胎的受力情況直接決定H1/H2值。如果H1/H2值過小，斷面水平軸的位置會偏低，接近下胎側(cè)，這可能在正常使用過程中導(dǎo)致胎圈折斷、應(yīng)力集中的問題。另一方面，如果H1/H2值過大，斷面水平軸的位置會偏高，靠近胎肩，這可能在正常使用過程中導(dǎo)致胎肩脫層和胎肩裂口的問題。由于本設(shè)計輪胎為水田農(nóng)業(yè)輪胎，花紋塊深度較大，綜合考慮，本設(shè)計H1/H2取1.514。

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

考慮到本設(shè)計輪胎主要在水田中作業(yè)，受力主要集中在花紋塊的根部。由于對牽引性能的高要求，胎面花紋選擇PR-1W型花紋。該花紋有17個周節(jié)，最大花紋深度為80 mm，花紋飽和度為16.957%。為了提高輪胎的視覺效果和美觀度，所有花紋塊均采用變角度設(shè)計，前傾角為17.5°，后傾角為22.7°，使輪胎呈現(xiàn)出飽滿的視覺效果。前傾角的減小可以提高輪胎的牽引力，而后傾角的增大可以增強花紋塊的自清潔功能。這樣的設(shè)計不僅能防止花紋塊根部裂口，還提高了花紋的耐磨性能?；y深度大的輪胎的常見問題是在使用過程中花紋塊根部出現(xiàn)裂口，影響輪胎的使用壽命。因此，本設(shè)計在花紋溝過渡時采用圓弧連接，連接弧的半徑取19 mm。

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 氣密層

氣密層的設(shè)計采用常用的子午線輪胎氣密層膠料，以確保良好的氣密性能。氣密層的厚度為2.5 mm，寬度以包覆胎趾部位為最佳?？紤]到降低成本和保證輪胎正常使用的因素，輪胎與輪輞之間應(yīng)保持良好的氣密性，使外胎兼具內(nèi)胎的功能。該設(shè)計輪胎無需額外配備內(nèi)胎，因為其本身具有內(nèi)胎結(jié)構(gòu)，空氣直接充填在輪胎中。這種設(shè)計不僅提供了良好的氣密性能，長期保持不漏氣，而且輪胎工作溫度較低，使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單且輕巧。由于氣密層設(shè)計將一層內(nèi)膜緊密粘附在輪胎內(nèi)壁上，使輪胎在作業(yè)中不易聚熱，即使輪胎發(fā)生穿孔，壓力也不會急劇下降，能繼續(xù)安全地行駛一段距離。

3.2 擠出半成品

擠出半成品根據(jù)相應(yīng)部件的壓縮比設(shè)計口型。

胎面膠料采用天然橡膠、順丁橡膠與丁苯橡膠并用膠。該配方膠料具有良好的抗花紋崩裂和掉塊性能。由于該設(shè)計輪胎的花紋塊較深，可以有效防止掉塊，提高強度和耐老化性能。胎面采用冷喂料擠出機擠出并進行直接纏繞，與胎面層貼相比，這種設(shè)計減小了胎面間脫層的隱患。

胎側(cè)的長度為3 328 mm，寬度為310 mm，厚度為12 mm，質(zhì)量為10 kg。胎肩墊膠的長度為3 250 mm，寬度為150 mm，厚度為23 mm，質(zhì)量為8.5 kg。胎面冠部的總厚度為47 mm，寬度為600 mm，質(zhì)量為116 kg。

胎側(cè)膠使用天然橡膠與順丁橡膠并用膠，具有良好的耐老化性能和耐屈撓性能。在設(shè)計口型板時，直接設(shè)計兩種配方膠料口型，同時在三復(fù)合擠出機上擠出，使得胎側(cè)同時存在兩種配方的膠料，且位于不同的位置。這樣的設(shè)計有助于提高胎側(cè)的耐屈撓能力和胎圈部位的支撐能力，經(jīng)過后續(xù)的試驗也得到了良好的驗證。

3.3 胎體

胎體使用3層940dtex/2 F121錦綸66浸膠簾布。在四輥壓延機上，簾布采用雙面覆膠的方法進行壓延，以確保簾布與胎體膠料具有良好的粘合性能，防止脫層。壓延后的覆膠簾布厚度為（1.2±0.3）mm。

3.4 帶束層

本設(shè)計輪胎行駛速度較低，為了滿足使用要求并提高操控性和降低成本，本設(shè)計采用4層帶束層結(jié)構(gòu)。帶束層采用1100/3 F70聚酯浸膠簾布，簾線角度為28°。帶束層在受力后對胎體起到箍緊作用，直接影響輪胎的充氣外緣尺寸。在成型過程中，每層帶束層層貼時的差級應(yīng)控制為25 mm。

3.5 胎圈

鋼絲圈采用Φ0.96 mm 19#鍍銅高強度鋼絲，鋼絲圈直徑為976 mm，排列方式為9×10，膠芯使用17 mm×32 mm的三角膠。胎圈護膠采用專用的膠料，鋼絲圈安全倍數(shù)大于7。

3.6 成型

成型采用二次法成型技術(shù)，使用LCY-2446型成型機，配備腰帶式成型機頭。根據(jù)輪胎的輪輞直徑、材料分布圖以及鋼絲圈直徑，確定機頭直徑為1 041 mm，機頭寬度為900 mm。為了滿足機頭寬度的要求，選擇合適尺寸的腰帶以與現(xiàn)有直徑的機頭匹配。

3.7 硫化

硫化采用241.3 cm（95英寸）蒸鍋式單模膠囊硫化機。硫化條件為：內(nèi)蒸汽壓力（0.8±0.01）MPa，過熱水出口壓力（2.75±0.2）MPa，硫化溫度（150±0.2）℃，內(nèi)冷回水溫度 ＜25 ℃，一次定型高度（320±20）mm，二次定型高度（230±20）mm，硫化膠囊拉伸高度 1 000 mm，總硫化時間 140 min。為了保證輪胎尺寸的穩(wěn)定性，通常會在硫化結(jié)束后進行后充氣，后充氣時間一般為1個硫化周期。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

將成品輪胎與W16輪輞配合后進行充氣，充氣壓力為160 kPa，測量到輪胎的D′為1 820 mm，B′為503 mm，符合設(shè)計要求。

4.2 物理性能

成品輪胎的物理性能見表1。

表1 成品輪胎的物理性能

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

4.3 耐久性能

按照GB/T 34823—2017進行成品輪胎耐久性能試驗，試驗條件為：充氣壓力160 kPa，額定負荷3 250 kg，試驗速度40 km·h-1。

在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下，成品輪胎累計行駛310.5 h，符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語

我公司在普通農(nóng)業(yè)子午線輪胎基礎(chǔ)上成功地開發(fā)了系列水田農(nóng)業(yè)子午線輪胎。460/85R38 Marshland水田農(nóng)業(yè)子午線輪胎是該系列中的第1個規(guī)格，之后又相繼研制了420/85R38 Marshland 和380/85R38 Marshland 等 規(guī) 格。460/85R38 Marshland水田農(nóng)業(yè)子午線輪胎生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，性能符合國家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計要求，質(zhì)量良好，合格率達到99.7%。目前，該輪胎已大量出口，市場反饋良好。