雪地用途23.5R25全鋼工程機(jī)械子午線輪胎的設(shè)計(jì)

夏效坤，謝仕強(qiáng)，張燕龍，趙 君，郭永芳

[泰凱英（青島）專用輪胎技術(shù)研究開(kāi)發(fā)有限公司，山東 青島 266100]

在北美和北歐的部分國(guó)家因地處高緯度，在冬季大部分地區(qū)都被冰雪覆蓋，且降雪頻次較高，普通輪胎在雪地上的抓著性能、驅(qū)動(dòng)性能和制動(dòng)性能下降，存在安全隱患。同時(shí)，在北美和北歐的國(guó)家多為發(fā)達(dá)國(guó)家，安全意識(shí)較強(qiáng)，其部分礦山和建筑商通常要求工程機(jī)械設(shè)備在冬季替換為雪地輪胎。23.5R25 L3全鋼工程機(jī)械子午線輪胎主要用于裝載機(jī)[1]，是L3產(chǎn)品中市場(chǎng)需求量較大的產(chǎn)品。隨著海外市場(chǎng)對(duì)該規(guī)格雪地輪胎需求的增長(zhǎng)，我公司開(kāi)發(fā)了雪地用途23.5R25 L3全鋼工程機(jī)械子午線輪胎，現(xiàn)將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)情況介紹如下。

1 技術(shù)要求

根據(jù)美國(guó)輪胎輪輞標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（TRA—2016），確定雪地用途23.5R25 L3全鋼工程機(jī)械子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)如下：標(biāo)準(zhǔn)輪輞19.50/2.5，充氣外直徑（D′） 1 617（1 587.5～1 646.5） mm，充氣斷面寬（B′） 597（579.1～650.7） mm；L3產(chǎn)品用途兩星設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力（10 km·h-1速度下） 650 kPa，標(biāo)準(zhǔn)單胎負(fù)荷 14 500 kg。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

全鋼工程機(jī)械輪胎因胎體和帶束層的鋼絲簾線強(qiáng)度較高，通常情況下其充氣前后的外緣尺寸變化較小，根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合對(duì)一線競(jìng)品輪胎的分析，本次設(shè)計(jì)D取1 592 mm，B取596 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h對(duì)輪胎行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性和耐磨性能影響較大，通常情況下b/B取0.85～0.95，h/H（斷面高）取0.04～0.06，按照以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本次設(shè)計(jì)b取530 mm，即b/B為0.89；h取24.5 mm，即h/H為0.05。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

該產(chǎn)品無(wú)內(nèi)胎，胎圈與輪輞采用過(guò)盈配合設(shè)計(jì)，過(guò)盈量的大小關(guān)系到輪胎的氣密性以及輪輞裝卸的難易程度等，過(guò)盈量不合適可能會(huì)導(dǎo)致輪胎在行駛過(guò)程中與輪輞之間產(chǎn)生相對(duì)位移等問(wèn)題[2-4]。本次設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)輪輞直徑為635 mm，輪輞圈座角度為5°，d取630 mm，胎圈底座處角度采取變角度設(shè)計(jì)，胎踵和胎趾處的角度分別為6°和0°。C一般情況下等于輪輞的著合寬度，因此本設(shè)計(jì)C取496 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

裝載機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)決定了其對(duì)輪胎胎圈部位性能要求較高，為了避免胎圈部位應(yīng)力集中導(dǎo)致胎圈爆等風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)將斷面水平軸略微上移，以降低胎圈部位受力。本次設(shè)計(jì)適當(dāng)增大H1/H2，取0.88。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

該產(chǎn)品主要用于雪地路況下的裝載機(jī)，應(yīng)考慮該使用場(chǎng)景下的操控性能，需要輪胎在冰雪等光滑路面上具有較好的抓著性能、驅(qū)動(dòng)性能和制動(dòng)性能，因此胎面花紋設(shè)計(jì)具有以下主要特點(diǎn)。（1）采用牽引型的橫向花紋溝設(shè)計(jì)，花紋塊的排列采用橫向四塊＋五塊交替組合的方式，且橫向四塊花紋塊與橫向五塊花紋塊的總寬度采用變化設(shè)計(jì)，即排列方式為“長(zhǎng)-短-長(zhǎng)-短”；相比于常規(guī)等寬度的設(shè)計(jì)，該種設(shè)計(jì)可以提升輪胎在冰雪和泥濘路面上的驅(qū)動(dòng)性能和制動(dòng)性能。（2）采用縱向花紋溝以提升輪胎的防側(cè)滑性能。（3）花紋溝寬度從冠中位置到胎肩位置逐漸變大，以提高花紋自潔性能。（4）所有花紋塊上均設(shè)置有波浪形鋼片，且使用3D鋼片，可以有效提升輪胎的抓著性能。（5）花紋溝底采用全圓弧設(shè)計(jì)，降低在低溫環(huán)境下出現(xiàn)花紋溝底裂的風(fēng)險(xiǎn)。本次設(shè)計(jì)花紋深度為35 mm，花紋飽和度為58%，花紋周節(jié)數(shù)為21。

胎面花紋展開(kāi)如圖2所示，輪胎花紋立體效果如圖3所示。

圖2 胎面花紋展開(kāi)示意

圖3 輪胎花紋立體效果

3 施工設(shè)計(jì)

3.1 胎面

普通胎面膠在低溫環(huán)境下發(fā)脆變硬，易出現(xiàn)崩花掉塊現(xiàn)象，本次設(shè)計(jì)胎面采用雪地輪胎專用胎面膠配方，膠料在低溫環(huán)境下仍保持較好的彈性。成型采用胎面纏繞方式，由冷喂料擠出機(jī)擠出膠條，將其纏繞在已經(jīng)完成定型的胎坯上。

3.2 帶束層

采用4層帶束層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，1#—3#帶束層均使用3＋9＋15×0.22＋0.15NT鋼絲簾線，簾布?jí)貉用芏群筒脭嘟嵌嚷杂胁煌?#帶束層為保護(hù)層，使用4×6×0.25HE鋼絲簾線。帶束層的安全倍數(shù)為8.1。

3.3 胎體

胎體使用3＋9＋15×0.22＋0.15NT鋼絲簾線，采用高反包設(shè)計(jì)，胎體反包端點(diǎn)高于斷面水平軸。胎體的安全倍數(shù)為6.6。

3.4 胎圈

采用傳統(tǒng)的六邊形鋼絲圈結(jié)構(gòu)，胎圈鋼絲直徑為1.65 mm，覆膠后直徑為1.8 mm，鋼絲圈排列方式為9-14-9，共計(jì)124根。胎圈的安全倍數(shù)為8.4。

3.5 成型

采用軟控股份有限公司生產(chǎn)的一次法成型機(jī)成型，為四鼓式成型機(jī)，與胎面纏繞設(shè)備相匹配，生產(chǎn)效率較高。成型鼓的初始貼合直徑為575 mm，帶束層貼合鼓周長(zhǎng)為4 490 mm。

3.6 硫化

采用單模蒸鍋式硫化機(jī)硫化。硫化條件為：內(nèi)溫 （170±3） ℃，外溫 （140±3）℃，內(nèi)壓（2.8±0.1） MPa，外壓 （0.21±0.02） MPa，總硫化時(shí)間 170 min。硫化輪胎無(wú)過(guò)硫和缺膠等缺陷，檢測(cè)合格。

4 成品輪胎性能

4.1 充氣外緣尺寸

按照GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測(cè)量方法》測(cè)量成品輪胎外緣尺寸。安裝在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上的輪胎在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下的D′為1 600 mm，B′為614 mm，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 物理性能

成品輪胎胎面膠的物理性能見(jiàn)表1。從表1可以看出，成品輪胎胎面膠的各項(xiàng)物理性能指標(biāo)滿足GB/T 1190—2018要求。

表1 成品輪胎胎面膠的物理性能

4.3 耐久性能

按照GB/T 30193—2013并結(jié)合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表2所示。企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求輪胎在耐久性試驗(yàn)中必須進(jìn)入第8階段，實(shí)際試驗(yàn)中輪胎進(jìn)入第9階段出現(xiàn)胎圈脫層，輪胎的耐久性能達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 成品輪胎的耐久性試驗(yàn)條件

5 結(jié)語(yǔ)

本次開(kāi)發(fā)的雪地用途23.5R25 L3全鋼工程機(jī)械子午線輪胎的充氣外緣尺寸和物理性能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，耐久性能滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，并且遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。產(chǎn)品投放市場(chǎng)后表現(xiàn)較好，在北歐和北美地區(qū)市場(chǎng)占有率較高，為公司帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。