王 強(qiáng)，齊 鵬，王云龍，楊 兆，王國(guó)田

(1.黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050;2.哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

隨著礦山開采、建筑施工等行業(yè)發(fā)展迅速，使工程車輛輪胎的需求量與日俱增，2017年的年產(chǎn)量約為1 500萬條，占輪胎總量的0.8%左右，但售額卻占全部輪胎的8%左右。一條工程車輛輪胎胎冠的耗膠量占整個(gè)輪胎耗膠量的15%左右，但其附加值卻比其它輪胎高出30%～50%左右[1-3]。目前，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、日本、韓國(guó)及我國(guó)的研究主要集中在輪胎翻新行業(yè)狀況及相關(guān)政策分析、輪胎翻新工藝與技術(shù)、輪胎翻新設(shè)備研制及改進(jìn)、翻新輪胎產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、翻載重車輛新輪胎胎面改性增強(qiáng)技術(shù)等方面[4-6]。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家及我國(guó)的研究主要集中在載重車輛翻新輪胎方面，但對(duì)工程車輛翻新輪胎使用中表現(xiàn)出的宏觀及微觀力學(xué)性能研究卻不多。工程輪胎翻新基礎(chǔ)技術(shù)缺乏，其在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)胎面不耐磨、易崩花掉塊，甚至出現(xiàn)胎面脫層、被壓爆及刺爆的損壞形式，嚴(yán)重影響其推廣應(yīng)用。為此，本文通過構(gòu)建工程車輛翻新輪胎的計(jì)算機(jī)幾何模型、各層應(yīng)力約束條件及有限元分析模型，對(duì)26.5R25工程車輛翻新輪胎的胎面層、緩沖膠層、帶束層、舊胎體層、胎側(cè)層、趾口膠層及鋼絲圈部分的應(yīng)力及剪切應(yīng)力分布狀況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，探討翻新輪胎彈性應(yīng)變及能量密度分布規(guī)律，可為工程車輛翻新輪胎的性能評(píng)價(jià)研究、翻新工藝優(yōu)化及使用推廣提供重要的理論指導(dǎo)。

1 工程車輛翻新輪胎的計(jì)算機(jī)幾何模型

本文以26.5R25工程車輛翻新輪胎為主要研究對(duì)象，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，應(yīng)用Pro/E Wildfire軟件構(gòu)建自由充氣及自由旋轉(zhuǎn)工況的三維裝配模型(見圖2)，三維幾何模型如圖3所示，主要由胎面、緩沖膠、帶束層、舊胎體、胎側(cè)、趾口膠及鋼絲圈組成[7-13]。

表1 26.5R25翻新輪胎結(jié)構(gòu)參數(shù)

續(xù)表1

圖1 26.5R25翻新輪胎結(jié)構(gòu)組成

圖2 自由充氣、自由旋轉(zhuǎn)工況三維裝配模型

圖3 三維幾何模型

2 工程車輛翻新輪胎各層應(yīng)力約束條件

工程車輛翻新輪胎胎面層、緩沖層、胎側(cè)層、帶束層、胎體層等各層所能承受的最大應(yīng)力需要滿足式(1)—式(5)的約束條件

σm≤[σmr]·K，

(1)

σh≤[σhr]·K，

(2)

σc≤[σcr]·K，

(3)

(4)

(5)

式中：σm、σh、σc、σd、σt分別為胎面層、緩沖層、胎側(cè)層、帶束層及胎體層所受應(yīng)力，MPa；σmr，σhr，σcr分別為胎面層、緩沖層及胎側(cè)層的最大許用應(yīng)力，MPa；K為各層設(shè)計(jì)安全系數(shù)；P為輪胎充氣壓力，kPa；Rk為胎面點(diǎn)半徑，m；R0為斷面最寬點(diǎn)半徑，m；n為胎體層鋼絲-簾線層數(shù)，層；ik為胎體層鋼絲-簾線密度，根/m；αk為帶束層的鋼絲-簾線角度，(°)。

胎面層和緩沖層之間、帶束層和緩沖層之間所承受的剪切應(yīng)力應(yīng)滿足式(6)～式(7)的約束條件

τmh≤[τmh]·K，

(6)

τhd≤[τhd]·K.

(7)

式中：τmh、τhd分別為胎面層和緩沖層之間、帶束層和緩沖層之間所受的剪切應(yīng)力，MPa;τmh，τhd分別為胎面層和緩沖層之間、帶束層和緩沖層之間的許用剪切應(yīng)力，MPa;K為剪切強(qiáng)度安全系數(shù)。

3 工程車輛翻新輪胎自由充氣、自由旋轉(zhuǎn)工況有限元模型

利用ANSYS軟件構(gòu)建工程翻新輪胎有限元模型(見圖4)，采用四面體單元結(jié)構(gòu)局部細(xì)化方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型共有200 089個(gè)自由度，10 223個(gè)單元和94 445個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中胎體層和帶束層采用復(fù)合材料Layer單元模擬，胎面層、緩沖層、胎側(cè)層及趾口膠層采用Mooney-Rivlin模型來模擬，鋼絲圈層采用Solid單元模擬，各層的材料參數(shù)如表2所示[14-17]。

圖4 有限元模型

自由充氣及自由旋轉(zhuǎn)工況約束加載模型如圖5所示，其中自由充氣工況在輪輞、趾口膠層部位進(jìn)行alldof約束，自由旋轉(zhuǎn)工況在輪輞部位進(jìn)行X、Y、Z方向的位移約束，車輛行駛速度為30 km/h(即3.1 rad/s)，胎壓設(shè)定為600 kPa，模型求解計(jì)算設(shè)定為非線性大變形，采用平衡迭代的方式，計(jì)算過程可分為1 000個(gè)子步。

表2 各層材料參數(shù)

圖5 約束加載模型

4 工程車輛翻新輪胎自由充氣、自由旋轉(zhuǎn)工況各層應(yīng)力有限元分析

4.1 自由充氣工況各層應(yīng)力有限元分析

工程翻新輪胎在胎壓為600 kPa的應(yīng)力云圖如圖6所示，沿輪胎徑向方向應(yīng)力分布規(guī)律，鋼絲圈層應(yīng)力(38.05 MPa)>胎體層應(yīng)力(0.81 MPa)>帶束層應(yīng)力(0.42 MPa)>緩沖層應(yīng)力(0.26 MPa)>胎面層應(yīng)力(0.14 MPa)。各層沿輪胎寬度方向的應(yīng)力分布曲線如圖7所示，其中胎面層、緩沖層、帶束層的應(yīng)力值呈現(xiàn)倒“V”型變化趨勢(shì)，均在胎面的中線處出現(xiàn)較大值，沿著輪胎寬度方向逐漸減小，至胎肩部位達(dá)到最小值，而胎體層的應(yīng)力呈現(xiàn)“W”的變化趨勢(shì)，且在胎肩部位應(yīng)力達(dá)到最大值(2.24 MPa)。結(jié)果表明，工程翻新輪胎在自由充氣工況下，其主要承力部件為鋼絲圈層和胎體層，在充氣壓力作用下向外膨脹，胎面層、緩沖層及帶束層向外擴(kuò)張形成緊箍的效應(yīng)，其中在胎肩部位胎體層與帶束層存在較大的應(yīng)力梯度，工程翻新輪胎舊胎體質(zhì)量對(duì)翻新后輪胎的力學(xué)性能將產(chǎn)生直接影響，且在翻新前要特別注意舊胎體胎肩部位損傷缺陷的檢測(cè)。

圖6 應(yīng)力云圖

圖7 層沿輪胎寬度方向的應(yīng)力

工程翻新輪胎在胎壓為600 kPa的綜合剪切應(yīng)力云圖如圖8所示，沿輪胎徑向方向剪切應(yīng)力分布規(guī)律，胎體內(nèi)側(cè)胎肩處剪切應(yīng)力(0.044 MPa)>鋼絲圈剪切應(yīng)力(0.003 MPa)>帶束層剪切應(yīng)力(0.002 MPa)>胎體層剪切應(yīng)力(0.0016 MPa)>緩沖層剪切應(yīng)力(0.001 MPa)>胎面層剪切應(yīng)力(0.000 7 MPa)，結(jié)果表明舊胎體內(nèi)側(cè)胎肩部位橡膠由于已存在一定程度的老化，受力后與鋼絲簾布之間形成較大的剪切應(yīng)力，同時(shí)，舊胎體上的趾口膠層橡膠也存在一定程度的老化，其與鋼絲圈形成剛性體與柔性體接觸對(duì)，在內(nèi)應(yīng)力作用下，二者之間形成在較大的剪切應(yīng)力。因此，工程輪胎舊胎體在翻新前要注重對(duì)鋼絲圈部位橡膠、胎體內(nèi)側(cè)胎肩處部位的損傷缺陷檢測(cè)。各層沿輪胎寬度方向的剪切應(yīng)力分布曲線如圖9所示，胎面層、緩沖層、帶束層及胎體層的剪切應(yīng)力值均較小，其中胎面層、帶束層及胎體層的剪切應(yīng)力呈現(xiàn)倒“V”型的變化趨勢(shì)，而緩沖層剪切應(yīng)力呈現(xiàn)“W”的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，工程輪胎翻新后各層之間一定要緊密粘附，且在胎面層、緩沖層及胎體層胎肩接觸部位橡膠融合要合理，否則，會(huì)由于剪切應(yīng)力梯度的不均衡使胎面層與胎體層在胎肩部位脫層失效。

圖8 剪切應(yīng)力云圖

圖9 各層沿輪胎寬度方向剪切應(yīng)力

工程車輛翻新輪胎彈性應(yīng)變分布云圖如圖10所示，應(yīng)變能量密度分布云圖如圖11所示。由圖10、圖11可知，翻新輪胎胎側(cè)應(yīng)變最大，其主要原因是：胎側(cè)是由一層鋼絲簾線和較薄的橡膠組成，在受力時(shí)更容易發(fā)生形變；胎面層位應(yīng)變能密度最大，且在輪胎寬度方向中心位置最大，向兩側(cè)胎肩方向逐漸減小，主要原因是胎面較厚，在受到較小的充氣張力后，其能量不易擴(kuò)散，導(dǎo)致集聚的應(yīng)變能量較高。不同充氣壓力下最大應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力對(duì)比曲線如圖12所示。由圖12可知，隨著充氣壓力的增加，其最大應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力均線性增大，但最大應(yīng)力變化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大剪切應(yīng)力變化率，表明充氣壓力的大小對(duì)工程翻新輪胎各層的應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生較大影響，對(duì)剪切應(yīng)力產(chǎn)生的影響較小。

圖10 彈性應(yīng)變分布云圖

圖11 應(yīng)變能量密度分布云圖

圖12 不同充氣壓力下最大應(yīng)力及最大剪切應(yīng)力曲線

4.2 自由旋轉(zhuǎn)工況各層應(yīng)力有限元分析

在充氣壓力600 kPa、自由行駛速度30 km/h時(shí)的工程車輛翻新輪胎綜合應(yīng)力云圖、綜合剪切應(yīng)力云圖、彈性應(yīng)變分布云圖、應(yīng)變能量密度分布如圖13—圖16所示。由圖13—圖16可知，自由旋轉(zhuǎn)工況下翻新輪胎的各層應(yīng)力、剪切應(yīng)力、彈性應(yīng)變及應(yīng)變能量密度分布規(guī)律與自由充氣工況下相似，但各項(xiàng)值均有所增大。應(yīng)力及剪切應(yīng)力最大值隨輪胎速度變化曲線如圖17、圖18所示。由圖17、圖18可知，工程翻新輪胎應(yīng)力及剪切應(yīng)力隨著輪胎自由行駛速度的增加而近似線性增大，但當(dāng)速度大于40 km/h后，其最大應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力幾乎變化不大。結(jié)果表明：工程翻新輪胎自由旋轉(zhuǎn)工況下將會(huì)產(chǎn)生較大的離心力，在離心載荷作用下，導(dǎo)致胎體層和帶束層承受的應(yīng)力較大，且剪切應(yīng)力主要集中在帶束層與緩沖層交匯處。因此，舊胎體的質(zhì)量對(duì)輪胎翻新后的力學(xué)性能將會(huì)產(chǎn)生較大的影響，且?guī)鴮优c緩沖層容易出現(xiàn)脫層失效情況。

圖13 綜合應(yīng)力云圖

圖14 綜合剪切應(yīng)力云圖

圖15 彈性應(yīng)變分布云圖

圖16 應(yīng)變能量密度分布云圖

圖17 應(yīng)力隨速度變化曲線(p= 600 kPa)

圖18 剪切應(yīng)力隨速度變化曲線(p=600 kPa)

5 結(jié) 論

1)確定了自由充氣及自由旋轉(zhuǎn)工況下工程車輛翻新輪胎胎面層、緩沖層、胎側(cè)層、帶束層、胎體層等各層應(yīng)力約束條件，胎面層和緩沖層之間、帶束層和緩沖層之間所承受的剪切應(yīng)力約束條件，數(shù)值模擬分析了工程車輛翻新輪胎各層的應(yīng)力、剪切應(yīng)力、彈性應(yīng)變及應(yīng)變能量密度分布及變化規(guī)律。

2)在自由充氣及自由旋轉(zhuǎn)工況下，工程翻新輪胎胎體層及胎面層胎肩部位所受應(yīng)力最大，帶束層次之，緩沖層及胎面層較小，緩沖層與帶束層之間存在較大的剪切應(yīng)力。

3)工程翻新輪胎胎體層及帶束層為主要承力部件，翻新前應(yīng)注重胎體層及帶束層的質(zhì)量檢測(cè)，翻新時(shí)要增強(qiáng)帶束層與緩沖層的粘合強(qiáng)度。