宋朝興，李曉明，陳 宇，王若飛，周亞兵

（風(fēng)神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

光面工程機(jī)械輪胎系列產(chǎn)品主要適用于兩類特定作業(yè)條件：一是用在巷道工作的鏟運(yùn)機(jī)及類似環(huán)境工作的工程機(jī)械上，適用于井下礦產(chǎn)的開采、運(yùn)輸、隧道建設(shè)等惡劣環(huán)境下作業(yè)；二是用在筑路機(jī)械上，適用于高速公路攤鋪瀝青路面和路基的壓實(shí)作業(yè)。

本工作主要介紹9.00R20NHS井下礦用光面全鋼工程機(jī)械子午線輪胎的設(shè)計。

1 技術(shù)要求

根據(jù)ETRTO—2017《歐洲輪胎輪輞技術(shù)組織標(biāo)準(zhǔn)手冊》及客戶需求，選取9.00R20NHS井下礦用光面全鋼工程機(jī)械子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)如下：標(biāo)準(zhǔn)輪輞 7.00T，充氣外直徑（D′） 1 054 mm，充氣斷面寬（B′） 260 mm，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷 4 375 kg，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 825 kPa。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

在充氣狀態(tài)下，輪胎充氣輪廓大于輪胎模具尺寸，充氣輪廓與模具尺寸的比值用膨脹率表示。由于子午線輪胎冠部有周向不易伸張的帶束層箍緊胎體，充氣后輪胎的外直徑膨脹率（D′／D）較小，參考相同結(jié)構(gòu)、類似規(guī)格（12.00R24，13.00R25和14.00R20，下同）輪胎的D′／D平均值，本次設(shè)計D′／D取1.003 8，D取1 050 mm。

B是一個重要的參數(shù)，應(yīng)慎重選取，B取值大容易引起并胎現(xiàn)象，B取值小不滿足標(biāo)準(zhǔn)，參考相同結(jié)構(gòu)、類似規(guī)格輪胎的斷面寬膨脹率（B′／B）平均值，B′／B取1.020，B取255 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h是決定輪胎胎冠主要形狀以及成品接地印痕的關(guān)鍵參數(shù)。確定b和h后，再確定胎冠采用多段弧還是一段弧以及多段弧是否相切，最終確定胎冠的形狀及其對胎面耐磨性能、牽引性、轉(zhuǎn)向性及生熱等多項(xiàng)使用性能的影響[1]。井下礦用光面輪胎系列要求b較大，因此可適當(dāng)增大b。本次設(shè)計取相同結(jié)構(gòu)、類似規(guī)格輪胎的b／B平均值0.902，根據(jù)已經(jīng)確定的B，b取230 mm，胎冠曲線采用相切的兩段弧設(shè)計。

h對輪胎接地印痕的影響較大，增大h可以降低胎肩與地面的接觸應(yīng)力，減小h可以增大胎肩與地面的接觸應(yīng)力。為保證輪胎與路面在b范圍內(nèi)有最大的接地面積，一般h／斷面高（H）為0.03～0.05，本次設(shè)計h取10 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

C是指上下胎踵之間的垂直距離，以使用輪輞寬度為基礎(chǔ)進(jìn)行確定，對于子午線輪胎，適當(dāng)增大胎圈寬度，輪胎充氣后，輪胎的應(yīng)力應(yīng)變會往胎肩方向移動，從而減小胎圈損壞的風(fēng)險[2]。結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，小型工程機(jī)械輪胎胎圈寬度比輪輞寬度大0～6.35 mm（0.25英寸），本次設(shè)計C取184 mm。d依據(jù)輪輞類型和輪輞標(biāo)定直徑確定，保證輪胎胎圈部位與輪輞裝配后緊密不漏氣且裝卸方便，本次設(shè)計d取510 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸又稱斷面中心線，位于斷面最寬處，是負(fù)荷下法向形變的最大部位，如何保證輪胎從充氣狀態(tài)至負(fù)荷狀態(tài)下H1／H2保持不變是設(shè)計的重點(diǎn)和難點(diǎn)。輪胎在使用過程中，如果斷面水平軸往胎冠方向偏移，容易引起胎肩部位應(yīng)力集中，如果斷面水平軸往胎圈方向偏移，容易引起下胎側(cè)應(yīng)力集中，兼顧胎圈和胎肩應(yīng)力分布找到最優(yōu)H1／H2非常重要[3]，參考相同結(jié)構(gòu)、類似規(guī)格輪胎的H1／H2平均值，本次設(shè)計H1／H2取0.753，H1為116 mm，H2為154 mm。

輪胎輪廓如圖1所示。

圖1 輪胎輪廓示意

2.5 胎面花紋

胎面花紋采用超厚光面花紋設(shè)計，根據(jù)《中國輪胎輪輞氣門嘴標(biāo)準(zhǔn)年鑒》，花紋代號為L-5S，可提高井下等惡劣工況下輪胎的耐磨性能，花紋深度為51 mm。胎肩增加測深溝標(biāo)識（見圖2），上下模各3個，均勻錯開。

圖2 胎肩測深溝標(biāo)識示意

3 施工設(shè)計

3.1 胎面

胎面采用3層設(shè)計，包括上胎面、中胎面、下胎面（見圖3），上胎面和中胎面采用耐磨性能好的專用配方，下胎面采用低生熱配方，可降低輪胎使用中的生熱[4]。

圖3 胎面結(jié)構(gòu)示意

3.2 胎體和帶束層

胎體采用0.25＋6＋12×0.225HT鋼絲簾線，運(yùn)用薄膜-網(wǎng)絡(luò)理論[5]計算胎體簾線應(yīng)力，得到胎體安全倍數(shù)為13，輪胎的耐疲勞性能和耐磨性能滿足要求。

帶束層采用4層結(jié)構(gòu)。1#帶束層為過渡層，簾線角度一般相對大一些，常用范圍為50°～60°，本次設(shè)計1#帶束層使用3＋9＋15×0.175＋0.15HT鋼絲簾線，角度為55°。2#和3#帶束層為工作層，是帶束層結(jié)構(gòu)中主要承受應(yīng)力的簾布層，簾線角度常用范圍為15°～22°，本次設(shè)計2#和3#帶束層使用3＋9＋15×0.22＋0.15HT鋼絲簾線，角度均為18°。4#帶束層為保護(hù)層，一般采用高伸長率和高抗沖擊型鋼絲簾線，常用角度范圍與工作層接近，本次設(shè)計4#帶束層使用3×7×0.20HE鋼絲簾線，角度為15°。運(yùn)用彼德爾曼公式[5]計算帶束層簾線應(yīng)力，最終得出安全倍數(shù)為10。

3.3 胎圈

胎圈采用常用的六邊形結(jié)構(gòu)，排列方式為5-9-6，鋼絲直徑為Φ1.65 mm，未纏繞錦綸包布前鋼絲圈內(nèi)直徑為526 mm，安全倍數(shù)為4。

3.4 胎圈填充膠、胎圈加強(qiáng)層和胎側(cè)

子午線輪胎胎圈結(jié)構(gòu)部件種類多，相對于斜交輪胎比較復(fù)雜，本次胎圈填充膠采用雙復(fù)合結(jié)構(gòu)，分為硬三角膠和軟三角膠，填充膠擠出后采用冷敷貼方式組成胎圈組合件。

胎圈加強(qiáng)層使用鋼絲簾布加強(qiáng)，采用U型包方式。

胎側(cè)采用三復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低耐磨膠端點(diǎn)打褶的風(fēng)險，且因?yàn)橛糜诰?，路況惡劣，胎側(cè)容易被割傷，對胎側(cè)厚度進(jìn)行了加強(qiáng)設(shè)計（見圖4）。

圖4 胎側(cè)施工示意

3.5 成型

成型采用一次法兩鼓成型機(jī)，胎體伸張值取1.5%計算平寬，帶束層伸張值取3%計算輔鼓周長。成型預(yù)定型寬度為510 mm，定型寬度為400mm，超定型寬度為310 mm。

3.6 硫化

采用1 473.2 mm（58英寸）雙模熱板式硫化機(jī)硫化。由于本次設(shè)計為超加深光面花紋，為縮短硫化時間、提高生產(chǎn)效率，模具需額外增加模套設(shè)計，可以顯著提高硫化速度。

硫化機(jī)采用RB9001型硫化膠囊，硫化膠囊拉伸高度為675 mm，預(yù)定型高度為400 mm，定型高度為280 mm。

4 成品性能

4.1 充氣外緣尺寸

輪胎裝配標(biāo)準(zhǔn)輪輞，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力為825 kPa，按照GB／T 521—2012進(jìn)行測試，測得D′為1 055 mm，B′為257 mm，輪胎充氣外緣尺寸滿足相應(yīng)設(shè)計要求及國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 物理性能

成品輪胎物理性能測試結(jié)果如表1所示。

表1 成品輪胎物理性能測試結(jié)果

從表1可以看出，成品輪胎的物理性能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 靜負(fù)荷性能

輪胎靜半徑（輪胎充氣后，在負(fù)荷狀態(tài)下其中心到接地端的距離）和負(fù)荷斷面寬與負(fù)荷的關(guān)系曲線如圖5所示，輪胎接地面積與負(fù)荷的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖5 輪胎靜半徑和負(fù)荷斷面寬與負(fù)荷的關(guān)系曲線

圖6 輪胎接地面積與負(fù)荷的關(guān)系曲線

針對輪胎靜半徑、負(fù)荷斷面寬和接地面積隨負(fù)荷的變化曲線，用多項(xiàng)式擬合出變化曲線，具體如下。

靜半徑隨負(fù)荷變化的曲線方程（x1為負(fù)荷，y1為靜半徑）如下：

負(fù)荷斷面寬隨負(fù)荷變化的曲線方程（x2為負(fù)荷，y2為負(fù)荷斷面寬）如下：

接地面積隨負(fù)荷變化的曲線方程（x3為負(fù)荷，y3為接地面積）如下：

根據(jù)上述各曲線方程建立數(shù)學(xué)模型，用于輪胎靜負(fù)荷性能的分析和研究，結(jié)果均滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)語

9.00R20NHS井下礦用光面全鋼工程機(jī)械子午線輪胎生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，外形美觀大方，質(zhì)量合格，成品輪胎的充氣外緣尺寸、物理性能和靜負(fù)荷性能均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)設(shè)計要求。該產(chǎn)品的成功研發(fā)完善了我公司產(chǎn)品圖譜，是小規(guī)格井下用途系列輪胎的重要品種。