工程翻新輪胎多元復(fù)合層型及力學(xué)模型的構(gòu)建

王 強，齊英杰

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

工程翻新輪胎多元復(fù)合層型及力學(xué)模型的構(gòu)建

王 強，齊英杰

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

為進一步提高工程翻新輪胎的使用性能和奠定理論基礎(chǔ)，以26.5R25全鋼工程子午線翻新輪胎為研究對象，分析并設(shè)計了翻新輪胎的基本結(jié)構(gòu)及尺寸，依據(jù)復(fù)合層型理論，構(gòu)建了由胎面層厚壁圓筒模型、中墊膠層薄壁圓筒模型、帶束層薄壁圓筒模型、胎體層薄壁殼體模型及胎側(cè)層旋轉(zhuǎn)圓環(huán)模型為主要構(gòu)成的工程翻新輪胎多元復(fù)合層型，依據(jù)地面力學(xué)理論，采用極坐標(biāo)的方式，分析和探討了多元復(fù)合層型力學(xué)模型和細觀靜力學(xué)平衡方程的構(gòu)建，描述了工程翻新輪胎各組成層的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系矩陣.

工程翻新輪胎；多元復(fù)合層型；力學(xué)模型；細觀靜力學(xué)平衡方程；關(guān)系矩陣

0 引言

隨著我國采礦業(yè)及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，土、石方作業(yè)用工程輪胎需求量不斷增加，其成本和使用越來越受到人們的關(guān)注，輪胎的費用約占整個露天礦采費用20%～30%.工程輪胎經(jīng)常在路面不平坦且有尖銳碎石塊、釘子和碎玻璃等環(huán)境下工作，受硬物沖擊較大，輪胎胎面需具有較高的耐切割和耐磨損性能.93%的工程輪胎失效是由于非正常磨損而引起的，其中大部分失效后的輪胎可通過胎面翻新使其使用壽命進一步延長[1-3].近年來，我國工程輪胎翻新行業(yè)發(fā)展極其迅速，但是工程輪胎翻新質(zhì)量參差不齊，關(guān)于工程翻新輪胎的理論研究相對較少，輪胎翻新并沒有真正地與輪胎理論相結(jié)合.筆者設(shè)計了26.5R25全鋼工程子午線翻新輪胎基本結(jié)構(gòu)及施工要求，構(gòu)建了由胎面層厚壁圓筒模型、中墊膠層薄壁圓筒模型、帶束層薄壁圓筒模型、胎體層薄壁殼體模型及胎側(cè)層旋轉(zhuǎn)圓環(huán)模型組成的工程翻新輪胎多元復(fù)合層型，并對其力學(xué)模型和細觀靜力學(xué)平衡方程進行了分析和探討.

1 工程翻新輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)工程機械輪胎標(biāo)準(zhǔn)GB/T1190—2009以及工程機械翻新輪胎標(biāo)HG/T3979—2007，確定26.5R25全鋼工程子午線翻新輪胎的技術(shù)參數(shù)為[4-6]：標(biāo)準(zhǔn)輪輞22.00/3.0，充氣外直徑1 750 mm，外直徑1 738 mm，充氣后輪胎外直徑膨脹率1.007，充氣斷面寬686 mm，斷面寬673 mm，行駛面寬度565 mm，斷面寬膨脹率1.019，斷面高551.5 mm，行駛面高27 mm，胎圈著合直徑635 mm,著合寬度564 mm，斷面水平軸位置1.20；耐磨型花紋，花紋深度為40 mm，冠部胎面膠厚度為40 mm，中墊膠厚度為2 mm，胎側(cè)膠厚度為5 mm；充氣壓力(單胎)800 kPa，最大負荷(單胎)19 600 kg，最高行駛速度65 km/h.胎體層，角度為90°，采用1層0.20+18×0.18HT鋼絲簾布，安全倍數(shù)為18；帶束層采用5層結(jié)構(gòu)：1為過渡層，角度為25°，鋼絲密度為4根/cm；2～4層為工作層，角度為22°，鋼絲密度為5根/cm；1～4層采用3+8×0.38HT鋼絲簾線；5為保護層，角度為23°，鋼絲密度為4根/cm，采用1×5×0.38HI鋼絲簾線,帶束層安全倍數(shù)為8；鋼絲圈為φ2.0 mm鋼絲，共120根六角形排列，結(jié)構(gòu)形式為8-9-10-11-12-13-12-11-10-9-8，安全倍數(shù)為6.

2 工程翻新輪胎多元復(fù)合層型的構(gòu)建

2.1 工程翻新輪胎多元復(fù)合層型的結(jié)構(gòu)組成[7]

依據(jù)26.5R25全鋼工程子午線翻新輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工設(shè)計要求，將胎面層、中墊膠層、帶束層、胎體層及胎側(cè)層視為不同材料組分的單元體，各層之間通過先膠合后硫化的方式粘合在一起，使工程翻新輪胎成為一個由多元材料構(gòu)成的復(fù)合層型，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示.多元復(fù)合層型工程翻新輪胎的結(jié)構(gòu)組成為：胎面層、中墊膠層及胎側(cè)層視為由各項同性的一元橡膠材料構(gòu)成，帶束層和胎體層視為由各項異性的橡膠單元及鋼絲簾線二元復(fù)合材料構(gòu)成.

2.2 工程翻新輪胎多元復(fù)合層型的構(gòu)建

胎面層、中墊膠層及胎側(cè)層可視為橡膠各向同性材料，各層的抗拉強度、彈性模量和斷裂伸長率等主要力學(xué)參數(shù)不同；帶束層和胎體層由橡膠基體和鋼絲簾線組成的正交各向異性復(fù)合材料，可視為“加強筋”模型[8].如圖2所示，工程翻新輪胎多元復(fù)合層型主要由胎面層厚壁圓筒模型、中墊膠層薄壁圓筒模型、帶束層薄壁圓筒模型、胎體層薄壁殼

體模型及胎側(cè)層旋轉(zhuǎn)圓環(huán)模型構(gòu)成，當(dāng)輪胎承載時，各層分別會產(chǎn)生復(fù)雜的彈性變形，研究中將各層模型視為緊密的彈性過盈配合連接.

1—胎面層；2—中墊膠層； 3—帶束層；4—胎體層；5—胎側(cè)層 圖1 多元復(fù)合層型的結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure and composition of multiple composite layer type

1—胎面層厚壁圓筒模型；2—中墊膠層薄壁圓筒模型；3—帶束層薄壁圓筒模型；4—胎體層薄壁殼體模型；5—胎側(cè)層旋轉(zhuǎn)圓環(huán)模型 圖2 工程翻新輪胎多元復(fù)合層型的構(gòu)成Fig.2 Constitute of engineering retreaded tire multiple composite layer type

3 工程翻新輪胎多元復(fù)合層型力學(xué)模型的構(gòu)建

工程翻新輪胎多元復(fù)合層型的受力狀況(如圖3所示)與輪胎結(jié)構(gòu)形式及尺寸、胎壓、載荷和行駛速度等因素有關(guān)，其力的平衡條件為[9]

T-F·e=0；

(1)

Fsinα-FT=0；

(2)

Fcosα-W=0.

(3)

式中:T為扭矩；F為合反力；FT為驅(qū)動力；W為徑向載荷；e為合反力偏心距.

圖3 工程翻新輪胎地面受力狀況Fig.3 Ground force status of engineering retreaded tire

體層與胎側(cè)層、胎體層與帶束層、帶束層與中墊膠層、中墊膠層與胎面層之間所形成的內(nèi)在張力，這些張力的大小與各層的彈性模量、泊松比及剪切模量有關(guān).在忽略輪胎彈性體變形產(chǎn)生的滯后能量損失情況下，工程翻新輪胎多元復(fù)合層型力學(xué)模型還需要滿足下列關(guān)系

Fcosα=R1=R2=R3=R4=W;

(4)

F·e=T4=T3=T2=T1;

(5)

(6)

(7)

式中符號含義與公式(1)、(2)、(3)中符號含義相同.

(a) 胎面層力學(xué)模型 (b) 中墊膠層力學(xué)模型 (c) 帶束層力學(xué)模型 (d) 胎體層力學(xué)模型 (e)胎側(cè)層力學(xué)模型 圖4 翻新輪胎多元復(fù)合層型力學(xué)模型Fig.4 Mechanical model of retread tires multiple composite layer type

4 工程翻新輪胎多元復(fù)合層型細觀靜力學(xué)平衡方程

工程翻新輪胎細觀靜力學(xué)模型如圖5所示，變形與應(yīng)力對稱于軸線，即應(yīng)力和應(yīng)變只是坐標(biāo)r的函數(shù)，與θ無關(guān)，翻新輪胎各層在同一圓周上的點有相同的徑向位移u，且u是r的函數(shù)與θ無關(guān)，翻新輪胎在各層內(nèi)可視為軸對稱問題，筆者采用極坐標(biāo)描述其細觀力學(xué)平衡方程[10].

圖5 工程翻新輪胎多元復(fù)合層型細觀靜力學(xué)模型Fig.5 Meso static model of engineering retreaded tires multiple composite layer type

如圖5所示，微元abcd變形后將位移到a′b′c′d′，則徑向應(yīng)變?yōu)?/p>

(8)

圓弧ad變形后將位移到a′d′，則周向應(yīng)變?yōu)?/p>

(9)

在平面應(yīng)力情況下有

(10)

(11)

(12)

(13)

在軸對稱問題中，如不考慮體積力，平衡條件則化為

(14)

(15)

邊界條件為r=a時，σr=-p1，r=b時，σr=-p2

(16)

(17)

(18)

(19)

z軸方向可視為平面應(yīng)變問題，則有

(20)

(21)

工程翻新輪胎在自由充氣工況下，p2=0，則有

(22)

(23)

(24)

(25)

工程翻新輪胎為非線性大變形結(jié)構(gòu)，筆者利用線性正交各項同性及各項異性彈性理論近似的預(yù)測其剛度，胎面膠層、緩沖膠層及胎側(cè)層屬于各向同性材料，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系矩陣可描述為[11-12]：

(26)

工程機械翻新輪胎帶束層、胎體層屬于正交各向異性材料，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系矩陣可描述為如公式(26)形式.

5 結(jié)論

筆者構(gòu)建了由胎面層厚壁圓筒模型、中墊膠層薄壁圓筒模型、帶束層薄壁圓筒模型、胎體層薄壁殼體模型及胎側(cè)層旋轉(zhuǎn)圓環(huán)模型組成的工程翻新輪胎多元復(fù)合層型，并對其力學(xué)模型和細觀靜力學(xué)平衡方程進行了分析和探討，研究成果可為工程翻新輪胎的性能研究提供重要的理論參考，研究中所構(gòu)建的模型忽略了翻新輪胎的部分細節(jié)結(jié)構(gòu)，后續(xù)將進一步細化和完善工程翻新輪胎多元復(fù)合層型的構(gòu)建.

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Construction of Multiple Composite Layer Type and Mechanical Model of Engineering Retreated Tire

WANG Qiang， QI Ying-jie

(Traffic College, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

26.5R25 steel engineering meridian retreaded tire was regarded as study object, basic structure composition and dimension requirements of retreaded tires were analyzed and designed in order to lay the theoretical foundation for further improving use performance of engineering retreaded tires, engineering retreaded tire multiple composite layer type mainly composed of tread layer thick-wall cylinder model, medium cushion rubber layer thin-wall cylinder model, belt layer thin-wall cylinder model, carcass layer thin-wall shell model and tire side layer rotating ring model was constructed through theoretical analysis. Polar coordinate mode was adopted for analyzing and discussing construction of multiple composite layer mechanical model and meso-statics equilibrium equation based on ground mechanics theory. Stress-strain relation matrix of engineering retreaded tire tread rubber layer, buffer rubber layer, tire side layer, belt layer and carcass layer was described.

engineering retreated tire; multiple composite layer type; mechanical model; meso-statics equilibrium equation；relationship matrix

2014-11-10；

2014-11-25

黑龍江省科技攻關(guān)資助項目(GC08A208)

王強(1981-)，男，黑龍江哈爾濱人，東北林業(yè)大學(xué)博士研究生，主要從事車輛輪胎技術(shù)研究，E-mail:630702666@qq.com.

1671-6833(2015)01-0087-05

U4

A

10.3969/j.issn.1671-6833.2015.01.021