14.00R25工程機械子午線輪胎的設計

程 超，張 鵬，龍云山，朱仕翻，張 甲

（貴州輪胎股份有限公司，貴州 貴陽 550008）

近年來因為礦業(yè)的發(fā)展，整個礦山市場復蘇，80 t級重型自卸車因為作業(yè)運行相對較為便捷，對路況要求較剛性自卸車低，并且前期投入較小，所以得到市場的高度認可，受終端市場的青睞，整個行業(yè)重型自卸車市場保有量逐年激增，相應工程機械輪胎需求出現(xiàn)爆發(fā)式增長[1]。但是，傳統(tǒng)斜交輪胎質量缺陷多、使用壽命短，因此不能滿足礦業(yè)工程機械輪胎需求。

為了維護行業(yè)競爭力并提高企業(yè)經(jīng)濟效益，本工作對14.00R25工程機械子午線輪胎進行設計開發(fā)，以期消除斜交輪胎產(chǎn)品不抗刺扎和切割以及生熱鼓包等問題，提高產(chǎn)品品質，為客戶創(chuàng)造更高的價值。

1 技術要求

參考國家化學工業(yè)標準匯編第5版、美國輪胎輪輞標準協(xié)會標準（TRA—2012）和歐洲輪胎輪輞技術組織標準手冊（ETRTO—2012）等要求，確定14.00R25工程機械子午線輪胎的技術參數(shù)如下：標準輪輞 10.00/1.5，充氣外直徑（D′）1 368（1 346～1 390） mm，充氣斷面寬（B′） 375（364～401） mm，適用于E3使用條件（重型自卸車）的輪胎最高速度 50 km·h-1、充氣壓力 700 kPa、單胎負荷 5 800 kg，胎面花紋 普通塊狀花紋，作業(yè)類型 搬運。

2 結構設計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

根據(jù)該車型在市場的實際使用情況，并結合斜交輪胎產(chǎn)品出現(xiàn)的問題，以平衡輪廓設計理論作為數(shù)學模型、以經(jīng)典力學原理作為架構，通過有限元方法進行模擬分析，同時考慮全鋼工程機械子午線輪胎相較于傳統(tǒng)斜交輪胎更大[2-3]，最終優(yōu)化得出本設計輪胎D為1 370 mm、B為375 mm，該結果滿足工程機械輪胎模具尺寸和輪胎產(chǎn)品標準要求。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

輪胎與地面直接接觸的平面是行駛面，b和h會影響輪胎在運動狀態(tài)下的穩(wěn)定性和耐磨性能。該類型輪胎使用工況較為惡劣，接地穩(wěn)定性和耐磨性能至關重要。在設計中，需要增大輪胎接地面積，并提升其抓著性能，因此b取315 mm，h取14 mm。通過優(yōu)化設計，可以使輪胎運動狀態(tài)下的接地面積增大，使接地壓力分布更加均勻、合理，且耐磨性能得到了優(yōu)化[4]。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

d主要根據(jù)輪輞的尺寸來確定。為確保輪胎與輪輞配合緊密，獲得良好的氣密性，并提高胎圈部位的剛性支撐，同時能夠很好地裝卸輪胎，輪胎與輪輞采用過盈配合，即d取632 mm；C采用加寬12.7 mm設計（C通常大于輪輞寬度12.7～38.1 mm），即C取266.7 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

全鋼工程機械子午線輪胎設計中，斷面水平軸位置均需與輪胎斷面最寬點匹配，該部位是輪胎斷面中最薄、變形最大的位置，對于輪胎性能有重大影響。H1/H2過大，會導致輪胎肩部受力集中；H1/H2過小，會導致胎圈受力集中，兩種情況均會導致輪胎肩部、胎圈出現(xiàn)較高的疲勞積累，導致輪胎異常損壞。工程機械輪胎的負荷較大，H1/H2一般取0.73～0.90。本次設計中，將H1/H2定為0.87[5]，以盡量避免傳統(tǒng)輪胎斷面水平軸位置設計不合理問題。

輪胎輪廓如圖1所示。

圖1 輪胎輪廓示意

2.5 胎面花紋

該類型輪胎為非公路型產(chǎn)品，輪胎的抓著性能、散熱性、自潔能力以及磨耗壽命必須被首要考慮。既要保證輪胎的驅動、制動、耐磨和操縱性能，又要提高輪胎的綜合使用壽命等。鑒于工程機械輪胎在特定的環(huán)境下作業(yè)，通常應滿足以下條件：（1）行駛面對路面有良好的抓著性能；（2）抗?jié)窕湍湍バ阅芎?；?）花紋溝不夾帶泥沙和石子，有較好的自潔性；（4）較強的抗切割和抗崩花掉塊能力，不裂口[4-5]。花紋設計中以傳統(tǒng)斜交輪胎花紋為設計基礎，采用塊狀形式，花紋深度設計為26 mm，采用等節(jié)距34節(jié)距設計，花紋飽和度達68.8%。

輪胎三維花紋如圖2所示。

圖2 輪胎三維花紋

3 施工設計

3.1 胎面

考慮該類型產(chǎn)品作業(yè)工況特殊，結合國內外市場的斜交輪胎使用案例，胎面冠部膠選用抗刺扎、抗切割和高耐磨膠料，以保證輪胎在其使用工況下的綜合使用性能?；磕z主要考慮低生熱以及與帶束層之間的過渡問題，選用低生熱膠料，可以有效減小輪胎在運動狀態(tài)下的生熱率，同時使胎面與帶束層間形成良好的過渡[6]。

3.2 帶束層

帶束層的選型設計決定輪胎性能和使用質量。帶束層設計應保證與胎體簾線有一定的受力分配，以提高輪胎的耐磨性能、抗刺扎性能和操縱穩(wěn)定性等[7]。本次設計選擇了4層帶束層結構，其中1#—3#帶束層均采用3+9+15×0.22+0.15HT鋼絲簾線，4#帶束層采用高伸長的3×7×0.22HE鋼絲簾線。帶束層安全倍數(shù)為5.1，滿足標準要求。

3.3 胎體

胎體主要由各類骨架材料組成，在輪胎應用中起承載結構的作用，同時會對輪胎的側偏剛性和轉向性能造成影響，對輪胎質量有較大影響。本設計考慮到輪胎的實用性，以充氣后輪胎作為設計基礎，采用3+9+15×0.22+0.15鋼絲簾線。胎體安全倍數(shù)為5.5，滿足標準要求。

3.4 胎圈

輪胎胎圈部位既要承受輪胎行駛中的制動力矩和離心力，又要承受輪輞的過盈力。本次胎圈設計保留了傳統(tǒng)工程機械輪胎的六角形鋼絲圈結構，但對鋼絲和覆膠鋼絲直徑以及鋼絲圈數(shù)進行了調整，鋼絲和覆膠鋼絲直徑分別為1.83和2.10 mm，鋼絲圈數(shù)為95。確認胎圈安全倍數(shù)為5.3，滿足標準要求。

3.5 成型

一方面考慮到產(chǎn)品生產(chǎn)效率，盡可能減少生產(chǎn)過程中的浪費；另外考慮操作人員的便捷性，降低操作人員的勞動強度，以及人工干預引起的產(chǎn)品質量波動等。本次設計采用一次法成型機進行生產(chǎn)[6]，可以一次性完成單個輪胎的生產(chǎn)流程，具有較高的效率。此外一次法成型機的應用可以避免一些人工模式下的質量問題，例如人工不規(guī)范操作導致胎坯質量受損等。

3.6 硫化

采用單模蒸鍋式硫化機，具體工藝為：內溫（165±3） ℃，外壓蒸汽溫度 （143±3） ℃，二次水壓力 （2.6±0.1） MPa，外壓蒸汽壓力（0.35±0.02） MPa，總硫化時間 125 min。硫化過程中無過硫和缺膠等現(xiàn)象。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

成品輪胎外緣尺寸按GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測量方法》進行測量。安裝在標準輪輞上的輪胎在標準充氣壓力下的D′和B′分別為1 372和376 mm，均符合國家標準要求。

4.2 耐久性能

按照GB/T 30193—2013《工程機械輪胎耐久性試驗方法》并結合企業(yè)測試標準進行耐久性試驗，試驗條件如表1所示。試驗結果要求如下：國家標準要求完成前3個階段測試后，輪胎無損壞；企業(yè)標準要求測試必須進入第7階段。實際測試至第7階段結束，累計行駛87 h后輪胎未損壞。輪胎的耐久性能達到企業(yè)標準要求，超過國家標準要求。

表1 成品輪胎耐久性試驗條件

5 結語

從輪胎結構和現(xiàn)場工藝設計方面進行了系列優(yōu)化和論證，14.00R25工程機械子午線輪胎的充氣外緣尺寸達到國家標準要求，耐久性能滿足企業(yè)標準要求，并且遠遠高于國家標準要求。本設計輪胎投入市場后使用效果較好，且性價比較高，為礦用輪胎市場提供了優(yōu)越的輪胎解決方案，得到終端客戶的高度認可，主機配套及后市場占有率不斷增大，為公司帶來較高的經(jīng)濟效益。