工程机械轮胎讲座

斜交工程机械轮胎结构设计及工艺要点全国轮胎结构学习班讲义风神轮胎股份有限公司苏平芝二零零七年九月 一、工程机械轮胎在世界轮胎产业中的地位及我国工程机械轮胎的发展状况： 工程机械轮胎是指用于轮式车辆与工程机械上的充气轮胎（简称工程轮胎）。工程机械包含：重型自卸汽车、装载机、挖掘机、铲运机、推土机和压路机等。因工程机械品种规格很多，使用工程机械轮胎的品种、规格很多，而且大小差异非常大。 在国外和国内轮胎标准中，对巨型工程轮胎都没有确切的定义。但在我国 轮胎外观质量 HG/T2177-1998标准中，判断外观质量标准按轮胎大小不同，提出了 “巨 ”、 “大 ”、 “中小 ”和 “轿 ”的概念，它指出了外胎名义断面宽为 24吋（ 610mm）为 “特巨 ”； 18吋（ 457mm）及其以上的轮胎为 “巨胎 ”，这就包括了 1/3以上的工程轮胎都称之为巨胎，从而出现了有近百万条巨胎市场的说法。而名符其实的 “巨胎 ”估计世界范围内的需求量最多在 10万条。中国橡胶协会提出的巨型工程轮胎是指轮胎轮辋直径 33吋，轮胎充气外直径在 2000mm以上，单胎负荷量（ 级， 10km/h）在 20000kg以上的工程轮胎。为巨型工程轮胎，如18.00-33、 21.00-35、 21.00-49、 21.00-33、 24.00-35、 24.00-49、 27.00-49、 30.00-51、 33.00-51、 36.00-51、 37.00-57、 40.00-57，以及宽基的33.25-35、 33.5-33、 35/65-33、 45/65-45等。 大型 工程轮胎是指轮辋直径在 25 33吋，如 18.00-25、 18.00-33、17.5-25、 20.5-25、 23.5-25、 26.5-25、 29.5-25、 29.5-29等，在工程轮胎中大型工程轮胎约占 1/3的量。 中型 工程轮胎是指轮辋直径在 20 24吋的工程轮胎，如 16/70-20、13.00-24、 14.00-24、 16.00-20等。 小型 工程轮胎是指轮辋直径在 20吋以下的，如 8.25-15等。 按以上定义，我国 2006年协会统计的各类工程轮胎产量比例如下表 1。 表 1 2006年全国各类工程轮胎产量比例 据统计，全球工程轮胎市场容量约 55亿美元，按 2005年全球轮胎销量总额为 1010亿美元，即工程轮胎份额约占 5.5%。按地区划分：北美市场占全球工程轮胎的 27%，以美国市场最大，工程轮胎需求量大，需大量进口；南美市场占 8%；欧洲市场占 20%，工程机械约有 12万台左右，包括有名的卡特比勒、约翰迪尔和沃尔沃等公司；亚洲市场占 30%，普利斯通、横滨和东洋是工程轮胎主要生产商；大洋洲市场占 7%，澳大利亚矿山机械多，工程轮胎供应不足；阿拉伯市场占 8%；埃及、赞比亚、南非和伊拉克等很有发展潜力。 总之，有色金属价格上涨，促进了矿山业的繁荣，从而延长工作时间，提高工作强度，加快了轮胎的消耗，需求量随之大升，全球性的工程轮胎热也传到我国，尤其是巨型工程轮胎以惊人的速度在开发生产，如 2005年至 2006年最大巨胎是 27.00-49、 36.00-51，而今年已发展到 40.00-57，甚至以开发 53/80-63。 目前世界上著名的轮胎公司都在扩大工程轮胎的产能，如米其林公司在巴西、在美国卡罗米纳州及在西班牙的维多利亚工厂扩建工程子午胎，米其林的目标是要占全球工程轮胎市场的 30%；再如普利斯通公司要在日本下关工厂、防府工厂扩产并新建巨型工程子午胎；再如固特异公司、横滨公司等都在扩大工程胎产能。总之，由于矿山、建筑、交通能源业的发展，其所需工程轮胎超出了人们的预料，使工程机械轮胎在轮胎业中的地位引起了人们的高度关注。 我国工程轮胎从 2001-2005年，年均增长率 33%， 2006年间增长 50%，随着我国矿山、水利、交通、各种基础建筑的快速发展，工程轮胎需求增加，再加上近年出口量的增加，出现了更大增长。在工程轮胎中原有的主要规格 17.5-25、 20.5-25、 23.5-25仍占比重大，但呈逐年下降趋势，而大一些的规格如 26.5-25、 29.5-25量在增加， 35“以上的巨胎 2006年比上年增加一倍多。目前生产巨胎的厂家也不仅是原来风神、天津、桂林等厂，能生产 27.00-49、30.00-51、 36.00-51、 40.00-57、 45/65-45巨型工程轮胎的厂家已达20多家，大部分集中在山东，但总量不超过 2万条，而大部分用于出口，填补全球巨型工程子午胎需求急增的空间，带来一个大的发展机遇。 我国工程子午线轮胎从 2002年开始生产了 8条（三角23.5R25 2条、上海 14.00R24 6条），发展到 2006年的 18万条，最大规格 29.5R29。目前正开发 24.00R35，现生产工程子午轮胎的已有 8家企业（上海、三角、风神、桂林、贵州、山东兴源、金宇、玲珑）。 巨型工程子午胎主要用于重型自卸汽车，其优越的性能会更加突出，如提高行驶性能，生热低，耐磨、耐刺扎，缓冲性能好，操纵稳定性好，负荷能力大，使用寿命长等。现我国的平朔安太堡煤矿、南芬铁矿已全部采用子午工程胎，货源依赖进口。据目前国内主要矿山重型自卸汽车估算，需巨型子午工程胎约 4000条左右，要求使用寿命在 20003000小时，规格已由 27.00R49、 37.00 R 57、 30.00 R 51向 40.00 R 57、53/80 R 63等发展。我国工程轮胎近 5年来产量见表 2。 表 2 我国工程轮胎近 5年产量（万条） （轮胎协会会员单位统计） 国内已能生产巨型工程子午胎项目的企业，关键生产设备一次法或两次法成型机，巨型定型硫化机或机模一体化的胶囊硫化装置也在研制开发中，另出口的巨型工程子午胎的质量更应引起高度重视，方能占领市场。 二、工程机械轮胎代号标志、使用类型及主要规格所配车型： 1、工程机械轮胎使用类型： 国标 “GB/T 2980-2001” 工程机械轮胎规格、尺寸、气压与负荷 中将工程机械轮胎的使用类型分为四类： 第一类： 重型自卸车和铲运机轮胎，用于运输作业，通常在不平整的路面上以中等速度行驶，最高速度为 65km/h，单程不超过 4km； 第二类： 平地机轮胎，用于修筑或养护道路，作业时轮胎负荷较稳定，工作周期内速度较慢，最高速度为 40km/h； 第三类： 装载机和推土机等轮胎，主要用于短距离装运，作业速度慢、运输距离短，最高速度 10km/h，单程不超过 75m； 第四类： 压路机轮胎，用于压平或压实路面、场地和跑道，行程短速度低，最高速度为 10 km/h。 2、工程机械轮胎规格名称、代号标志和使用类型： 工程机械轮胎规格名称举例： 16.00 24 TG 12PR TT/TL 23.5 R 25 14.00 24 NHS 16PR 45 / 65 45 38PR TL TT有内胎、 TL无内胎 PR层级、 负荷符号 TG工程牵引车和平地机轮胎 NHS非公路使用轮胎 轮辋名义直径，吋 “” 斜交结构代号、 “R”子午结构代号 名义高宽比 名义断面宽，吋 工程机械轮胎的国标代号标志和使用类型：见表 3。 工程机械轮胎尺寸公差： 新胎最大总宽度（ mm） =新胎设计断面宽 a 斜交轮胎： a=1.06； 子午线轮胎：新胎设计断面宽度 380mm时， a=1.07, 新胎设计断面宽度 380mm时， a=1.09; 新胎最小总宽度（ mm） =新胎设计断面宽 0.97； 新胎最大外直径（ mm） =2设计新胎断面高度 1.03+轮辋名义直径； 新胎最小外直径（ mm） =2设计新胎断面高度 0.97+轮辋名义直径； 表 3 工程机械轮胎的国标代号标志和使用类型 窄基轮胎（普通断面轮胎）：轮胎断面高宽比为 0.95左右的工程轮胎。 宽基轮胎：轮胎断面高宽比为 0.80左右的工程轮胎。 低断面轮胎：轮胎断面高宽比为 0.65左右（ 65系列）或 0.70左右（ 70系列）的工程轮胎。 3、常用的大型工程机械轮胎主要尺寸及所配车型： 4、工程机械轮胎的发展趋势： 从普通断面向宽基或低断面结构发展：可显著提高牵引性能，大大改进工程车辆的稳定性。 向无内胎轮胎方向发展： 无内胎轮胎内腔有耐透气性好的专用密封层，胎圈与轮辋过盈紧密配合，胎圈与轮辋接触部有胎趾密封胶，胎圈与轮辋之间有“O”形密封圈。 无内胎轮胎的优点： 密封性能好，能提高行驶安全性。 因没有内胎，所以消除了内外胎之间的摩擦，生热低，工作温度低，更是用于高速行驶工况，可提高轮胎使用寿命。 当轮胎被刺穿后，因胎里密封层漏气慢，不致于立即失去支撑与行驶能力，从而提高了行驶的安全性。 维修方便：当穿孔较小时，可直接修补。 简化了工艺，省去了内胎、垫带的工艺及其生产的工装设备，节省了投资。 向子午线方向发展： 子午线轮胎的优点： 耐磨性好； 滚动阻力低、节油； 高速性能好，乘坐舒适； 操纵稳定性好； 噪音低。 向专用型方向发展： 普通型； 低生热型； 耐切割型； 沙漠型； 岩石型。 三、工程机械轮胎结构设计： 工程机械轮胎同一般载重汽车轮胎相比，具有承载能力高，牵引力大，通过性好，耐磨耐切割性能好。如 14.00-24、 16.00-25、18.00-25、 18.00-33、 21.00-35、 24.00-35、 27.00-49、 30.00-51、 33.00-51、 36.00-51、 40.00-57等规格均为与自卸汽车及铲运机配套的产品，其作业条件苛刻，多行驶在矿山、碎石路面上，而且作业速度多在 30 60km/h，连续作业，因此要求具有高承载能力，胎体较厚，胎面耐磨、耐切割，又要使其具有低生热，严防轮胎的早期脱层爆破。而17.5-25、 20.5-25、 23.5-25、 26.5-25、 29.5-25、 29.5-29、 35/65-33、45/65-45等规格多于装载机配套的产品，该类工程机械主要使用在矿山、煤田等无路面的短距离低速作业，要求其耐磨、耐切割性能好，同时在设计计算时要注意装载机在作业时，铲运斗铲矿石和举升矿石的瞬间，前桥的两条轮胎将承受整车和铲运斗容量总负荷的 70%，以使正确确定轮胎的层级，以满足该类轮胎的承载能力。 另 13.00-24TG、 14.00-24 TG等多与推土机配套的产品，要求装配在半深槽轮辋上，轮胎的花纹要求为牵引性好、可抛泥的自洁性花纹等，如 L-2型等。 1、工程轮胎负荷能力计算： 普通断面斜交轮胎（ 16.00吋以下断面） : 用英制单位计算时： Q=K0.425P0.585S0.6251.39(Dr+S0.625) 用国际单位计算时： Q=K2.73510-5P0.585S0.6251.39(Dr+S0.625) 普通断面斜交轮胎（ 16.00吋及以上断面） : 用英制单位计算时： Q=K0.425P0.585S0.6251.39(1.46Dr0.88+S0.625) 用国际单位计算时： Q=K2.73510-5P0.585S0.6251.39(2.152Dr0.88+S0.625) 宽基斜交轮胎： 用英制单位计算时： Q=K0.425P0.585Sd1.39(1.84Dr0.81+Sd) 用国际单位计算时： Q=K2.73510-5P0.585Sd1.39(3.402Dr0.81+Sd) 式中各符号的含义： Q-负荷，英制单位，磅 lbs 国际单位，公斤 kg P-气压，英制单位， Psi(磅 /吋 2) 国际单位， Kpa Dr-轮辋名义直径，英制单位，吋 in 国际单位， mm 注意：偶数轮辋直径用于计算负荷。 180 sin-1(Rm / S) 如 14.00-25、 16.00-25用 24 直径。 S0.625=S S0.70=S 135.6180 sin-1(Rm / S)180 sin-1(Rm / S)141.3 Rim-测量轮辋宽度，英制单位，吋 in 国际单位， mm S-测量轮辋上断面宽，英制单位，吋 in 国际单位， mm Sd-S0.625 ( F)d d=圆形轮胎设计断面高（ 0.96S0.70）减去扁平轮胎断面高， 英制单位，吋 in 国际单位， mm F=d/S0.70 K-负荷系数 N-层数 SF-应力系数 SF= 2、轮胎负荷计算举例： 27.00-49-48PR V=50Km/h，即 30mph P=575Kpa(83psi)，要求 Q=25000kg(55100lbs) 查 TRA27.00-49标准轮辋 19.50 新胎设计断面宽 737mm(29吋 ) 180 sin-1(Rm / S) 查表 V=50 Km/H时， K=1.3P S2N S0.625=S =29 =28.27 Q=1.30.425830.58528.271.39(1.46480.88+28.27) =55148 lbs 可满足要求。 工程轮胎的承载能力与行驶速度、作业条件、气压密切相关，在设计中经常遇到已知轮胎规格、作业速度，而不同层级相对应的气压应是多少？或知道同一规格同一层级轮胎在不同作业速度下相对应的气压如何计算，这些问题应用应力系数公式就可算出。 即 SF= 计算举例： 例 1： 20.5-25用于装载机作业速度 8km/h，当 12PR、 16PR、 20PR时相对应的气压是多少？180 sin-1(Rm / S)141.3180 sin-1(19.5 /29)141.3P S2N12PR时， P=SF2N/S=34212/20.5=39.8psi=280kpa 16PR时， P= 34216/20.5=53psi=370kpa 20PR时， P= 34220/20.5=65psi=450kpa 例 2： 29.5-29-28R用于装载机时，作业速度为 8km/h和用于铲运机作业速度为 50km/h时，相应的气压应为多少？ 查表 8km/h时， SF=34 P= 34228/29.5=65psi=450kpa 查表 50km/h时， SF=25.6 P= 25.6228/29.5=48psi=340kpa 2、工程轮胎一般设计参数的选取： D/D的选取： 普通窄基轮胎 D/D取 0.99 1.02，其取值的大小与 H/B的大小、 的大小及胎面胶厚度、花纹深度有关。 对于宽基及低断面轮胎，因其内腔为一扁椭圆形，为防止充气后外直径的膨胀，保证产品外缘尺寸符合要求，使产品具有较好的耐磨性，特选取 D/D 1 1.03。 B/B的选取： 普通断面 B/B=1.03 1.07 宽基断面 B/B=1 1.05 断面水平轴，即 H1/H2 若选取合理使轮胎的最大变形区集中在水平轴位置，即 F2F1，使水平轴上下部位的材料厚度基本对称一致，以求轮胎充气后断面膨胀均匀，从而避免轮胎在使用中发生胎侧变形应力集中现象。 一般载重胎 H1/H2=0.85 0.93 工程轮胎 H1/H2=0.73 0.88 宽基或低断面轮胎及加深花纹轮胎取小值。 H/B是技术设计中主要参数之一，决定着轮胎断面形状，及 D、 B和使用性能。 一般载重胎 H/B=1.12 1.19 工程胎普通断面 H/B=1.05 1.10 工程胎宽基断面 H/B=0.75 0.85 工程胎低断面 H/B=0.64 0.73 b/B: 一般载重胎 b/B =0.7 0.8 工程轮胎 b/B =0.85 0.95，目的是增大工程轮胎接地面积，减少单位面积上的压力，同时提高胎肩部的支撑性能，减少变形，提高耐磨、耐刺扎性能。 3、工程轮胎承载能力强，作业条件苛刻，瞬间冲击负荷大，要求具有高胎体帘线安全倍数： 单根帘线所受应力： N=P(RK2-ro2) /2RKin1/(cos )2 式中， N-单根帘线所受应力， kg/根 P-轮胎充气压力， kg/cm2 RK-胎里半径， cm ro-零点半经（断面水平轴至车轴中心距离） k-胎冠帘线角度 in-胎冠各层帘线密度之和（含缓冲层），根 /cm in=n1i1+ n2i2+n3i3 式中， n1 、 n2 、 n3 分别为内层、外层、缓冲层帘布层数 i1 、 i2 、 i3分别为内层、外层、缓冲层胎冠部帘线密度 i1、 2、 3=i01、 02、 03R0/RKcos0/cosk 式中， i01、 02、 03-各层帘线原始密度，根 /cm R0-第一帘布筒半径， cm 0-帘布裁断角度，度 对普通结构斜交胎，帘线胎冠角一般为 50 52，宽基轮胎 k取 54 57，低断面轮胎 k取 56 62。 帘线安全倍数 K=S/N 式中， S-单根帘线扯断强力， kg/根 一般载重汽车胎 K=8 12 工程轮胎 K=14 18 工程轮胎承载能力高，胎体厚，多采用高扯断强力的1870dtex/2、 1400dtex/3或 2100 dtex/2 N66或 N6帘线作胎体帘布层。 4、高钢丝圈强度安全倍数： 有内胎轮胎钢丝圈应力及安全倍数计算： 钢丝圈所受应力： T0=P cosRK2-ro22cosn 式中， T0-钢丝圈在内压作用下所受应力， kg P-充气压力， kg/cm2 RK-胎里半径， cm r0-零点半径， cm -胎冠帘线角度，度 n-钢丝圈中心处帘线角度，度 sinn=rn/Rksin rn-钢丝圈中心半径， cm 钢丝圈强度安全倍数： K=0.785d2nSn/T0 式中， d-钢丝直径， cm， 19#钢丝直径 10.02mm Sn-单根钢丝扯断强度 140kg/根 n-每个胎圈中钢丝根数 载重胎 K=5 7倍 工程轮胎 K=7 9倍 无内胎工程轮胎钢丝圈所受应力及强度安全倍数计算： T=T0+TH 式中， T-无内胎胎圈钢丝圈所受总应力， kg T0-胎圈在内压作用下所受应力， kg（该力计算同有内胎） T0=P cos TH-胎圈对轮辋的卡紧力， kg TH=E1bKrc 式中， 1-钢丝圈下部材料压缩模量（ 300 500kgf/cm2） bK-胎圈中钢丝圈的总宽度， cm -钢丝圈下部材料厚度， cm rc-钢丝圈中心半径， cm -胎圈对轮辋的过盈量， cm dr d+2（ tg1 tg2） 式中， dr-轮辋直径， cm d-胎圈着合直径， cm a-轮辋边缘至胎圈中心距离， cm 1-胎圈底部倾斜角，度 2-轮辋底部倾斜角，度 工程机械无内胎轮胎钢丝圈强度安全倍数： K=0.785d2nSn/（ T0+ TH） 一般要求在 3 5倍。RK2-ro22cosn5、工程轮胎胎体厚，帘布层数多，钢圈承受应力高，故多采用不同直径的多钢圈结构，以保证多钢圈受力均匀、钢圈底部材料均等，减少底部材料位移而导致脱层爆破。 6、工程无内胎轮胎设计要点： 胎圈着合直径对轮辋直径的过盈配合： 普通轮胎胎圈着合直径一般比轮辋直径大 0.5 1.5mm，目的是方便装卸，而对于工程大胎装配在全斜底式轮辋为避免轮胎与轮辋间的滑移，则选用着合直径等于或小于轮辋直径。 为保证无内胎轮胎与轮辋之间的良好密封，胎圈着合直径比轮辋直径小 4 6.4mm，承载能力高、规格大时取大值，国外资料介绍过盈量最大取 7.8mm。 胎圈与轮辋底部倾斜角的配合： 为保证轮胎更紧密地着合在轮辋上大型轮胎胎圈底部的倾斜角一般比轮辋倾斜角大 0.5 1.0度。 胎圈部位材料分布： 胎圈是轮胎与轮辋直接接触的部位，也是无内胎轮胎充气后是否会漏气的关键部位。因此要求胎圈部位变形小，各部件间的粘合性和密封性要好。为此，工程轮胎胎体帘布的反包高度较高，有的在反包端点处加贴胶片，以提高粘合强度。 为保证胎趾与轮辋间的密封性能，在胎圈外加贴