蔡庆全钢巨胎结构设计讲义发齐工PPT课件.ppt

全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 北京橡胶工业研究设计院 全钢巨胎开发组蔡庆 2013年10月 1 汇报内容 一 全钢巨型工程子午线轮胎的定义及范围 二 全钢巨型工程子午线轮胎特点及要求 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计方法 四 全钢巨型工程子午线轮胎的生产工艺 五 全钢巨型工程子午线轮胎的使用情况 六 全钢巨型工程子午线轮胎的发展方向 2 一 全钢巨型工程子午线轮胎定义及范围 工程机械轮胎 主要用于轮式工程车辆与工程机械上的充气轮胎 分为装载机轮胎 铲运机轮胎 平地机轮胎和压路机轮胎等 标准上分为以下五类 C 压路机轮胎 C1 C2 E 铲运机和重型自卸车轮胎 E 1 E 2 E 3 E 4 E 7 E 4为加深块状花纹 G 平地机轮胎 G 1 G 2 G 3 G 4 IND 工业车辆轮胎 IND 3 IND 4 IND 5 L 装载机和推土机轮胎 L 2 L 3 L 4 L 5 L 3S L 4S L 5S 按断面形式分为 窄基轮胎 轮胎断面高宽比为0 95左右的工程机械轮胎 宽基轮胎 轮辋宽度与轮胎断面宽度比为0 80左右的工程机械轮胎 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 的工程机械轮胎 按照结构形式分为 斜交工程胎和子午线工程胎两大类 3 斜交胎与子午胎的区别 巨型斜交胎 胎体帘布层由多层挂胶帘布组成 帘布层相互交叉排列 帘线与断面轮廓线成45 55 夹角 缓冲层由几层相互交叉的挂胶帘布组成 帘线角度接近胎体角度 当轮胎行驶时 仅能起到分散外力冲击的缓冲作用 轮胎应力的80 90 由胎体承担 全钢巨型子午胎 胎体帘布层为一层钢丝帘布 钢帘线呈径向排列与断面轮廓线成0 夹角 象地球子午线形式般排列 其带束层采用多层钢丝帘布来束缚胎体的周向变形 与轮胎周向成10 30 夹角 带束层能保持轮胎形状并可承受约60 75 轮胎应力 一 全钢巨型工程子午线轮胎定义及范围 4 工程机械轮胎规格 规格范围 查中国国家标准GB 美国标准TRA 欧洲标准ETRTO以及米其林 BS等厂家产品手册可知 最小规格 12 00 20 12 00R20 D 1146mm 最大规格 59 80R63 D 3890mm 目前世界上已有65 轮胎 全钢巨型工程子午线轮胎 并无确定定义及范围 根据生产工艺及大家的认知 基本上以49 以上的全钢子午线轮胎为巨型工程轮胎 北院已开发成功的全钢巨胎规格 27 00R49 30 00R51 33 00R51 36 00R51 37 00R57 40 00R57 46 90R57 50 80R57 53 80R63 一 全钢巨型工程子午线轮胎定义及范围 5 轮胎规格含义 规格名称举例 16 00 24TG12PR14 00 24NHS16PR59 80R63E4 NHS 非公路使用轮胎TG 工程牵引车和平地负荷符号机轮胎 非公路用 E4 推土机用轮胎加深花纹轮辋名义直径 in 斜交胎结构代号 子午胎结构代号 R 轮胎名义高宽比H B轮胎名义断面宽度 in 一 全钢巨型工程子午线轮胎定义及范围 6 胎侧字体图样 一 全钢巨型工程子午线轮胎定义及范围 7 轮辋形式 巨型工程机械轮胎采用多件式全斜底式轮辋 以便于拆装 包括 轮辋本体 前挡圈 后挡圈 圈座 锁圈 O 型密封胶圈 每次拆卸下来即废除 在安装轮胎时换新的密封圈 一 全钢巨型工程子午线轮胎定义及范围 8 49 63 全钢巨型工程胎规格表 一 全钢巨型工程子午线轮胎定义及范围 9 根据工作条件的不同选择不同的工程轮胎产品 10 矿山用车辆及配套巨型工程机械子午线轮胎规格 国内巨型斜交胎最大规格 53 80 63 寿命仅2000h Belshina 贝尔西纳 米其林 BS约5000 8000h 57 斜交胎寿命约为子午胎的50 巨型斜交胎缺点 胎体帘布层多 轮胎生热高 不耐磨 行驶寿命大大低于子午胎 安全性较低 35 57 车型 75 63 车型 25 一 全钢巨型工程子午线轮胎定义及范围 11 2010年 巨型工程机械轮胎中仅10 为子午线轮胎 2006年 巨型工程机械轮胎子午化率为0 十一五期间 我国轮胎的子午化率从57 4 上升至80 9 工程轮胎子午化率仍然很低 仅为10 3 其中 巨型工程轮胎子午化率低于此值 2010 2013年 国内全钢巨型工程子午线轮胎发展较快 受世界经济影响及技术瓶颈限制 生产波动较大 产能显过剩 一 全钢巨型工程子午线轮胎定义及范围 12 二 全钢巨型工程子午线轮胎特点及技术要求 巨型工程胎连续工作时间长 除了司机换班 检修 每日行驶时间为20h 因此 胎冠胎肩的热脱层为巨型工程胎的首要破坏形式 全钢巨型工程子午线轮胎装配在大型自卸车辆上 在大型露天矿场使用 矿场生产条件不同 对巨型轮胎的要求相应不同 矿用自卸车的吨位不断增加 要求巨型工程胎的承载能力也要增加 相同外轮廓的巨型子午胎 具有更高的承载能力 露天矿路况较差 车辆行驶中 路面矿石对轮胎胎面 胎侧的刺扎 磨损常常导致胎面掉块 花纹沟底划裂进水 胎侧啃伤等损坏 巨型子午胎具有更优良的耐磨 耐刺扎及耐切割性能 更能适应复杂路面 巨型子午胎的可翻新率高于斜交巨胎 13 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 根据全钢巨型工程子午胎的特点 在结构设计中 采用增大轮廓设计的理论 提高巨胎的负荷能力 采用轮胎形变控制方法 兼顾轮胎高宽比 各弧度参数的经验值选取 进行轮胎的轮廓设计 骨架材料 胎体采用合理直径粗钢丝 合理高密度设计 既保证轮胎安全性 又保证轮胎整体设计的平衡 带束层采用多层结构 小角度的设计模式 利用有限元分析 对轮胎的力学性能进行优化设计 确保轮胎行驶在复杂路面时的各项性能 在胎圈设计上 使用有限元软件进行胎圈轮辋过盈配合优化设计 使轮胎具有良好的气密性 同时达到装卸省力 难度小的效果 在配方设计中 强调在保证整体配方的合理匹配基础上 着重解决胎面的耐磨 耐刺扎性与低生热性 胎面基部胶的低生热 高定伸性 钢丝胶的粘合性 耐热疲劳性等 对巨型轮胎的硫化程度作反复的测定 采用 低温长时间硫化 方式 达到轮胎最合理的硫化程度 提升轮胎的使用性能 14 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 15 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 模型设计 测量分析 对轮胎的测量及分析 1 国外品牌各状态轮廓测量 2 结合经验开发模型轮廓 3 力学分析 4 自主开发品牌使用时的测量验证 16 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 模型设计 测量分析 对轮胎的测量及分析 1 国外品牌各状态轮廓测量 新胎自由状态测量 新胎机床测量 17 模型设计 经验设计 模型断面轮廓外直径D和断面宽B的选取D D 1 0 1 01 B B 1 01 1 02轮胎断面水平轴的确定工程子午胎H1 H2 1 1 1 4胎圈间子口宽度C的确定C CRC CR胎圈着和直径DZ的选取胎圈过盈设计 胎圈直径比轮辋直径小胎圈底部角度大于5 轮胎行驶面弧度与宽度的选取h H 0 04 0 06b B 0 85 0 95Rn b2 8h h 2 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 对轮胎的测量及分析 2 轮胎轮廓经验设计 18 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 模型设计 力学分析 对轮胎的测量及分析 3 力学分析 二维断面网格模型 100 标准载荷 0 7MPa内压下断面纵向变形量 19 全钢巨胎多数采用E4花纹块状耐磨型ROCK花纹块大 沟窄 耐切割和耐磨耗性能较好 但生热高 散热性差 不宜用于高速作业 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 模型设计 花纹设计 20 花纹深度分为标准花纹 加深花纹 超深花纹3种 加深花纹深度为标准花纹的150 超深花纹深度为标准花纹深度的250 加深花纹和超深花纹适用于行驶速度不高且要求耐切割 耐磨耗的矿山和工地 加深花纹轮胎的外直径比标准花纹轮胎的大 因为胎面胶加厚了 超深花纹轮胎外直径与加深花纹轮胎的相等 而胎面更厚 因此只有减小胎体帘布层直径 所以超深花纹轮胎的胎里直径比标准花纹要小 全钢巨胎花纹深度 各家产品并不一致 同一家产品一个规格根据用途 有不同花纹深度和花纹形式的轮胎 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 模型设计 花纹设计 21 切割断面 从轮胎旋转轴心引两条线至胎肩 连接这两点所得直线应垂直于胎面中心线 沿此轮廓将轮胎切开即得标准的轮胎断面 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 材料设计 轮胎剖析 22 材料设计 轮胎主要部件胎面带束层肩垫胶带束夹胶胎侧胎体内衬层胎侧填充胶三角胶子口耐磨胶钢丝圈 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 23 内轮廓设计 自然平衡轮廓结合经验材料分布 借鉴国外品牌的轮胎内部结构 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 材料设计 轮胎剖析 24 轮胎负荷计算胎体帘布强度计算钢丝圈强度计算带束层强度计算 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 材料设计 轮胎安全使用性能保证 25 负荷计算 查美国轮胎轮辋协会工程设计手册TRAEDI 工程机械轮胎单胎基本负荷计算公式为 用英制单位计算 L K 0 425 P0 585 S0 6251 39 1 46Dr0 88 S0 625 用国际单位计算 L K 0 885 10 5 P0 75 S0 6251 39 2 152Dr0 88 S0 625 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 26 轮胎负荷能力计算 不同的轮胎断面宽对应不同的负荷能力 举例如下 某巨胎规格 当S 1000时 L 51200kg 当S 1010时 L 52442kg 当S 1020时 L 53700kg 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 27 对轮胎的使用安全性应进行充分的测算 传统设计以各骨架材料的安全倍数计算为评价依据 随着技术进步 加入力学有限元分析 对各种情况下的轮胎安全性能进行估测 逐步完善轮胎安全性设计 轮胎骨架材料的安全倍数计算 包括 胎体安全倍数7 9倍 带束层安全倍数 9倍 钢圈安全倍数加过盈计算3 5倍 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 28 胎体强度计算 以某规格为例 作胎体帘线拉伸应力及安全倍数的计算 N 单根帘线张力 N 待求P 充气压力RK 胎里半径 cmr0 零点半径 cmn 帘布层数1层iK 胎冠各层帘线密度之和iK n1 ik1 n2 ik2 n3 ik3Ik i0 R0 RK根 cm式中 i0 帘线的原始密度 根 cmR0 帘线在成型贴合鼓上尚未膨胀时帘布筒半径cmIk 冠部胎体密度S 单根帘线扯断强度 NK 安全倍数 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 K S N 29 钢丝圈应力和安全倍数计算 钢丝圈底部材料平均压缩模量 一般为30 50MPa 钢丝圈宽度 钢丝圈中心半径 钢丝圈对轮辋过盈量 钢丝圈底部材料厚度 m 轮辋着合直径 轮胎着合直径 轮缘至胎圈中心距离 胎圈底部倾斜角度 轮辋胎圈座倾斜角度 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 30 带束层应力和安全倍数计算 带束层帘线应力计算公式有美国公式 前苏联的彼德尔曼公式 萨利蒂科夫公式 主要讲彼德尔曼公式 P 压力 带束层曲率半径RK 胎里半径R0 零点半径ik 带束层密度 K 带束层角度K St NSt 单根帘线强度 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 31 轮胎施工设计 成型方法的选择成型鼓的设计成型工艺过程 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 32 成型方法 一次法成型和二次法成型子午线轮胎通常采用以下两种成型方式 一种是两次法成型 另一种是一次法成型 目前两次法成型基本上是用于半钢丝子午线轮胎 如轿车及轻载轮胎 的生产 一次法成型则主要用于全钢丝载重子午线轮胎及高性能半钢丝子午线轮胎的制造 二次法成型就是将轮胎成型过程分别在一段成型机和二段成型机上完成 先在一段成型机上完成除带束层及胎面胶外的所有部件的组合 而后将一段胎坯转移到二段成型机上定位 充气定型 压合胎面 完成胎坯成型 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 33 成型方法 一次法成型是将外胎胎坯的成型过程在一台机器上完成 成型机的成型鼓 贴合鼓和传递环组合成整机并排列在一条直线上 在这种成型方式中 带束层与胎冠胶的组合和传递与二次法基本相同 不同之处在于 胎体贴合鼓和最后的定型鼓为一个鼓 两鼓成型机 或分别在两个鼓上 三鼓成型机 或一个胎体贴合鼓配两个定型鼓 四鼓成型机 比较而言 一次法成型机结构复杂 造价高 但操作方便 减轻劳动力 减少中间储运和搬运环节 避免了胎体帘线变形等现象 成型的精确度及效率要优于二次法成型机 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 34 成型方法 根据全钢工程子午线轮胎的结构特点 轮辋名义直径35英寸以下规格的轮胎通常采用一次法成型机 轮辋名义直径35英寸以上规格的巨型轮胎通常采用二次法成型机 个别厂家也考虑采用一次法成型机生产巨型全钢工程子午线轮胎 但是会难度很大 而且成型机头需要特殊设计和加工 两种成型机结构上最大的不同点是主成型机头 二次法成型机的成型机头是半鼓式机头 而一次法成型机通常均为鼓式机头 类似于实习工厂所见的成型机 半鼓式机头由于其直径大于胎坯胎圈内径 故机头设计成径向伸缩式结构 以保证胎坯可移走 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 35 成型工艺 巨型全钢工程子午线轮胎的成型采用二次法成型机胎体贴合鼓一段成型鼓二段定型鼓带束贴合鼓 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 36 一段胎体贴合鼓 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 37 一段成型鼓 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 38 二段定型鼓 定型鼓方式目前为两种 扇形块撑起固定形式或卡盘形式 工艺 一段胎坯传递至定型鼓鼓横向收缩至超定型位 收缩同时开始充内压 将带束复合件与一段胎坯结合后压车滚压胎面缠绕滚压卸胎 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 39 二段带束贴合鼓 贴合顺序 1 带束层 2 带束层 3 带束层 带束层胶片 带束夹胶 4 带束层 5 带束层 6 带束层 带束层胶片 胎面下层胶 较小规格 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 40 成型鼓设计 半芯轮式成型鼓鼓径 Dk Db 1 4 1 6Dk 轮胎胎里直径Db 成型鼓直径半鼓式成型鼓鼓式成型鼓 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 41 半鼓式成型鼓 半鼓式成型鼓鼓径Db 载重子午胎 Dk Db 1 5 1 65巨型工程胎 根据胎体安全倍数的要求和可用钢丝强力推算得出 N 0 1P RK R0 2 RK M冠K S N 鼓 M冠 胎里 M压延鼓宽 Bs 2L d1 2 l c UL 成品胎里内轮廓帘线长度 从胎冠点至钢丝圈底线 mml 成型鼓肩曲线长度 mm鼓肩宽度 mmd1 帘线假定伸张值 1 01 1 04 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 42 各段材料图绘制 三 全钢巨型工程子午线轮胎结构设计 43 原材料检验 胶料混炼 半成品挤出 钢丝圈成型 三辊压延 钢丝帘布制造 两种方式 胎侧 子口胶 肩垫胶 填充胶 三角胶 下三角胶 胎圈成型 内衬层胶片 带束层 子口补强层 胎体 巨型子午胎二次法成型 胎面缠绕 轮胎入库 外观 修剪 硫化 胎坯翻转运输 X光检查 四 全钢巨型工程子午线轮胎生产工艺 44 在南芬铁矿 伊敏河煤矿等矿山持续使用已超过三年 平均寿命达到米其林的50 60 部分产品达到70 以上 TEREXMT 3700 190T 前 后轮均使用北院技术 北院已开发规格自卸车吨位27