9.00R20NHS井下矿用光面全钢工程机械子午线轮胎的设计

宋朝兴，李晓明，陈 宇，王若飞，周亚兵

（风神轮胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

光面工程机械轮胎系列产品主要适用于两类特定作业条件：一是用在巷道工作的铲运机及类似环境工作的工程机械上，适用于井下矿产的开采、运输、隧道建设等恶劣环境下作业；二是用在筑路机械上，适用于高速公路摊铺沥青路面和路基的压实作业。

本工作主要介绍9.00R20NHS井下矿用光面全钢工程机械子午线轮胎的设计。

1 技术要求

根据ETRTO—2017《欧洲轮胎轮辋技术组织标准手册》及客户需求，选取9.00R20NHS井下矿用光面全钢工程机械子午线轮胎的技术参数如下：标准轮辋 7.00T，充气外直径（D′） 1 054 mm，充气断面宽（B′） 260 mm，标准负荷 4 375 kg，标准充气压力 825 kPa。

2 结构设计

2.1 外直径（D）和断面宽（B）

在充气状态下，轮胎充气轮廓大于轮胎模具尺寸，充气轮廓与模具尺寸的比值用膨胀率表示。由于子午线轮胎冠部有周向不易伸张的带束层箍紧胎体，充气后轮胎的外直径膨胀率（D′／D）较小，参考相同结构、类似规格（12.00R24，13.00R25和14.00R20，下同）轮胎的D′／D平均值，本次设计D′／D取1.003 8，D取1 050 mm。

B是一个重要的参数，应慎重选取，B取值大容易引起并胎现象，B取值小不满足标准，参考相同结构、类似规格轮胎的断面宽膨胀率（B′／B）平均值，B′／B取1.020，B取255 mm。

2.2 行驶面宽度（b）和弧度高（h）

b和h是决定轮胎胎冠主要形状以及成品接地印痕的关键参数。确定b和h后，再确定胎冠采用多段弧还是一段弧以及多段弧是否相切，最终确定胎冠的形状及其对胎面耐磨性能、牵引性、转向性及生热等多项使用性能的影响[1]。井下矿用光面轮胎系列要求b较大，因此可适当增大b。本次设计取相同结构、类似规格轮胎的b／B平均值0.902，根据已经确定的B，b取230 mm，胎冠曲线采用相切的两段弧设计。

h对轮胎接地印痕的影响较大，增大h可以降低胎肩与地面的接触应力，减小h可以增大胎肩与地面的接触应力。为保证轮胎与路面在b范围内有最大的接地面积，一般h／断面高（H）为0.03～0.05，本次设计h取10 mm。

2.3 胎圈着合直径（d）和着合宽度（C）

C是指上下胎踵之间的垂直距离，以使用轮辋宽度为基础进行确定，对于子午线轮胎，适当增大胎圈宽度，轮胎充气后，轮胎的应力应变会往胎肩方向移动，从而减小胎圈损坏的风险[2]。结合设计经验，小型工程机械轮胎胎圈宽度比轮辋宽度大0～6.35 mm（0.25英寸），本次设计C取184 mm。d依据轮辋类型和轮辋标定直径确定，保证轮胎胎圈部位与轮辋装配后紧密不漏气且装卸方便，本次设计d取510 mm。

2.4 断面水平轴位置（H1/H2）

断面水平轴又称断面中心线，位于断面最宽处，是负荷下法向形变的最大部位，如何保证轮胎从充气状态至负荷状态下H1／H2保持不变是设计的重点和难点。轮胎在使用过程中，如果断面水平轴往胎冠方向偏移，容易引起胎肩部位应力集中，如果断面水平轴往胎圈方向偏移，容易引起下胎侧应力集中，兼顾胎圈和胎肩应力分布找到最优H1／H2非常重要[3]，参考相同结构、类似规格轮胎的H1／H2平均值，本次设计H1／H2取0.753，H1为116 mm，H2为154 mm。

轮胎轮廓如图1所示。

图1 轮胎轮廓示意

2.5 胎面花纹

胎面花纹采用超厚光面花纹设计，根据《中国轮胎轮辋气门嘴标准年鉴》，花纹代号为L-5S，可提高井下等恶劣工况下轮胎的耐磨性能，花纹深度为51 mm。胎肩增加测深沟标识（见图2），上下模各3个，均匀错开。

图2 胎肩测深沟标识示意

3 施工设计

3.1 胎面

胎面采用3层设计，包括上胎面、中胎面、下胎面（见图3），上胎面和中胎面采用耐磨性能好的专用配方，下胎面采用低生热配方，可降低轮胎使用中的生热[4]。

图3 胎面结构示意

3.2 胎体和带束层

胎体采用0.25＋6＋12×0.225HT钢丝帘线，运用薄膜-网络理论[5]计算胎体帘线应力，得到胎体安全倍数为13，轮胎的耐疲劳性能和耐磨性能满足要求。

带束层采用4层结构。1#带束层为过渡层，帘线角度一般相对大一些，常用范围为50°～60°，本次设计1#带束层使用3＋9＋15×0.175＋0.15HT钢丝帘线，角度为55°。2#和3#带束层为工作层，是带束层结构中主要承受应力的帘布层，帘线角度常用范围为15°～22°，本次设计2#和3#带束层使用3＋9＋15×0.22＋0.15HT钢丝帘线，角度均为18°。4#带束层为保护层，一般采用高伸长率和高抗冲击型钢丝帘线，常用角度范围与工作层接近，本次设计4#带束层使用3×7×0.20HE钢丝帘线，角度为15°。运用彼德尔曼公式[5]计算带束层帘线应力，最终得出安全倍数为10。

3.3 胎圈

胎圈采用常用的六边形结构，排列方式为5-9-6，钢丝直径为Φ1.65 mm，未缠绕锦纶包布前钢丝圈内直径为526 mm，安全倍数为4。

3.4 胎圈填充胶、胎圈加强层和胎侧

子午线轮胎胎圈结构部件种类多，相对于斜交轮胎比较复杂，本次胎圈填充胶采用双复合结构，分为硬三角胶和软三角胶，填充胶挤出后采用冷敷贴方式组成胎圈组合件。

胎圈加强层使用钢丝帘布加强，采用U型包方式。

胎侧采用三复合结构设计，降低耐磨胶端点打褶的风险，且因为用于井下，路况恶劣，胎侧容易被割伤，对胎侧厚度进行了加强设计（见图4）。

图4 胎侧施工示意

3.5 成型

成型采用一次法两鼓成型机，胎体伸张值取1.5%计算平宽，带束层伸张值取3%计算辅鼓周长。成型预定型宽度为510 mm，定型宽度为400mm，超定型宽度为310 mm。

3.6 硫化

采用1 473.2 mm（58英寸）双模热板式硫化机硫化。由于本次设计为超加深光面花纹，为缩短硫化时间、提高生产效率，模具需额外增加模套设计，可以显著提高硫化速度。

硫化机采用RB9001型硫化胶囊，硫化胶囊拉伸高度为675 mm，预定型高度为400 mm，定型高度为280 mm。

4 成品性能

4.1 充气外缘尺寸

轮胎装配标准轮辋，标准充气压力为825 kPa，按照GB／T 521—2012进行测试，测得D′为1 055 mm，B′为257 mm，轮胎充气外缘尺寸满足相应设计要求及国家标准要求。

4.2 物理性能

成品轮胎物理性能测试结果如表1所示。

表1 成品轮胎物理性能测试结果

从表1可以看出，成品轮胎的物理性能满足国家标准要求。

4.3 静负荷性能

轮胎静半径（轮胎充气后，在负荷状态下其中心到接地端的距离）和负荷断面宽与负荷的关系曲线如图5所示，轮胎接地面积与负荷的关系曲线如图6所示。

图5 轮胎静半径和负荷断面宽与负荷的关系曲线

图6 轮胎接地面积与负荷的关系曲线

针对轮胎静半径、负荷断面宽和接地面积随负荷的变化曲线，用多项式拟合出变化曲线，具体如下。

静半径随负荷变化的曲线方程（x1为负荷，y1为静半径）如下：

负荷断面宽随负荷变化的曲线方程（x2为负荷，y2为负荷断面宽）如下：

接地面积随负荷变化的曲线方程（x3为负荷，y3为接地面积）如下：

根据上述各曲线方程建立数学模型，用于轮胎静负荷性能的分析和研究，结果均满足设计要求。

5 结语

9.00R20NHS井下矿用光面全钢工程机械子午线轮胎生产工艺稳定，外形美观大方，质量合格，成品轮胎的充气外缘尺寸、物理性能和静负荷性能均满足国家标准及相应设计要求。该产品的成功研发完善了我公司产品图谱，是小规格井下用途系列轮胎的重要品种。