吳 輝，丁趙楊，劉呈祥

（中策橡膠集團有限公司，浙江 杭州 310018）

全球貿(mào)易運輸90%通過海運，隨著全球貿(mào)易量的不斷增大，我國港口規(guī)模也持續(xù)擴大，港口與港口建設(shè)相配套的工程機械及其輪胎進入歷史性的快速發(fā)展期。目前港口配套使用21.00－25規(guī)格輪胎的龍門吊設(shè)備已經(jīng)占據(jù)主流市場，該輪胎的使用量逐年提高。隨著設(shè)備及現(xiàn)場管理水平的提升，龍門吊輪胎在使用過程中需要不斷升級換代，提高產(chǎn)品質(zhì)量，但是由于該產(chǎn)品使用周期很長（最短也在3年以上），產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度相應(yīng)降低。經(jīng)過多年的技術(shù)積累，我公司開發(fā)了21.00－25 40PR無內(nèi)胎港口工程機械輪胎的優(yōu)化產(chǎn)品，提高了質(zhì)量并解決了之前產(chǎn)品最主要的漏氣問題，在市場上取得了良好的反饋。

1 技術(shù)要求

21.00－25 40PR無內(nèi)胎港口工程機械輪胎設(shè)計滿足GB/T 2980—2018《工程機械輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負荷》及GB/T 1190—2018《工程機械輪胎技術(shù)要求》標準要求，充氣外直徑（D′）為1 716～1 783 mm，充氣斷面寬（B′）為547～604 mm。針對該類輪胎在港口龍門吊上使用時出現(xiàn)的胎圈異常磨損、輪胎使用前中期慢漏氣和肩部脫層等問題，對輪胎輪廓形狀、結(jié)構(gòu)、花紋和生產(chǎn)工藝進行改進，部分進行重新設(shè)計，使產(chǎn)品滿足港口設(shè)備長時間正常使用的要求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

為使輪胎充氣外緣尺寸達到標準要求，并具有良好的使用性能，適當增大輪廓尺寸。根據(jù)該規(guī)格輪胎現(xiàn)有設(shè)計經(jīng)驗，本次設(shè)計D取1 780 mm，B取540 mm，外直徑膨脹率（D′/D）為0.98，斷面寬膨脹率（B′/B）為1.055，由此計算，斷面高（H）為575.5 mm，H/B為1.065 7。通過優(yōu)化設(shè)計外輪廓尺寸，提高了輪胎承載能力，減少了因輪胎扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的變形，降低了輪胎破壞風險。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b和h是決定胎冠形狀的主要參數(shù)，增大b、減小h，能增大輪胎與路面的接觸面積，減小接地壓力，改善接地壓力分布，顯著提高輪胎的耐磨性能和牽引性能。龍門吊對輪胎承載性能要求很高，同時有適當?shù)姆兰缈找蟆Ｒ虼吮敬卧O(shè)計采用兩段冠弧，既增大行駛面寬度，也適當增大行駛面高度，b取510 mm，h取44 mm，b/B為0.944 4，h/H為0.076 5。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

目前21.00－25港口工程機械輪胎全部為無內(nèi)胎設(shè)計，應(yīng)用工況為高充氣壓力、高負荷。要確保無內(nèi)胎輪胎的氣密性，胎圈位置曲線是設(shè)計的關(guān)鍵，如圖1所示，紅色位置受力最大，且最容易缺膠，極易造成磨損，應(yīng)盡量減小應(yīng)力峰值。胎圈位置的半徑、d和C的選取至關(guān)重要，曲線位置過盈量不超過1 mm。d過大使用時易磨損胎圈，過小則輪胎裝卸困難，最終選取直徑過盈量為5 mm，胎圈座采用單一傾角取代雙角度，并減小1°，更貼合輪輞，減少胎趾位置膠料堆積，降低生熱，提升輪胎品質(zhì)。C選取與輪輞寬度相同，以避免輪胎安裝困難及因偏移引起異常磨損現(xiàn)象。因此本設(shè)計d取629 mm，傾角為5°，C取381 mm。

圖1 胎圈受力有限元分析

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸位于斷面最寬點，即輪胎屈撓最大部位，決定輪胎變形量和應(yīng)力分布情況，對輪胎性能有很大影響。經(jīng)過對多品牌產(chǎn)品的測試及問題調(diào)查發(fā)現(xiàn)，斷面水平軸靠下的輪胎氣密層部位受剪應(yīng)力極大，易破裂導(dǎo)致輪胎使用中期漏氣問題。由于龍門吊輪胎運行速度不高，路況不復(fù)雜，出現(xiàn)肩空脫層問題較少，因此調(diào)高斷面水平軸，將最大屈撓應(yīng)力及應(yīng)變部位上移接近肩部，同時可避免簾布包邊差級處因互相剪切摩擦升溫而導(dǎo)致胎圈脫層及胎圈簾布折斷等問題。綜合考慮各方面因素，本設(shè)計H1/H2取0.868 5，輪胎斷面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 輪胎斷面結(jié)構(gòu)示意

2.5 胎面花紋

胎面花紋的基本用途是傳遞牽引力和制動力?？紤]到21.00－25輪胎主要用于港口龍門吊，對輪胎的支撐性能和抗?jié)窕阅芤蟾?，且輪胎在長期使用過程中會出現(xiàn)少量溝底裂紋等情況，本設(shè)計胎面花紋采用大八角花紋形式，并在溝底增加大圓弧過渡，花紋周節(jié)數(shù)為26，花紋飽和度為72%。經(jīng)過多年跟蹤記錄發(fā)現(xiàn)，龍門吊輪胎的胎面磨損非常緩慢，在其使用周期中很少出現(xiàn)花紋完全磨損的情況，因此兼顧輪胎的性價比和減少冠部生熱等情況，花紋深度由原來的45 mm調(diào)整為35 mm。同時，為減少花紋溝底裂口，花紋溝底部采用了臺階過渡。胎面花紋展開如圖3所示，三維效果如圖4所示。

圖3 胎面花紋展開示意

圖4 胎面花紋三維效果示意

3 施工設(shè)計

3.1 胎面

21.00－25輪胎主要用于港口作業(yè)，對耐磨性能和低生熱有一定要求，對耐老化性能有特殊的要求，因此本設(shè)計胎面配方膠種選擇綜合性能最佳的天然橡膠（NR）與彈性高、耐磨性能好的順丁橡膠并用；補強體系采用補強性能高、耐磨性能好、高結(jié)構(gòu)中超耐磨炭黑和抗撕裂性能好的白炭黑，并配合使用硅烷偶聯(lián)劑改善膠料的壓縮變形和滯后損失性能，進一步提高膠料的抗撕裂性能和動態(tài)疲勞性能，同時提高彈性，降低生熱。

（1）胎面膠。不同于普通工程機械輪胎，龍門吊輪胎胎面處于高剪切、低生熱條件下，不需要高抗撕裂性能，且花紋溝較淺，因此取消單獨基部膠，采用新型冷喂料擠出纏繞一體成型，簡化了工藝，可提高胎面的致密性和粘合性能，減少胎面多層貼合引起的層間氣泡，很大程度上解決了輪胎的脫層問題。胎面纏繞時直接在電腦上輸入纏繞尺寸，通過系統(tǒng)校準，調(diào)整形狀和質(zhì)量數(shù)據(jù)，以達到滿意效果，由此可以減小膠料流動。完成后進行多點測算，核對胎面形狀，防止尺寸偏差。由于大型輪胎貼合的胎面膠質(zhì)量非常大，原手工方法貼合難度很大，使用設(shè)備纏繞后一方面明顯降低了胎面膠的損耗，另一方面大大降低了工人的勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，也減小了膠料在移動過程中沾染灰塵的可能性，避免脫層風險。

（2）胎側(cè)膠。龍門吊輪胎使用周期長，對胎側(cè)膠的耐天候老化性能要求尤其苛刻，其使用環(huán)境溫度為－30～41 ℃，相對濕度大（最大100%），有鹽霧（鹽度≥40%）和海洋氣候侵蝕，多塵，使用3年后大部分輪胎胎側(cè)出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，因此胎側(cè)膠配方中采用大量物理防老劑和耐臭氧龜裂性能特別好的防老劑4020，以提高輪胎的耐老化龜裂性能，延長輪胎的使用壽命。胎側(cè)膠采用貼壓法成型，適當減小側(cè)部寬度，且設(shè)計形狀盡可能與成品接近，由此可減小膠料的質(zhì)量和流動性。減小質(zhì)量可以有效降低工人的操作難度，減少問題發(fā)生。

胎面形狀如圖5所示。

圖5 胎面形狀示意

3.2 胎體

21.00－25輪胎使用具有高充氣壓力、高負荷及輪胎原地扭轉(zhuǎn)度較大（接近90°角）等特點，胎體挺性和強度及胎圈強度和支撐性能要求高，因此胎體設(shè)計如下。

（1）胎體采用24 層1870dtex/2V1和2 層2100dtex/2V2錦綸66浸膠簾布，胎體安全倍數(shù)設(shè)計值達到9.2，比之前產(chǎn)品強度提高20%左右。根據(jù)多年來解剖問題輪胎以及針對問題進行的有限元分析[1]（見圖6）可知，采用低強度多層數(shù)的設(shè)計方法可有效增大胎圈厚度，大幅提高支撐性能，減少因胎圈過度變形而引起氣密層破裂的最核心問題，延長輪胎使用壽命。提高胎圈的支撐性能后，輪胎的徑向變形問題也得到很大改善，靜負荷性能提高。

圖6 輪胎破壞點有限元分析

（2）胎體簾布筒采用變角度設(shè)計。通過計算得知，胎體各層簾線伸張是不均勻的，為保證簾線伸張的均勻性，本設(shè)計胎體簾布采用24.5°～29.5°變角度裁斷。

（3）胎冠簾布角選取中間值54°，并通過工藝手段減小最內(nèi)層簾布與最外層簾布的角度差值，以提高胎冠部位剛性，并保持各層之間的均勻性。同時減小最內(nèi)層簾布的胎冠角，以有效減小內(nèi)應(yīng)變，降低氣密層出現(xiàn)裂紋的可能性。

（4）提高胎體簾布反包高度，使反包端點高度接近斷面水平軸，以增強下胎側(cè)的強度和剛性，降低下胎體區(qū)域變形，使反包端點應(yīng)變能減小，避免胎側(cè)和胎圈部位早期損壞。胎體簾布覆膠厚度為1.24 mm。

（5）緩沖層采用2層930dtex/2V3錦綸66簾布，裁斷角度設(shè)計為30°，簾布覆膠厚度為1.35 mm。

3.3 氣密層

氣密層是無內(nèi)胎工程機械輪胎的關(guān)鍵部件，因龍門吊輪胎長期處于高充氣壓力、高負荷條件下，故對氣密性能要求特別高，為降低氣體滲透率，氣密層需保持與胎體簾布高粘合強度，不起泡、不脫層，具備耐熱和耐老化等特性，因此配方設(shè)計方案如下：膠種選用氣密性和耐老化性能好的氯化丁基橡膠（CIIR），并用少量NR以改善CIIR粘合性差的缺點，同時使用新型交聯(lián)劑和活性劑，提高膠料的耐熱性能，從而提高氣密層的耐氣透性能及與胎體簾布的粘合性能，保證輪胎充氣壓力穩(wěn)定。在施工上：氣密層厚度設(shè)計為4.0 mm，并采用雙層壓延方式，減小氣泡出現(xiàn)概率，使用最新寬幅擠出設(shè)備，增大單塊密封膠尺寸，從而減少貼合縫，提高保氣性能，延長輪胎使用壽命。

3.4 胎圈

胎圈是輪胎承載狀態(tài)下應(yīng)變能最大的部位，也最易損壞，尤其是龍門吊輪胎，其瞬間負荷頻繁達到最高標準值。鋼絲圈強度過低容易出現(xiàn)單個鋼絲圈緩慢偏移，從而造成鋼絲圈周向割裂，甚至出現(xiàn)趾口炸裂和鋼絲圈刺出等重大問題，因此胎圈設(shè)計對強度要求很嚴格。新EL27鋼絲圈采用Φ1.20 mm回火胎圈鋼絲，排列方式為10×14三鋼絲圈結(jié)構(gòu)，胎圈強度安全倍數(shù)設(shè)計為9，比之前產(chǎn)品提高了25%左右。鋼絲圈采用鋼絲纏繞成型及預(yù)硫化工藝，以提高鋼絲粘合力；為了減少胎圈堆膠，防止異常磨損，鋼絲圈采用變直徑（651～659 mm）設(shè)計，以提高輪胎在超負荷下的穩(wěn)定性；為確保輪胎的氣密性，胎圈采用雙層包布；增加具有一定硬度且耐磨性能好的胎圈護膠，提高胎圈的抗沖擊性能和耐磨性能。

3.5 成型

采用LCX-5型半芯輪式成型機成型，成型方式為8-8-8-2，機頭直徑為900 mm，機頭寬度為1 355 mm。

3.6 胎坯打孔

為了保證硫化后排出簾布層間和膠料之間的空氣，需要在硫化之前預(yù)打孔。為了避免打孔針刺穿氣密層造成缺陷點，從而在高充氣壓力、高負荷下出現(xiàn)氣密層破損引起漏氣情況發(fā)生，我公司專門開發(fā)了自動打孔設(shè)備，如圖7所示。

圖7 打孔設(shè)備簡視圖

通過限位既保證每次打孔的深度精確，又不傷及氣密層，減少人為因素造成的風險。

3.7 硫化

采用2 235或2 667 mm（88或105英寸）單模膠囊定型硫化罐硫化，硫化條件為：過熱水溫度（175±5） ℃，過熱水進口壓力 2.9 MPa，內(nèi)壓冷卻水壓力 ≥1.8 MPa，充氣水壓力 ≥1.0 MPa，外溫 （155±5） ℃，正硫化時間 166 min。

為了控制開罐后輪胎胎體簾線劇烈收縮，需要額外增加0.5～1 h的缸內(nèi)冷卻時間。同時必須盡量縮短轉(zhuǎn)移至后充氣設(shè)備的操作時間，這對成品輪胎的耐久性能有很關(guān)鍵的影響。后充氣過程中要控制夾盤高度，使成品輪胎的胎圈寬度控制在360～380 mm之間。合適的成品輪胎寬度既能保證輪胎安裝方便，同時避免因不當安裝引起滑移及偏歪問題，造成胎圈早期損壞。

4 成品性能

4.1 充氣外緣尺寸

成品輪胎在標準充氣壓力下安裝在標準輪輞15.00/3.0－25上所測D′和B′分別為1 766和598 mm，符合國家標準要求，且在同類型產(chǎn)品中，其輪廓尺寸設(shè)計更為合理，比我公司上代產(chǎn)品有較大改善。

4.2 物理性能

成品輪胎物理性能測試結(jié)果如表1所示。

表1 成品輪胎物理性能測試結(jié)果

從表1可以看出，成品輪胎物理性能達到了國家標準要求。

4.3 輪胎靜負荷性能

龍門吊使用特點對輪胎靜負荷性能要求非常高，定負荷下沉量越大，輪胎壽命越短。靜負荷性能可以直接反映龍門吊輪胎的使用性能，在我公司的Φ5 m轉(zhuǎn)鼓試驗機上進行測試，測試方法為：在38 ℃環(huán)境溫度下對輪胎施加負荷從2 t增至30 t。不同充氣壓力下輪胎的靜負荷下沉量和接地面積曲線分別如圖8和9所示。

圖8 不同充氣壓力下輪胎的靜負荷下沉量曲線

從圖8和9可以看出，輪胎的靜負荷性能優(yōu)異，比上代產(chǎn)品有較大改善，達到了預(yù)期設(shè)計目標。

5 結(jié)語

圖9 不同充氣壓力下輪胎的接地面積曲線

優(yōu)化后21.00－25 40PR無內(nèi)胎港口工程機械輪胎成品測試結(jié)果表明，輪胎的充氣外緣尺寸和物理性能符合國家標準要求，靜負荷性能優(yōu)異，達到了預(yù)期設(shè)計目標。

新輪胎自投產(chǎn)以來應(yīng)用于各港口龍門吊設(shè)備上，外觀質(zhì)量穩(wěn)定，常見的使用中期漏氣問題大大減少，受到用戶的好評，為公司贏得了新的經(jīng)濟增長點，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。