王超群，臧云紅，吳洪全

（青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266400）

2000年7月，協(xié)和飛機(jī)制造商歐洲公司（簡稱EADS公司）飛機(jī)發(fā)生墜毀事件。在飛機(jī)起飛過程中，跑道上的異物造成輪胎爆破，震波傳至油箱使其破裂起火，導(dǎo)致飛機(jī)墜毀，機(jī)上人員全部遇難。EADS公司原來使用斜交輪胎，輪胎骨架材料抗刺扎特性不足是造成輪胎爆破的主要原因。EADS公司接洽法國米其林公司，米其林公司開發(fā)出接近零膨脹的航空子午線輪胎，優(yōu)化改進(jìn)輪胎骨架層結(jié)構(gòu)，輪胎膨脹率只有3%，使輪胎抗刺扎性能大大增強，之后該輪胎廣泛應(yīng)用于空客A340-500/600和380等10多種機(jī)型，得到世界多家航空公司認(rèn)可。

為了提高航空子午線輪胎承受大負(fù)荷、大加速度和大沖擊變形的性能，改善輪胎抗外物刺扎和機(jī)械損傷性能，需要在環(huán)形筒狀纏繞帶束層外側(cè)設(shè)計胎體補強材料以起到保護(hù)帶束層的作用。

1 波紋保護(hù)層的結(jié)構(gòu)

1.1 波紋保護(hù)層的設(shè)計原理

研究表明，在帶束層外側(cè)相對輪胎的赤道面夾角成30°～60°的范圍內(nèi)，鋪設(shè)2層左右方向交叉的有機(jī)纖維簾布，能夠較好地保護(hù)帶束層并有效防止較小異物侵入。當(dāng)纖維簾線角度超過30°～60°范圍時，輪胎充氣并負(fù)載后可能引起抗切割性能下降。當(dāng)纖維簾線相對于輪胎赤道面的角度為θ時，簾線在周向上的受力應(yīng)乘以cosθ，因此可以保證2層加強材料周向剛度較帶束層剛度足夠小，即使輪胎充氣并加大負(fù)荷，輪胎徑向膨脹，纏繞筒狀帶束層仍能起到優(yōu)良的保護(hù)作用，2層加強材料不會受到大的力，從而保證輪胎具有良好的抗機(jī)械損傷性能。

基于以上原理，設(shè)計開發(fā)出一組波紋狀高強度纖維簾線經(jīng)過壓延覆膠且預(yù)成型的半成品，其周向?qū)淤N在纏繞筒狀帶束層外側(cè)，稱為“波紋保護(hù)層”。

1.2 波紋保護(hù)層結(jié)構(gòu)設(shè)計

波紋保護(hù)層的三維效果和局部效果圖分別如圖1和2所示。

波紋保護(hù)層是利用特殊用途骨架材料經(jīng)過特制專用設(shè)備壓延而成的用于航空子午線輪胎的專用半成品膠部件[1]。根據(jù)不同規(guī)格并排108～120根簾線，間距為2.65～3.6 mm，波幅為7～8 mm，波長為28～35 mm，簾線上下面覆膠，總厚度控制在2.3～3.5 mm。波紋保護(hù)層展開如圖3所示。

波紋保護(hù)層結(jié)構(gòu)設(shè)計和局部放大分別如圖4和5所示。

波紋保護(hù)層寬度設(shè)計一般大于兩側(cè)最外側(cè)溝槽，小于胎肩。航空輪胎翻新時要刨除并更換新的波紋保護(hù)層。

波紋保護(hù)層貼合工藝（見圖6）：波紋保護(hù)層平鋪在最外層纏繞帶束層上面的翻新基部膠片上，周向一圈層貼，對接角度為45°，接口部位使用薄膠片包邊，對接接頭并壓實。

2 波紋保護(hù)層材料的設(shè)計選型

2.1 骨架材料選擇

目前，適合用作波紋保護(hù)層的骨架材料有芳綸纖維、鋼絲和聚酮纖維簾線。

2.1.1 芳綸纖維簾線

芳綸纖維及其復(fù)合簾線在航空子午線輪胎中應(yīng)用趨勢日益廣泛。芳綸纖維簾線采用專用配方表面浸漬處理，具有耐高溫、高強度、高模量以及變形小等特性，是目前航空輪胎波紋保護(hù)層最理想的骨架材料。

航空子午線輪胎使用的芳綸纖維屬于對位芳酰胺纖維，分子鏈排列呈直線狀，全稱為聚對苯二甲酰對苯二胺（PPTA），是一種新型合成纖維，具有良好的耐老化和絕緣性能。芳綸纖維強度達(dá)到19 cN·dtex-1，是鋼絲的5～6倍，模量為鋼絲或玻璃纖維的2～3倍，韌性是鋼絲的2倍，而密度不到鋼絲的1/5，在487 ℃以上碳化，不分解、不熔化。1972年，杜邦公司最早生產(chǎn)出各種用途的PPTA纖維，商品名為Kevlar，我國分別于1981和1985年生產(chǎn)芳綸14和芳綸1414。

芳綸纖維具有顯著的性能優(yōu)勢，但缺陷也非常明顯。由于分子呈沿軸向排列的規(guī)則褶疊層結(jié)構(gòu)，因此芳綸纖維存在表面化學(xué)惰性、抗壓縮性能差的問題，提高芳綸纖維簾線與橡膠的粘合性能成為波紋保護(hù)層骨架材料必須解決的技術(shù)難題，可采用如下措施。

（1）纖維表面的粘合活化可提高纖維的粘合強度，例如用氨氣和氧氣等氣體對芳綸纖維進(jìn)行等離子體改性處理；用酰氯類、酸堿類等化學(xué)刻蝕劑處理芳綸表面使其發(fā)生水解，生成可與橡膠分子反應(yīng)的—COOH、—OH等極性基團(tuán)[2]。

（2）簾線二浴浸漬法是目前芳綸纖維簾線供貨廠家普遍采用的方法，用環(huán)氧樹脂、異氰酸酯、離子型聚氨酯的粘合活化劑作底涂，間苯二酚-甲醛-膠乳（RFL）浸漬液作表涂[3]。

（3）采用適當(dāng)?shù)恼澈象w系，通過配方改進(jìn)可以將芳綸纖維簾線與膠料的粘合性能提高20%以上。

2.1.2 鋼絲簾線

航空子午線輪胎波紋保護(hù)層所用鋼絲簾線規(guī)格可以按照子午線輪胎常用鋼絲簾線規(guī)格進(jìn)行選取，選擇原則是：鋼絲直徑小、強度高、根數(shù)盡量少、鍍銅量嚴(yán)格限制，選擇開放或半開放型鋼絲簾線結(jié)構(gòu)，鋼絲與膠料粘合性能相對較高[4]。

鋼絲簾線通常選擇強制機(jī)械變形時不分叉、有2種捻向的鋼絲簾線，以防止在壓制成波浪形鋼絲過程中散開；選擇耐沖擊鋼絲簾線意味著鋼絲簾線抗拉強度大，壓制波浪線過程不便控制成型。

鋼絲簾線的生產(chǎn)工藝流程為：盤條→粗絲拉拔→中絲氣體保護(hù)熱處理→中絲拉拔→電鍍黃銅→單絲拉拔→捻股→外繞→重卷→包裝，關(guān)鍵工序是電鍍黃銅和單絲拉拔。

盤條是生產(chǎn)鋼絲簾線的原料，其力學(xué)性能對于波紋保護(hù)層鋼絲選材起著關(guān)鍵性作用，一般鋼絲中含碳量越高，抗拉強度越大，用作波紋保護(hù)層的鋼絲原料盤條一般選取LX80B等級及以上盤條，抗拉強度在1 070～1 350 MPa。

在中絲拉拔的鋼絲上鍍上一層合金黃銅，其主要作用是提高鋼絲簾線與橡膠之間的粘合力。GB/T 11181—2016中對不同直徑鋼絲含銅組分、鍍層厚度有嚴(yán)格規(guī)定。一般來說，低銅鍍層鋼絲簾線與橡膠的粘合性能遠(yuǎn)優(yōu)于高銅鍍層鋼絲簾線[5]。

單絲拉拔就是把電鍍黃銅的鋼絲拉拔成0.22，0.25和0.28 mm等不同直徑的單絲，高強度鋼絲簾線生產(chǎn)過程有3次拉拔，在工藝計算中要考慮總壓縮率和部分壓縮率的分配問題。高強度鋼絲簾線單絲的抗拉強度、屈服強度比普通強度鋼絲簾線高10%以上[6]。

高強度鋼絲簾線在壓制波紋線過程中，單絲強度高、殘余應(yīng)力和形狀控制難度大，對壓制鋼絲波紋保護(hù)層的特種壓延機(jī)提出更高的技術(shù)性能要求。

2.1.3 聚酮纖維簾線

聚酮纖維是由一氧化碳和乙烯合成的新型綠色材料。聚酮纖維沖擊強度比錦綸和聚酯纖維高230%，與錦綸66拉伸強度相當(dāng)，但聚酮纖維在足夠的拉伸強度下具有優(yōu)異的沖擊強度和伸長率，極高的耐磨性能、韌性和彎曲模量；抗化學(xué)介質(zhì)（酸堿溶液）性能穩(wěn)定，熱變形溫度是200 ℃，與錦綸66相當(dāng)，優(yōu)于錦綸6、聚酯和聚甲醛等材料[7]。

聚酮纖維生產(chǎn)可以采用溶液紡絲法，但最經(jīng)濟(jì)可行的途徑是熔紡法，可以在短暫超過聚酮熔點（220 ℃）40 ℃的情況下熔紡成單絲和復(fù)絲。

在高溫時聚酮纖維簾線與橡膠的粘合性能比芳綸纖維簾線高，將聚酮纖維簾線用作波紋保護(hù)層骨架材料，既可以保持與芳綸簾線同等的抗切割性能，還能作為帶束層和胎面之間過渡層，提高層間抗剝離性能。用于波紋保護(hù)層的聚酮纖維簾線的拉伸強度應(yīng)大于5 cN·dtex-1、初始模量大于21 cN·dtex-1，定伸應(yīng)力大于1 cN·dtex-1[8]。

2.1.4 綜合性能對比

幾種骨架材料的綜合性能對比如表1所示。

表1 幾種骨架材料的綜合性能對比

錦綸66的拉伸強度、張力模量明顯偏低，顯然不適合用作波紋保護(hù)層骨架材料。芳綸纖維的拉伸強度和張力模量最高，驗證了上述高強度、高模量、低密度、耐高溫等性能特點。但芳綸纖維的明顯缺陷是抗壓縮變形性能差，抗扭轉(zhuǎn)性能差，不耐加捻，捻度越大，強度損失越大，因此芳綸纖維不適合直接用在航空輪胎胎體變形特別大的部位，而且芳綸纖維簾線與橡膠的粘合性能需要大大提高。目前，國內(nèi)芳綸生產(chǎn)企業(yè)通常采用二浴浸漬方法，結(jié)合橡膠配方的改善，芳綸纖維簾線用作波紋保護(hù)層骨架材料成為航空子午線輪胎廠家的普遍工藝。

聚酮纖維綜合性能優(yōu)異，適合用作波紋保護(hù)層骨架材料。聚酮纖維簾線目前在國內(nèi)尚處于試制驗證階段，沒有形成批量化生產(chǎn)，但其是替代芳綸纖維簾線用于波紋保護(hù)層的理想骨架材料。

鋼絲密度最大，這無疑對航空子午線輪胎輕量化造成較大風(fēng)險，鍍銅鋼絲簾線與橡膠的粘合性能較芳綸優(yōu)越。目前，美國固特異公司的航空子午線輪胎普遍采用鋼絲簾線作為波紋保護(hù)層骨架材料。鋼絲簾線在拉伸強度和斷裂伸長率等方面表現(xiàn)差，決定了鋼絲簾線經(jīng)過波紋壓制處理后僅用在航空子午線輪胎波紋保護(hù)層部位。

以某規(guī)格民用航空子午線輪胎為例，不同骨架材料波紋保護(hù)層的具體參數(shù)如表2所示。

表2 不同骨架材料航空子午線輪胎波紋保護(hù)層的參數(shù)

從表2可以看出，鋼絲簾線直徑較小，但質(zhì)量較芳綸纖維簾線仍高54%，與航空輪胎輕量化設(shè)計方向相悖。

2.2 膠料配合體系

3種骨架材料與膠料的粘合性能不同，配合體系差異明顯，以芳綸簾線與膠料的粘合體系為例進(jìn)行論述。

芳綸簾線與橡膠的粘合強度要求不小于200 kN·m-1，配方為：橡膠 100，補強劑 40～50，硫化活性劑 5～7.5，防老劑 2～4.5，粘合樹脂1～2.5，亞甲基給予體 3～4.5，不溶性硫黃3～5，促進(jìn)劑 1～1.8，防焦劑 0.1～0.4。

配合體系中基體橡膠選擇標(biāo)準(zhǔn)煙膠片（優(yōu)選泰國標(biāo)準(zhǔn)1#煙膠片），其塑性初值≥40.0，塑性保持率≥60.0%，門尼粘度[ML（1＋4）100 ℃]為83±10。加強波紋保護(hù)層中膠料與芳綸纖維簾線的粘合性能可以提高輪胎抗刺扎性能，改善應(yīng)力分布。

補強劑選擇炭黑，硫化活性劑選擇以鋅錠為原料間接法生產(chǎn)的氧化鋅，防老劑選自對苯二胺類防老劑與喹啉類防老劑的混合物，促進(jìn)劑選擇N-叔丁基-2-苯并噻唑次磺酰胺，粘合樹脂優(yōu)選間苯二酚-甲醛樹脂配合亞甲基給予體RA65（HMMM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.65，白炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.35），兩者形成間-甲粘合體系，以提升橡膠與簾線的粘合力。防焦劑優(yōu)選CTP（N-環(huán)己基硫代鄰苯二甲酰亞胺），有利于提高膠料的加工安全性。

3 波紋保護(hù)層的生產(chǎn)及應(yīng)用

我公司開發(fā)了一種壓延法生產(chǎn)航空子午線輪胎波紋保護(hù)層的工藝技術(shù)，波紋保護(hù)層壓延機(jī)是我公司與設(shè)備廠家共同開發(fā)的特制壓延技術(shù)裝備。

3.1 生產(chǎn)工藝流程

波紋保護(hù)層壓延工藝流程如圖7所示。

錠子架有135個工位，每排45個工位，橫向共3排，需要投用108～120個工位，壓延108～120根簾線、最大寬度為410 mm的波紋保護(hù)層，每個工位可將芳綸簾線張力控制在2.0～3.5 N。

所有簾線經(jīng)過整形架后，呈“一”字排列，簾線間距控制在2.65～3.6 mm，公差為±0.1 mm，壓延過程中無需調(diào)整簾線間距，整形效果一次到位。

排列整齊、張力控制統(tǒng)一的簾線由3a（波形擺動裝置）進(jìn)入壓延主機(jī)，定位精度要求非常高，壓出波形公差控制在0.1 mm，由伺服電機(jī)驅(qū)動擺形架左右勻速、往復(fù)運動。調(diào)整伺服電機(jī)擺動頻率與主機(jī)輥筒轉(zhuǎn)動速度，使其速度匹配，簾線壓延后波形波幅控制在7～8 mm，波長控制在28～35 mm。壓延主機(jī)的兩個主輥筒3b和3c相對旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)兩輥筒的間距可控制波紋保護(hù)層的壓延厚度，厚度控制在2.3～3.5 mm，公差控制在±0.15 mm。兩個主輥筒通入蒸汽加熱，控制壓延工藝溫度，輥筒溫度控制在120～130 ℃，經(jīng)過加熱的膠片溫度控制在90～100 ℃。3f為上層膠片供料卷，上層膠片經(jīng)過傳送輥、預(yù)熱輥筒3d（預(yù)熱溫度120～130 ℃），從3b上部進(jìn)入，3b順時針旋轉(zhuǎn)；3g為下層膠片供料卷，下層膠片經(jīng)過傳送輥、預(yù)熱輥筒3e（預(yù)熱溫度120～130 ℃），從3c下部進(jìn)入，3c逆時針旋轉(zhuǎn)；經(jīng)過定寬壓制、到達(dá)預(yù)熱溫度的上、下兩層膠片與經(jīng)過3a擺線的簾線一同進(jìn)入3b和3c之間完成壓延。壓延主機(jī)為波紋保護(hù)層壓延機(jī)核心部件，集機(jī)械、電氣、程序控制于一體，經(jīng)過周密計算分析數(shù)據(jù)，才可滿足半成品壓延工藝技術(shù)要求。

壓延后的波紋保護(hù)層在冷卻牽引裝置的牽引力作用下經(jīng)過冷卻、修邊，完成半成品壓延工作。

卷曲裝置5分成前后兩個卷曲工位5a和5b，可實現(xiàn)半成品膠部件不停機(jī)卷曲工作，卷曲速度控制在15～30 m·h-1。

航空子午線輪胎波紋保護(hù)層由專用波紋保護(hù)層壓延機(jī)生產(chǎn)，壓延后半成品膠部件外觀平整，符合工藝、技術(shù)要求，線距均勻、波形一致，無并線、壓壞、缺膠、露線等質(zhì)量缺陷。

3.2 性能驗證

航空子午線輪胎波紋保護(hù)層應(yīng)具有拉伸強度高、定伸應(yīng)力和撕裂強度較高、壓縮疲勞生熱低的性能特點。波紋保護(hù)層的最重要作用是作為航空輪胎防刺扎層，束緊帶束層，有效提高帶束層寬度上應(yīng)力分布的均勻性，降低帶束層邊緣應(yīng)力，從而解決帶束層邊緣脫空現(xiàn)象。

帶束層部件在全部寬度范圍內(nèi)沿周向的總強度Tbelt（單位為N）滿足式（1）和（2）[9]。

式中：W為充氣輪胎寬度，m；D為充氣輪胎外直徑，m；Tbw為波紋保護(hù)層周向斷裂強度，N。

以某航空子午線輪胎為例，波紋保護(hù)層使用芳綸纖維簾線，規(guī)格為3360dtex/3，簾線直徑為1.25～1.35 mm，拉斷伸長率為3.5%～6.5%，斷裂強度≥1 500 N，芳綸纖維簾線根數(shù)為115。該輪胎Tbw為1.73×105N。

帶束層采用纏繞8層設(shè)計，各帶束層設(shè)計寬度自中心向外側(cè)依次為375，375，355，355，335，335，315和315 mm，每根帶束條寬度為10 mm，由7根簾線均勻排列，使用芳綸纖維/錦綸混合簾線1660dtex/2＋N66 2100dtex/1，斷裂強度＞600 N，帶束層纏繞角度θ為12°，計算得到Tbelt為1.13×106N。

D為1.2 m，W為0.48 m，代入公式（1）和（2），結(jié)果均滿足設(shè)計要求。

芳綸纖維簾線的100 N定負(fù)荷伸長率和干熱收縮率較低，100 N定負(fù)荷伸長率為0.3%～0.9%，與橡膠的粘合強度≥200 kN·m-1，1%定伸長負(fù)荷≥150 N，干熱收縮率≤0.5%。采用本方案設(shè)計波紋保護(hù)層所制成的航空輪胎安全強度進(jìn)一步提升，尺寸穩(wěn)定性好，滿足航空輪胎高速、抗沖擊的性能。

4 結(jié)語

采用本設(shè)計方案波紋保護(hù)層研制的某規(guī)格航空子午線輪胎經(jīng)過動態(tài)模擬試驗，試驗結(jié)果滿足中國民航總局（CAAC）的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，通過中國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（CTSO）和航空輪胎標(biāo)準(zhǔn)GJB 108B動態(tài)模擬試驗測試。

法國米其林、日本普利司通、美國固特異等國際著名航空子午線輪胎品牌都普遍應(yīng)用波紋保護(hù)層，國內(nèi)尚處于研發(fā)、產(chǎn)品性能驗證階段。應(yīng)用不同的骨架材料都需要解決好抗沖擊、抗刺扎、輪胎輕量化、增強骨架材料與膠料的粘合性能、降低生產(chǎn)成本等方面的問題，這也是未來一段時期航空子午線輪胎主要的技術(shù)研發(fā)方向。