315/70R22.5 NHS小型轮式挖掘机全钢工程机械子午线轮胎的设计

裴权华，王晓娟，王若飞，周亚兵

（风神轮胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

随着国内外中小型工程项目的增加，小型与微型挖掘机的使用越来越广泛，其中轮式挖掘机适用于城市路面、建筑工地以及混凝土搅拌站等处的维修或工作，便于车辆快速移动，且驾驶舒适性较好[1-4]。目前，国际品牌如CAT，VOLVO和DOOSAN等主机厂都有轮式挖掘机的需求，且正在日益增大。国内三一重工股份有限公司、徐工集团工程机械有限公司等大型主机厂也在逐步开发不同型号的轮式挖掘机[5-10]。

为满足市场需求，我公司开发了315/70R22.5 NHS 22PR（以下简称315/70R22.5）小型轮式挖掘机全钢工程机械子午线轮胎，下面将轮胎的设计情况简要介绍如下。

1 技术要求

根据《美国轮胎轮辋协会标准年鉴（TRA）》和《欧洲轮胎轮辋技术组织标准手册（ETRTO）》，确定315/70R22.5全钢工程机械子午线轮胎的技术参数为：标准轮辋宽度 228.6～571.5 mm（9.00～22.5英寸），充气外直径（D′） 1 024（1 000.73～1 027.28） mm，充气断面宽（B′）318（299.52～324.48） mm，标准充气压力 850 kPa，标准负荷 4 250 kg。

2 结构设计

2.1 外直径（D）和断面宽（B）

由于子午线轮胎冠部具有周向带束层箍紧胎体，轮胎的外直径膨胀率（D′/D）非常小，在保证轮胎负荷能力并满足国家标准的前提下，D取值应尽可能小些，便于轮胎的装配和降低设计成本。经综合考虑，本次设计D′/D取1.000 6，D为1 023 mm，断面宽膨胀率（B′/B）取1.01，B为315 mm。

2.2 行驶面宽度（b）和弧度高（h）

b和h是决定轮胎胎冠形状的主要参数。行驶面的形状对胎面的耐磨性能、牵引性、转向性及生热等多项使用性能有直接影响。增大b和减小h能提高轮胎胎面的耐磨性能，但h的减小会影响轮胎接地印痕（特别对于低断面轮胎），从而影响胎面压力分布。对于70，80系列及以上规格轮胎，b/B一般取0.75～0.85为宜。h与b和断面高（H）有关，为保证轮胎与路面在b范围内有最大的接地面积，一般h/H取0.03～0.05为宜。根据我公司设计经验，本次设计b和h分别为310和9 mm。

2.3 胎圈着合直径（d）和着合宽度（C）

本次设计轮胎属于无内胎全钢子午线轮胎，主要通过d与轮辋直径的过盈配合设计和胎趾角度等因素来保证轮胎与轮辋的紧密配合。根据我公司经验，本次设计d取570.5 mm，与相同产品保持一致，同时胎圈底部倾斜角比轮辋底座倾斜角略大。为达到分散胎圈部位应力、减少胎圈部位缺陷的目的，本次设计采取加大12.7 mm（0.5英寸）设计C值，C取247 mm。

2.4 断面水平轴位置（H1/H2）

轮胎H1/H2位于轮胎断面最宽处，是轮胎负荷下变形和屈挠最大的区域。为减小下胎侧和胎圈部位因应力集中造成的损坏风险，本次设计H1/H2取0.87。

轮胎断面轮廓如图1所示。

图1 轮胎断面轮廓示意

2.5 胎面花纹

综合考虑胎面花纹对轮胎耐磨性能、牵引力、操纵稳定性和自洁性等性能的影响，本次设计采用牵引型有向花纹，花纹深度为21 mm，花纹周节数为27，花纹饱和度为45%。该花纹主要特点为自洁性能良好，可以提供优异的牵引性能及操作舒适性，满足最高车速（40 km·h-1）下的连续作业，提升作业效率。

胎面花纹展开如图2所示。

图2 胎面花纹展开示意

3 施工设计

3.1 胎面

胎面胶采用专用配方，耐磨性能突出，特别适用于建筑工地和混凝土等路面的作业环境。胎面采用挤出后在成型过程中贴合的方式，胎面结构如图3所示。

图3 胎面结构示意

3.2 胎体

为保证胶料与钢丝帘线良好粘合以及高耐疲劳性能，采用强度高、胶料渗透性能好的钢丝帘线，本次设计采用3＋8×0.21ST钢丝帘线，胎体安全倍数达到8.45，满足设计要求。

3.3 带束层

带束层的刚性对轮胎使用性能影响很大，带束层应有足够的刚性，防止胎冠部位的伸张，保证轮胎操纵稳定性和耐磨性能。

根据我公司经验，本次设计采用两层带束层结构，两层带束层均为工作层，承受大部分应力，是保证带束层刚性的关键组成部分。带束层采用3＋8×0.33HT钢丝帘线，安全倍数为5.8，满足设计要求。

3.4 胎圈

胎圈采用直径为1.65 mm的镀铜胎圈钢丝，覆胶后直径为1.8 mm，共58根，采用15°斜六边形排列结构，排列方式为7-8-9-10-9-8-7，胎圈钢丝外表面用锦纶帘布缠绕，确保胎圈有足够的强度和刚性，设计安全倍数达到2.7，满足设计要求。

3.5 成型和硫化

成型采用天津赛象科技股份有限公司的两鼓一次法成型机，采用胶囊式反包成型鼓；计算机和光电子系统控制所有部件的贴合位置定位，设备工艺参数稳定，定位精度高，成型部件贴合密实。

硫化采用B型双模硫化机，硫化条件为：上下热板温度 151 ℃，循环水压力 2.6 MPa，温度160 ℃，总硫化时间 68 min。

4 有限元模拟分析

通过有限元技术对轮胎进行静态模拟分析，验证轮胎的充气轮廓尺寸和骨架材料受力，并通过轮胎接地印痕的模拟进行分析和优化。

轮胎有限元分析结果如图4—6所示。

图4 轮胎充气轮廓示意

图5 胎圈过盈示意

图6 轮胎接地印痕示意

从图4—6可以看出，轮胎的充气轮廓尺寸、骨架材料受力和接地印痕均满足设计要求。

5 成品性能

5.1 外缘尺寸

安装于标准轮辋上的成品轮胎在标准充气压力下的D′和B′分别为1 025和319 mm，均满足国家标准和设计要求。

5.2 物理性能

成品轮胎胎面胶物理性能试验结果见表1。

表1 成品轮胎胎面胶物理性能试验结果

从表1可以看出，成品轮胎胎面胶物理性能达到国家标准要求。

5.3 耐久性能

按照企业标准要求进行成品轮胎室内耐久性试验，结果如表2所示。

表2 轮胎耐久性试验结果

从表2可以看出，成品轮胎室内耐久性试验累计行驶97 h仍未损坏，成品轮胎耐久性能良好。

6 结语

我公司315/70R22.5小型轮式挖掘机无内胎全钢工程机械子午线轮胎的充气外缘尺寸、物理性能和耐久性能均满足相应设计及国家标准和企业标准要求，生产工艺稳定，市场竞争力强。该产品满足40 km·h-1的最高车速连续作业要求，胎肩采用特殊的防擦台设计，能有效避免小碎石块进入轮胎双胎内侧，可有效保护胎侧区域，减少划伤。该产品于2020年年初开发完成，目前已批量投入市场，为公司带来了明显的经济增长。