- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Введение........................,.....................,................5
Глаза I, Современны:'! уровень исследований теплового
ООСТОЛНИ/1 пин........................................ 7
1Л. Легковые и грузоше шины ..............................8
1.2. Крупногабаритные и сверхкрулногабаритиые шины , 13
1.3. милн’ле конструктивных факторов на тепловое состояние шин ...... ......................................19
1.Л. Злшние эксплуатационных факторов на тепловое
состояние шин . .....................................,24
I.ö. Состояние вопроса в области физического
моделирования шин ........ .......................... 28
1.6. Технология изготовления и работоспособность шин. 31
1.7. Выводы и задачи исследований........................33
Глава 2. Расчетные исследования напряженно-деформированного
и теплового состоянии шин ..... ........................... 36
2.1. Выбор конструктивных параметров модельных шин
и подтверждение их подобия натурным ................ 39
2.2. Расчет напр^хенно-деформированиого и теплового состояния различных конструктивных вариантов шин 51
Глава 3. методика зкспериментальгп^х исследований ....... 63
3.1. Подготовка модельных и натурных шин ...... 63
3.1,1. Изготовление шин Jyi.ii исследования
уьлкннйл размеров подк&навочного слоя на
тепловое состояние .... ..................... 64
3.1.2. Изготовление шин для исследования влияния размеров протектора на тепловое состояние.66
3.1.3. Изготовление шип для исследования влияния сложности каркаса ...... ............................ 70
- З -
0.2, зидн испытаний и испытательное оборудование ... 71
о.З. Методики и режимы испытаний........................ . 73
3.4. Точность измерении . . ....... 75
Глаза 4. Исследование влиянии конструктивных факторов на
тепловое состояние СНПЯ .................................... 77
4.1. Критерии оценки теплового состояния шин ............... 77
4.2. Исследование и выбор соотношения калибров бегового и подкан&вочного слоев протектора ... 79
4.2.1. Испытания модельных шин ......... 79
4.2.2. Стендовые испытания натурных шин 40.00-57, 85
4.2.3. Эксплуатационные испытания натурных шин
40.0С-О/ .............................. ....*..87
выводы 89
4.3. Исследование влияния размеров протектора на тепловое состояние СКГііі ..................................91
4.3.1. Стендовые испытания модельных шин .... 91 Стендовые испытание натурных CKFiii . , . .102
4.0.3. Эк с і т лу ат агуюн яые испытания натурных СКГііі. 105 •і.3,4. выводы . ....................................109
4.4. последование влияния числа слоев корда в каркасе
на тепловое состояние СаГ*............................112
4.4.1. Стендовые испытания модельных шин .... 112
4.4.2. Стендовые испытания натурных шин 40.00-57.122
4.4.3. Эксплуатационные испытания опытных партий натурных шин 40.СО-57.............................. ♦ 124
*'*• 4j:.,'jfc. выводы* • .......... 125
Глава 5. Исследования теплового состояния СКГш в зксплуатации• 129
5.1. ьыбор начального внутреннего давления воздуха
з Сі-Ги............................................. 129
Гд
- 4 -
о.ü. Определение предельной: величини давления
воздуха с гордчеЛ шине iO.G(J-57..............134
o.a. оаеисимость теплового состояния шины 40.00-57
от других эксплуатационных факторов. ...... 134
0.4. Выводы ....... ............... ........ 135
ава б. Совершенствование технологии изготовления сверх-
крупногабаритных шип...............................137
ь.1. Созершенстиоаание способа и механизма формирования борта......................................137
6.2. Совершенствование способов и оборудования для изготовления герметизируядего слои ............... 140
6.3. Исследование и совершенствование процесса наложения слоев корда на сборочный барабан . . . 148
и.4. Выводы .................................. 154
Глава 7. Практическое применение и эффективность результатов
работы ... 155
7.1. Рекомендации по проектированию СКШ ...... 155
7.1.1. Оценка показателя эксплуатационной производительности CIG’ui ....................155
7.1.2. Прогнозирование максимальной температзфы
вій ні • ♦••»*••••*■•..**• 158 ЛІ.5. Оцекш-i работоспособности СНГІІ з эксплуатации ..................................... 163
7.2. Внедрение рекомендации в практику создания СКГш. 166
7.3. Расширение области применения модельных шин. . , 167
7.-і. Экономическая эффективность результатов работы . 169
Основные выводы по работе .................. 172
литература..................................................177
зридодсеяия............................................. 192
- 5 -
ВВЕДЕНИЕ
Повышение качества и конкурентноспособности сверхкруп— когабаритных шин (СКГШ) является основной задачей шинной промышленности как на данном этапе ее развития, так и на период до 2000 года /I/.
Актуальность этой проблемы диктуется стремительным развитием отраслей-потребителей шн и динамикой научно-технического прогресса автомобилестроения в направлении увеличения нагрузочных и скоростных характеристик самосвалов грузоподъемностью 75*180 тонн, интенсификацией добычи полезных ископаемых высокоэффективным открытым способом и расширением географии использования СКГШ в различных климатических районах страны.
Как известно, работоспособность шин в значительной степени зависит от их теплового состояния. Высокая эксплуатационная температура шин ухудшает механические свойства шинных материалов и снижает их долговечность. Средний по стране уровень ходимости СКШ заметно снижается из-за шин, вышедших из строя в результате тепловых разрушений на пробеге до 10-15 тыс. км. Для понижения эксплуатационной температуры, а, следовательно, и увеличения срока службы СКШ с учетом их повышенной чувствительности к различным условиям эксплуатации, качеству изготовления и другим факторам, необходимо проведение комплексных исследований теплового состояния этих шин. Таких исследований до настоящего времени проведено еще недостаточно. Оки носят частный, локальный характер и не дают возможности установить закономерности, позволяющие обеспечить на этапе проектирования требуемую работоспособность СКГШ.
Проведение вышеперечисленных исследований в кратчайшие сроки при минимуме затрат является труднореализуемой задачей.
- 6 -
Сложности, возникающие при организации и проведении исследовании на СКГЫ, обладающих значительными габаритами, недостаточное количество испытательного оборудования, длительность и Быеокая стоимость эксплуатационных испытаний; предопределяют необходимость создания новых нестандартных способов исследований.
Начальная стоимость комплекта СКГШ составляет 20*25 % от стоимости автосамосвала /2/. Транспортные расходы при добыче горной массы зависят от ходимости шин и в общей сумме затрат достигают более 60 % /3/. Поэтому повышение работоспособности СКГШ за счет снижения теплообразования является актуальной народнохозяйственной задачей.
Целью настоящей работы является разработка технических решений в области конструкции, технологии и режимов эксплуатации, приводящих к улучшению теплового состояния СКШ, а на этой основе и к повышению их ходимости.
- 7 -
I. СОВРЕМЕННЫЙ УРОВЕНЬ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛОВОГО
СОСТОЯНИЯ ШИН
Задачи совершенствования существующих конструкций и дозедения качественных показателей диагональных СКГШ до уровня современных требований, создание новых неделей шин приобретает в последнее время особую актуальность в связи с эксплуатацией их в экстремальных условиях (рост нагрузочно-скоростных характеристик автосамосвалов, плеч перевозок, эксплуатация шин в районах с жарким климатом) /4/.
Проектирование СКГШ и освоение их производства, нового для отечественной шинной лрошшленности, в начале 80-х годов осуществлялось с применением традиционных методов и опыта конструирования шин меньших размеров. Практика показала, что при качестве использующихся основных видов сырья и материалов, имеющейся технологии заготовительно-сборочных процессов применение в конструкции СКГШ известных технических решений не обеспечивает однородность конструкции и требуемую работоспособность шин. Установлено, что прегщевремекное /разрушение СКГШ диагональной конструкции начинается в наиболее термонапряженной плечевой зоне по границе протектор-брекер. 3 этой зоне материал подпротекторной части подвергается воздействию максимальных температур (110*140) °С, что приводит к расширению воздушных включений и интенсивной термоме-хаяической деструкции резины. После проявления дефектов (порезов, трещин в протекторе и других) температура шины поднимается выше критической (130*140) °С, в результате чего происходит тепловое отслоение протектора, оставшаяся высота рисунка которого может превышать 50*60 % от начальной.
- 8 -
Повышение долговечности шин за счет снижения эксплуатационной температуры производят различными способами, а именно: выбором оптимальных конструктивных решений с учетом конкретных условий эксплуатации, выбором параметров эксплуатационных режимов, обеспечивающих допустимое тепловое состояние и работоспособность шин, совершенствованием технологии изготовления с целью повышения однородности СИПИ.
І.І. Легковые и грузовые шины
Зависимость срока службы легковых и грузовых шин от их теплового состояния давно изучается советскими /5*15/ и зарубежными /16*33/ учеными. Важность этой проблемы отражена в монографиях Вухша В.Л. /5/ и Кнороза В. И. /6/.
В обзоре методов теплового расчета шин Бухин Б.Л. /5/ указывает на то, что стационарная температура шин является критерием их прочности. Шинные резины сохраняют свою усталости'то прочность лишь до температур: 110*120 °С. Если температура, устанавливающаяся ь наиболее нагретом элементе шины, ниже этого предела, то такая работы шины возможна, а долговечность определяется уровнем напряжений в шине. С увеличением размера шины установившаяся температура возрастает из-за худшего отвода тепла и предельный уровень ее достигается раньше теплового равновесия. В этом случае уровень напряжений самостоятельного значения не имеет.
Ккороз В.И. /6/, рассматривал механизм теплообразования а шинах, определяет одну из основных задач конструкторов шин -снижение максимальней рабочей температуры в заданных условиях эксплуатации, поскольку от ее уровня зависит срок службы шин. При высоких эксплуатационных температурах наиболее часто возможны тепловые отслоения протектора шин.
_ 9 -
В работах М.К,Хромова /7, 8/ показано, что работоспособность элементов легковых и грузовых шин определяется их температурой, характеризующей напряженность этих элементов.
Систематические экспериментальные исследования теплового состояния легковых и грузовых шин в различных условиях эксплуатации проведены Гуслицероы Р.Л. и Глускиной Л.С. /9—II/. Разработанные авторами номограммы используются дня выбора оптимальных режимов работы шин в эксплуатации. Авторами исследовано тепловое состояние шин при изменении эксплуатационных факторов (скорости, внутреннего давления, нагрузки, температуры окружающего воздуха) и конструктивных параметров (площади поверхности и рисунка протектора) .
Шершнев A.A. /12/, Гальченко И.И. /ІЗ/, Габашвили A.A.
/14/, Качугин В.Е. /15/ также исследовали тепловое состояние легковых и грузовых шин в зависимости от режимов эксплуатации и некоторых конструктивных параметров. Они подтвердили зависимость срока службы шин от их температуры и показали, что с увеличением скорости качения, нагрузки и при уменьшении внутреннего давления температура шин растет.
Однако, результаты исследований /9*15/ подучены применительно к ассортименту легковых и грузовых шин и ими нельзя напрямую воспользоваться при проектировании СКГШ, работающих в карьерах с резко отличающимися условиями эксплуатации.
Экспериментальные и теоретические исследования теплового состояния пневматических шин проведены также зарубежными учеными
Prevorsek P.C./u-r?/, Grosch К./20/ Clark I.D./24/, Schuring" Р.Т./24.22./, Pavtsson G.A./24/, Zefanskî P./25/.
Prevorsek “P.C. провел исследования по изучению влияния типа корда на тепловое состояние грузовых шин. Он показал /16/,
- 10 -
что вклад каркаса в общее тепловыделение ьюжет составить 40+50 %. 3 работе /17/ Prevorsek B.C. определяет факторы, вызывающие различия между локализацией, интенсивностью и формой пика механических потерь нитей корда из найлона 6 и найлона 66.
В работах /16+19/ Prevorsek B.C. утверждает, что температура грузовых шин может достигать (130+150) °С, точка перегрева находится в угловой зоне, где стенка покрышки самая толстая и сильнее противостоит отводу тепла. Поэтому разрушение диагональной грузовой шины в экстремальных условиях эксплуатации начинается в резине плечевой зоны.
Автором отмечается /18/, что распределение температуры по толщине шины подчиняется параболическому закону. Оценка влияния материала на тепловое состояние шины проводится на шинах одинаковой конструкции сравнением их максимальных температур.
В работе /19/ Prevorsek B.G. для выявления причин расслоения диагональных грузовых шин в плечевой зоне испытывал их на стенде вплоть до разрушения с непрерывным замером температуры. Испытания на ускоренное утомление проводились цутем чередования ступеней скорости и нагрузки. Полученные результаты показали, что образование трещин начинается в резине плечевой зоны, а скорость роста трещин в значительной степени зависит от температуры шины.
Grosch К. /20/ также определил, что циклические напряжения приводят к разрастанию трещин в зоне концентратора напряжений или какого-либо другого дефекта шины. Рост трещин сопровождается ростом температуры, что еще больше разрушает шину. Исследуя влияние условий эксплуатации на тепловое состояние шин, автор определил, что с увеличением нагрузки, скорости или с уменьшением внутреннего давления воздуха температура шины растет.
- II -
Аналогичному классу задач посвящены работы С1асК 1-ї), и ЗсЬиппд- В.Т. /21, 22/. Изучая тепловое состояние шин, основное внимание авторы уделяют определению потерь на качение. Они /21/ исследовали влияние нагрузки, скорости и внутреннего давления на распределение потерь на качение шин І85/75РІ4 и состояние каждого элемента конструкции при изменении нагрузки, скорости и внутреннего давления. Так, к изменению внутреннего давления наиболее чувствительна боковая стенка, к изменению скорости -беговая часть протектора. В работе /22/ ЭсПипид- В.Т. дает зависимости для определения потерь на качение через интенсивность теплообразования и объем материала в шине.
С. А./23/ и 2егапек1 Р. /24/ для ряда шин легкового и грузового ассортимента определяют предельно допустимые температуры. Установлено, что температура 120 °С является предельно допустимой для диагональных шик.
В результате обработки экспериментальных данных Кайн-раддь П. /25, 26/ для шин 11.00-20 установил эмпирические соотношения, позволяющие определять вклад в общее теплообразование различных материалов и элементовюнструкции. Им подучена хорошая корреляция относительного участия протекторных и обкладочных резин в повышении температуры в плечевой зоне шины. Максимальное расхождение между расчитанными и измеренными значениями температурі составляет не более 4 °С.
В ряде работ /27, 28/ опубликованы результаты измерения температуры в различных шинах в зависимости от режима их нагружения на шнообнатных стендах и в эксплуатационных условиях. Несмотря на то, что в этих работах приводятся обширные сведения о наиболее вероятных областях эксплуатационных температур яшн, они все же носят описательный характер и, вследствие этого, не позво-
- 12 -
лятот сделать выводы о возникающих температурных полях даже в шинах, близким по конструкции к исследованным.
В работах других авторов /29-31/ предлагается рассматривать эксплуатационную температуру шин как один из критериев оценки интенсивности их работы и долговечности. Тан, например, в работе СаскИпдЪп 13., МагвЬ \Л/., Носатее М. /32/ описано большое количество экспериментов, проведенных с целью установления изменения условий эксплуатации на температуру шин и, что самое главное, в ней показана возможность корреляции эксплуатационной температуры с ходимостью шины. Причем методом температурных измерений оценивается влияние нагрузочных параметров, состояние дороги, различных рецептур резин и особенностей конструкции на ходимость шин.
Исследования теплового состояния легковых и грузовых шин, проведенные зарубежными учеными, внесли большой вклад в общие вопросы понимания механизма тепловых разрушений и долговечности шин, позволили оценить влияние нагрузки и скорости на изменение температуры шин. Показана возможность и получены для конкретных размеров легковых и грузовых шин эмпирические зависимости максимальной температуры шин от различных внешних, конструкционных и рецептурных факторов. Большое количество исследований теплового состояния различных размеров шин беспорно доказывает необходимость проведения подобных исследований при проектировании или совершенствовании СКГШ.
Результаты вышеперечисленных работ, несмотря на их несомненную ценность применительно к шинам легкового и грузового ассортимента, не морут служить в качестве практического руководства при решении проблемы повышения технического уровня СКГШ, но вместе с тем дают вспомогательную информацию, необходимую для выбора направлений решения этой задачи.
- 13 -
1.2. Крупногабаритные и сверхкрупногабаритньте шины
Исследования теплового состояния крупногабаритных и сверхнрупногабаритных шик в СССР проводились с начала 70-х годов (для СКШ с начала 80-х годов) учеными Днепропетровского научно-исследовательского института крупногабаритных шин Индейкинш Б.А. /33*40/, Никитиной Л.Б, /34*41, 45, 46/, Нечипоренко А.Г. /42*44, 47, 48/, Смирновым А.Г. /49*54/, Квашей З.Н. /38*40 , 55/, Ищенко В.А. /38*40/, Скорняковым о,С. /45, 46, 55/.
Индейкин Б.А. /33/ рассмотрел методически важный вопрос анализа напряженного состояния карьерных шин методом тепловых измерений. Веледствии низкой температуропроводности резины и незначительного градиента температуры в начальной стадии разогрева шины пренебрегаетея теплопотерями. Тогда скорость приращения температуры шины пропорциональна квадрату обобщенной деформации.
Таким образом, Индейкин Б.А. показал, что по значению скорости приращения температуры в начальный период качения шины можно судить об уровне и распределении в элементах шины обобщенной деформации.
Рекомендованный Индейкиныи Б.А. способ оценки термонапряженного состояния шин экономичен и обладает достаточной точностью, однако он пока не нашел широкого применения из-за сложности организации тепловых измерений СКГШ.
Никитина Л.Б. /34-41/ решила задачу теплопроводности в шинах, разработала программы для вычисления на ЭВМ температурных полай шин. Она теоретически и экспериментально показала, что при определенных режимах качения температура шин может достигать предельно допустимых величин, при которых ухудшаются механические свойства материалов шины и уменьшается срок их службы. Теорети-
- 14 -
чески, цутем варьирования исходных конструктивных параметров, Никитиной Л,Б. получены уравнения регрессии и построены номограммы, связывающие максимальные температуры шины с перечисленными выше параметрами. Однако, полученные теоретически результаты экспериментально недостаточно подтверждены и требуют детальной проверки.
Индейкин Б.А. и Никитина Л.Б. разработали основы методических подходов к решению задач теплового состояния карьерных шин. Следует отметить, что они не дают конкретных рекомендаций по конструированию СКГШ, не рассматриваются вопросы оптимизации конструкции шин в конкретных условиях эксплуатации.
вопросы построения режимов эксплуатации карьерных самосвалов на основе теплового состояния СКГШ в своих работах /34+37, 42+46/ рассматривают Никитина І.Б., Нечипоренко А.Г., Хоменя Е.А., Кудааренко О.М., Скорняков Э.С. На основе анализа зависимостей температуры шин от температуры: среды, нагрузки и скорости, построены соответствующие номограммы /43-46/. Обобщены результаты исследований влияния условий эксплуатации шин на их температуру и долговечность. Рекомендованы методы построения режимов эксплуатации по допустимой температуре.
Однако, недостаточно уделено внимание исследованию самой крупной шины 40.00-57, где проблема теплообразования стоит наиболее остро. Не проводились также целенаправленные работы по определению оптимального начального внутреннего давления при различных режимах нагружения.
Нечипоренко А.Г. освещает общие вопросы конструирования СКГШ /47, 48/. Указывается, что высота рисунка по центру беговой дорожки составляет 2,2-2,4 % от наружного диаметра шины и увеличивается от центра к углу протектора таким образом, что на */4 ширины беговой дорожки она составляет ІІ0-І20 % от высоты по
- 15 -
центру, по углу 120-140 % от той же величины. Отмечается, что для снижения уровня теплообразования в зоне угла протектора в подканавочном слое применяется резина с более низкой интенсив~ костью теплообразования, однако конкретные рекомендации по размерам этой резиновой детали отсутствуют.
Исследования выходных характеристик крупногабаритных и сзерхкрупногабаритных шин проведены Смирновым А.Г. /49-54/. На основе анализа тенденций развития карьерных шин за рубежом, анализа условий эксплуатации СКГШ и причин преждевременного их выхода из эксплуатации, автор определяет основные направления работ по повышению сопротивления шин тепловым отслоениям /49, 50/. Работы Смирнова А.Г., з основном, посвящены исследованиям влиянию формы профиля крупногабаритных и сверхкрупногабаритных кин на их тепловое состояние /514-53/. Увеличение ширины профиля карьерных шин приводит к понижению эксплуатационной температуры, лучшему распределению температуры по ширине беговой дорожки и повышению работоспособности при перегрузках. 3 работе /54/ Смирнов А.Г. приводит результаты исследований СКГШ 40.00-57 с увеличенной шириной профиля. Однако, внедрение таких технических решений при совершенствовании СКГШ обязательно требует изменения оснастки сборочного и вулканизационного оборудования. Зопросы совершенствования внутреннего распределения материалов CKTiii, реализация которого не требует изменения оснастки, Смирновым А.Г. не рассматривались.
3 работах /38440/ Индейкина Б.А., Кваши З.Н., Никитиной Л.Б. и Ищенко З.А. на основе анализа расчетов шин с варьированием модулей корда, углов нитей корда по короне шин 27.00-49, 33.00-51 и 40.00-57 указывается, что их термоналряженное состояние имеет некоторые общие характеристики, а развиваемые максимальные температуры, как и допустимые, близки.
- 16 -
Кзагаа о.Н. и Скорняков Э.С. /55/ рассматривают разрушение резины СКГШ как процесс накопления повреждений, зависящий от напряженного состояния и тешературы. Путем рассмотрения наиболее напряженных точек межелойных резин СКГШ при заданных эксплуатационной скорости движения и допускаемой температуре авторы определяют расчетный ресурс работы шины.
наряду с успехами, достигнутыми в области исследований и проектирования .диагональных КГШ и СКГШ, до настоящего времени детально не изучено количественное и качественное влияние параметров конструкции протектора и каркаса на их тепловое состояние и работоспособность.
Зарубежные фирмы» производящие СКШ, ,, Bridgestone ,
„ Toyo“, „ 'Yokohama ** и другие уделяют большое внимание тепловому состоянию СКГШ. В каталогах фирм указывается, что экстремальные условия эксплуатации карьерных шин неизбежно приводят к повышению тешературы в шинах, а так как они имеют ограниченную теплостойкость, то ка ранних стадиях эксплуатации может начаться разрушение шины. Ден ряд шин, отличающихся конструкцией для конкрентных условий эксплуатации, подробные рекомендации по правильной эксплуатации шин, предотвращающие теллозые разрушения /56*61/. Фирмы тлеют шины 40.00-57 и 33.00-51 соответственно трех и десяти моделей для различных условий эксплуатаций, с разными показателями эксплуатационной производительности.
3 рекомендациях по эксплуатации СКШ фирмы основное внимание уделяют правильному выбору нагрузки, скорости, внутреннего давления воздуха в шике, плеча перевозки и многих других факторов /56, 57/.
3 материалах фирм /59, 60/ имеются характерные зависимости числа отслоений протекторов в СКГШ от установившейся температуры шин (рис. I.I), Тепловые расслоения начинаются при уетано-
Рис. І.I. Зависимость числа отслоений протектора в СйГПІ от установившейся температуры ідш
- 18 -
вившейся температуре 110 °С и уже при температуре 145 °С 50 % шин выходит из строя по причине тепловых отслоений протектора.
3 работе /62/ даны результаты испытаний образцов из шик при различных направлениях деформирования. Результаты исследований теплообразования сопоставлялись с теплообразованием в шн&х при эксплуатации. Авторы показали, что граница поверхности "каркас-протектор" имеет наизысшее увеличение тешературы в шине и образцах; з лабораторных условиях можно получить различные стадии отслоения, которые коррегируют с отслоением протектора.
При проектировании и эксплуатации СКГШ зарубежные фирмы придают важнейшее значение понижению рабочей температуры шин. Понижение рабочей температуры СКГШ фирмы осуществляют как за счет создания специальных шин для конкретных условий эксплуатации,так и за счет соблюдения рекомендованных режимов эксплуатации. Каждая фирма о СКГШ применяет свою рецептуру резин, имеет свою конструкцию шин, которые по разному реагируют на колебания эксплуатационных режимов.
Однако имеющаяся информация о техническом уровне СКГШ инофирм носит общий, нередко рекламный, характер, Кроме того, практика показывает, что использование опыта инофирм без учета технической базы, сырьевых, технологических и других особенностей, характерных для отечественной шинной промышленности, не обеспечивает раскрытия в полной мере заложенного в нем потенциала. Поэтому научными основами повышения технического уровня и конкурентоспособности отечественных СКГШ должны стать, в первую очередь,результаты исследовательских работ по изучению влияния различных факторов на тепловое состояние карьерных шин.
- Київ+380960830922