Влияние основных конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов на тепловое состояние и работоспособность сверхкрупногабаритных шин

Повышение качества и конкурентноспособности сверхкрупногабаритных шин (СКП11) 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 шин 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 СКГШ 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 СКГШ 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. Они 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.

Сложности, возникающие при организации и проведении исследований на СШЛЛ, обладающих значительными габаритами, недостаточное количество испытательного оборудования, длительность и высокая 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.

I. СОВРШЕННШ УРОВЕНЬ ИССЩОВАНИЙ ТЕПЛОВОГО.

СОСТОЯНИЯ шин.

Задачи совершенствования существующих конструкций и доведения качественных показателей диагональных СКГШ до уровня современных требований, создание новых моделей 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 СКШ и освоение их производства, нового для отечественной шинной промышленности, 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 СКШ известных технических решений не обеспечивает однородность конструкции и требуемую работоспособность шин. Установлено, что превдевременное. разрушение СКГШ диагональной конструкции начинается в наиболее термонапряженной плечевой зоне по границе протектор-брекер. В этой зоне материал подпротекторной части подвергается воздействию максимальных температур (1104−140) °С, что приводит к расширению воздушных включений и интенсивной термомеханической 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.

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, обеспечиващих допустимое тепловое состояние и работоспособность шин, совершенствованием технологии изготовления с целью повышения однородности СКГШ.

1.Х. 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 Бухина Б. Л. /5/ и Кнороза 3Л. /б/.

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 усталостную прочность лишь до температуры 110*120 °С. Если температура, устанавливающаяся в 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,.

Кнороз В.И. /6/, рассматривая механизм теплообразования в шинах, определяет одну из основных задач конструкторов шинснижение максимальной 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.

В работах М.К.лромова /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. /9−11/. Разработанные авторами номограммы используются для 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. /13/, 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/ получены 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 D.C./te-м?/, Grosch К./20/, Clark I.D./21/, SchuringSXT./2−1.22./, Savisson G.A./24/, Zeranski P./25*/.

PrevorseK «D. С — провел исследования по изучению влияния типа корда на тепловое состояние грузовых шин. Он показал /16/, что вклад каркаса в общее тепловыделение может составить 404−50%. 3 работе /17/ РгеУогБек В.С. определяет факторы, вызывающие различия между локализацией, интенсивностью и формой пика механических потерь нитей корда из найлона 6 и найлона 66*.

В работах /16+19/ Prevoгsek В. С. утверждает, что температура грузовых шин может достигать (1304−150) °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/ Рг^огэеК В.С. 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 путем 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.

СгозсК 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.

Аналогичному классу задач посвящены работы Clark и SchuringВ.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 I85/75PI4 и состояние каждого элемента конструкции при изменении нагрузки, скорости и внутреннего давления. Так, к изменению внутреннего давления наиболее чувствительна боковая стенка, к изменению скоростибеговая часть протектора. В работе /22/ Schunng1 Т). Т. дает зависимости для определения потерь на качение через интенсивность теплообразования и объем материала в шине* thvisson G.A./23/ и ZeransKi Р. /24/ для ряда шин легкового и грузового ассортимента определяют предельно допустимые температуры. Установлено, что температура 120 °C является предельно допустимой ддя диагональных шин.

В результате обработки экспериментальных данных Кайн-радць П. /25, 26/ ддя шин 11.00−20 установил эмпирические соотношения, позволяющие определять вклад в общее теплообразование различных материалов и элементов юнструкции. Им получена хорошая корреляция относительного участия протекторных и обкладочных резин в повышении температуры в плечевой зоне шины. Максимальное расхождение между расчитанными и измеренными значениями температуры составляет не более 4 °C.

В ряде работ /27, 28/ опубликованы результаты измерения температуры в различных шинах в зависимости от режима их нагру-жения на шинообнатных стендах и в эксплуатационных условиях. Несмотря на то, что в этих работах приводятся обширные сведения о наиболее вероятных областях эксплуатационных температур шин, они все же носят описательный характер ir, вследствие этого, не позволягот сделать выводы о возникающих температурных полях даже в шинах, близким по конструкции к исследованным.

3 работах других авторов /29−31/ предлагается рассматривать эксплуатационную температуру шин как один из критериев оценки интенсивности их работы и долговечности. Тан, например, в работе Caddingrton В., Marsh W., Hodges N". /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 СКШ.

Результаты вышеперечисленных работ, несмотря на их несомненную ценность применительно к шинам легкового и грузового ассортимента, не мо1*ут 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.

ООЮВШЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

3 диссертационной работе содержатся новые решения научной задачи, заключающиеся в создании прикладных методов разработки конструкций шин и оперативной оценки теплового состояния и показателя эксплуатационной производительности сзерхкрупногаба-риткых шин, позволяющих на стадии проектирования осуществлять комплексную разработку и обоснованный выбор новых технических решений по повышению нагрузочно-сноростных характеристик и работоспособности СКШ в конкретных условиях эксплуатации, что имеет существенное значение для повышения эффективности использования карьерного автотранспорта, приводит к снижению эксплуатационных расходов, связанных с приобретением шин, и уменьшению себестоимости добычи полезных ископаемых.

1. Установлено, что повышение показателя эксплуатационной производительности и работоспособности СКПЯ в конкретных условиях эксплуатации обеспечивается комплексна®применением новых конструктивных, технологических решений и оптимизацией эксплуатационных режимов, улучшающих тепловое состояние шин.

2. Расчетные исследования напряженно-деформированного и теплового состояния СКШ позволили обосновать правильность выбора конструктивных решений в шинах, обеспечивающих понижение их эксплуатационной температуры, а, следовательно, и повышение работоспособности.

3. Уточнены принципы физического масштабного моделирования шин применительно к СКШ. На этой основе разработаны конструкции модельных шин. Расчетным и экспериментальным путем подтверждены подобие напряженно-деформированного и теплового состояния модельных и натурных шин, а также аналогия видов их разрушения при испытаниях на стенде и в эксплуатаци. Применение модельных ¡-айн во много раз сокращает затраты и сроки на испытания и конструкторские разработки.

4. Разработана гибкая технология изготовления модельных и натурных образцов СКШ различных конструктивных вариантов, в том числе отличающихся основными размерами рисунка протектора и габаритами шины по пресс-форме. Гибкая технология обеспечивает расширение диапазона исследуемых параметров, многовариантность исследований и при минимуме затрат на изготовление оснастки существенно сокращает сроки внедрения новых разработок.

5. Расчетным и экспериментальным путем установлены закономерности изменения термонапряженного состояния модельных и натурных шин в зависимости от соотношения размеров беговой и подканаззочной части протектора, высоты рисунка протектора при различном наружном диаметре шины и диаметре по первому слою каркасав зависимости от сяойности каркаса и внутреннего давления воздуха в шине. На этой основе получены корреляционные уравнения, позволяющие проводить аналитические исследования влияния вышеперечисленных параметров на тепловое состояние шин. Для удобства практического использования при инженерных расчетах аналитические уравнения представлены в виде номограмм.

6. 3 условиях рядовой эксплуатации проведены экспериментальные исследования влияния радиальной нагрузки, скорости движения автосамосвала, температуры окружающей среды, внутреннего давления воздуха на тепловое состояние СКГШ. Обработка экспериментальных данных методами статистического анализа позволила получить корреляционное уравнение, определить критерии выбора начального внутреннего давления воздуха с учетом теплового состояния шин в конкретных условиях эксплуатации.

7* Путем исследования влияния технологии заготовительно-сборочных процессов на качество СКГШ установлены основные причины возникновения дефектов, приводящих к тепловым отслоениям протектора. Разработаны и внедрены технические решения по совершенствованию механизма обработки борта, сборочного агрегата, в части установления стабильной вытяжки, и технологии изготовления герметизирующего слоя, позволяющие повысить однородность СКГШ.

8″ Разработан общий алгоритм прогноза теплового состояния и показателя эксплуатационной производительности СКГШ при применении новых технических решений, отличающихся тем, что позволяет учитывать технологические особенности изготовления СКГШ" Получена формула для прогнозирования показателя ТКВЧ СКГШ 40,00−57 на стенде по стендовый испытаниям модельных шин. Ввод в полученные корреляционные уравнения исходных данных в относительных единицах, характеризующих конструктивные особенности и нагрузочные режимы эталонного и исследуемого варианта натурных шин, позволяет прогнозировать максимальную температуру СКШ.

9. Результаты исследований позволили обосновать необходимость создания СКГШ для конкретных условий эксплуатации, определить основные направления совершенствования СКШ и пути их реализации:

— для жаркого климата и длинных расстояний перевозок (порядка 10 км) рекомендуется увеличить до 30*40% соотношение подканавочного и бегового слое" или уменьшить высоту рисунка протектора на 305−33%;

— ддя повышенных на 15% нагрузок рекомендуется использовать специальную конструкцию каркаса с применением 6*8 дополнительных висячих слоев «орда с одновременным увеличением внутреннего давления воздуха на ~ 8%;

— для эксплуатации на дорогах с высокообразивным покрытием на коротких плечах перевозок и номинальных радиальных нагрузках рекомендуется протектор углубленного типа при соотношении подкапавочного и бегового слоев по центру протектора на уровне 104−12.

Б особо экстремальных или специфических условиях эксплуатации возможно сочетание предложенных рекомендаций.

10. Разработанные способы исследования и решения по совершенствованию СШ11 внедрены в практику создания перспективных конкурентноспособных СКШ с улучшенными показателями технического уровня. Результаты исследований применены при создании шины 40.00−57 под максимально допустимую нагрузку 58,5 т. Промышленное производство указанных шин организовано на ПО «Бобруйск-шина» и опытном заводе НШКГШ. Результаты исследований также использованы при разработке шин 33.00−51 ддя условий эксплуатации ПО «Якуталмаз» и Тырныаузского вольфрамо-молибденового комбината.

11. Проведенное изучение возможности расширения области применения модельных шин 18.00−25 дало основание рекомендовать их для использования на погрузочно-доставочных машинах в условиях рудников. Ходимость указанных шин не менее чем в 5 раз превышает ходимость отечественных шин.

Суммарный экономический эффект от разработок автора составляет I миллион 918,8 тысяч рублей, в том числе по шинам.

40.00−57 — 864,5 тысячи рублей, от применения модельных шин -450,2 тысячи рублей, а дополнительный экономический эффект от использования модельных шин в рудниках составляет 604,0 тысячи рублей.