автореферат диссертации по транспорту, 05.22.02, диссертация на тему:Научные основы проектирования, изготовления, эксплуатации и восстановления крупногабаритных шин автомобилей и тракторов

УКРАИНСКИЙ ТРАНСПОРТНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

°ГВ ОД

1 j iiiOH 1995

На правах рукописи

СКОРНЯКОВ Эдуард Сергеевич

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, ИЗГОТОВЛЕНИЯ, ЭКСПЛУАТАЦИИ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ШИН АВТОМОБИЛЕЙ И ТРАКТОРОВ

Специальность 05.22.02 - Автомобили и тракторы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Киев - 1995

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Государственном научно-исследовательско? институте крупногабаритных шин.

Научный консультант: Заслуженный деятель науки Украины, лауреат Государственной премии Украины, академик, доктор техничес ких наук, профессор Канарчук В.Е. Официальные оппоненты:

1. доктор технических наук, профессор Сахно Владимир Прохорович

2. доктор технических наук, профессор Кальченко Борис Иванович

3. доктор технических наук, профессор Дырда Виталий Илларионович

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт шинной промышленности (Россия, г. Москва).

Зашита состоится 1995 г. на заседании

00

специализированного Ученого Совета Д 01.27.02 при Украинско; транспортном университете по адресу: 252010, Киев-10, ул. Суворова, С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Украинског транспортного университета.

Автореферат разослан

/О " гСС<1£ 1995 г.

Ученый секретарь

специализированного Ученого Совета Дмитриев Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ .

Крупногабаритные и сверхкрупногабаритные шины автомобилен и тракторов - карьерные, строительно-дорожные, сельскохозяйственные и другие относятся к классу внедорожных шин, отличающихся такими особенностями как многосложность, большой вес и высокая единичная стоимость.

В народном хозяйстве Украины крупногабаритные шины (КПП) и сверхкрупногабаритные шины (СКГШ) используются на транспортных и вскрышных работах Криворожских горнообогатительных комбинатов при добыче открытым способом железных и марганцевых руд. В странах СНГ они применяются при добыче угля (Якутия, Кемерово, Ангрен), минеральных удобрений (Кольский полуостров). В целом в мире около 60% горной массы перевозится автосамосвалами, оснащенными КГШ и СКГШ.'

В последние годы существенно возросли скорости автосамосвалов. В связи с этим, а также с появлением карьеров в районах с жарким климатом, участились случаи отказов шин из-за их теплового разрушения.

Высокая стоимость сверхкрупногабаритных шин, достигающая 30% и более от себестоимости перевозки горной массы, постоянно повышающиеся требования к надежности и долговечности машин в целом позволяют сделать вывод об актуальности широкой и общей проблемы, фактически представляющей одно из самых современных направлений шинной промышленности - промышленности сверхкрупногабаритных шин. Актуальным является всесторонний подход, охватывающий прочностные и тепловые расчеты, методы проектирования, технологию изготовления, разработку эксплуатационных режимов, ремонт и восстановление крупногабаритных шин. Такой подход получил в течении последних лет развитие в НИИКГШ (г.Днепропетровск) - единственном научно - промышленном центре Украины, работающем над созданием внедорожных шин. В этом центре выполнена настоящая работа, заложившая основы данного подхода.

Цель диссертационной работы - создание научных основ расчета, конструирования, изготовления, эксплуатации и восстановления крупногабаритных шин для автомобилей и тракторов.

Научная новизна работы определена :

- новыми экспериментальными данными о нагрузках на шины карьерных автосамосвалов, распределении нагрузок между передними и задними колесами, внутренними и внешними (при сдвоенных колесах) в зависимости от режимов движения, продольного и поперечного профиля дороги, характера дорожного покрытия;

-^новыми экспериментальными данными о влиянии различных эксплуатационных факторов на напряженно-деформированное и тепловое состояние шин, о видах и причинах их разрушения ;

- установлением на основе экспериментальных данных корреляционных зависимостей между внутренним давлением, распределением тем-

пературы в "горячих" шинах, величиной нагрузки, скоростью и другш параметрами движения, а также температурой окружающей среды;

- постановкой задач о контакте шины с дорогой, построением нов! теоретической модели расчета напряженно-деформированного состоят шины и ее обоснованием, сравнительной оценкой ранее известных ра четных моделей;

- новыми численными результатами оценки напряженно-деформ рованного состояния крупногабаритных шин и анализом этих результ тов;

- решением задачи термовязкоупругости для крупногабаритнь: шин с целью определения тепловых полей, влияния конструктивных п раметров на сопротивление шины качению и характеристик произвол! тельности шин;

- новыми методами оценки напряженно-деформированного и тепле вого состояния шин, основанными на методах анализа размерностей теории подобия (косвенный метод, позволяющий избежать прямых рас четов );

- новыми технологиями восстановления крупногабаритных шин теоретическим анализом этих технологий, основанным на расчетах темпе ратуры, времени вулканизации, на расчетах режимов охлаждения;

- постановкой задач оптимального проектирования крупногабарит ных шин, новым методом, специально предназначенным для решени: этих задач, новыми оптимальными проектами шин;

- новой технологией производства бескамерных крупногабаритны; шин на станках с числовым программным управлением, ее теоретичес ким и опытным обоснованием;

- принципом создания нового класса шин сверхнизкого давлени? для колесных тракторов с высокими агроэкологическими показателями.

Достоверность основных научных результатов определяется :

- значительным объемом экспериментальных исследований и обработкой их результатов методами математической статистики;

- согласованием теоретических результатов расчета напряженно-деформированного состояния крупногабаритных шин с экспериментальными данными, полученными в ходе дорожных испытаний и-в условиях опытной эксплуатации шин;

- непротиворечивостью и логической обоснованностью соотношений, полученных методами теории подобия и анализа размерностей;

- сравнением и согласованностью результатов испытаний опытных образцов шин, изготовленных по новой технологии на станках с числовым программным управлением, с подобными результатами для шин зарубежных фирм.

Научное значение результатов, представленных в диссертации,

заключается :

- в обширных экспериментальных результатах, имеющих самостоятельное научное значение для оценки новых теоретических моделей и методов;

- в построенной теоретической расчетной модели для оценки напряженно-деформированного состояния шин;

- предложенной методике численного исследования термомеханического состояния шин, обладающей достаточной общностью и применимостью к другим задачам такого класса;

- модели и методике исследования эксплуатационной производительности и ресурса крупногабаритных шин;

- в альтернативном косвенном методе расчета теплового и напряженного состояния на основе теории моделирования, позволяющем избежать трудоемких прямых вычислений;

- методе оптимального проектирования, использующем локальные линейные модели и предназначенном для оптимизации шин;

г созданной расчетно-экспериментальной основе для разработки новых конструкций шин сверхнизкого давления.

Практическая значимость приведенных исследований состоит :

- в изучении неблагоприятных условий эксплуатации крупногаба-. ритных шин и разработке на этой основе правил эксплуатации, обеспечивающих рациональные режимы их работы, позволяющие избежать тепловых отказов;

- в созданной методике расчетов напряженно-деформированного состояния и оценки прочности шин, пригодных для проектирования опытных и массовых изделий;

- в разработке и промышленной реализации эффективных технологий восстановления крупногабаритных шин, в том числе рациональных режимов формовки и бесформовочной вулканизации;

- в разработанной экономичной технологии изготовления сверхкрупногабаритных шин на станках с числовым программным управлением и нового класса шин сверхнизкого давления.

Промышленная реализация результатов исследования заключается :

- в создании усовершенствованной конструкции шины 33.00-51, обеспечивающей увеличение их ходимости и, соответственно, значительный экономический эффект при эксплуатации 336 штук шин в Полтавском ГОКе в 1993 г.;

- в модернизации и монтаже двух прессформ в вулканизаторе 1-2300М для значительного увеличения объемов производства сверхкрупногабаритных шин 33.00-51.

- в производстве шин 16.5/70-18 методом навивки однонаправленных обрезиненных нитей корда в 1993 г.;

- в изготовлении принципиально новых конструкций шин сверхнизкого давления на почву 66x43, 00Р25 мод.Ф-229 и продаже отечественным и зарубежным фирмам в 1993 г. я 1994 г.;

Все указанные выше работы подтверждены актами и расчетами зко-юмического эффекта, которые представлены в приложении диссертации.

Апробация работы. Основные результаты исследований и отдель-[ые положения диссертационной работы докладывались на :

- II Всесоюзной конференции "Проблемы шин и резинокордш композитов", Москва, 1990 г.;

- VI Международной научно-технической конференции "Эластом ры", Рига, 1992 г.;

- Международной конференции в Таллине, 1992 г.;

- Международных конференциях по каучуку и резине: Праг 1991г.;Пекин,' 1992 г.; Москва, 1994 г.;

- Польско-Украинском семинаре в г.Днепропетровске, 1994 г.;

-1 Международном симпозиуме по механике эластомеров, Севаст поль, 1994 г;

- Международных совещаниях по каучуку: Коломбо, 1994 г.; Т кио, 1995 г.

Шины, разработанные под руководством и с участием автора, эк понировались на международных выставках в Париже, Амстердаме Москве.

По материалам диссертации опубликованы 2 монографии и 32 п чатные работы в периодических изданиях и сборниках материалов нау ных конференций, получено 11 авторских свидетельств.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, д< сяти глав, выводов, списка использованной литературы и приложенш Объем диссертации составляет .378 страниц, в том числе 330 страни основного текста ( включая 59 страниц рисунков ), 37 таблиц, прилож< ния на 17 страницах. Список литературы состоит из 156 наименований.

Работа выполнена в НИИ крупногабаритных шин (Днепропе-ровск).

Автор выражает благодарность научном)7 консультанту Заел} женному деятелю науки, Лауреату Государственной премии Украины академику, доктору технических наук, профессору Канарчуку В.Е.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава диссертации содержит обзор и критический анали научной литературы по теме исследований. Обзор проведен по несколь ким направлениям. Первое из них - теоретические и экспериментальны! исследования износа шин в зависимости от горногеологических, дорож ных, климатических условий эксплуатации и от нагрузочных режимов. I работах Васильева М.В., Глаголева И.И., Кленникова Е.В., Кнороз; В.И., Шершнева А.А. и др. установлено, что на износ шин существеннс влияют структура и механические свойства дорожного покрытия, а также тепловое состояние шины, обусловленное фрикционным теплом, дисси пативным разогревом и температурой окружающей среды.

Рассмотрены три вида износа - фрикционный, абразивный и пос редством скатывания. Последний наиболее опасен и чаще других при водит к разрушению шины.

Второе направление обзора - теоретические и экспериментальны«

исследования напряженно-деформированного и теплового состояния шин. Здесь рассмотрены существующие расчетные модели Бухина Б.Л.,"^ Белкина А.Е., Григолюка Э.И., Кваши Э.Н., Кузьмина A.C., Мухина О.Н., Николаева И.К., Новичкова Ю.Н., Третьякова О.Б. и гипотезы, на которых они основаны. Установлено, что известные в настоящее время методики расчета предназначены, в основном, для статических расчетов.

Сравниваются наиболее употребительные модели, в которых шина рассматривается как криволинейная балки или как трехслойная орто-тропная оболочка с двумя безмоменгнымк слоями и заполнителем, сопротивляющимся только сдвигу. Описаны сравнительные достоинства и недостатки разных расчетных моделей.

Наиболее перспективной представляется конечноэлементная модель, "представляющая шину как многослойную оболочку. Представляется , что введение определенных гипотез о распределении деформаций вдоль нормали к срединной поверхности позволило бы существенно сократить объем конечноэлементных вычислений и приблизить расчетную картину напряженно-деформированного состояния к реальному распределению напряжений.

Третье направление обзора посвящено методам проектирования крупногабаритных шин и эффективным технологиям их изготовления. В работах Бидермана В.Л., Глускиной Л.С., Гуслицера Р.Л., Индейкина Б.А., Нечипоренко А.Г., Никитиной Л.Б., Слюдикова Л.Д., Хромова М.К. и др. описывается традиционная технология, которая включает в себя подготовку каучуков, приготовление резиновых смесей, обрезинива-ние корда, заготовку деталей покрышки, ее сборку, формирование и вулканизацию. Несмотря на механизацию и автоматизацию основных трудоемких процессов, доля ручных операций все еще велика, так что индивидуальные особенности сборщика заметно влияют на нестабильность качества изделий.

Поиски принципиально новых технологий, позволили выделить ряд направлений, которые можно считать перспективными. Важнейшее из них - технологии, основанные на робототехнике с применением ЭМВ и станков с числовым программным управлением.

Еще одно направление обзора связано с анализом существующих методов и задач восстановления и ремонта шин.

На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи настоящего исследования, представленные во вводной части автореферата.

Во второй главе даны результата экспериментальных исследований особенностей эксплуатации крупногабаритных и сверхкрупногабаритных шин карьерных автосамосвалов.

По результатам исследований с достаточной для практической цели точностью установлено, что радиальная нагрузка на шину, средняя за транспортный цикл перевозки горной массы, может быть представлена полусуммой нагрузок от массы порожней и груженой машины на твердой

горизонтальной площадке. Определены эмпирические константы дл расчета нагрузок на шины автосамосвалов БелАЗ-549, БелАЗ-7511 НД-1200 (рис.1).

г

ГГ\ V/

-А-1 ^7/

/г 7 /

/ г' ^ -с1.

ссУа'Л

^--

Рис. 1. Расчетные схемы для определения радиальных нагрузок на передние и задние шины груженого /негруженого/ автосамосвала при движении на подъем с правым поворотом и обратным поперечным уклоном.

По данным расчетов установлено, что технические характеристики машин по массе не отвечают фактическим данным и шины передних наиболее нагруженных колес перегружены на 7-9%. При смещении массы груза к одной из осей перегруз может достигать 15%, что крайне опасно для шин.

Получены аналитические выражения, позволяющие установить перераспределение радиальных нагрузок между шинами заднего сдвоеннго колеса:

для карьеров глубинного типа

Оа = [0.5(аг + а2) ± 0.0036/ - 0.000691'] - О С1)

для карьеров нагорного типа

; = [0.5(ог{/т + а2)± 0.0034; - 0.00069г] • (2)

В формулах (1) - (2) коэффициенты а,- , ут определялись по результатам систематических контрольных взвешиваний по осям груженых и негруженых автосамосвалов на весовых устройствах Северного, Соко-. ловс'ко-Сарбайского, Ковдорского горнообогатительных комбинатов, горно-металлургических комбинатов "Печенганикель", "Навоийский", ПО"Якуталмаз" и "Якутуголь". Параметры i , / характеризуют продольный и поперечный уклоны дороги.

Расчеты показали, что наибольшее влияние на перераспределение оказывают поперечный уклон проезжей части и несовпадение наружных диаметров шин, возникающие из-за разброса размеров при изготовлении и износе. Перегруз одной из шин 27.00-49 может достигать 25 - 42%, а для шин 30.00-51- 30-49%.

По результатам исследований износостойкости протектора установлено, что оценку ресурсов шины можно проводить по.линейным уравнениям регрессии, связывающим наработки по износу (Рис.2 и 3 )с крепостью К материалов дорожного покрытия по шкале Протодьяконова.

Рис. 2. Зависимость от крепости материалов дорожного покрытия средних наработок шин 27.00-49, вышедших из эксплуатации вследствии износа протектора /в 1993 г. - 1994 г./.

Кроме того, на износ оказывает влияние температура окружающего воздуха. Установлено, что интенсивность износа протектора в летний и зимний периоды эксплуатации отличается не более, чем в 1,4 раза, тогда как в зависимости от крепости материалов покрытия она может иметь различие в 2-3 раза.

Г6

Рис. 3.

Зависимости интенсивности износа протектора шин от наработки по :

а - Северному комбинату /1-шины 27.00-49, 2-шины33.00-51/;

6 - Ковдорскому комбинату /1,2 -= 100 . 20°С, 1,2 - = - 10° -20°С/.

Таким образом, наиболее существенным для износа являются дорожные условия эксплуатации. Эти условия, в первую очередь техническое состояние площадок загрузки, определяют и ресурс шин до первого сквозного повреждения.

мл,/шс. км

27. т -49 ос.

ГС со- ■ч 5Г

иер

Г2

ге

Зи

я

Ч * I' 2

Ч ——

Л2

п

те. /см

Еще одна из причин выхода шин из эксплуатации - их вздутие, отслоение протектора и расслоение каркаса из-за высокой эксплуатационной температуры, достигающей 110-130 °С. Получены корреляционные зависимости максимальной установившейся температуры шин от величины средней эксплуатационной скорости автосамосвала. Для новых шин 27.00-49 - передние; Ь - задние)

¿, = 54.5 + 3.91 Усэ ; г2 = 29.0 + 3.89Гв ; для изношенных на 25% шин 27.00-49 = 38.0 + 4.59Х/СЭ ; ¿2 = 47.0 + 2.14ГСЭ .

(3).

(4)

Допустимая температура 110 °С шин передней оси достигается при скоростях 14,2 км/ч. При износе шин 33-66% допустимые скорости автосамосвала повышаются на 10,5-41% за счет уменьшения массы протектора, что улучшает теплоотвод и одновременно уменьшает теплообразование. Зависимость температуры шин 27.00-49 от времени эксплуатации показаны на рис.4.

. —'-'к.

/га

/ 2 Т 3'

и {¿с лг

<? л» к га V

,2 3 5

ГГ

I, ■У. 5-ггхя*Ж4г#ме м /п># асг#/чав/г<?х аяеДА/ 'МА/

1 1 !

Рис. 4. Зависимость температуры передних /1...3/ и задних /Г...З'/ шин 27.00-49 ог времени эксплуатации при температуре окружаю' щего воздуха 20°С /1,1'- при средней эксплуатационной скорости •' Уо® 17.0 ; 2.2' - при У^ = 13.7 ; 3.3' - при Уга = 12.0 км/ч /.

<Г*

Анализ скоростных режимов эксплуатации показал, что в летний период и в районах с жарким климатом эксплуатационные скорости машин превышают допустимые, что влечет за собой значительный рост тепловых отказов, существенно снижающих долговечность шин карьерных автосамосвалов. Поэтому проблема определения фактической эксплуатационной температуры является одной из самых важных проблем при эксплуатации шин. В связи с этим возникла необходимость детальных экспериментальных исследований влияния эксплуатационных факторов на тепловое состояние шин.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям влияния эксплуатационных факторов на тепловое состояние крупногабаритных шин. Для начального нестационарного режима теплового состояния шин 27.00-49 и 33.00-51 установлено, что наиболее интенсивный рост температуры имеет место в первые 5-7 часов эксплуатации. При этом необходимо учитывать время охлаждения в периоды остановок на обеды и пересменки (до 1. часа). По результатам исследований получены корреляционные зависимости давления в "горячих" шинах от величины £ - максимальной температуры в них. Расчетом показано, что допустимой (критической) температуре £ =110"С соответствует давление, превосходящее номинальное. Так, в шинах 27.00-49 это давление составляет Рш = 0,7МПа при номинальном Р™ =0,55МПа, а в шинах 33.00-51 Р„ = 0,62МПа при Р™ =0,49 МПа.

Исследовано стационарное тепловое состояние новых шин. С этой целью методами планирования эксперимента для шин 27.00-49 получены уравнения регрессии установившихся температур для условий дорожных испытаний:

=-150,4 + 0,6{с+6,27Уе,+ 8,5Ояр-0,1(дврУсз) (5)

и условий эксплуатации:

^ =43,0 + 0,64+0,183(^1^)

(6)

с, = 22,0 + 0,6^ + 0,238(03УС)

здесь Ьс - температура окружающего воздуха (среды), ( £)УЫ ) - показатель эксплуатационной производительности (ткм/ч) при номинальном начальном давлении.

Расчеты показали, что температура задних шин ниже, чем передних, а допустимая скорость автосамосвалов по тепловому состоянию передних шин 27.00-49 (БелАЗ-549) на 6-7км/ч ниже, чем по состоянию задних; для шин 33.00-51 (БелАЗ-7519) - на 5км/ч. Поэтому рекомендовано для повышения допустимой эксплуатационной скорости У« уравнивать температуру передних и задних шин, в частности, путем установки шин различной степени износа:^

Уравнение регрессии (5), (6) и другие, полученные в работе, позволили определять при ожидаемой температуре среды и заданной скорости V« соответствующие давления в разогретой шине (табл.1).

Таблица. 1

Темпер. Давление Я , МПа ВТ '

Размер воздуха

шины Ьс ,град.С при скоростях Уа ,км/час

10 12 и 16

15 0,68 0,69 0,71. 0;71

27.00-49 30 0,69 0,71 0,72 • 0,74

33.00-51 15 0,63 0,64 0,66 . 0,68

30 0,65 0.67 0,68 0,69

Это дало возможность оперативно контролировать давление при эксплуатации автосамосвалов в карьерах и разрезах. Соответственно, по величине давления в разогретых шинах и данным охлаждения при отстое можно регулировать давление в процессе технического обслуживания машин.

Исследовано влияние режимных параметров на тепловое состояние шин. Установлено существенное влияние начального (номинального) давления:

для шин 27.00-49

Рт= 0.515 +0.00175* (7)

для шин 33.00-51

Рю= 0.461 +0.00146* ' "" (8)

В передних шинах 27.00-49 температура при уменьшении начального давления на О.ОбМПа возрастает на 10°-15°С, а с возрастанием на эту же величину - падает на 5-б°С. Рост давления в задних шинах мало сказывается на изменение температуры в них. Соответственно, рекомендовано летом при высоких температурах среды повышать давление в передних шинах для уравнения его с давлением в задних шинах. В передних шинах 33.00-51 падение давления приводит к росту температуры в центре и угловой зоне, а в задних шинах - температура изменяется мало. В связи с этим в зимний период рекомендовано снижать давление в задних шинах этого размера для увеличения площади их контакта с дорогой.

Исследование распределения температуры в задних сдвоенных шинах в зависимости от несовпадения внутренних давлений в них и наружных диаметров из-за износа показали возможность различия максимальных температур в них до 20°С. При этом температура шин, рассчитанная . по уравнениям регрессии на дополнительную радиальную нагрузку вследствие указанных факторов, близка к результатам измерений. Согласно международным стандартам принята оценка производительности шин на основе показателя ТКВЧ :

ТКВЧ => О,Ус (г км/ч), (9)

где Ос - средняя за транспортный цикл нагрузка на шику, Ус - средняя эксплуатационная скорость.

' Установлено, что показатель ТКВЧ для изношенных шин возрастает (табл.2). Найдена линейная корреляционная зависимость между относительным допустимым показателем ТКВЧ и глубиной протектора, что дало возможность найти поправочные коэффициенты, учитывающие влияние степени износа протектора на допустимую скорость.

Таблица.2

¿с=35°С <2 У«,гкм/ч

состояние шин 27.00-49 33.00-51

новые 266 348

полный износ 510 -622

Проведена комплексная оценка допустимых показателей эксплуатации шин. Найдены допустимые скорости для передних и задних шин при номинальных давлениях в них, заданной степени износа и эксплуатационные скорости автосамосвалов. Скорости, найденные по тепловому состоянию передних шин, ниже, чем по состоянию задних. Температура передних шин уравновешивается с температурой задних при износе передних на величину Д/г »0,5-0,6. При таком износе все шины могут эксплуатироваться с допустимыми скоростями порядка 16-20 км/час при

температурах - 35с-10° С.

В соответствии с допустимыми скоростями определены допустимые пробеги (за две смены) при заданных температурах среды и степени износа протектора. Эти пробеги относятся к шинам "прикатанным" пробегом 0,5-1,0 тыс.км. В новых шинах температура на 8°-10°С выше, чем в "прикатанных", что существенно снижает допустимые скорости при "прикатке" новых шин в первые 9-10 смен составляют 80-105 км при температурах 35С-10°С соответственно.

Представляют интерес сравнительные показатели эксплуатационной производительности зарубежных и отечественных шин. У зарубежных шин для определения ТКВЧ принималась критическая температура = 120°С. Отечественные шины 27.00-49 по этому показателю находятся на уровне шин фирм "Тойо" и "Иокогама" модификаций Е2А, г шины 33.00-51 превосходят указанную модификацию шин "Иокогама", уступая шинам фирмы "Бриджстоун". Установлено также, что отечественные шины по сравнению с зарубежными отличаются большей чувствительностью к отклонению от рекомендуемых параметров режимов движения, что вызывает необходимость тщательного их соблюдения.

В четвертой главе представлены теоретические основы расчета на-• - пряженно-деформированного состояния крупногабаритных шин и проведено его численное исследование. Рассмотрена модель взаимодействия шины с дорогой (рис.5).

л Л г а. /гллепл ■

Рис. 5. Схема контакта шины с дорогой : 1 - каркас ,2 - брекер , 3 - подканавка ,4 - протектор , 5 - бортовые кольца ,6 - обод .

Рис. 6. Фрагмент многослойной анизотропной оболочки.

Один из известных вариантов модели представляет силовую конструкцию часть шины (каркас, брекер) как изотропную слоистую тороидальную оболочку с переменными геометрическими характеристиками Учитываются деформации поперечного сдвига слоев. —

Контакт между оболочкой и поверхностью абсолютно жесткой дороги осуществляется через протектор.

В качестве альтернативной к более общей модели в работе принята уточненная модель анизотропной многослойной тороидальной оболочки с учетом деформации поперечного сдвига и поперечного обжатия, а также поперечных нормальных напряжений. Фрагмент оболочки дан на рис.6. Эта модель, согласно теории слоистых оболочек, строится на статических гипотезах для поперечных напряжений, касательных и нормальных,

= ; 0=1,2);

Сзз = + —~ + 1з - —-— + ?>(■*)■ р(аг„аг,); (10) а п

а также на кинематической гипотезе для поперечных деформаций обжатия и приводит к следующим геометрическим соотношениям деформированного состояния

и.,{аиа2,£) = а,) -ЛГ'га»,- - /зСг)(^з.; ; (11)

• и3(ссиа2,2) = Маиа2~) +[33(г)цг3(аиа2) ; 0=1,2). (12)

Здесь в,., • «з - тангенциальные и нормальное перемещения по толщине пакета слоев; vi , w - искомые перемещения точек координатной поверхности; щ - искомые функции сдвига, у/3 - искомая функция обжатия, /,.(г) , ^(г) - заданные нелинейные функции, описывающие искривление нормали от деформаций сдвига я ее укорочение от обжатия.

С помощью смешанного вариационного принципа получена система шести дифференциальных уравнений в частных производных шестнадцатого порядка

; 0,]=1,6); (13)

и соответствующие краевые условия для шины, жестко закрепленной на ободе

У„ = 0 ; Уг = 0 ; — = 0 ; \У=0 ; сп

= о ; = 0 ; 4г=0 ; (14)

сп.

Принятая теория позволила не выделять протектор в самостоятельный слой, а включить его непосредственно в число конструктивных ело-

ев оболочки, учитывая его изгибную жесткость в пакете слоев и принимая во внимание поперечное обжатие этого слоя.

В качестве аппарата численной реализации модели НДС принят метод конечных элементов (МКЭ) как альтернатива использованому ранее в задачах расчета НДС КГШ методу локальных вариаций. Применение МКЭ на основе принятой теории многослойных оболочек имеет то существенное преимущество, что требует дискретизации объекта расчета только по его поверхности, существенно сокращая объем вычислений. Область тороидальной оболочки, моделирующей шину, расчленяется в меридиональном и окружном направлениях на многослойные конечные элементы (КЭ). Каждый КЭ имеет 12 степеней свободы в узле (Рис.7 и

Взаимодействие оболочки с поверхностью дороги моделируется системой специальных КЭ типа односторонних связей, которые позволяют в процессе расчета при ступенчатом приложении нагрузки определить контактные напряжения (реактивные силы), размеры и форму пятна контакта.

Расчеты произведены на основе вычислительного комплекса "Мираж", разработанного в НИИАСС Украины. Для уточнения моделирования слоистой структуры КПП в комплексе добавлены специальные функции и определены физико-механических характеристик слоев в зависимости от характеристик, числа нитей корда, их ориентации; объемных долей волокон и матрицы.

Расчет произведен для модельной СКПД 40.00-57 на действие осевой приведенной нагрузки ф - 620 кН и внутреннего давления д=0,6МПа. Рассмотрены два варианта расчетных схем. Вариант 1 составная оболочка - композиция четырех оболочек, моделирующих соответ-ственно^каркас, брекер, подканавку и протектор, объединенных стержня-

8?

Рис. 7. Степени свободы в узле КЭ.

Рис. 8. Разбивка тороидальной оболочки шины на КЭ.

ми. Этот вариант рассматривается как модель первого приближения для # сопоставления общего деформированного состояния шины с другими вариантами расчета и с экспериментальными данными (рис.9-10). -.•'•гт—

к Л, мм

---¿сяэтазе/

----------д -¿¿г

Рис. 9. Радиальные перемещения срединной поверхности каркаса : а - по короне , б - по стенке .

Рис. 10. Эпюры напряжений / МПа / по короне в КЭ №2 нижнего пояса / ф= 0° /.

Рнс. 11. Графики напряжений б нитях корда /иа границе с брокером/: а-но короне; б-но стенке; в- по ободу.

Вариант двух модификациях: 2а - многослойная оболочка с учетом поперечного сдвига я без учета обжатия; 26 - то же, но с учетом об- ~ жатия - основной вариант.

Анализ результатов расчета по моделям 1, 2 и сравнение с экспериментальными данными показывает (Рис.9), что максимальные радиальные перемещения срединой поверхности каркаса по короне с наибольшей точностью моделируются с учетом сдвига и обжатия (26), что подтверждает правильность выбора теории для расчета НДС крупногабаритных шин.

Для анализа напряженного состояния выделены результаты в трех сечениях-поясах: нижний - ф = 0°, средний - ф = 90', верхний - ф = 180°. Представлены эпюры компонентов тензора напряжений по толщине шины в трех элементах каждого из поясов (по короне, стенке и ободу). Такие эпюры в нижнем поясе даны на рис.10. В частности отмечено, что наибольшие сжимающие напряжения возникают в каркасе на границе с брекером в нижнем поясе по короне в окружном направлении (<Vll,5Mna),a наибольшее растягивающее напряжение - в этом же поясе, но в меридиональном направлении (о"г =11,6МПа) по ободу на внутренней, поверхности шины. Поперечные нормальные напряжения <?2 по толщине шины в зоне контакта с дорогой отвечают характеру прикладываемых нагрузок: 0,6МПа на внутренней поверхности и 0,9МПа в пятне контакта, что полностью соответствует значению наибольшего контактного давления, найденного экспериментально. Данные о напряженном состоянии подтверждают предположение о работе протектора на изгиб в среднем и верхнем поясах по короне. Поперечные касательные напряжения гы , т,,г , характеризующие межслойный сдвиг, незначительны. Касательные напряжения кручения тху достигают наибольшего значения на внутренней поверхности (8,6МПа). Распределение напряжений в нитях корда представлено на рис.11.

Итогом решения задачи НДС явилось определение интенсивности напряжений о;- в характерных точках шины. Эти данные использованы далее (гл.8) для решения задачи оптимального проектирования КПП.

В пятой главе, в дополнение к ранее выполненным экспериментальным исследованиям теплового состояния шин, проведены теоретические расчеты температурных полей в КПП. Эти расчеты строятся как решение несвязанной задачи термоупругости с учетом симметрии температурного поля шины в окружном направлении.

a4J = Р' XT " ri • ач = Ьч"е" ~ Рч '6 0,j,к,1=1,2,3)

I7t

1 <5t

еа = 2 "+ + ; Ср"&гIs V*- + + (15)

Материал шины предполагается вязкоупругим, а соотношение между напряжениями и деформациями принимаются согласно модели Кельвина-Фойгта.

JT, мгга

08

0.6

1.4

0.2

\ \ \\\

f режпл <

ч ; \ V vf ггеал

"-/JTM 4//г яежил'

ге/

ЛИ Ил

Я'&.Мя у

/ff

£ff

Рис. 12. Зависимость модуля потерь Рис. 13. Изменение модулей

от амплитуды деформации резины упругости Е'/2/ и потерь Е" /1/

/цифры у кривых-средние дефор- анидного корда в зависимости от

мации/. амплитуды " шинной трапеции ".

Для определения модулей потерь резины и корда воспроизводятся специальные "шинные" режимы нагружения материалов на испытательных машинах: пилообразный, "двойная трапеция", "шинная трапеция". В результате получены модули упругости Е'и модули потерь Е" резин и кордов. Следует отметить, что вязкоупругие свойства кордов изучены в меньшей степени, чем резина. Их вклад в тепловыделение при качении шин составляет 20-25%. Зависимости Е' и Е" для анидного корда от деформации (рис.12 и 13), подтверждают, что корд является вязкоупру-гим материалом.

Для получения численных результатов решение строится методом последовательных приближений - решается упругая задача с определением поля перемещений и деформаций. Далее, учитывая вязкоупругие свойства резины и корда с помощью уравнения теплопроводности, рассчитывают температурные, поля; уточняются упругие характеристики и вновь решается упругая задача; находят новое температурное поле. Опыт проведения таких расчетов показал, что достаточно двух приближений. Температурные поля беговой зоны эталонной шины 40.00-57 (нагрузка 620кН, средняя скорость 15км/час, температура воздуха 37°С, внутреннее давление 0,6МПа ) даны на рис.14-16 .

С учетом найденного температурного поля устанавливается согласно (9) эксплуатационная производительность шины ТКВЧ. Для эталонной шины ТКВЧ составляет при tmax = 110"С - 880 ткм/ч, а при tmai = 120*С - 1100 ткм/ч.

Уширение обода приводит к росту эксплуатационной производительности. Снижение модуля упругости корда и разброс углов наклона его нитей - к понижению производительности шины.

Т'С

£0

за

Гд'Ш ле__ т

Г'с ж

/ 4* *

га

/5 V

ХЛО 3/2, М*

Рис. 14. Зависимость максимальной температуры беговой зоны шины 40.00-57 от скорости качения при нагрузках 450(1), 535(2) и 620 кН(3). Рис. 15. Распределение максимальных температур по ширине /В/ беговой зоны шины 40.00-57 при скорости качения 15км/ч и нагрузках на шину 450(1), 535(2) и 620 кН(3).

Рис. 16. Температурное поле беговой зоны шины 40.00-57; О=620кН; Л;=15км/ч; гс=37°с; q=0.6 МПа /пунктир - границы каркаса и подка-навки/.

Изучено также влияние конструктивных параметров и режимов эксплуатации на сопротивление качению КПП. Это влияние связано с потерями энергии на качение шин, которые вычисляются как потери тепловой энергии, генерируемый шиной на единице пути.

Установлено, что основной вклад в сопротивление качению приходится на беговую дорожку. При этом вклад каркаса в сопротивление воз-

растает с уменьшением модуля упругости корда и превышает суммарные потери на деформирование покровных резин.

В шестой главе в дополнение к численным методам расчета описан подход, основанный на применении теории моделирования физических и тепловых процессов, происходящих в крупногабаритных шинах. В отличие от аналитических и численных методов, являющихся прямыми методами расчета, метод моделирования представляет собой косвенный метод. Для его применения необходимо первоначально иметь надежные результаты расчета одного или нескольких объектов, называемых далее "моделью". Для получения этих результатов применяется один из прямых методов расчета либо проводятся физические эксперименты. Затем косвенным путем, то есть путем пересчета, без прямых вычислений могут быть получены исчерпывающие данные о напряженно-деформированном и тепловом состоянии шины, конструкция которой отличается от "модели". Чтобы отличать объект расчета от уже имеющегося его прототипа, будем далее его называть натурным объектом или, сокращенно, "натурой".

Существенным преимуществом метода моделирования перед любым прямым методом являются его исключительная простота и быстродействие. Однако, для того, чтобы этими преимуществами можно было воспользоваться, необходимо на основе уравнений механики, теплофизики, законов подобия механических и тепловых процессов установить правила перехода от "модели" к "натуре". Эти правила, сформулированные в виде системы сравнительно простых соотношений, называются критериями и индикаторами подобия. Достоинства описываемого подхода состоит в том, что индикаторы должны бьггь установлены один раз. Определению критериев подобия в моделировании теплового и напряженного состояния шин и посвящена шестая глава.

В первом разделе главы математическая модель расчета напряженно-деформированного состояния шин сформулирована так, чтобы можно было ею воспользоваться в целях моделирования.

Наиболее ясной и хорошо изученной является задача о полном геометрическом подобии модельной и натурной шины. Удельные нагрузки, действующие на модельную и натурную шину должны быть равны

Коэффициенты теплоотдачи для модельной шины должны бьггь в 1/М раз больше, чем для шины оригинала (М- коэффициент подобия)

Модельное колесо должно двигаться в 1/М раз быстрее натурного колеса

р = р • Т =гГ гм > 'н 11

м

(16)

а„ = М-ам

(17)

Ун =М-УН

(18)

Напряженно-деформированное состояние в заданный момент времени описывается уравнениями квазистатической термоупругости.

Полное геометрическое подобие - идеальный случай, на практике же часто оказывается, что таким подобием обладают между собой лишь отдельные структурные элементы (каркас, брекер), но не шина в целом,то есть взамен одного масштабного множителя получаем несколько таких множителей:

ЬМ / С, / С; /

/ьн = М{ ' /м, = сот1 ; /м2. = СОтЬ ' се/м. = сотЬ; °Е/м,= сотЬ ■ (19)

где С- есть отношение соответствующих параметров модельной шины к натурной.

Решения задачи о полном и локальном подобии распространены в диссертации на случай анизотропии шинных материалов, получена наиболее общая система индикаторов и критериев подобия. Они, а также другие аналогичные соотношения и использованы для расчета сверхкрупногабаритной шины 40.00Р57.

В качестве модельной была выбрана шина 21.00РЗЗ. Для этих шин получили следующие константы подобия для каркаса и брекера

С'/мк = 128 ' Сх'/мб =241 % = 3'4 ' ум = 1-7<20)

Установлено, что соответствие теплового и напряженного состояний обеспечивается при таких нагрузочных и скоростных режимах, приведенных в табл. 3.

Таблица 3

показатели натурная шина модельная шина

40.00Р57 21.00РЗЗ

Радиальная нагрузка, кН 410 320

Внутреннее давление, МПа 0,6 0,6

Скорость движения, км/час 20 34

Для натурной шины, с использованием индикаторов подобия, получены усилия в нитях корда в каркасе и брекере, касательные напряжения в окружном и меридиональном направлениях в каркасе, напряжения в резине протектора, деформации шины в ее беговой зоне, контактные давления в центре пятна контакта и другие показатели, которые согласуются с данными прямого расчета (глава 4).

Исследования, описанные в шестой главе, подтвердили возможность применения моделирования как эффективного альтернативного метода расчета крупногабаритных шин.

В седьмой главе рассмотрены проблемы восстановления изношенных КГШ, которые состоят в разработке и внедрении эффективных технологий восстановления. В свою очередь, это требует решения сложных задач термомеханики, возникающих при разработке режимов вулканизации - наиболее ответственного этапа восстановительного процесса.

Рассмотрены и проанализированы преимущества и недостатки шести альтернативных технологий восстановления, разработанных и внедренных НИИ КГШ: бесформовая, формовая, комбинированная, бездиаф-рагменная формовая, восстановление грунтозацепов секторное, восстановление грунтозацепов в форматорах. Показано, что две последние технологии дают значительное увеличение надежности КГШ, снижение расходов материалов и энергоресурсов.

Решены основные задачи, возникающие при разработке режимов вулканизации: определение поля температур и расчет степени вулканизации в различных зонах для оценки качества восстанавливаемых шин. При этом созданы методы расчета температуры и времени вулканизации для всех необходимых вариантов технологии: со стационарными и нестационарными граничными условиями первого рода, для случая режима нерегулярного нагрева пластырей. Используется модель приведенной пластины, толщина которой I в зависимости от размеров сечения шины аппроксимируется уравнением

где А- высота рисунка протектора, Ст - длина средней линии грунтозацепов, й - сумма толщины шины в экваториальном сечении и толщины диафрагмы.

Для установившегося режима вулканизации температура в каждой точке приведенной пластины изменяется по экспоненциальному закону:

где £„ = 0,5(£, + ¿2)- температура вулканизации, - температуры:

начальная, со стороны диафрагмы, со стороны прессформы; ^ - безразмерное время (критерий Фурье).

Некоторые результата расчета - влияние начальной температуры и температуры вулканизации на время формовой вулканизации приведены на рис.17а,б, соответственно.

(21)

'¿¿у + (22)

ЪУГ-/л

0.9

0.8

е.7

£6

хв

. Тв "с

2

5' Ч ч

1 ч \ \ ч

г.в

¿/7

4а

£¿7 л? г; с

/?5 /4$

ж

ЮТ/, с

Рис. 17. Влияние начальной температуры /а/ и температуры вулканиза ции /б/ при / =70/1/, 90/2/, 110/3/, 130/4/, 150/5/ и 170/6/.

Изменение температуры шины 33.00-51 при бесформовой вулкани зации дано на рис.18., а на рис.19, представлена зависимость продолжительности вулканизации Д£ от критерия рв и от времени выхода автоклава на стационарный режим.

76 56 за ■ а

----- --'а—-V-

г 1 -г /г

1 1 ^л) 1 \

/ /- & 1 \ 1 х \

ь 4 ¿4 \ л

У/ I 1 / 2

1

Рис. 18. Изменение температуры шины 33.00-51 при бесформовой вулканизации при ¿в=135°С, ¿„=20°С, /=148 мм и х =30/1/, 50/2/, 70/3/ и 160 мм /4/, 5 - температура газа в автоклаве.

Получены также зависимости для расчета одно- и двустороннего охлаждения, учитывающие неоднородность начального температурного поля в восстанавливаемой шине. Построены рациональные режимы вулканизации шин.

А Ъ?лиги

/1ГО 75

51Т

25

1

\\ А/

75 /да

Рис.19. Зависимость увеличения продолжительности вулканизации от критерия Рв. и времени выхода г^ автоклава на стационарный режим для КПП 18.00-21/1/,21.00-33/2/, 27.00-49/3/, 33.00-51/4/ и 40.00-57/5/.

Восьмая глава диссертации посвящена оптимальному проектированию сверхкрупногабаритных шин и основана на результатах глав 2-7. Приведенный в них анализ конструкций и напряженно-деформированного состояния шины показывает, что путем управления конструктивными характеристиками (геометрические размеры шины и ее элементов, количество слоев каркаса, брекера, тип корда, плотность и угол намотки нитей ) и механическими характеристиками (модули упругости, коэффициенты Пуассона нитей и резин) можно получить большое число приблизительно равноценных проектов шины, для которых выполняются основные прочностные, деформационные и тепловые требования. Такая неединственность решения приводит к формулировке оптимизационной задачи: среди всех допустимых вариантов шины выбрать наилучший по определенному критерию.

В начале главы обсуждаются варианты постановки задачи и выбрана формулировка, в которой целевой функцией является стоимость количества шин, необходимого для пробега 1 млн.км. Это количество зависит от ресурса одной шины, а он, в свою очередь, связан с конструктивными и механическими характеристиками шины. Поэтому второй раздел главы содержит описание методов расчета ресурса.

Приведены два метода расчета, один из них основан на оценке накопления повреждений. Время до момента локального разрушения определяется по формуле

Ь = ¿о • ехр[и0 -у(*л, <г„Г)(<гл + ас<тс)]/ КТ (23)

где - £0, щ, а, у - постоянные для резины; ста - амплитуда цикла напряжений; <тс - среднее напряжение ; К - константа Больцмана, Т - темпера-

В другом использован энергетический критерий диссипативного типа, оценивающий энергию разрушения

t = Д upl¿V20 + !/,.£ nwiali + (24)

где - anij , bn;¡ - коэффициенты разложения импульса в ряды Фурье.

Изложены основные исходные предпосылки и теоретические основы каждого из них. В замкнутой форме получены сравнительно простые соотношения, в явном виде оценивающие время эксплуатации шины.

Принятая постановка оптимизационной задачи подвергнута анализу и установлены ее особенности. Среди них отмечены большое число п переменных 15...25 , их физическая разнородность, отсутствие аналитической зависимости целевой функции от переменных, большие затраты процессорного времени на расчет одного проекта, существенно нелинейный характер целевой функции и ограничений относительно переменных, недоказанность выпуклости и унимодальности целевой функции.

На основании анализа сформулированы требования к методу оптимального проектирования, предложен новый приближенный метод, названный методом локальных линейных моделей и специально предназначенный для решения рассматриваемой задачи. Описание экстремума нелинейной целевой функции

F = extr F (хь х2......хп) (25)

заменяется линейной моделью в окресности рассматриваемой точки

п-1

F = со + Z a¡x¡ (26)

i-i

Подробно описан предложенный метод, а заключительный раздел главы содержит описание оптимального проектирования реальной шины диагонального типа _ 33.00-51 при следующих исходных данных: радиус шины 1800 мм, ширина 1100 мм, внутреннее давление 600 КПа, температура наружного воздуха 37° С, скорость движения 5 км/час в течение 24 часов.

Каркас шины армирован нитями диаметром 0,8 мм с утлом намотки 53° и плотностью 6,5 см-1. Аналогичным образом армирован брекер. Модули упругости резины равны 4 и 4,5 МПа для каркаса и брекера соответственно, коэффициент Пуассона - 0,49. Принят протектор с рисунком карьерного типа с толщиной по короне 108 и в углу 200 мм, с коэффициентом насыщенности 0,7. Модуль упругости материала протектора равен 6 МПа, коэффициент Пуассона - 0,49.

В задаче оптимального проектирования независимыми переменными были приняты модуль упругости корда, он изменялся в пределах

1000...2000 МПа, и число слоев каркаса 20...38. Были введены также ограничения на максимальную температуру £ £ 115°С, среднее контактное давлени о= 600 КПа и наибольший прогиб в мм.Был найден оптимальный проект шины, ему соответствует стоимость 548,2 млн. крб. (только стоимость каркаса) в ценах июня 1994 г. при таких значениях переменных : число слоев каркаса т = 26, модуль упругостей нитей Е = 1600 МПа. Отметим, что "худшим" в пространстве допустимых решений оказался проект т =36, Е = 2000 МПа с величиной целевой функции 939,3 млн.карб., что на 71% хуже оптимального.

В девятой главе на основании анализа существующих технологий изготовления автомобильных шин, результатов теоретических и экспериментальных исследований, с учетом прочности, теплового состояния и работоспособности, а также возможностей оптимального проектирования сформулированы новые направления в технологии" изготовления крупногабаритных шин для автомобилей и тракторов.

Основное содержание девятой главы связано с разработкой одного из наиболее перспективных технологических направлений - созданием автоматизированных систем проектирования шин и их изготовлением на станках с числовым программным управлением (ЧПУ).

Вначале описан новый заготовительно-сборочный комплекс - требования к нему, вытекающие из требований к будущему изделию (устойчивое положение ленты при намотке по всей траектории с заданным коэффициентом трения, точное соблюдение заданных размеров , отсутствие зазоров, нахлестов а т. п. )

В диссертации представлена система автоматизированной подготовки управляющих программ САП "Искра" для намоточных станков с ЧПУ. В ее состав входят диспетчер, препроцессор, геометрический процессор, постпроцессор и библиотека технических характеристик имеющихся станков. В свою очередь, препроцессор содержит лексический, синтаксический блоки и блок топологической сортировки. Совместно с процессором он обеспечивает формирование всех управлений, которые затем с помощью постпроцессора преобразуются в команды исполнительному органу-раскладчику в зависимости от технологических характеристик определенного станка с ЧПУ.

Для проверки предложенной технологии изготовления каркаса, опробования и отработки программ намотки, опробования оснастки и проверки технологических решений были изготовлены макеты и опытные образцы широкопрофильной шины 13,0/75-16. Технологический процесс включал в себя подготовку поверхности оправки к намотке, установление на ней оснастки, намотку каркаса на станке с ЧПУ, подготовку к вулканизации и собственно вулканизацию (рис. 20).

Изготовленные опытные образцы были подвергнуты стендовым испытаниям, в которых определялись статические и динамические характеристики изделия. Исходные характеристики опытного образца приведены в первой строке табл. 4, а во второй строке для сравнения представлены такие же характеристики аналогичной шины фирмы Континенталь.

Шины были испытаны действием статической радиальной силы, создаваемой механическим нагрузочным устройством. Были получены нагрузочные характеристики "нагрузка-прогиб", позволяющие оценить радиальную жесткость опытных образцов. Такие же испытания, но с помощью гидравлического нагружения, были проведены в отношении боковой нагрузки, при этом определена боковая жесткость шины (табл.4) .

Таблица 4

Шина Внутрен. Наружный Ширина Нормальн. Статическ.

13,0/75-16 давление диаметр профиля нагрузка радиус

кПа мм мм кН мм

Опытная 325 902,4 342 22,9 396,2

Фирмы »

Континен- 325 878,5 330 . 22,9 379,3

таль

Помимо статических были прповедены динамические испытания, в них определялись демпфирующие свойства изделия. По полученным ос-цилограммам затухающих колебаний были оценены коэффициент поглощения шины, характеризующий потерю энергии за один цикл, а также коэффициент сопротивления.

Сравнение статических и динамических характеристик обеих шин показало, что радиальная жесткость опытной шины на 6% выше, показатель работоспособности шины на 16% меньше, а площадь контакта шины с опорной плоскостью - 26% больше таких же показателей шины фирмы Континенталь. Кроме того, выяснилось, что относительный коэффициент демпфирования на 36% выше, чем у шины указанной фирмы . В табл.5 сопоставлены результаты испытаний обеих шин.

Таблица 5

Шина 13,0/75-16 Длина площади контакта см Ширина площади контакта см Общая площадь контакта кв.см Допустим нормальн. нагрузка кН Радиальная жесткость кН/см Относит коэф. демпфирования ш. О"2

Опытная 39,0 27,2 878 34,68 5,53 1,913

Фирмы

Континен- 34,5 25,8 699 28,75 5,52 1,434

таль

Представленные результаты опытов подтверждают достоинства разработанной в диссертации новой технологии изготовления сверхкрупногабаритных шин и шин сверхнизкого давления.

В десятой главе рассмотрены особенности изготовления и эксплуатации, а также проведено исследование напряженно-деформированного состояния и упруго-демпфирующих свойств нового класса шин для колесных тракторов - шин сверхнизкого давления (ШСНД). Создание таких шин обусловлено возросшими экологическими требованиями в отношении защиты почв от переуплотнения ходовыми системами сельхоз-

машин. Создание этого класса шин потребовало разработки новых методов расчета и конструирования, технологии изготовления и испытаний.

Основная особенность метода изготовления КГ ШСНД - раздельное изготовление базового изделия - каркаса с надканавочным слоем протектора и трапецеидального сечения резиновых брусьев - заготовок грунто-зацепов. Эти заготовки затем привулканизовывают к гладкой поверхности протектора. Этим методом изготовлены опытные образцы КГ ШСНД 66x43.00 1Л 25.

Лабораторные и полевые испытания показали высокие агрозкологи-ческие и тягово-сцепные свойства этих шин по сравнению с серийной шиной 21,31124. Такие свойства достигнуты за счет больших габаритов, гибкого каркаса и протектора в совокупности с низким давлением 30-50 кПа. Однако эти свойства предопределили и отрицательные явления -образование волн неустойчивости на боковинах шин под действием крутящего момента и боковых сил. В тяговом режиме при пахоте волны неустойчивости постоянно присутствуют на боковинах, что может способствовать разрушению конструкции.

С целью изучения указанного явления впервые проведено экспериментальное исследование нагруженности материала шины в волнах неустойчивости, что позволило определить фактическое НДС и сформулировать технические требования к резинам боковин. Работа проведена на специальном стенде СДФ-2 и построена на результатах прямых измерений линейных деформаций с последующим расчетом главных деформаций. Характер нагружения элемента боковины за один оборот колеса под действием радиальной нагрузки и крутящего момента показывает существенное отличие от режима нагружения свободно катящейся шины. Максимальные главные деформации £, и % имеют два дополнительных цикла. В каждом цикле резина работает в условиях сложного напряженного состояния (двумерное растяжение) и импульсного нагружения - неблагоприятных с точки зрения усталостной выносливости материала. В связи с этим возможно появление усталостных трещин на боковинах по волнам неустойчивости, что требует в перспективе разработки специальных резин с повышенной усталостной выносливостью и новых конструктивных решений, уменьшающих влияние волн неустойчивости.

Исследованы упруго-демпфирующие свойства шины 66x43.001Л125, работающей -с эксплуатационным давлением 35 кПа, существенно более шзким, чем серийные шины, работающие с давлением 110-170 кПа.

Колебание возмущающей нагрузки на шину сопровождается изме-гением контактных давлений. Установлено, что динамическое давление начительно превосходит статическое. Возникающие динамические на-рузки могут приводить к переуплотнению почвы. Однако при сверхниз-их давлениях вертикальные возмущения сглаживаются, а большая пло-1адь контакта (5000-6000см2 ) позволяет шине поглощать большую асть колебаний от мелких неровностей. Тем самым происходит сниже-ие динамических нагрузок и, как следствие, уменьшается колебание энтактных давлений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты, полученные в диссертации, сводится к следующему :

1. Выполнен критический анализ научной литературы по расчету, производству и эксплуатации крупногабаритных шин. Установлено, что существующие методы оценки их механического и теплового состояния дают весьма приблизительное описание напряжений, деформации и распределения температуры либо, обладая высокой точностью, не доступны из-за непомерных затрат вычислительных ресурсов. Установлено также, что отсутствуют достаточно полные экспериментальные данные о термомеханическом состоянии крупногабаритных шин и его зависимости от режимов эксплуатации, характеристик дороги, окружающей среды и других факторов. Для таких шин нет также рекомендаций по выбору наилучших режимов эксплуатации, по оптимальному проектированию.

Существующие отечественные технологии изготовления содержат большое количество ручных операций, не позволяют обеспечить необходимый уровень автоматизации трудоемких процессов и стабильно высокое качество продукции.

На основании проведенного анализа сформулированы цель диссертации и задачи исследования.

2. Экспериментально исследованы особенности эксплуатации КПП и СКГШ карьерных автосамосвалов. Установлена средняя радиальная нагрузка на шину за транспортный цикл перевозки горной массы и определены эмпирические константы для расчета этих нагрузок для самосвалов разных марок. Показано, что шины передних колес перегружены по сравнению с их техническими характеристиками, что представляет для них существенную опасность. Получены также аналитические зависимости для описания перераспределения радиальных нагрузок между шинами заднего сдвоенного колеса и установлена возможность значительного перегруза (до 25-50%) одного из колес.

Установлены регрессионные зависимости между наработками шин по циклу и крепостью материалов дорожного покрытия. Показано, что одна из наиболее опасных причин выхода шин из эксплуатации - ее разрушение из-за высокой внутренней эксплуатационной температуры, достигающей 110-130°С. Установлены корреляционные зависимости минимальной температуры шин от средней эксплуатационной скорости.

3. Выполнены экспериментальные исследования влияния эксплуатационных факторов на тепловое состояние КГШ. Для начального нестационарного режима установлена необходимость учитывать время охлаждения в периоды остановок. Получены корреляционные зависимости давления в "горячих" шинах от величины максимальной температуры в них и показано, что допустимой температуре 110°С соответствует давление, превосходящее номинальное.

Для стационарного режима получены уравнения регрессии установившихся температур для условий дорожных испытаний к эксплуатации. Расчеты по этим уравнениям показали, что температура передних шин

выше, чем задних и, соответственно, допустимая скорость самосвала по тепловому состоянию этих шин ниже, чем задних. Поэтом}' рекомендовано для повышения допустимой скорости уравнивать температуру передних и задних шин путем установки шин с разными степенями износа, с разными начальными давлениями.

Корреляционный анализ позволил определ1ггь требуемые давления в шинах при ожидаемой температуре среды и заданной средней скорости и, в свою очередь, оперативно контролировать давление в шинах эксплуатируемых автосамосвалов в процессе их технического обслуживания.

Получена корреляционная зависимость между допустимым показателем эксплуатационной производительности - ТКВЧ и степенью износа протектора, что позволило установить влияние степени износа на допустимую скорость. Показатель ТКВЧ для изношенных шин возрастает, а температура в таких "прикатанных" шинах ниже, чем в новых.

Проведена комплексная оценка допустимых показателей эксплуатации крупногабаритных шин.

4. Сформулированы теоретические основы прямого расчета напряженно-деформированного состояния КПП и на их основе выполнено численное исследование этого состояния. Предложено использовать альтернативный и более общий, по сравнению с известным ранее, теоретический подход для моделирования НДС, основанный на уточненной теории анизотропных многослойных оболочек, учитывающей деформации поперечного сдвига и обжатия и не требующей привлечения модели Винклера для описания контакта между колесом и поверхностью дороги.

В качестве аппарата численной реализации теории расчета принят метод конечных элементов в варианте, требующем дискретизации оболочки (шины) только по ее поверхности, что существенно сократило объем вычислений при полноте информации о напряженно-деформированном состоянии. Анализ результатов расчета, сравнение с экспериментальными данными и результатами, полученными на основе альтернативных методик, показали преимущества принятой теории и метода расчета. Получены новые данные о напряжениях и деформациях в эталонной шине, зоны их экстремальных значений и количественные характеристики. В частности, установлено, что наибольшие сжимающие напряжения возникают в ^ каркасе на границе с брекером в зоне контакта с дорогой в окружном направлении по короне, а наибольшие растягивающие - в той же зоне, но в меридиональном направлении. Нормальные напряжения по толщине в этой зоне полностью соответствуют значению контактных давлений. Напряженное состояние показывает, что протектор работает на изгиб по-короне в верхней и средней зонах.

Итогом решения задачи НДС явились данные для формулировки проблемы оптимизации конструкции шины.

5. Созданы теоретические основы исследования теплового расчета шин и проведены расчеты температурных полей в КПП. Построено решение несвязанной задачи термоупругости с учетом симметрии температурного поля шины в окружном направлении. Материал предполагается

вязкоупругим. На основе экспериментального воспроизведения "шинных" режимов нагружения получены модули упругости и потерь резин и кордов.

Получены температурные поля беговой зоны эталонной шины и ее модификаций. С учетом температурных полей устанавливается эксплуатационная производительность и показана ее зависимость от изменения конструктивных особенностей шины /уширение обода, снижение модуля упругости корда, разброс углов наклона его нитей и т.д./

Изучено влияние конструктивных параметров и режимов эксплуатации на сопротивление качению КПП. Установлено, что основной вклад в сопротивление приходится на беговую дорожку. При этом вклад каркаса возрастает с уменьшением модуля упругости корда и превышает потери на деформирование покровных резин.

6. В дополнение к прямому методу расчета напряженно-деформированного состояния и тепловых полей крупногабаритных шин предложен альтернативный косвенный метод, основанный на методах теории подобий и анализа размерностей. Рассмотрены задачи с полным геометрическим и с расширенным подобием. Для них получены критерии и индикаторы подобия, после чего имеющиеся оценки напряженно-деформированного и теплового состояния шины - эталона путем пересчета могут быть перенесены на другую шину. Такой метод обладает исключительной простотой, высоким быстродействием и в ряде случаев не имеет себе равных по доступности.

Применение метода моделирования и его эффективность показаны на примерах расчета крупногабаритных шин для карьерных автосамосвалов.

7. Решены теоретические и технологические проблемы, связанные с восстановлением изношенных КПП. Проанализированы преимущества и недостатки шести альтернативных технологий восстановления, разработанных и внедренных НИИ КПП. Показаны перспективы применения технологии восстановления грунтозацепов, секторного и в форматорах. Эти технологии дают значительное увеличение надежности, снижение расходов материалов и энергоресурсов.

Решены теоретические задачи определения полей температур и степени вулканизации для оценки качества вооотанавливаемых шин. При этом созданы методы расчета температуры и времени вулканизации для всех вариантов технологии. Получены также зависимости расчета одно -и двухстороннего охлаждения, учитывающие неоднородность начального температурного поля в восстанавливаемой шине. Построены рациональные режимы вулканизации восстанавливаемых шин.

8. Для целей конструирования крупногабаритных шин сформулирована задача их оптимального проектирования, в состав которой входят целевая функция, область проектирования, функциональные ограничения. Ограничениями являются жесткостные, прочностные и тепловые условия.

Вычисление целевой функции проводится на основе предложенных в диссертации методов расчета ресурса шин. Ресурс зависит от свойств материалов, конструкции и условий эксплуатации шины.

Разработан метод оптимального проектирования, специально предназначенный для решения сформулированной задачи. Получен оптимальный проект крупногабаритной шины диагонального типа 33.00-51.

9. Сформулированы новые направления в проектировании и изготовлении крупногабаритных шин. Определен состав и необходимые показатели заготовительно-сборочного комплекса для изготовления шин на станках с числовым программным управлением, создана управляющая программа и на ее основе - автоматизированная технология изготовления сверхкрупногабаритных шин.

Изготовлены макеты и опытные образцы шины 13,0/75-16, на них проверены технология изготовления, а также конструкторские и технологические решения. Экспериментальные исследования опытных образцов шины 13,0/75-16 показали, что по многим характеристикам она не уступает, а по некоторым - превосходит соответствующие показатели шины фирмы Континенталь.

10. Разработан новый класс шин для колесных тракторов - шины сверхнизкого давления, создание которых обусловлено экологическими требованиями защиты почв. Создание этого класса шин потребовало разработки новых методов расчета и конструирования, технологии изготовления и испытаний.

По сравнению с серийными шинами новая ШСНД обладает повышенными агроэкологозащигными и тягово-сцепными свойствами за счет больших габаритов, гибкого каркаса и низкого давления (30-50 кПа). Однако эти характеристики предопределили образование волн неустойчивости на боковинах. С целью изучения указанного явления впервые экспериментально исследована нагруженность материала шины в волнах неустойчивости, что позволило определить НДС и сформировать технические требования к резинам боковин.

Исследованы упруго-демпфирующие свойства шины. Показано, что при сверхнизких давлениях вертикальные возмущения сглаживаются, а большая площадь контакта позволяет шине поглощать колебания от мелких неровностей, тем самым снижать динамические нагрузки и уменьшать колебания контактных давлений.

Ю.Полученные в процессе выполнения диссертации теоретические и практические результаты послужили научной основой для разработки конструкций, режимов эксплуатации, технологии изготовления и восстановления и ,тем самым, для создания в Украине новой отрасли шинной промышленности - промышленности крупногабаритных и сверхкрупногабаритных шин высокого давления для самосвалов и тракторов, а также крупногабаритных шин сверхнизкого давления для сельскохозяйственных тракторов.

Все разработки и результаты, предложенные в диссертации, получены и внедрены в ГосНИИ КПП (г.Днепропетровск), на его опьггно-

промышленной производстве, его экспериментально-исследовательской базе и в горнообагатите.тьных комбинатах Украины.

Полученные в диссертации научные и практические результаты можно квалифицировать как решение научной проблемы, имеющей важное значение для народного хозяйства Украины.

Основные положения диссертации я научные результаты представлены в следующих публикациях

1. Скорняков Э.С., Шевченко Ю.Г. Особенности ремонта гермо-слоя бескамерных сверхкрупногабаритных шин. - М.: БУВИНИТИ. 1986. - С.25-41.

2. Скорняков Э.С., Завьялов Ю.П., Грачев Ю.С. Современные технологические процессы и оборудование для ремонта крупногабаритных шин. - М.: ЦНИИТЭнефтехим. - 1986. - С.56-70.

3. Скорняков Э.С., Завьялов Ю.П. и др. Ремонт шин автосамосвалов // Промышленный транспорт. - 1986. - № 11. - С. 10-11.

4. Скорняков Э.С., Завьялов Ю.П. и др. Сельскохозяйственные шины //Техника в сельском хозяйстве. - 1986. - М? 10. - С.53-57.

5. Скорняков Э.С., Завьялов Ю.П., Хоменя A.A. К расчету режимов бесформовой вулканизации восстанавливаемых крупногабаритных шин // Каучук и резина. - 1987. - № 2. - С. 18-20.

6. Скорняков Э.С., Завьялов Ю.П., Хоменя A.A. Отработка режимов двухстадийной вулканизации восстанавливаемых крупногабаритных шин // Каучук и резина. - 1987. - № 10. - С.38-39.

7. Скорняков Э.С., Завьялов Ю.П. и др. Малооперационный метод местного ремонта шин // Промышленность синтетического каучука, шин и резиновых технических изделий. - 1987. - С.27-31.

8. Скорняков Э.С., Завьялов Ю.П. и др. Энерго- и материалосбе-регающая технология восстановительного ремонта автомобильных шин / / Промышленность синтетического каучука, шин и резиновых изделий. - 1987. - № 10. - С.30-32.

9. Скорняков Э.С., Кваша Э.Н., Никитина Л.Б. Теоретический анализ напряженно-деформированного состояния сверхкрупногабаритных шин для определения показателя эксплуатационной производительности // Совершенствование качества и технологии производства крупногабаритных автомобильных и сельскохозяйственных шин. - М.: ЦНИИТЭнефтехим. - 1990. - С.44-53.

10. Свердел М.И., Скорняков Э.С. Перспективы развития производства крупногабаритных шин для карьерных автосамосвалов большой и особо большой грузоподъемности // Каучук и резина,- 1990. - № 12. - С. 13-25.

11. Скорняков Э.С., Кваша Э.Н., Плеханов A.B. Расчет ресурса сверхкрупногабарктиьгх шин // Тр. И Всесоюзн.симпозиума /Проблемы шин и резикокордкых композитов. - М.: НИИШП.- 1990. - С.3-7.

12. Скорняков Э.С., Кваша Э.Н., Хоменя A.A., Бойков В.П. Эксплуатация и ремонт крупногабаритных шин. - М.: Химия. - 1991. - 128 с.

13. Скорняков Э.С., Кваша Э.Н., Плеханов A.B., Прусаков А.П. Прогнозирование работоспособности пневматических шин //VI Межд. научно-техн.конф. "Эластомеры". Тез. докл. - Рига, 1992. С. 148-149.

14. Скорняков Э.С. Моделирование теплового и напряженно-деформированного состояния геометрически и физически подобных шин //VI Межд.научно-техн.конф. "Эластомеры". Тез. докл. - Рига, 1992. С. 146-148.

15. Скорняков Э.С. Теория моделирования сверхкрупногабаритных шин // Днепропетровск: ДГУ. - 1992. -32 с.

16. Скорняков Э.С., ПачевВ.П., Белковский В.Н. Некоторые особенности проектирования шин с агрозкологическими свойствами

// Межд.конф. по каучуку и резине. - Пекин, Китай. - 1992. - С.581-585.

17. Русанов В.А., Скорняков Э.С. и др. Изменения энергетических показателей транспортного агрегата при снижении давления на почву прицепа ПГГС-4 до допустимого уровня // Научно-техн. бюлл. ВНИИ механизации сельского хозяйства. - М.: 1992. - вып. 83. - С.5-9.

- 18. Пачев В.П., Скорняков Э.С., Хоменя A.A. Особенности изготовления ШСНД, обусловленные условиями эксплуатации //Производство и использование эластомеров. - 1993. - № 9. - С.17-20.

19. Плеханов A.B., Погасий Е.А., Кваша Э.Н., Скорняков Э.С. Контактные задачи анизотропных слоистых оболочек эластичных движителей // Теоретические основы гражданского строительства. Польско-украинский семинар. - Днепропетровск. - 1994. - С.195-199.

20. Скорняков Э.С.'Системный подход при проектировании эластичных движителей автомобилей и тракторов //I Международный симпозиум по механике эластомеров. Тезисы докл. - Севастополь. - 1994. -С.26-27.

21. Скорняков Э.С., Растеряев Ю.К., Каспаров A.A. Уточненная модель расчета борта шины //I Международный симпозиум по механике эластомеров. Тезисы докл. - Севастополь. - 1994. - С.53-54.

22. Клысак Г.А., Пачев В.П., Скорняков Э.С. Улучшение упруго-демпфирующих свойств шины - путь к снижению воздействия движителей на почву //I Международный симпозиум по механике эластомеров. Тезисы докл. - Севастополь. - 1994. - С.54-55

23" Скорняков Э.С. Математическое моделирование эластичных движителей автомобилей и тракторов / / Международная конф. по каучуку и резине. Препринты. - М.: 1994. - С.177-183.

24. Пачев В.П., Скорняков Э.С. Исследование НДС в волнах неустойчивости шин сверхнизкого давления // Международная конф. по каучуку и резине. Препринты. - М.: 1994. - С.153-160.

25. Скорняков Э.С., Кваша Э.Н., Пастернак Н.В. Исследование особенностей напряженно-деформированного и теплового состояния ра--

диальных шин для карьерного транспорта // Международная конф. по каучуку и резине. Препринты. - М.: 1994. - С.192-199.

26. Скорняков Э.С., Растеряев Ю.К., Каспаров А.А. Конструирование профиля и расчет на долговременную прочность борта пневматической шины // Международная конф. по каучуку и резине. Препринты. - М.: 1994. - С. 184-191. ;

27. Скорняков Э.С. Шинна промисловють Украши. Проблеми, прогнози розвитку //Xi.Mi4Ha промисловють Украши. 1994.- М° 1. -С .38-40.

28. Скорняков Э.С. Экспериментальные исследования влияния эксплуатационных факторов на тепловое состояние шин /■/ Депонировано в НИИТЭХИМ, МНЗ-ХП 95.- 41 с.

29. Скорняков Э.С. Оптимальное проектирование конструкций шин // Депонировано в НИИТЭХИМ, №14-ХП 95.- 27 с.

30. Скорняков Э.С. Теоретические основы расчета и численное исследование напряженно-деформированного состояния крупногабаритных шин //Депонировано в НИИТЭХИМ, №15-ХП 95,- 46 с.

31. Skomyakov Е., Klysak G., Pachev V. Promising wheeled movers-way to fertility and ecological protection of soil // Intern, conference. -Tallinn : 1992. - P.20-24.

32. Skornyakov E.S., Kvasha E.N., Tatalin B.F. New conception of design and manufacture of tires // Int. rubber conf. - Beijing: 1992. -P.347-349.

33. Skornyakov E., Pachev V., Belkovski V. Some peculiarities of tires designing with environment-protective properties. // Int. rubber conf. - Beijing: - 1992. - P.581-584.

34. Skornyakov E., Kvasha E., Tatalin B.F., Rusanov V. New conception of desing and manufacture of environment-protective tires and efficiency of their applications // Int. conf. - Tallinn : 1992. - P.16-19

35-45. A.C. СССР № № 1361872, 1390045, 1240606, 1452702, 1463513, 1470745, 1659223, 1482063, 1717995, 1568424, 1630919.

Анотащя

Скорняков Е.С. Науко1и основи проектування, виготовлення, експлуатаци та В1ДИ0Влення великогабаритнпх пгин автомоб!Л1В та тракторт.

Дисерташя у вигляд1 рукопису на здобуття паукового ступешо доктора техшчнпх наук з спешальносп 05.22.02 - "Автомобип та трак-тори". Укра'шський транспортний утверситет, Кшв, 1995 р.

Захищаеться наукове обгрунтування створення ново'/ галуз\ сучасноТ шинно1 промисловосп - створення великогабаритнпх шин та шин наднизького тиску для автомобиле та трактор!в. Запропоновано теорпо та методи розрахунку напружень, деформашй та теплового стану таких шин. Розроблено нов1 технолог^ виготовлення шин та IX вщновлення. Сфориульовано рекомендацп з оптимального проектування шин та з ефективно! експлуатаци в умовах кар'ер1в та шших пiдпpиeмcтв прничоГ промисловост!, а також в мльському господарствк

Ключов1 слова: шина, проектування, виготовлення, експлуа-тащя, вщновлення, нова технология, напруження, дефомащя, тепловий стан.

Abstract

Skornyakov E.S. Scientific foundation of design, production, exploitation and retreading of big-sized tyres for cars and tractors.

A thesis is submitted for a docdor's degree of engineering sciences on profession 05.22.02 - "Cars and Tractors" . Ukrainian Transport University, Kiev, 1995.

The scientific foundations for new branch of modern tyre industry are defended, namely, the creation of big-sized tyres for cars and tractors. New theory and methods are proposed to calculate the stresses, strains and thermal state for such tyres. New technologies are elaborated for production of these tyres as well as their retreading. Some recommendations to optimal design and efficient exploitation are formulated for tyres which are used in mining industry and agriculture.

Key words : tyre, design, production, exploitation, retreading, new technology, stress, strain, thermal state.