井下礦用12.00R24全鋼工程機(jī)械輪胎肩空脫層優(yōu)化的有限元分析

張文杰，印海建，王銳佳，雍占福，李 淼，王傳鑄*

[1.泰凱英（青島）專用輪胎技術(shù)研究開發(fā)有限公司，山東 青島 266100；2.青島科技大學(xué) 橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266042]

近年來，隨著采礦業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)全鋼工程機(jī)械輪胎的需求日益增加，尤其井下礦用工程機(jī)械輪胎。由于井下礦用輪胎的使用環(huán)境非常嚴(yán)苛，且輪胎損壞往往影響車輛的使用效率，客戶對(duì)井下礦用輪胎的性能提出了更高的要求，以縮短因輪胎損壞而造成的停工時(shí)間。

有限元方法可以快速為設(shè)計(jì)者提供必要的數(shù)據(jù)支撐，是產(chǎn)品質(zhì)量提升的重要工具。輪胎的使用同時(shí)存在著材料、幾何、接觸三大非線性問題，理論求解幾乎不可能，因此在輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有限元方法顯得更加重要，而且應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。根據(jù)市場反饋，針對(duì)全鋼工程機(jī)械輪胎使用中后期肩空脫層的問題，本工作以井下礦用12.00R24全鋼工程機(jī)械輪胎為研究對(duì)象，基于Abaqus軟件對(duì)輪胎肩空脫層的原因進(jìn)行有限元分析，并對(duì)輪胎設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，以期為改善輪胎性能提供參考。

1 有限元模型的建立

輪胎的有限元分析主要包括材料模型建立、有限元模型建立以及分析計(jì)算和后處理。

1.1 橡膠材料模型及骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

全鋼工程機(jī)械輪胎主要由橡膠和金屬骨架材料構(gòu)成。在輪胎有限元分析中一般使用Yeoh本構(gòu)模型表征橡膠材料的高彈性[3-7]。本研究將輪胎各部位膠料循環(huán)拉伸8次，消除Mullins效應(yīng)之后，取最后1次穩(wěn)定的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過最小二乘法擬合得到Y(jié)eoh本構(gòu)模型的材料參數(shù)。金屬骨架材料是線彈性材料，使用彈性模量和泊松比表征其應(yīng)力-應(yīng)變行為。

原始方案輪胎帶束層設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 原始方案輪胎帶束層設(shè)計(jì)

1.2 有限元模型

對(duì)12.00R24全鋼工程機(jī)械輪胎的材料分布圖進(jìn)行合理簡化，去掉對(duì)結(jié)果影響小的防擦線和裝飾線，然后劃分網(wǎng)格，如圖1所示。

圖1 輪胎材料分布圖及有限元模型

根據(jù)材料分布圖，輪胎各部位分別賦予相應(yīng)的材料。橡膠材料的單元類型分別采用CGAX3H和CGAX4H，骨架材料的單元類型采用SFMGAX1。利用Abaqus軟件進(jìn)行二維充氣和三維靜態(tài)加載等分析。

2 輪胎肩空脫層原因分析與有限元仿真結(jié)果

2.1 原始方案輪胎肩空脫層原因分析

通過對(duì)市場反饋的肩空脫層的原始方案輪胎進(jìn)行斷面分析，發(fā)現(xiàn)輪胎損壞的起始點(diǎn)均位于3#帶束層端點(diǎn)，如圖2所示。分析認(rèn)為，3#帶束層端點(diǎn)應(yīng)力集中導(dǎo)致了輪胎損壞。

圖2 損壞輪胎斷面

2.2 有限元仿真結(jié)果

利用有限元技術(shù)仿真原始方案輪胎肩部的受力情況，分析輪胎使用中后期肩空脫層的原因，并進(jìn)行優(yōu)化方案分析。

2.2.1 原始方案輪胎胎肩部位受力有限元分析

原始方案輪胎胎肩部位應(yīng)力分布有限元分析結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，輪胎胎肩部位最大應(yīng)力位于3#帶束層的邊部下方，此位置與市場反饋的問題輪胎的損壞起始點(diǎn)一致。

圖3 原始方案輪胎胎肩部位應(yīng)力分布有限元分析結(jié)果

原始方案輪胎胎肩部位應(yīng)變能分布有限元分析結(jié)果見圖4。從圖4可以看出，輪胎胎肩部位最大應(yīng)變能也位于3#帶束層邊部下方。

圖4 原始方案輪胎胎肩部位應(yīng)變能分布有限元分析結(jié)果

原始方案輪胎胎肩部位剪切應(yīng)變分布有限元分析結(jié)果見圖5。從圖5可以看出，輪胎胎肩部位最大剪切應(yīng)變也位于3#帶束層的端點(diǎn)部位。

圖5 原始方案輪胎胎肩部位剪切應(yīng)變分布有限元分析結(jié)果

2.2.2 優(yōu)化方案輪胎胎肩部位有限元分析

為了解決輪胎使用中后期出現(xiàn)肩空脫層的問題，對(duì)原始方案輪胎的骨架材料設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，采用全新的帶束層結(jié)構(gòu)，即4層帶束層＋0°帶束層結(jié)構(gòu)，同時(shí)適當(dāng)調(diào)整帶束層角度，合理優(yōu)化帶束層 寬度。

優(yōu)化方案輪胎帶束層設(shè)計(jì)如表2所示，胎肩部位材料分布主要調(diào)整包括帶束層結(jié)構(gòu)優(yōu)化、墊膠厚度優(yōu)化和內(nèi)輪廓調(diào)整。優(yōu)化方案和原始方案輪胎胎肩部位材料分布如圖6所示。

圖6 優(yōu)化方案和原始方案輪胎胎肩部位材料分布

表2 優(yōu)化方案輪胎帶束層設(shè)計(jì)

優(yōu)化方案輪胎胎肩部位應(yīng)力分布有限元分析結(jié)果見圖7。從圖7可以看出，優(yōu)化方案輪胎胎肩部位應(yīng)力的最大值比原始方案輪胎大幅下降，降幅達(dá)51.4%，且胎肩部位整體應(yīng)力也明顯降低。

圖7 優(yōu)化方案輪胎胎肩部位應(yīng)力分布有限元分析結(jié)果

優(yōu)化方案輪胎胎肩部位應(yīng)變能分布有限元分析結(jié)果見圖8。從圖8可以看出，優(yōu)化方案輪胎胎肩部位應(yīng)變能的最大值比原始方案輪胎大幅下降，降幅達(dá)74%，且胎肩部位最大應(yīng)變能的位置也轉(zhuǎn)移至胎肩墊膠下方。

圖8 優(yōu)化方案輪胎胎肩部位應(yīng)變能分布有限元分析結(jié)果

優(yōu)化方案輪胎胎肩部位剪切應(yīng)變分布有限元分析結(jié)果見圖9。從圖9可以看出，優(yōu)化方案輪胎胎肩部位應(yīng)變能的最大值比原始方案輪胎大幅下降，降幅達(dá)60%，且胎肩部位最大剪切應(yīng)變的位置也發(fā)生了轉(zhuǎn)移。

圖9 優(yōu)化方案輪胎胎肩部位剪切應(yīng)變分布有限元分析結(jié)果

3 成品輪胎性能驗(yàn)證

采用優(yōu)化方案試制成品輪胎，進(jìn)行TKPH值（負(fù)荷與速度的乘積）測試，并與原始方案輪胎進(jìn)行對(duì)比。

TKPH值測試步驟如下。

（1）將輪胎安裝在標(biāo)準(zhǔn)測試輪輞上，充入規(guī)定的測試充氣壓力。

（2）將充氣輪胎停放至規(guī)定時(shí)間后，以該規(guī)格輪胎的最低測定速度開始運(yùn)行。

（3）輪胎每運(yùn)行1 h，測量所有測溫孔的溫度，測量完成后繼續(xù)運(yùn)行，直到溫度保持穩(wěn)定。在確保安全的情況下，溫度測量應(yīng)在15 min內(nèi)完成。

（4）對(duì)所有測溫孔進(jìn)行編號(hào)，每次按同一順序進(jìn)行溫度測量，所有測溫孔溫度穩(wěn)定（同一測溫孔連續(xù)測量3次溫度均停止上升或3次測量溫度最高值與最低值之差小于3 ℃）時(shí)，即達(dá)輪胎的平衡溫度，停止測量。

（5）輪胎冷卻至室溫，按下一個(gè)測定速度開始運(yùn)行，直至在此速度下達(dá)到溫度穩(wěn)定。

（6）按照測試規(guī)定至輪胎損壞或?qū)⑦x取的測試速度測試完。

TKPH值的計(jì)算方法為：環(huán)境溫度設(shè)為38 ℃，以試驗(yàn)過程中每個(gè)速度階段的每組測溫點(diǎn)所達(dá)到的最高平衡溫度為縱坐標(biāo)，以輪胎試驗(yàn)負(fù)荷與試驗(yàn)速度相乘所得的值為橫坐標(biāo)，繪制曲線，在曲線圖上讀取輪胎臨界溫度對(duì)應(yīng)的TKPH值就是輪胎的TKPH額定值。

臨界溫度值取決于輪胎的結(jié)構(gòu)、材料性能及膠料配方等，因制造商不同而各異，推薦溫度為93～121 ℃。

試驗(yàn)結(jié)果表明，原始方案輪胎的TKPH值為17.3，優(yōu)化方案輪胎的TKPH值為33.3，比原始方案輪胎提高了93%。由此可見，輪胎胎肩部位性能有較大提高，說明優(yōu)化方案有效可行。

4 結(jié)論

利用有限元仿真方法分析井下礦用12.00R24全鋼工程機(jī)械輪胎肩空脫層的原因?yàn)?#帶束層端點(diǎn)應(yīng)力集中，對(duì)輪胎原始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，采用4層帶束層＋0°帶束層結(jié)構(gòu)、適當(dāng)調(diào)整帶束層角度、合理優(yōu)化帶束層寬度，并采用有限元方法對(duì)優(yōu)化方案輪胎的胎肩部位力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)估，擺脫了僅靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和主觀判定對(duì)輪胎胎肩部位力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的思路，能更好地指導(dǎo)輪胎設(shè)計(jì)優(yōu)化，解決輪胎使用中后期肩空脫層的問題，縮短研發(fā)周期，節(jié)約研發(fā)成本。優(yōu)化方案改善了輪胎的胎肩部位應(yīng)力分布，將胎肩部位的應(yīng)力集中點(diǎn)進(jìn)行分散，優(yōu)化方案輪胎的TKPH值比原始方案輪胎提高了93%。