齐　鹏，王　强，王云龙，齐晓杰，杨　兆， 王国田

(1.哈尔滨职业技术学院 机械工程学院，黑龙江 哈尔滨 150081；2.黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050)

近年来，随着矿山开采、建筑施工等行业的迅速发展，工程车辆轮胎的需求量也与日俱增，工程车辆轮胎通常在土石方等露天矿采区作业，承载大、频繁起动且制动多、受凸起物冲击力大，废旧轮胎的产生率较快且量较大[1-3]。一条工程车辆轮胎的耗胶量占整个轮胎耗胶量的15%左右，因此，提高废旧工程车辆轮胎的翻新率，可有效提高废旧工程车辆轮胎的利用率，有利于节约橡胶资源并促进绿色环保，“黑色污染”将会有效转化为“黑色能源”。目前，国外发达国家如美国、日本、韩国以及我国的研究主要集中在轮胎翻新行业状况及相关政策分析、轮胎翻新工艺技术、翻新轮胎胎面改性增强技术等方面[4-6]。国外发达国家和我国均对车辆轮胎及翻新轮胎进行了大量研究，但对工程车辆翻新轮胎使用中呈现出的宏观及微观力学性能研究不多，除了本文作者及课题组近年来相关研究外还未见任何成果发表。工程轮胎翻新基础技术缺乏，其在使用过程中经常出现胎面不耐磨、易崩花掉块、甚至出现胎面脱层、被压爆及刺爆的损坏形式，严重影响了其推广应用。为此，本文通过构建工程车辆翻新轮胎计算机几何模型、地面力学接触模型、有限元分析模型、接地压力特性试验系统，定性和定量描述和评价工程车辆翻新轮胎接地压力特性，为工程车辆翻新轮胎的性能评价研究提供重要的理论指导。

1　工程车辆翻新轮胎静态工况三维模型

本文以26.5R25工程车辆翻新轮胎为主要研究对象，应用Pro/E Wildfire软件构建的三维几何模型如图1所示，构建的接地工况三维装配模型如图2所示，主要由胎面、缓冲胶、带束层、旧胎体、胎侧、 趾口胶、 钢丝圈及地面组成[7-10]。本文研究的工程翻新轮胎胎面花纹沟较窄(花纹沟面积仅占胎面总面积的5%左右)，将胎面花纹对性能的影响忽略不计，故将花纹简化处理掉。

图1　三维几何模型

图2　接地工况三维装配模型

2　工程车辆翻新轮胎与地面接触对模型

26.5R25翻新轮胎与地面接触对模型利用摩擦接触模型进行描述，并应用罚函数法进行构建，设置地面为刚性目标面、轮胎胎面为柔性接触面。轮胎受径向力与切向力共同作用，其中径向力用式(1)描述，大小与径向接触刚度、胎面与地面的间距有关。切向力可用式(2)来描述，大小与胎面所处状态有关：当胎面处于粘着状态时，其大小与切向刚度、胎面的弹性变形量有关；当胎面处于滑动状态时，其大小与滑动摩擦系数、径向力有关[12-15]

(1)

(2)

式中:fn为径向力，N；fs为切向力，N；Kn为法向接触刚度，N/mm；C为胎面与地面的间距，mm；Kt为切向刚度，N/mm；ηe为胎面的弹性变形量，mm；μ为滑动摩擦系数。

3　工程车辆翻新轮胎有限元分析模型

应用ANSYS Workbench软件构建有限元模型，如图3所示，网格划分采用不同阶次的单元形式并进行局部细化，模型由19 976个自由度、68 377个节点、41 554个单元组成。构建与地面的接触对模型如图4所示，刚性地面与柔性轮胎二者之间的接触摩擦系数设定为0.9[16-17]。胎面、缓冲胶、胎侧、趾口胶及钢丝圈等材料参数经试验测得，如表1所示，旧胎体和带束层的材料参数经试验测得，如表2所示，其中胎面、缓冲胶、胎侧、趾口胶应用Mooney-Rivlin模型来模拟，钢丝圈应用Solid单元来模拟，旧胎体和带束层采用Layer单元来模拟。模型中所用单元具有大变形和应力硬化功能，计算过程分为若干个子步，每一步实行平衡迭带。采用牛顿-拉夫森叠代求解非线性方程组，预先设定收敛误差为0.5。

图3　有限元模型

图4　接触对模型

材料弹性模量/MPa泊松比密度/(kg/m3)胎面7260481790缓冲胶5940481020胎侧10360481240趾口胶12140481370钢丝圈212e50297850

表2　旧胎体及带束层材料参数

4　工程车辆翻新轮胎接地力学特性有限元数值模拟

4.1　接地压力特性分析

4.1.1接地压力分布有限元分析

工程翻新轮胎在胎压600 kPa、载荷135 kN时接地压力分布云图如图5所示，接地摩擦应力分布云图如图6所示。由图5可知，翻新轮胎在接地区域内的压力分布不均，其最大值为10.503 MPa(发生在胎肩部位)，其最小值为1.167 MPa(发生在胎面中心)，接地压力从胎面中心沿轮胎宽度方向及滚动方向均呈现不同程度的增大规律。由图6可知，翻新轮胎接地区域摩擦力呈现不均匀分布规律，其中最小值为1.94 MPa(发生在胎面中心)，最大值为8.51 MPa(发生在胎肩)，摩擦力从胎面中心分布沿轮胎宽度方向及滚动方向均呈现不同程度的增大规律。

工程翻新轮胎胎压分别为450 kPa、500 kPa、550 kPa、600 kPa，载荷分别为135 kN、155 kN、165 kN及185 kN，在此工况下的接地压力分布曲线如图7～图10所示。

图5　接地压力分布云图

图6　接地摩擦力分布云图

图7　沿轮胎宽度方向(a)及滚动方向(b)接地压力分布(p=450 kPa)

图8　沿轮胎宽度方向(a)及滚动方向(b)接地压力分布(p=500 kPa)

图9　沿轮胎宽度方向(a)及滚动方向(b)接地压力分布(p=550 kPa)

图10　沿轮胎宽度方向(a)及滚动方向(b)接地压力分布(p=600 kPa)

4.1.2接地压力分布测试

测试系统现场安装如图11所示，测试系统基本组成如图12所示，工程翻新轮胎4固定在旋转主轴3上，应用压缩机1对翻新轮胎4充气到合适胎压，加载平板8与翻新轮胎接触用来模拟路面，数显力加载器6完成载荷的施加，通过膜片式压力传感器9测得的接地压力分布结果如图13所示。

图11　测试系统现场安装图

1—压缩机　2—立柱　3—旋转主轴　4—翻新轮胎　5—胎压计　6—数显力加载器 7—基准平台　8—加载平板　9—膜片式压力传感器　10—数据显示器图12　测试系统基本组成

4.1.3接地压力结果分析

当胎压600 kPa，垂直载荷135 kN、155 kN、165 kN、185 kN时，将工程翻新轮胎的三维接地压力与仿真值进行对比，二者的分布规律及大小基本吻合。由仿真及试验结果可知，工程翻新轮胎的接地压力分布近似呈“V”型变化规律，在轮胎接地中心区域压力值最小，沿着轮胎滚动周方向呈线性增大趋势，在滚动方向接地边缘出现最大值，沿着轮胎胎面宽度方向向胎肩两侧呈非线性增大趋势，在胎肩处出现最大值。当载荷不变时，接地压力值在胎压P=450 kPa与P=500 kPa两种工况下比较接近，随着胎压不断增大，接地压力也呈现出不断增大趋势。分析结果表明：工程翻新轮胎胎肩部位所受接地压力较大，且该部位橡胶层较厚且存在弧形轮廓，较易形成应力集中，导致实际工作中胎肩部位容易出现崩花掉块、裂纹、脱层撕裂等损坏现象。

4.2　接地形状与接地面积特性分析

工程翻新轮胎在胎压为600 kPa、垂直载荷分别为115 kN、155 kN及185 kN工况下，其接地形状如图14所示，轮胎侧滑距离云图如图15所示。

图13　工程翻新轮胎不同载荷下的三维接地压力分布(p=600 kPa)

图14　轮胎接地形状

图15　轮胎侧滑距离云图

由图14可知，工程翻新轮胎接地形状具有一定对称性，接地形状随着载荷的增大逐渐发生变化，当载荷较小时，近似为圆形，随着载荷的增大，形状逐渐变为近似椭圆形和矩形，当载荷增大到一定程度时，形状变成近似马鞍形，且不再发生变化。由图15可知，工程翻新轮胎沿着轮胎轴向方向产生了0.08 mm的侧滑距离(较小)，在实际工作时可以忽略，这与实际情况相符。

5　结　论

1)静态接地工况，工程翻新轮胎接地区域胎面中心点接地压力及接地摩擦力均最小，二者从胎面中心沿轮胎宽度方向及滚动方向均呈现不同程度的增大规律。

2)工程翻新轮胎接地形状随着载荷的增加逐渐发生变化，载荷较小时近似为圆形，载荷增大时近似椭圆形，载荷较大时近似矩形，最后变成近似马鞍形。

3)当胎压一定时，随着载荷的增加，工程翻新轮胎接地面积逐渐增大，增大趋势呈非线性变化规律。

参考文献：

[1]钟俊雄.翻新轮胎产品质量监测的必要性分析[J].中国新技术新产品,2016(11):161.

[2]刘道春.轮胎翻新业引领低碳节能的未来[J].现代橡胶技术,2016(2):9-14.

[3]朱俊.基于系统论的废旧轮眙资源化模型研究[D].上海：东华大学,2012.

[4]European Rubber Journal GROUP. Bridgestone opens tire retreaded plant in Osaka[J]. European Rubber Journal,2013,195(5):65-74.

[5]Rubber World Group. U.S. Retreaded tire market increased 35 percent[J]. Rubber World: The Technical Service Magazine for The Rubber Industry, 2013, 247(5):136-149.

[6]Indian/international rubber journal group. Michelin debuts off-road XDY-EX Pre-Mold retreaded Tire [J].Indian/international rubber journal, 2013,(158):345-358.

[7]景瑜,姜张华,谭林.11.00R2018PR全钢轻型载重子午线轮胎的设计[J].橡胶科技,2016(12):37-39.

[8]刘圣林.385/55R19.5宽基无内胎全钢载重子午线轮胎的设计[J].轮胎工业,2016(9):529-532.

[9]范宁宁，牟守勇.12.00R20 18PR加强型全钢载重子午线轮胎的设计[J].橡胶科技，2013(6):44-47.

[10] 李仁国，张鹏，程刚，等.14.00R20 20PR全钢载重子午线轮胎的设计[J].橡胶科技，2013,33(6):342-344.

[11] 王强，齐英杰.工程翻新轮胎多元复合层型及力学模型的构建[J].郑州大学学报(工学版)，2015,36(1)：87-90.

[12] 危银涛，李勇，冯希金，等.轮胎理论与技术[M].北京：清华大学出版社，2013.

[13] 齐晓杰,王强,孟庆辉.轮胎技术发展现状及探讨[J].交通科技与经济，2008,10(2)：49-52.

[14] 刘野，廉哲满.基于ANSYS的汽车轮胎有限元分析[J].机械工程师，2014(3):105-106.

[15] 王军,李梁,孙林,沙昌新.245/70R16轮胎的有限元分析[J].轮胎工业,2016(9):520-528.

[16] 蒋丰璘.有限元分析在37.00R57巨型工程机械子午线轮胎结构优化中的应用[J].轮胎工业,2016(3):147-149.

[17] 燕山,王伟.复杂胎面花纹轮胎有限元分析及试验研究[J].橡胶工业,2016(2):102-106.