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起重機(jī)專用445/80R25 ETCRANE工程機(jī)械輪胎有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)及產(chǎn)品性能改善

2023-12-03 03:42印海建孟慶偉潘國(guó)徽孫熙林劉本鑫
輪胎工業(yè) 2023年11期
關(guān)鍵詞:起重機(jī)力學(xué)性能輪胎

印海建,孟慶偉,潘國(guó)徽,孫熙林,劉本鑫

[泰凱英(青島)專用輪胎技術(shù)研究開(kāi)發(fā)有限公司,山東 青島 266100]

近年來(lái),我國(guó)工程機(jī)械車輛的快速發(fā)展增強(qiáng)了基礎(chǔ)建設(shè)能力。在風(fēng)力發(fā)電、橋梁、高速公路、化工產(chǎn)業(yè)園等建設(shè)中,全路面起重機(jī)車輛作為基建吊裝場(chǎng)景的重要組成部分發(fā)展迅猛。隨著吊裝要求的提升,對(duì)起重機(jī)起吊能力的要求越來(lái)越高,例如要求445/80R25全路面起重機(jī)輪胎兼顧非鋪裝路面的抗切割和牽引制動(dòng)性能與高速公路轉(zhuǎn)場(chǎng)的高速性能和低生熱性能。輪胎在行駛過(guò)程中微觀上的橡膠分子鏈內(nèi)摩擦表現(xiàn)為宏觀上的滯后生熱[1-2]。市場(chǎng)上起重機(jī)輪胎故障多為胎肩生熱脫層。

熊春明等[3-6]對(duì)輪胎生熱的數(shù)值分析進(jìn)行了研究,取得一些突破。但目前針對(duì)高速工程機(jī)械輪胎的生熱研究相對(duì)較少,工程機(jī)械輪胎尺寸較大,實(shí)際試驗(yàn)成本較高,更適合采用有限元方法進(jìn)行分析驗(yàn)證。

本研究針對(duì)工程機(jī)械領(lǐng)域起重機(jī)輪胎在高速場(chǎng)景下出現(xiàn)的胎肩脫層和生熱問(wèn)題,運(yùn)用有限元方法建立全路面起重機(jī)專用縱向花紋445/80R25工程機(jī)械輪胎有限元分析模型,進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)值分析和優(yōu)化及產(chǎn)品性能改善。

1 輪胎仿真模型的建立

1.1 材料模型的選取

工程機(jī)械子午線輪胎因?yàn)樨?fù)荷較大,多采用全鋼設(shè)計(jì),主要由鋼絲簾線、鋼絲圈和不同配方的橡膠部件組成。部分胎圈部位負(fù)荷要求較高的輪胎,例如井下礦專用輪胎在輪胎胎圈采用多層錦綸包布進(jìn)行反包以增強(qiáng)胎圈部位剛性。

在有限元模型建立時(shí),不同材料采用不同的模型和處理方式。對(duì)于超彈性橡膠材料,考慮到超彈性材料的非線性和本構(gòu)模型的收斂性,本研究采用Yeoh模型。對(duì)于胎體和帶束層等的骨架材料,采用加強(qiáng)筋的方式進(jìn)行定義。輪輞和路面簡(jiǎn)化為解析剛體[7]。

1.2 三維模型的建立

本研究采用旋轉(zhuǎn)指令進(jìn)行三維模型建立,首先建立軸對(duì)稱模型,通過(guò)施加胎趾鋼絲圈位移邊界條件實(shí)現(xiàn)輪胎與輪輞的裝配,并對(duì)輪胎進(jìn)行充氣仿真。

輪胎斷面進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),考慮到帶束層端點(diǎn)為主要破壞點(diǎn),應(yīng)保證帶束層端點(diǎn)單元及鄰近單元均為四邊形且需細(xì)化網(wǎng)格密度,帶束層網(wǎng)格尺寸控制為2 mm。同時(shí)考慮胎圈部位與輪輞過(guò)盈接觸,適當(dāng)細(xì)化胎圈部位網(wǎng)格密度。軸對(duì)稱截面模型單元總數(shù)為1 736個(gè)(其中加強(qiáng)筋486個(gè)),網(wǎng)格劃分如圖1(a)所示??v向花紋輪胎的三維模型沿周向劃分為180等份,見(jiàn)圖1(b),生成的三維幾何模型有312 480個(gè)單元。

圖1 輪胎軸對(duì)稱模型和三維模型

1.3 有限元模型及驗(yàn)證

對(duì)有限元模型施加700 kPa標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力和6 000 kg標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷,原始方案輪胎外緣尺寸仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示,接地?cái)?shù)據(jù)仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。接地中心長(zhǎng)度、接地胎肩長(zhǎng)度、肩系數(shù)和接地中心寬度模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差分別為0.9%,1.1%,2.4%和0。

表1 原始方案輪胎外緣尺寸仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 原始方案輪胎接地?cái)?shù)據(jù)仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

從表1和2可以看出,原方案輪胎的有限元分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致,相對(duì)誤差小于3%,驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。本研究建立的縱向花紋輪胎三維模型在靜負(fù)荷試驗(yàn)中基本滿足精度要求,未細(xì)化實(shí)際花紋塊,花紋飽和度與實(shí)際存在一定差異,故在接地試驗(yàn)對(duì)比中,暫不考慮凈接地面積和平均接地壓力的對(duì)比結(jié)果。

2 胎肩材料分布優(yōu)化

2.1 設(shè)計(jì)方案

起重機(jī)輪胎需要兼顧非公路和高速場(chǎng)景,高速場(chǎng)景的挑戰(zhàn)主要反映在輪胎的肩部性能。445/80R25 ETCRANE輪胎主要適用于東南亞和澳洲等海外市場(chǎng),通過(guò)調(diào)研顯示其市場(chǎng)病象反饋以胎肩脫層為主,占比為80%以上。

通過(guò)調(diào)整胎肩墊膠、內(nèi)襯層和胎體曲線,對(duì)胎肩材料分布進(jìn)行優(yōu)化。兩種胎肩材料分布方案對(duì)比見(jiàn)圖2,S2為胎里過(guò)渡調(diào)整方案。

圖2 不同胎肩材料分布方案

2.2 初始和邊界條件

在完成輪胎的軸對(duì)稱分析之后,采用旋轉(zhuǎn)指令完成輪胎三維模型的建立和結(jié)果傳遞。在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力和標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷條件下,采用路面加載的方式等效輪胎實(shí)際加載。

2.3 胎肩性能對(duì)比

通過(guò)分析胎肩脫層的輪胎發(fā)現(xiàn),損壞位置多集中于帶束層端點(diǎn)。分析認(rèn)為,高溫下硫化橡膠性能下降,帶束層端點(diǎn)屈撓引起損壞,故障輪胎剖析也能看到帶束層端點(diǎn)處有膠料粉末。由于應(yīng)變能是應(yīng)力應(yīng)變積分和,某些單元可能應(yīng)變較小但應(yīng)力很大,因此對(duì)特定區(qū)域不僅進(jìn)行應(yīng)變能的比較,還進(jìn)行應(yīng)力分析。高速行駛的輪胎易損部位為胎肩帶束層接頭集中區(qū)域,帶束層結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)胎肩剛性平穩(wěn)過(guò)渡,減小因剛性急劇變化導(dǎo)致的應(yīng)力集中,同時(shí)胎肩脫層也是肩部的主要損壞形式之一,因此還應(yīng)進(jìn)行層間剪切的綜合分析。

輪胎胎肩部位性能采用此區(qū)域內(nèi)應(yīng)變能密度、Mises應(yīng)力和周向剪切應(yīng)變(+LE13和-LE13,方向相反)的極值來(lái)綜合評(píng)估,如表3所示。

表3 S1和S2方案輪胎胎肩部位力學(xué)性能

從表3可以看出,與S1方案輪胎相比,S2方案輪胎的應(yīng)變能密度、Mises應(yīng)力和-LE13的極值較小,力學(xué)性能優(yōu)化結(jié)果相對(duì)明顯。

3 帶束層優(yōu)化的數(shù)值計(jì)算

3.1 設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

帶束層作為全鋼子午線輪胎的主要骨架材料,對(duì)輪胎剛度和接地性能影響巨大[8]。首先建立3種不同帶束層結(jié)構(gòu)有限元模型。其中B1方案為原始方案,B2方案為對(duì)比方案,B3方案為B2方案帶束層寬度調(diào)整方案,見(jiàn)圖3。B1方案1#—4#帶束層的寬度分別為290,250,330和270 mm;B2方案1#—4#帶束層的寬度分別為165,110,145和130 mm;B3方案在B2方案的基礎(chǔ)上,2#,3#和4#帶束層單邊寬度減小7 mm,即1#—4#帶束層的寬度分別為165,103,138和123 mm。帶束層角度為“左右左右”,1#和2#帶束層為工作層,3#和4#帶束層為緩沖層。

圖3 不同帶束層結(jié)構(gòu)方案

建模過(guò)程中為消除網(wǎng)格帶來(lái)的計(jì)算差異,不同帶束層寬度計(jì)算方案采用同一橡膠材料網(wǎng)格劃分,通過(guò)材料屬性的重新分配實(shí)現(xiàn)不同材料分布的有限元模型。同時(shí),兼顧胎肩材料分布的影響,帶束層優(yōu)化方案基于S2方案輪胎材料分布進(jìn)行。

3.2 胎肩性能對(duì)比

帶束層設(shè)計(jì)方案優(yōu)化前后輪胎胎肩部位力學(xué)性能如表4所示。

表4 B1—B3方案輪胎胎肩部位力學(xué)性能

對(duì)比3種帶束層設(shè)計(jì)方案可知,B3方案輪胎的的應(yīng)變能密度、Mises應(yīng)力和-LE13的極值較小。綜合考慮胎肩部位力學(xué)性能優(yōu)化結(jié)果,采用B3帶束層設(shè)計(jì)方案進(jìn)行后續(xù)樣品輪胎試制。

3.3 其他力學(xué)性能指標(biāo)評(píng)判

輪胎的仿真結(jié)果評(píng)價(jià)是一項(xiàng)綜合的分析,本研究除了對(duì)胎肩部位的力學(xué)性能進(jìn)行分析之外,還對(duì)輪廓充氣變形、接地?cái)?shù)據(jù)等進(jìn)行對(duì)比分析,S1,S2和B3方案輪胎的接地印痕對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 不同方案輪胎接地壓力云圖

從圖4可以看出,B3方案輪胎的肩系數(shù)增大,這有利于胎肩部位花紋塊偏磨的改善,但是其接地壓力分布極值偏大。

取輪胎接地最寬位置做路徑取值得到接地壓力分布曲線,如圖5所示。

圖5 橫向接地壓力分布

從圖5可以看出,不同方案輪胎的數(shù)值分析的極值多出現(xiàn)在胎肩的邊緣處,這可能是胎肩部位網(wǎng)格畸變引發(fā)的數(shù)值突變?cè)斐傻?。另外,接地中心位置的接觸壓力較為平穩(wěn),3種方案輪胎在接地中心處接地壓力相當(dāng),但在胎肩花紋內(nèi)側(cè)邊部(橫向距離70和280 mm處)B3方案輪胎接地壓力無(wú)突變,有明顯改善。

上述有限元分析結(jié)果表明,在接地壓力數(shù)值相當(dāng)?shù)那闆r下,B3方案輪胎肩系數(shù)增大至100%,即在接地總面積整體不變的情況下,接地形狀更加均勻,接地印痕矩形率增大,胎肩部位性能提高,可以降低實(shí)際使用中輪胎肩部前高后低的畸形磨損。

4 輪胎室內(nèi)和實(shí)地性能測(cè)試

4.1 室內(nèi)耐久性能

B3方案樣品輪胎采用恒定速度、變負(fù)荷的方式進(jìn)行耐久性試驗(yàn)[9],試驗(yàn)速度恒定為40 km·h-1,47 h 之后每行駛10 h,負(fù)荷增大10%。耐久性試驗(yàn)結(jié)果表明,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)B3方案輪胎胎肩鼓包,累計(jì)行駛時(shí)間為130 h,原方案輪胎為108 h,耐久性能比原方案輪胎提高17%。

4.2 實(shí)地測(cè)試

445/80R25 ETCRANE輪胎經(jīng)試制評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)后,小批量定制產(chǎn)品發(fā)往終端測(cè)試客戶進(jìn)行實(shí)地測(cè)試驗(yàn)證。

根據(jù)場(chǎng)景匹配,選取M國(guó)DEMAG 70T和T地區(qū)TADANO 130T全路面起重機(jī)若干輛整車替換輪胎進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)產(chǎn)品場(chǎng)景和歷史特性,定義行駛10 000 km無(wú)早期故障為測(cè)試目標(biāo)。經(jīng)歷裝車、5 000 km、10 000 km和10 000 km以上里程等多個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn),鋪裝和非鋪裝路面平均磨耗為4 000 km·mm-1,肩部偏磨問(wèn)題有所改善,50條測(cè)試輪胎早期里程為10 000 km時(shí)無(wú)質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生,初步達(dá)成實(shí)地測(cè)試目標(biāo)。后續(xù)將逐步擴(kuò)大樣本,持續(xù)跟蹤驗(yàn)證,產(chǎn)品逐步上市。

5 結(jié)論

(1)建立縱向花紋445/80R25 ETCRANE工程機(jī)械輪胎有限元模型,確認(rèn)合適的初始和邊界條件,有限元數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差小于3%,驗(yàn)證了初始有限元模型的準(zhǔn)確性。

(2)通過(guò)調(diào)整胎肩墊膠、內(nèi)襯層和胎體曲線的材料分布,對(duì)比分析兩種材料分布方案輪胎胎肩力學(xué)性能,結(jié)果表明胎里過(guò)渡調(diào)整S2方案輪胎的肩部力學(xué)性能更優(yōu)。

(3)在胎肩優(yōu)化的S2方案基礎(chǔ)之上,對(duì)比3種帶束層設(shè)計(jì)方案輪胎的肩部力學(xué)性能,有限元分析結(jié)果表明,B3帶束層方案(1#—4#帶束層寬度分別為165,103,138和123 mm)輪胎胎肩部位受力狀態(tài)最優(yōu),同時(shí)接地性能達(dá)標(biāo),接地印痕矩形率增大,肩部預(yù)期偏磨改善。

(4)采取B3方案進(jìn)行樣胎試制和成品輪胎室內(nèi)試驗(yàn),輪胎耐久性試驗(yàn)中累計(jì)行駛時(shí)間為130 h,耐久性能比原方案輪胎提高17%,通過(guò)試制評(píng)審。

(5)產(chǎn)品小批量生產(chǎn)并發(fā)往測(cè)試客戶進(jìn)行整車替換,50條輪胎早期里程10 000 km無(wú)質(zhì)量問(wèn)題,初步達(dá)成實(shí)地測(cè)試目標(biāo)。

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