Экспериментальные исследования зависимости влияния температуры шины на ее свойства

Э.К. Абдулаев, аспирант, Санкт-Петербургский горный университет

П.Н. Махараткин, канд. техн. наук, доцент, Санкт-Петербургский горный университет

Е.П. Кошкина, аспирант, Санкт-Петербургский горный университет

Е.В. Пумпур, аспирант, Санкт-Петербургский горный университет

Развитие открытой добычи полезных ископаемых идет по пути роста производственной мощности предприятий, увеличения коэффициента вскрыши, объемов работ по экскавации, продвижения открытых разработок в отдаленные районы с суровым климатом.

При данном способе добычи основным видом транспортирования являются карьерные автосамосвалы. Затраты на автосамосвалы составляют 50–60% от себестоимости перевезенной горной массы, причем большую часть занимают затраты на топливо (более 50 %) и крупногабаритные шины (КГШ) (25–30 %) [1].

Одним из основных показателей качества КГШ является их долговечность. Так как затраты на приобретение и обслуживание КГШ входят в число основных статей расходов предприятий, то увеличение пробега шин имеет важное значение для сокращения затрат. Под долговечностью КГШ обычно понимается срок их службы до полного износа рисунка протектора или выхода их из-за разрыва каркаса и расслоения протектора [2].

На ресурс шин карьерных автосамосвалов оказывает влияние множество факторов, но из проведенного ранее [3] априорного ранжирования факторов, влияющих на ходимость шин, были определены наиболее влияющие: давление в шине; рабочая температура в шине.

Влияние внутреннего давления в шине рассматриваться в данных экспериментальных исследованиях не будет, а его количественную оценку можно контролировать при помощи системы контроля давления в шине.

Ходимость КГШ в зависимости от их теплового состояния значима, поскольку основные материалы и адгезивы, используемые для производства шин, чувствительны к высоким температурам. Нередко генерация температур в КГШ, используемых на карьерных автосамосвалах, достигает максимального значения, обусловлено это тем, что у них низкая интенсивность охлаждения. Это продиктовано особенностью конструкции шины, имеющей большую толщину.

Особенно это актуально в летнее время, когда средняя ходимость КГШ заметно снижается из-за шин, вышедших из строя в результате тепловых разрушений (до 70% от всех отказов), рис.1. В результате тепловых разрушений может произойти разрыв корда или возгорание КГШ. Для современных бескамерных шин температура t = 120 °С считается критической. При более высоких температурах шина будет разрушаться вследствие снижения прочности корда и его связи с резиной, развития таких дефектов, как отслоение, вздутие протектора и расслоение каркаса [4].

Значительное влияние температуры на усталостное разрушение шин подтверждается во многих исследованиях [5–8]. В большинстве выполненных исследований это объясняется тем, что при работе шины, в массиве которой длительное время поддерживается высокая температура, происходит резкое снижение как прочности самой резины, так и адгезии ее с кордом. При этом в местах наибольшего снижения адгезии возникает механическое трение между кордом и резиной, что дополнительно вызывает резкое повышение температуры и, в конечном счете, быстрое разрушение автомобильной шины. В связи с этим усталостные разрушения шин, обусловленные воздействием высокой температуры, часто называют еще и тепловыми разрушениями шин.

В исследовании [9] (при скорости движения автосамосвала Vср = 17 км/ч и средней температуре окружающего воздуха tср = 20°С) показана динамика нагрева «холодных» шин, в зависимости от времени эксплуатации (рис. 2) в первые 10 ч работы, шины нагреваются до максимальных температурных значений, во время загрузки и разгрузки автосамосвала, КГШ не успевают остыть, эксплуатация в таких условиях приводит к тепловому разрушению шины, что негативно сказывается на экономике предприятия открытой добычи.

Для определения зависимости влияния температуры шины на ее свойства, необходимо было провести экспериментальные исследования, в которых измерялись температурные значения нагрева исследуемого образца и показатель твердости протектора шины, соотнесенные с этими значениями. В связи со сложностью получения образцов материалов КГШ, было принято решение провести экспериментальные исследования на резине легковых автомобилей, а после анализа данных аналитического агентства «Автостат» о производителях шин были выбраны 3 наиболее популярные марки в России: Yokohama, Сontinental, Кама.

Температурные измерения выполнялись с помощью тепловизора «FLUKE VТ04A» (рис. 3, а), при этом каждый выбранный образец нагревали до определенной температуры с помощью электропечи (рис. 3, б). Замеряли твердость уже нагретого протектора. Твердость резины определяли с помощью игольчатого твердомера (рис. 3, в) по величине погружения в нее притупленной иглы под действием пружины прибора.

Для уменьшения погрешности измерения, связанного с неравномерным износом протектора выбранных образцов, для экспериментальных исследований с каждой шины были получены 4 образца, а измерения показателей температуры велись в восьми интервалах с измерением твердости для каждого образца из трех производителей. Полученные экспериментально значения, представлены в табл. 1.

По полученным экспериментальным данным были построены зависимости влияния температуры шины на твердость (рис. 4–7) для каждого исследуемого образца. Анализ полученных зависимостей демонстрирует схожесть общего вектора уменьшения твердости материала при повышении температуры. При этом следует отметить, что образцы двух производителей имеют сильновыраженный вектор уменьшения твердости при первичном диапазоне нагрева в интервале от 20–25 до 50–55°С. Менее выраженный, но выше среднего, аналогичный результат достигается в температурном коридоре от 125–130 до 135–140°С.

Подтверждение влияния температуры на твердость и дальнейший анализ полученных зависимостей необходимы для изучения влияния фактора изменения температуры шины на свойства протектора, а следовательно, на ходимость и работоспособность шины. Определение диапазона рабочих температур для КГШ, как одного из наиболее влияющих на их ходимость факторов, является актуальной эксплуатационной и научно-исследовательской задачей.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:

1. Хорешок А.А. Управление ресурсом шин как фактор повышения эффективности работы карьерных автосамосвалов / А.А. Хорешок, А.Г. Кульпин, Е.Е. Кульпина // Горное оборудование и электромеханика. – 2009. – ¹ 5. – С. 45–47.

2. Кнороз В.И., Кленников Е.В. Шины и колеса. – М.: Машиностроение, 1975. –184 с.

3. Абдулаев Э.К. Априорное ранжирование факторов, влияющих на ходимость шин / Инновации и перспективы развития горного машиностроения и электромеханики: IPDME-2019 / СПБ 2019.

4. Селезнев И.И., Цукерберг С.М., Ненахов Б.В. Как увеличить пробег автомобильных шин. – М.: Транспорт, 1966. – 123 с.

5. Кнороз В.И. Работа автомобильной шины. – М.: Транспорт, 1976. – 338 с.

6. Кнороз В.И., Кленников Е.В. Шины и колеса. – М.: Машиностроение, 1975. – 184 с.

7. Мороз Т.Г. Исследование теплового состояния шин 155-13 для автомобилей «Жигули» ВАЗ-2101: автореф. дис. … канд. техн. наук. – М., 1974. – 27 с.

8. Глускина Л.С. Исследование тепловых режимов работы автомобильных шин в дорожных условиях: дис. … канд. техн. наук. – М., 1982. – 204 с.

9. Горюнов С.В., Шарипов В.М. Прогнозирование эксплуатационной температуры пневматических шин карьерных автосамосвалов // Леса России и хозяйство в них. – 2012. – ¹ 1–2 (42–43). – С 32–34.

Ключевые слова: твердость резины, износ протектора, шина, температура, автосамосвал, крупногабаритная шина, изменение твердости

Журнал "Горная Промышленность"№3 (145) 2019, стр.98-99