Введение к работе
Актуальность проблемы . Удовлетворение потребности автомобильного транспорта в шинах является одной из важнейших задач,решаемой шинной промышленностью путем повышения качества шин. Повышение ресурса шин практически эквивалентно увеличению их количества, а также положительно влияет на экономическую эффективность производства, сохранность окружающей среды и материальных ресурсов, является наиболее действенным способом снижения существующего ныне дефицита шин.
Учитывая перспективы дальнейшего увеличения масштабов производства автомобилей и обьемов перевозок и то обстоятельство, что на внешнем рынке в ряде случаев недостаточное качество шин снижает конкурентоспособность отечественных автомобилей,проблема повышения ресурса имеет важное .научное и практическое значение. В настоящее время срок службы шин регламентируется государственными стандартами, а норма пробега - важный нормативный показатель работы транспорта.
Цель работы . Теоретическое обоснование и создание комплекса средств для повьшения ресурса при проектировании новых и модернизации существующих моделей автомобильных шин, согласующихся с общими техническими требованиями, особенностями технологии производства и условиями их эксплуатации; разработка и внедрение в производство эффективных сбалансированных решений, обеспечиваю-цих повышение ресурса шин без ухудшения сцепления с дорогой.
Научная новизна. Изучены закономерности долговечности шин в эксплуатации при совокупном действии различных механизмов разру-
- A -шения. На шинах массового производства для грузовых и легковых автомобилей общего назначения установлен как преобладающий закон Езаимонезависимости различных отказов. Получены экспериментальные доказательства целесообразности принятого метода изучения долговечности шины по отдельным отказам путем рао-чегного определения ресурса отдельной ее детали как элемента системы, содержащей и другие отказызающие элементы, но в предположении их безотказной работы. Сформулировано и практически подтверждено следующее положение: отношение количества шин, вышедших из эксплуатации на данном интервале пробега по конкретному отказу, к количеству шин, прошедших этот интервал, не зависит от наличия других отказов.
На осноеє систематического исследования елияния параметров протектора на долговечность сформулированы.представления об оптимальном сочетании свойств резины и конструкции протектора, обеспечивающем максимально возможный ресурс иины. Разработаны методы, позволяющие определять изменения конструктивных параметров в зависимости от реально достигнутой износостойкости резины протектора: оптимизация параметров протектора, определяющих его массу, направленное изменение топографии износа резины протектора кривизной беговой дорожки, формой профиля шины, соотношение параметров рисуккз. Обнаружена и описана количественно особая роль высоты Еыступов протектора для сбалансированности принимаемых при создании шины решений, удовлетворяющих различные требования, такие как долговечность шин и износостойкость резины, расход топлива транспортом, сцепление с дорогой, условия эксплуатации, высота рисунка при восстановлении протектора. Обоснована возможность увеличения изнашиваемой части резины протектора грузовых шин, выпускаемых как серийная продукция. В процессе эксплуатации подка-нззочный слой резины частично переводится е выступы рисунка, что
- 5 -повышает ресурс шин нз 20-30%.
Впервые получены количественные зависимости ресурса шины от нестабильности износа резины протектора, от факторов, определяющих повреждаемость подканавочного слоя резины, от снижения запаэз по усталости . отдельных деталей при высоких пробегах. Показано, что основной причиной, сдерживающей в настоящее время дальнейшее повышение ресурса шин, является падение сопротивляемости различным расслоениям и отслоениям, обусловленное снижением прочности связи между деталями шин при высоких (свыше 100 тыс.км ) пробегах.
В результате изучения сцепления шины с мокрой дорогой предложен принцип определения сил трения между резиновыми Еыступами протектора и дорожной поверхностью: учитывается только площадь сухого контакта и не принимается в расчет та часть контакта, где выступы отделены от дороги пленкой жидкости. На основе этого принципа разработана теория сцепления и аквапланирования шин на мокрой дороге с применением гидродинамических расчетов.
Научно обоснованы технические решения совершенствования шины, позволяющие разработать шины с максимально возможным ресурсом при достаточном сцеплении и с наименьшими затратами.
В 'целом диссертация решает важную для промышленности и транспорта задачу повышения ресурса и сцепления с дорогой автомобильных шин. Реализация разработанных решений еносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса.
Практическое значение работы. Совокупность выполненных исследований и теоретических обобщений позволяет решать практические задачи по увеличению ресурса на стадии проектирования ноеых и модернизации существующих моделей шин.
Разработаны математические модели долговечности шины и сцеп-
- б -ления с дорогой с программированием на ЭВМ, позволяющие в процессе создания и совершенствования шины прогнозировать влияние изменяемых параметров на ресурс и не допускать такие решения, которые повышают ресурс за счет отрицательного влияния на безопасность движения транспорта. Эти модели используются в системе автоматизированного проектирования (САПР) шин НИИ шинной промышленности для разработки эффективных технических средств поэтапного повышения ресурса шин легковых и грузовых автомобилей.
Разработаны эффективные (в частности, для доводочных работ) экспериментальные методики оценки износостойкости, оцепления с дорогой и способности протектора удерживать камни, которые нашли применение в научных исследованиях.
Теоретически обоснованы и разработаны методы комплексного прогнозирования влияния на-ресурс шины и ее сцепление с дорогой параметров протектора (износостойкости и коэффициента трения резины, высоты выступов рисунка, кривизны беговой дорожки, толщины подканавочного слоя и др.), что позволяет на стадии проектирования уточнить эффективные направления повышения ресурса создаваемых шин, классифицировать их по значимости и оценить реальные возможности повышения ресурса.
Предложена новая, обеспечивающая повышение ресурса, методология поиска решений, которая предусматривает: определение оптимального сочетания параметров материала (резины, корда) и конструкции шины (высоты рисунка, углов расположения корда и др.), различные постановки задач оптимизации протектора, компьютерные программы для вариантного конструирования, экспериментальные методы оценки износостойкости шины и сцепления с дорогой (а также приборное оснащение к ним), позволяющие проводить эксперимент с
*1 „
- I -
шинами в обычных условиях эксплуатации быстро и экономично.
Разработана схема построения беговой части шины, предусматривающая оптимальное сочетание параметров износостойкости резины, кривизны и распределения высоты выступов по ширине протекторз, схема реализована в шине 7.50-20 модели МИ-173 для автомобилей ГАЗ.
Выпускается в серийном производстве на Московском, Омском, Нижнекамском и других шинных заводах шина 9.00Р20 модели И-Н142Е с оптимальной для условий России высотой выступов рисунка, обеспечивающей ресурс на уровне шин лучших зарубежных фирм, что, в частности, подтверждают проводимые с 1988 года в г. Владимире сравнительные испытания на автомобилях КАМАЗ шин фирмы "МИШЛЕК" и Омского шинного завода.
Разработаны принципы конструирования шин с оптимальным сочетанием параметров конструкции и корда, которые реализованы, в частности, в шине 9.00Р20 модели М-184, рассчитанной на применение в каркасе низкомодульного капронового корда без термовытяжки (выпускается на Московском шинном заводе), и в шине 9.00Р20 модели И-Н142Б с комбинированным терлсн-металлокорд брекером.
На многих предприятиях транспорта внедрен метод повышения ресурса шин за счет использования резерва подканавочного слоя путем углубления канавок рисунка протектора, эффективность которого теоретически доказана в диссертации.
Ряд технических решений, признанных изобретениями (7 авторских свидетельств, 2 патента), внедрены в производство.
Экономический эффект. Внедрение технических решений, основанных на выполненных исследованиях, имеет двойной эффект.
а) Прямая экономическая.выгода- за счет повышения ресурса шин, например :
по шине 7.50-20 модели МИ-173 для автомобилей ГАЗ с годовым эффектом 40 млн.руб. (здесь и ниже эффект указан в ценах 1991г.);
по шине 9.00Р20 модели И-Н142Б для автомобилей ЗИЛ, КАМАЗ с высотой рисунка 1,5 раза превышающей принятыми зарубежными фирмами, с годовым эффектом около 200 млн. рублей;
по шине 9.00Р20 модели М-184, рассчитанной на применение в каркасе нетермовытянутого капронового корда, с годовым эффектом по Московскому шинному заводу около 5 млн. рублей;
-' повышение ресурса шин в автопредприятиях за счет использования резерва подканавочного слоя может обеспечить эффект около 200 млн. рублей.
б) Косвенный неподсчитываемый экономический эффект от повышения ресурса шин образуется за счет повышения.производительности транспорта, снижения объема трудоемких работ, улучшения экологии.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной конференции по каучуку и резине ( Прага, 1989г.), Всесоюзных симпозиумах "Проблемы шин и резинокордных композитов" (Москва, 1989,1990,1992 г.г.), Всесоюзной конференции по механике полимерных композитных материалов ( Рига, 1978 г.), двусторонних симпозиумах с фирмой "Данлоп", Англия ( Москва, 1974 г.), с фирмой "Пирелли", Италия ( Москва, 1974 г.), на заседаниях Ученого совета НИИ шинной промышленности и его секциях.
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 62 работы, в том числе 4 тематических обзора ЦНИИТЭнефтехима, одна.монография "Истирание резин" ( Москва, изд. "Химия", 1975г.), 20 авторских свидетельств, свидетельство на промышленный образец, патенты ( СССР, России, США, Великобритании ).
Личное участие автора состоит в инициативе постановки исследований, нахождении и обосновании технических решений , разработке математических моделей долговечности шины и сцепления с дорогой, оптимизации параметров конструкции и материалов шины, разработке и внедрении экспериментальных методов оценки износостойкости протектора, сцепления с дорогой и приборного оснащения этих методов, разработке и внедрении основанных на проведенных исследованиях рекомендаций, которые защищены авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.
Объем и структура работы. Работа изложена на 334 страницах, содержит 72 рисунка, 39 таблиц. Состоит из введения , пяти глав, зыводов и рекомендаций , заключения и приложений. Список литературы включает 170 наименований.