Массивная шина для приводных колес
SOLID TIRE FOR DRIVE WHEELS

Изобретение относится к шинам транспортных средств, в частности к массивным полиуретановым шинам промышленного транспорта, работающих в условиях трения и высоких нагрузок и может быть использовано преимущественно для приводных колес тяговых устройств фрикционного типа, например, в шахтных подвесных монорельсовых дорогах.
Известна массивная шина, состоящая из цельнолитой кольцевой основы, выполненной из высокопрочного полиуретанового эластомера, закрепляемой на металлическом ободе или бандаже колеса (Электронный каталог фирмы Blickle «Колеса и ролики», стр. 477-479, от 10.12.2017 г. Режим доступа: http://catalogue.blickle.ru, свободный. - Загл. с экрана. - Яз. рус.) Данная шина, используемая для приводных колес, работающих в условиях трения и высоких нагрузок, характеризуется низким сроком эксплуатации. Это вызвано тем, что под воздействием динамических и циклических нагрузок образуются зоны концентрации напряжений, сопровождающиеся локальным повышением температуры и снижением упруго-прочностных свойств полиуретана, что приводит адгезионным и когезионным разрушениям, появлению трещин и расслоения массива шины, снижая тяговую способность колеса.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является массивная шина, содержащая цельнолитую кольцевую основу, выполненную из высокопрочного полиуретанового эластомера, в теле которой размещен квазиравномерно распределенный по объему компенсатор нагрузок, выполненный в виде гранул меньшей твердости и более высокой температурой плавления, чем материал основы, и примерно таким же удельным весом (DE, №9406375 U1, МПК B29D 30/04, опубл. 13.10.1994 г.) В известном устройстве предпочтительно выполнение компенсатора в виде гранул из полиуретана угловатой формы и средним размером, равным 3-5 мм, при соотношении массы основного материала к массе гранул, равном 1:(0,1-0,2).
Известная шина, используемая для приводных колес, работающих в условиях трения и высоких нагрузок, характеризуется низкой износостойкостью. Это вызвано тем, что в компенсаторе нагрузок, выполненного в виде отдельных гранул, под воздействием высоких динамических и циклических нагрузок образуются зоны концентрации напряжений, сопровождающиеся локальным повышением температуры и снижением упруго-прочностных свойств полиуретана, что приводит к адгезионным и когезионным разрушениям, появлению трещин и расслоению массива шины, снижая тяговую способность колеса. Наряду с этим, производство известных массивных шин характеризуется сложным процессом изготовления и высокой трудоемкостью.
В процессе формирования компенсатора нагрузок при традиционных технологиях литья и перемешивания, гранулы сбиваются в отдельные кластеры и при выливании жидкого полиуретана в форму недостаточно равномерно распределяются по телу основы, при полимеризации которой неравномерность усугубляется, что приводит в процессе эксплуатации к скоплению зон концентрации напряжений и повышению температуры в кластере. Выполнение гранул угловатой формы с меньшей твердостью и средним размером, равным 3-5 мм при достаточно высоком их количестве в процессе эксплуатации шины приводит к отслоению полиуретана от гранул, вызывая появление микротрещин и расслоение массива шины, особенно в местах образования кластеров. Наряду с этим, при резких ударных нагрузках в гранулах образуются трещины, приводящие к их разрыву и снижению упруго-прочностных свойств. В результате снижаются износостойкость и срок эксплуатации массивной шины, приводя к частой замене шины, сопровождающейся высокими материальными и временными затратами.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования массивной шины для приводных колес, в которой за счет конструктивных особенностей обеспечивается в условиях динамических и циклических нагрузок рассеивание возникающих внутренних напряжений при улучшении теплоотвода, снижая адгезионные и когезионные разрушения, что приводит к повышению износостойкости шины при сохранении высокой тяговой способности колеса с повышением срока эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что в массивной шине для приводных колес, содержащей цельнолитую кольцевую основу, выполненную из высокопрочного полиуретанового эластомера, в теле которой размещен квазиравномерно распределенный по объему компенсатор нагрузок, согласно изобретению компенсатор, выполненный в виде сформированной по меньшей мере одной скомканной металлической проволокой кольцеобразной фигуры, в теле основы размещен коаксиально при соотношении объема основы к объему проволоки, равном 1:(0,01-0,05) и с расположением фрагментов проволоки на одном уровне с внутренней поверхностью кольцевой основы.
Целесообразно выполнение проволоки из цветного металла, выбранного из группы: медь, алюминий, латунь, бронза.
Целесообразно выполнение проволоки диаметром не более 0,3 мм.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг. 1 изображено продольное сечение массивной шины для приводного колеса тягового устройства фрикционного типа шахтной подвесной монорельсовой дороги; на фиг. 2 - положение компенсатора нагрузок в пресс-форме.
Массивная шина содержит цельнолитую кольцевую основу 1, выполненную из высокопрочного полиуретанового эластомера на основе простого полиэфира, диизоционата и гликоля, размерами: внешний диаметр - 355 мм, внутренний диаметр - 335 мм, ширина - 95 мм. В теле основы 1 размещен компенсатор 2 нагрузок, выполненный в виде кольцеобразной фигуры, сформированной одной скомканной латунной проволокой 3 диаметром 0,1 мм. Компенсатор 2 нагрузок размещен в теле основы 1 коаксиально с квазиравномерно распределенной по объему основы проволокой 3, при соотношении объема основы 1 к объему проволоки 3, отвечающего условиям 1:(0,01-0,05). Проволока 3 распределена по объему основы 1 так, что ее фрагменты расположены на одном уровне с внутренней поверхностью кольцевой основы 1. Массивная шина закреплена на ободе 4 приводного колеса 5 тягового устройства фрикционного типа (на рисунке не показано) с контактом внутренней поверхности основы 1 по всей поверхности обода 4.
Изготовление массивной шины и закрепление ее на ободе 4 колеса 5 осуществляется в следующей последовательности. Поверхность колеса 5 подвергается предварительной гальванической обработке для улучшения сцепления с полиуретаном. В пресс-форме 6, оборудованной литниковой системой, размещается колесо 5 и коаксиально компенсатор 2 нагрузок в виде кольцеобразной фигуры из скомканной проволоки 3 с квазиравномерным распределением ее по объему и контактом с ободом 4 (фиг. 2). Посредством гидроэкструдера и литниковой системы в пресс-форму подается жидкий полиуретан и после его полимеризации колесо 5 с сформированной и закрепленной на нем шиной, содержащей цельнолитую кольцевую основу 1, в теле которой размещен компенсатор 2 нагрузок, извлекается из пресс-формы.
Устройство работает следующим образом.
Прижатое с усилием 20 кН к стальной поверхности стенки монорельса, приводное колесо 5 тягового устройства, движущееся со скоростью 1,5-2,5 м/с подвергается динамическим и циклическим нагрузкам, вызванных ударами, неровностями пути, силой тяги или торможения, вращением колеса и т.п., вызывающих деформации на сжатие-растяжение, что приводит к возникновению внутренних напряжений в радиальном, окружном и касательном направлениях кольцевой основы 1. Возникающие внутренние напряжения воспринимаются, выполненным в виде кольцеобразной фигуры компенсатором 2 нагрузок, и рассеиваются в различно-ориентированных направлениях по массиву шину. При этом отвод излишнего внутреннего тепла обеспечивается посредством скомканной латунной проволоки 3 диаметром 0,1 мм, квазиравномерно распределенной по телу кольцевой основы 1, снижая адгезионные и когезионные разрушения, препятствуя расслоению полиуретана и повышая упруго-прочностные свойства массивной шины.
Поскольку коаксиально размещенный компенсатор 2 нагрузок сформирован металлической проволокой 3, обладающей высокой теплопроводностью, в частности латунной, при соотношении объема основы 1 к объему проволоки 3 отвечающего условиям 1: (0,01-0,05), образуется необходимая площадь контакта металла с полиуретаном для квазиравномерного рассеивания внутренних напряжений по массиву шины и отвода излишнего тепла к обладающему хорошей теплопроводностью ободу 4 металлического колеса 5, посредством контакта с фрагментами латунной проволоки 3, расположенных на одном уровне с внутренней поверхностью кольцевой основы 1.
При соотношении объема основы 1 к объему поволоки 3 меньшем, чем 1:0,01, снижается равномерность рассеивания и скорость отвода тепла, вследствие образования малой площади контакта металла с полиуретаном, что в условиях воздействия высоких динамических и циклических нагрузок приводит к образованию зон концентрации напряжений и локальным повышениям температуры.
При соотношении объема основы 1 к объему поволоки 3 большем, чем 1:0,03, ухудшается тяговая способность колеса из-за достаточно большого содержания металлической проволоки 3, приводящего к снижению коэффициента трения шины и повышению скольжения в процессе эксплуатации. Наряду с этим повышаются адгезионные и когезионные разрушения, к которым приводит неравномерность проникновения в процессе изготовления массивной шины жидкого полиуретана между частями металлической проволоки 3 более плотно сформированного компенсатора 2 нагрузок, что приводит к неприварам полиуретана к металлу, образованию пор и пузырьков, снижая износостойкость шины.
При заявленном соотношении объемов латунная проволока 3 диаметром 0,1 мм способствует рассеванию напряжений с улучшением теплоотвода путем увеличения площади контакта металла с полиуретаном, обеспечивая прочную адгезионную связь и монолитность массивной шины при сохранении высокого коэффициента трения шины и повышение устойчивости к деформациям на сжатие-растяжение.
Таким образом, в условиях динамических и циклических нагрузок, температура цельнолитой кольцевой основы 1 поддерживается на докритическом для полиуретанового эластомера уровне, не превышающем 70°С, снижая развитие деструкций в полиуретановом эластомере. Адгезионные и когезионные разрушения, в частности, образование трещин, расслоения и разрывы в шине, в процессе длительного воздействия динамических и циклических нагрузок проявляются намного слабее по сравнению с ближайшим аналогом. В результате достигается повышение износостойкости шины при сохранении высокой тяговой способности колеса с увеличением срока эксплуатации в 1,2-1,5 раз по сравнению с ближайшим аналогом, сокращая материальные и временные затраты на замену шин.