ПОЛИУРЕТАНОВАЯ ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ ШИНА

Предлагаемое техническое решение относится к области создания шин для колесной техники, а более конкретно - для внутрицехового и внутризаводского транспорта, а именно - для автопогрузчиков и электропогрузчиков.
В настоящее время самое широкое применение для различных видов колесной техники находят пневматические резиновые шины, представляющие собой упругую оболочку, предназначенную для установки на ободе колеса и имеющие кольцеобразную полость, заполняемую воздухом или газом под давлением [1]. Основной составной частью пневматической шины является покрышка - кольцеобразная полая оболочка, непосредственно воспринимающая усилия, возникающие при эксплуатации. Основой покрышки является каркас, представляющий силовую часть пневматической шины и состоящий из одного или нескольких слоев корда, закрепленных на бортовых кольцах, образующих жесткую часть покрышки пневматической шины и обеспечивающих ее крепление на ободе колеса. Для усиления прочности шины используется брекер, состоящий из слоев корда, расположенных между протектором и каркасом. Пневматические шины бывают камерные и бескамерные.
Пневматические шины обладают хорошими амортизирующими свойствами, однако они чувствительны к порезам и проколам, предотвратить которые в цеховых и заводских условиях невозможно. Вследствие этого для транспорта, используемого в цеховых и заводских условиях, были разработаны массивные шины [2, 3], представляющие собой сплошную кольцеобразную конструкцию, в которой отсутствует амортизирующая полость.
Массивные шины стойки к порезам и проколам и не требуют технического обслуживания в ходе их эксплуатации, однако они значительно хуже, чем пневматические, смягчают удары при езде по неровностям, что приводит к избыточным нагрузкам на раму транспортного средства и преждевременному выходу транспортного средства из строя.
Компромиссным вариантом шины для цеховых условий эксплуатации являются шины типа «гусматик» [4] (их еще называют «суперэластик»). Они представляют собой совокупность покрышки - кольцеобразной оболочки с расположенной внутри кольцеобразной амортизирующей полостью, и кольцеобразного амортизирующего элемента, расположенного в амортизирующей полости покрышки, выполненного из губчатой резины. При этом наружные размеры амортизирующего элемента и внутренние размеры амортизирующей полости совпадают. Преимуществами таких шин является то, что срок их эксплуатации в 1,5-2 раза выше по сравнению с пневматическими, они стойки к порезам и проколам и практически не требуют технического обслуживания во время эксплуатации.
Однако и шины типа «гусматик» не лишены ряда недостатков. Во-первых, по амортизирующим свойствам они уступают пневматическим шинам. Во-вторых, такие шины не могут обеспечить движение на высоких скоростях в связи с их нагревом и перегревом, приводящим к выходу шин из строя. Перегрев связан, в частности, с тем, что поверхность амортизирующего элемента не связана с внутренней поверхностью амортизирующей полости шины, что приводит к взаимному перемещению и трению указанных поверхностей и, как следствие, к сопутствующему нагреву и абразивному износу. Кроме того, наполнитель из губчатой резины со временем теряет эластичность из-за старения резины и разрушения пор, амортизирующие свойства шины ухудшаются, а сопротивление качению возрастает.
Возрастающие экологические требования к напольным транспортным средствам, работающим внутри помещений, обусловливают появление новых требований к шинам. Резиновые шины, изготовленные из смеси каучука и технического углерода (сажи), при высоких нагрузках интенсивно изнашиваются, а продукты истирания вместе с пылью поднимаются в воздух и попадают в организм человека. По этой причине внутри помещений недопустимо применять резиновые шины, содержащие технический углерод. Кроме того, многие вещества, входящие в рецептуру резиновых шин, являются канцерогенными. К ним, в частности, относятся активаторы и ускорители вулканизации, ароматические мягчители, мономеры каучуков, бензопирены и N-нитрозамины, которые в процессе переработки и вулканизации резины образуют с техническим углеродом токсичные и опасные для здоровья химические соединения. При эксплуатации шин эти вещества выделяются в атмосферу.
В настоящее время в мировой практике для работы в помещениях в рецептуре шин технический углерод заменяют нетоксичным оксидом кремния, но такое решение приводит к снижению ресурса шин на 10…15% за счет снижения стойкости к истиранию при одновременном увеличении стоимости производства. Оптимально требованиям к экологической безопасности отвечают массивные полиуретановые шины, представляющие собой слой полиуретана, нанесенный на металлический бандаж. Такие шины обладают в 3…5 раз более высокой стойкостью к истиранию по сравнению с резиновыми шинами с наполнителем из оксида кремния. Однако такие шины имеют низкую амортизирующую способность.
В настоящее время ни резиновые пневматические, ни массивные резиновые или полиуретановые шины для складской и погрузочно-разгрузочной техники не соответствуют совокупности предъявляемых к ним санитарно-гигиенических и эксплуатационных требований.
Целью разработки является устранение недостатков принятой за прототип пневматической резиновой шины, заключающихся в ее уязвимости с точки зрения прорезов и проколов при одновременном нарушении экологических требований для напольного транспорта.
Указанная цель достигается тем, что образующая шину кольцеобразная оболочка вращения с амортизирующей полостью выполнена из полиуретана, при этом дополнительно имеются расположенные в амортизирующей полости соединенные между собой полые сферические элементы, причем поверхность амортизирующей полости соединена с поверхностями прилегающих к ней поверхностей полых сферических элементов, опорные поверхности боковин соединены между собой связанным с ними армированным полиуретановым кольцом, при этом наружная поверхность армированного полиуретанового кольца, находящаяся между боковинами, соединена с поверхностями прилегающих к ней поверхностей полых сферических элементов.
Устройство полиуретановой пневматической шины показано на фигуре.
При реализации цели создания полезной модели полиуретановая пневматическая шина, показанная на фигуре, содержит кольцеобразную оболочку вращения с протекторной частью 1 и боковинами 2 с расположенной между ними амортизирующей полостью. Внутри амортизирующей полости имеются соединенные между собой полые сферические элементы 3. При этом поверхность амортизирующей полости (внутренние поверхности протекторной части 1 и боковин 2 соединена с поверхностями прилегающих к ней поверхностей полых сферических элементов 3. Опорные поверхности 4 боковин 2 соединены между собой связанным с ними армированным полиуретановым кольцом 5, при этом наружная поверхность 6 армированного полиуретанового кольца 5, находящаяся между боковинами 2, соединена с поверхностями прилегающих к ней поверхностей полых сферических элементов 3.
Показанная на фигуре полиуретановая шина с заполняющими амортизирующую полость и связанными с ее внутренними стенками заполненными газом под давлением полыми сферическими элементами, взаимосвязанными между собой, представляет собой единый массив, сплошной снаружи и содержащий сферические газонаполненные амортизирующие объемы внутри. Монолитность шины обеспечена путем наличия между поверхностями полых сферических элементов 3 и сопрягаемыми с их поверхностями внутренними поверхностями протекторной части 1, боковин 2 и наружной поверхностью армированного полиуретанового кольца 5 сплошной связи, сформированной при полимеризации полиуретана, а также сплошной связью между полыми сферическими элементами 3, также сформированной при полимеризации полиуретана. При этом несущая способность шины, показанной на фигуре, определяется не давлением газа в шине и ее силовым каркасом, а упругостью взаимосвязанных полых сферических элементов 3, заполненных газом под давлением. После полимеризации массива взаимосвязанных полых сферических элементов 3 указанный массив представляет собой эластичную ячеистую структуру, по своей несущей способности значительно превосходящую многослойный каркас. При этом в протекторной части шины можно исключить использование брекера, так как ячеистая структура наполнителя увеличивает живучесть шины при проколах и порезах до характеристик массивной шины.
Последовательность изготовления полиуретановой шины с амортизирующей полостью, заполненной полыми сферическими элементами заключается в следующем.
Первым этапом изготовления шины является изготовление элемента для заполнения амортизирующей полости. Для этого пресс-форму, имитирующую амортизирующую полость шины с заранее установленным армированным полиуретановым кольцом, заполняют полыми сферическими элементами. Следует отметить, что в качестве полых сферических элементов могут быть использованы, например, полые микросферы (диаметр от 10 мкм до 2 мм) или высокопрочные полые макросферы марок ЭМС-180, ЭМС-220, ЭМС-300, ЭМС-350 (диаметр от 5 до 20 мм с толщиной стенок от 0,3 до 1,5 мм), изготавливаемые Научно-производственным предприятием ЗАО «Аквасинт» им. Академика В.А. Телегина [5]. Диаметр полых сферических элементов и толщина их стенок выбираются в зависимости от размеров шины, прогнозируемой нагрузки и условий эксплуатации. После этого пресс-форма смыкается и в нее под давлением подается полиуретановая масса, заполняющая пресс-форму и промежутки между полыми сферическими элементами. Температуру в пресс-форме поднимают и происходит процесс полимеризации полиуретана. В результате изготавливается эластичный кольцеобразный наполнитель, содержащий газонаполненные полые сферические элементы и связанный с армированным полиуретановым кольцом.
Полученное изделие размещается внутри следующей пресс-формы, внутренние размеры которой соответствуют наружным размерам шины. В пресс-форму под давлением подается полиуретан. При прогреве пресс-формы происходит процесс полимеризации полиуретана и его жесткое соединение с кольцеобразным наполнителем. После снятия давления и разборки (разъединения) половин пресс-формы формируется наружная кольцеобразная оболочка вращения с входящими в ее состав покровными деталями в виде соединенных между собой протекторной части и боковин. При этом боковины жестко связаны с армированным полиуретановым кольцом, внутренняя поверхность которого образует посадочную часть шины. Полученное изделие представляет собой единый кольцеобразный массив, средняя часть которого представляет совокупность связанных между собой газонаполненных под давлением полых сферических элементов. Амортизирующие свойства такой шины основаны на упругости сжатого воздуха или газа и эластичности полиуретана и, как показывают исследования, по своим характеристикам приближаются к аналогичным характеристикам пневматической шины.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ГОСТ 22374-77. Шины пневматические. Конструкция. Термины и определения.
1. ГОСТ 28630-90. Шины массивные. Термины и определения.
2. ГОСТ 5883-89. Шины массивные резиновые. Технические условия.
3. Савосин B.C., Бограчев М.Л. Массивные шины. М.: Химия, 1981.
4. Сферические наполнители и композиционные материалы на их основе, г. Владимир: НПП ЗАО «Аквасинт» им. Академика В.А. Телегина. 2010.