Разработка метода замораживаемых вклеек для анализа напряженно-деформированного состояния пневматических шин

Пневматические шины являются важным элементом широко распространенных транспортных средств: легковых и грузовых автомобилей, автобусов, авиационной техники, сельскохозяйственных, строительных, дорожных, подъемно-транспортных машин, тракторов, мотоциклов и др. Одновременно находятся в эксплуатации более 4 млрд. шин, а мировой выпуск шин превышает 800 млн. в год. От надежной работы шин в значительной степени зависит комфортабельность, надежность и безопасность транспортных средств.

Шина представляет собой сложную композитную конструкцию, состоящую из резиновых элементов разной жесткости и армирующих элементов из материала другой природы (металлокорд, текстильный корд и др.). Под действием нагрузки во внутренних зонах шины, в зонах скрепления резиновых элементов с каркасом и брекером нередко появляются дефекты в виде отслоения деталей. Развиваясь в процессе эксплуатации, они приводят к разрушению шин, преждевременному их снятию или к неремонтопригодному состоянию. Поэтому повышение прочности и долговечности шин представляет собой актуальную народнохозяйственную задачу. Решение её путем усталостных испытаний образцов шин требует значительных затрат времени и средств. Дело в том, что механическое поведение таких композитов, их прочность и характер разрушения зависят не только от физико-механических и химических свойств компонентов, но также от структуры композита и технологии изготовления.

При решении вопросов прочности композитных конструкций и при разработке методов их исследований необходимо учитывать ряд особенностей. Во-первых, особенность таких конструкций и в, частности, шин, состоит в том, что концентрация напряжений возникает в них не только в зонах геометрической и силовой неоднород-ностей (т.е. в местах резкого изменения формы и нагрузки), но и в зонах механической неоднородности по поверхностям скрепления элементов из разного материала. Другая особенность состоит в том, что в композитных конструкциях возникают температурные напряжения даже при равномерном изменении температуры из-за различия коэффициентов теплового расширения материалов сопрягаемых элементов. Такого рода напряжения возникают при изготовлении шин в процессе охлаждения от температуры изготовления до температуры эксплуатации, а также в процессе эксплуатации при изменении температуры окружающей среды. Кроме температурных напряжений при изготовлении шин в них возникают напряжения, обусловленные усадкой резины и полимерных армирующих материалов. Разрушение композитных конструкций обусловлено совместным действием внешних нагрузок (поверхностных сил, давлений, массовых сил и др.), температурных и усадочных напряжений. Полный анализ напряженно-деформированного состояния шины является чрезвычайно сложной задачей. Поэтому исследуются прежде всего напряжения и деформации от действия нагрузок. Но при анализе причин разрушений необходимо стремиться к оценке влияния остальных составляющих.

Для оценки прочности и долговечности шин, для выбора оптимальных конструктивных форм, обеспечивающих наивысшую прочность и долговечность, весьма важно знать распределение и концентрацию напряжений по поверхностям скрепления элементов шины, где, в основном, и начинается развитие разрушения. Для анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) используются расчетные и экспериментальные методы. Применяемые методы расчета шин, основанные на теории многослойных оболочек (развитые в работах В. Л. Бидермана, Б. Л. Бухина, Э. Я. Левковской, И. К. Николаева, Э. И. Григолюка, А. Е. Белкина, Э. И. Кваши и других) и использующие простые модели — балки, стержни, кольцо на упругом основании (О.Н.Мухин, В. Е. Гуральник и другие), задачу определения концентрации напряжений в зонах геометрической и механической неоднородности шин не решают. Методы и средства элекгротензометрии, созданные для определения деформаций и напряжений шин, (работы В. Л. Бидермана, ВАПугина, В. П. Пачева, В. И. Новопольского, П. И. Алексеева О.Б.Третьякова, С. П. Захарова, И. В. Балабина, Э. Я. Левковской, В. Керна, К. Гроша и других) позволяют определить деформации в отдельных точках свободной поверхности, деформации и усилия в нитях корда и проволоки бортового кольца, напряжения и перемещения в контакте протектора с опорной поверхностью и борта с ободом. Для изучения напряжений во внутренних областях шины метод электротензометрии не эффективен.

Для изучения концентрации напряжений во внутренних зонах деталей и при разработке мер по их снижению, установлении причин разрушений наиболее эффективны поляризационно-оптические методы, позволяющие получить наглядную картину распределения напряжений. Эти методы в последние годы получили значительное развитие в трудах Н. И. Пригоровского, Х. К. Абена, А. Я. Александрова, М. Х. Ахметзянова, М. Ф. Бокштейн, С. Е. Бугаенко, И. И. Бугакова, Г. С. Варданяна, В. П. Нетребко, Г. Л. Хесина, Б. Н. Ушакова, А. Дюрелли, У. Райли, М. Фрохта и других.

Известно применение поляризационно-оптических методов с использованием плоских моделей из полиуретанов в виде срезов шин, шашек протектора и различных РТИ.

Ю.Н.Нейенкирхен, С. И. Добровольский, Г. И. Фельдман, М. Ф. Майская, Б. М. Горелик и другие). Результаты, полученные при изучении таких моделей шин, решают ограниченное число задач.

Таким образом, весьма актуальна разработка расчетных и экспериментальных методов анализа напряженно-деформированного состояния шин в трехмерной постановке, позволяющих определять концентрацию напряжений во внутренних зонах шины. Среди расчетных методов такие возможности представляет метод конечных элементов, а среди экспериментальных методов метод фотоупругости с применением трехмерных замораживаемых моделей.

Целью работы является разработка нового экспериментального метода определения напряжений во внутренних зонах натурных шин с применением замораживаемых вклеек из фотоупругого материала холодного отверждения /Авт. св. N 1 029 004, 1983 г./. В натурной шине образуют полости, в которые заливают композицию материала холодного отверждения. В процессе полимеризации жесткость недо-полимеризованного материала вклейки увеличивается. Шину с вклейкой нагружают статическими нагрузками в момент, когда жесткость материала вклейки становится равной жесткости окружающей резины, и выдерживают под нагрузкой до завершения полимеризации материала вклейки. После завершения полимеризации шину разгружают, извлекают вклейку, просвечивают вклейку поляризованным светом и по зафиксированной картине полос интерференции определяют напряжения.

В процессе работы решались следующие задачи:

— Теоретическое обоснование метода на основе анализа вязкоупругости полимеров в процессе полимеризации;

— Разработка фотоупругих материалов холодного отверждения для вклеек и изучение их оптико-механических свойств;

— Разработка способа тарировки материала вклеек для моделирования жесткости исследуемой резиновой детали;

— Разработка технологии изготовления вклеек и испытания шин с вклейками, методики проведения измерений и обработки результатов;

— Анализ с применением разработанного метода напряженно-деформированного состояния легковых и грузовых шин разной конструкции и разработка рекомендаций по оптимизации конструкции.

Диссертация состоит из четырех глав.

Первая глава посвящена анализу особенностей конструкции пневматических шин, их нагрузок и наблюдаемых при эксплуатации зон разрушения. Представлен также обзор и анализ опубликованных работ, посвященных расчетным и экспериментальным методам определения напряжений в шинах. Изучены возможности метода фотоупругости с применением трехмерных фотоупругих моделей из материала холодного отверждения для анализа напряжений в композитных конструкциях.

Формулируется задача исследования в виде разработки нового экспериментального метода определения напряжений во внутренних зонах натурных шин с применением замораживаемых вклеек, намечены основные этапы работы.

Во второй главе дано теоретическое обоснование метода на основе анализа вязкоупругости полимеров в процессе полимеризации. Приведены результаты по разработке фотоупругих материалов холодного отверждения для вклеек и изучению их оптико-механических свойств. Разработан способ тарировки материала вклеек для моделирования жесткости исследуемой резиновой детали. Рассмотрены основные этапы технологии изготовления вклеек и испытаний шин с вклейками, методики проведения измерений и обработки результатов. Дана оценка точности метода.

В третьей главе представлены результаты исследований по развитию методов определения деформаций в шинах с помощью резинопроволочных датчиков и кри-визномеров. Решены вопросы обеспечения контроля базы датчика при градуировке, установке на поверхность и измерениях. Разработана также новая технология изготовления датчиков, позволяющая снизить трудоемкость и повысить их качество. Разработан метод измерения изменения кривизны поверхности шины, основанный на принципах электротензометрии. Создана конструкция датчика многоразового применения с базой 10−15 мм и методика его градуировки. Результаты исследований использованы при оценке точности метода вклеек.

В четвёртой главе с применением разработанных методов детально исследовано напряженно-деформированное состояние в зонах разрушений легковых и грузовых шин: 6 конструктивных модификаций шины 9.1 420 мод. И-Н142Б, 2 конструкции шин с металлокордом в каркасе и 4 конструкции легковых шин.

При исследовании шин методом вклеек информация о распределении напряжений и их величине представлена в наглядной форме, позволяющей видеть расположение зон концентрации напряжений, максимальных и минимальных значений и определить их изменение при изменении нагрузки. Установлены некоторые особенности деформирования различных элементов шин и даны рекомендации по конструированию.

Научная новизна диссертации заключается в том, что в ней:

— разработан и обоснован новый метод экспериментального исследования полей напряжений в массиве объемных резиновых элементов шин, основанный на аналогии решения задач упругости и вязкоупругости для полимеров в процессе полимеризации. Модельные шины изготавливают с вклейками из эпоксидного фотоупругого материала холодного отверждения, причем нагружение моделей производят в тот момент, когда изменяющиеся в процессе полимеризации упругие свойства вклеек совпадают со свойствами резины. Возникшие в этот момент деформации и оптическая анизотропия замораживаются в процессе полимеризации под нагрузкой. После завершения полимеризации они измеряются способами, принятыми в трехмерной фотоупругости;

— разработаны фотоупруте материалы для изготовления вклеек и исследованы их оптико-механические свойства при разной степени полимеризации;

— получены новые экспериментальные данные о распределении и концентрации напряжений в зонах возможных разрушений шин в условиях объемного напряженно-деформированного состояния.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанный метод позволяет исследовать натурные шины сложной конструкции и выявить зоны концентрации касательных напряжений, которые, как правило, являются причиной разрушений шин, определить начальную и циклическую составляющие в местах наблюдаемых разрушений, на границе корд-резина. Информация о распределении и концентрации касательных напряжений в деталях, их величине представляется в наглядной форме в виде картины полос-линий одинаковых напряжений с фиксацией геометрии детали и её места в шине. По густоте расположения линий и величине наибольших порядков полос интерференции во вклейках судят о наличии зон концентрации и величине напряжений.

Разработаны удобные для практического использования технологии изготовления модельных шин с вклейками и их испытаний, методика измерений, обработки и представления результатов, создана экспериментальная оснастка.

Развиты также методы определения деформаций в шинах с помощью резинопрово-лочных датчиков и кривизномеров.

Разработанные методы составляют систему методов с возможностью контроля получаемой информации и позволяют:

1. Сократить сроки и затраты на разработку шины в связи с возможностью выявлять зоны концентрации напряжений и контролировать уровень напряжений в них при оптимизации конструкции шины:

— на стадии проектирования при проверке новых решений на известных образцах шин;

— на стадии доводки новой конструкции шины путём испытаний нескольких вариантов с изменёнными геометрическими и жесткостными характеристиками отдельных её элементов;

2. Расширить возможности экспериментальных методов при анализе причин разрушений шин, создании расчетных моделей, методов стендовых испытаний;

3. Оценить адекватность методов расчета напряженно-деформированного состояния в зонах концентрации напряжений.

Метод применялся в НИИ шинной промышленности для анализа напряжений в шинах разной конструкции. Установлены зоны наибольшей концентрации напряжений, изучено влияние разных конструктивных факторов /типы корда, конструкции каркаса и др./.

Результаты работы докладывались и обсуждались на семинаре «Интерференционно-оптические методы механики твердого деформируемого тела и механики горных пород» (17−19 сентября 1985 г., г. Новосибирск), на третьем (1991г.), шестом (1995г.) и седьмом (1996г.) симпозиумах «Проблемы шин и резинокордных композитов. Математические методы в механике, конструировании и технологии», проводимых НИИ шинной промышленности (г.Москва) и научным центром «Эластомеры» и опубликованы в тезисах докладов этих симпозиумов.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах [1 — 16], получено в соавторстве три авторских свидетельства на изобретение и патент.

Постановка задач исследований, а также основные результаты работы были получены под руководством создателя основ отечественной механики пневматических шин, д.т.н., профессора В. Л. Бидермана, аспирантом которого был автор. В появлении этой работы трудно переоценить роль одного из создателей отечественной экспериментальной механики шин, к.т.н. В. А. Пугина, к ученикам которого автор себя относит. Завершить работу при жизни этих людей автору, к сожалению, не удалось.

Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность д.т.н., профессору Б. Н. Ушакову за согласие взять на себя руководство по завершению работы, д.т.н., профессору Б. Л. Бухину за постоянное внимание к работе и консультации, а также сотрудникам НИИШП М. А. Леонтьевой, Г. А. Боевой, И. М. Черняге, В. А. Конкину за помощь в проведении работ и специалистам ИМАШ РАН Д. Г. Успенской и П. Н. Колосовскому за помощь в проведении экспериментов и профессиональные консультации.

Основные результаты работы и выводы.

1. Разработан новый метод экспериментального изучения напряженно-деформированного состояния во внутренних зонах натурных шин с применением замораживаемых вклеек из фотоупругого материала холодного отверждения (а.с. № 1 029 004). В резиновых элементах шины образуют полости, в которые заливают композицию материала холодного отверждения. Шину с вклейками из недополимеризованного материала нагружают в момент, когда жесткость материала вклейки совпадает с жесткостью окружающей резины, и полимеризуют окончательно под нагрузкой. Затем вклейки извлекают из шины, просвечивают поляризованным светом и по картинам полос интерференции определяют напряжения.

Метод позволяет определять напряжения во внутренних зонах натурных шин вблизи армирующих элементов, что с применением известных методов было невозможно.

2. Проведено теоретическое обоснование метода вклеек с позиций аналогии задач упругости и вязкоупругости, а также аналогии механических и оптико-механических уравнений состояния полимерного материала в процессе полимеризации. Показано, что метод позволяет получить надежные результаты при статических нагрузках, когда напряжения плавно изменяются во времени.

3. Разработаны материалы холодного отверждения для изготовления замораживаемых вклеек на основе эпоксидных смол и полиэтиленполиамина, имеющие низкую экзотермичность. Исследованы механические и оптико-механические свойства этих материалов в процессе полимеризации при разных степенях полимеризации с момента ее начала. При испытании моделей с известными теоретическими решениями установлено, что распределение напряжений в разные моменты времени при разных степенях полимеризации соответствует упругому распределению.

4. Разработан способ определения момента нагружения шин с вклейками, когда жесткость недополимеризованного материала вклейки становится близкой к жесткости окружающей резины, с применением образцов в виде круглого диска, нагруженного сосредоточенными силами вдоль диаметра, с полосой из резины в диаметральном сечении.

В момент совпадения жесткостей материала холодного отверждения и резины картина полос интерференции в таком композитном диске становится такой же, как в однородном диске.

5. Подробно разработана технология изготовления шин с вклейками и их испытания, включающая выполнение полостей для вклеек, заливку жидкой композиции материала вклеек в полости, режимы полимеризации вклеек, нагружение шин, извлечение вклеек из шины, изготовление срезов, методики проведения фотоупругих измерений в срезах, обработки и анализа результатов.

6. Развит метод измерения деформаций в шинах с помощью резинопроволоч-ных датчиков с целью повышения точности и технологичности измерений путём обеспечения контроля базы датчика при градуировке, установке на поверхность и измерениях. Разработана также новая технология изготовления датчиков, позволяющая снизить трудоемкость и повысить их качество.

7.Разработан метод измерения изменения кривизны поверхности шины, основанный на принципах электротензометрии. Создана конструкция датчика многоразового применения с базой 10−15 мм и методика его градуировки. Знание кривизны поверхности шины повышает достоверность результатов измерения деформаций и напряжений, что важно при сопоставлении расчетных и экспериментальных данных.

8. Разработанные методы составляют систему, позволяющую получать принципиально новую информацию о напряженно-деформированном состоянии элементов шины, включая трехмерное, и контролировать её достоверность. Созданные оснастка, методики испытаний, доступность и относительно невысокая стоимость материала вклеек, простота и надежность оборудования и аппаратуры, делают разработанный метод замораживаемых вклеек эффективным инженерным средством при оптимизации конструкции по требуемому минимуму местных напряжений, обеспечивающих надежность и ресурс конструкции и при определении причин разрушений шин.

9.С применением разработанных методов детально исследовано напряженно-деформированное состояние в зонах разрушений легковых и грузовых шин: 6 конструктивных модификаций шины 9.00Р20 мод. И-Н142Б, 2 конструкции шин с металлокордом в каркасе и 4 конструкции легковых шин. Установлены некоторые особенности деформирования различных элементов шин и даны рекомендации по конструированию, состоящие в следующем:

— напряженно-деформированное состояние в зонах разрушений бортовой части обусловлено мембранными усилиями, передаваемыми от натянутых нитей каркаса на бортовой кольцо, изгибом боковой стенки и взаимодействием борта с ободом. Распределение напряжений определяется совокупностью значений жесткостных и геометрических параметров конструкции. В зонах разрушений имеет место значительная концентрация касательных напряжений, которые в 5−7 раз превышают средние напряжения;

— введение усиливающих деталей, которые повышают жесткость бортовой части на растяжение и изгиб, одновременно снижает начальные деформации слоев каркаса в зоне разрушенийпри качении шины наружный слой испытывает деформации сжатия, которые при эксплуатации перегрузкой и (или) с пониженным давлением могут превысить начальное растяжение;

— на профиле шины имеются области, сохраняющиеся при перегрузке, где поперечная сила малапри размещении в них кромок слоев каркаса достигается высокая работоспособность.