Абрамов Вячеслав Николаевич. Обеспечение сохраняемости и долговечности шин и резинотехнических изделий автомобильного транспорта

Короткий опис

Абрамов Вячеслав Николаевич. Обеспечение сохраняемости и долговечности шин и резинотехнических изделий автомобильного транспорта : дис. ... д-ра техн. наук : 05.20.03 Москва, 2006 671 с. РГБ ОД, 71:07-5/51

Федеральное государственное унитарное предприятие -
21 Научно-исследовательский испытательный институт
Министерства обороны Российской Федерации
АБРАМОВ
ВЯЧЕСЛАВ НИКОЛАЕВИЧ
Обеспечение сохраняемости и долговечности
шин и резинотехнических изделий
автомобильного транспорта
Диссертация
на соискание ученой степени
доктора технических наук

стр.
Перечень сокращений, условных обозначений 8
Введение 9
Глава 1 Структура проблемы. Анализ и обобщение результатов исследо-ваний, цель и задачи исследований 27
1.1 Основные свойства резин, современные взгляды на механизм старения
полимерных материалов 27
1.2 Анализ климатических и дорожно-грунтовых условий использования
АТ 33
1.3 Анализ номенклатуры и ТТХ шин, уровень и полнота требований к
отечественным шинам для полноприводных автомобилей 41
1.4 Колесный движитель в формировании потребительских свойств авто-мобиля 50
1.5 Номенклатура колесной АТ, оценка ее технического уровня по пара-метрам шин 56
1.6 Современное состояние резиновой и шинной промышленностей
РФ 66
1.6.1 Состояние резиновой промышленности 66
1.6.2 Оценка современного уровня ТТХ РТИ 69
1.6.3 Состояние шинной промышленности 77
1.6.4 Анализ принятых в мировой практике направлений развития ре-зиновой и шинной отраслей для автомобильного транспорта 86
1.6.5 Тенденция и основные принципы совершенствования пневмати-ческих шин регулируемого давления и РТИ для АТ 88
1.6.6 Перспективность новых разработок в области шин и РТИ 93
1.7 Ключевые показатели ТТХ шин и РТИ, методы их оценки, расчета и
прогнозирования (теоретический анализ) 100
1.7.1 Сопротивление качению колеса 100 
1.7.2 Тепловая нагруженность шин 108
1.7.3 Жесткость шин 113
1.7.4 Износостойкость шин 118
1.7.5 Срок службы шин 121
1.7.6 Проходимость автомобиля. Методы оценки показателей опорной
проходимости автомобилей 124
1.7.7 Методы оценки работоспособности и прогнозирования сохра-няемости и долговечности РТИ 133
1.7.8 Методы расчета напряженно-деформированного состояния
РТИ
1.7.9 Методы модификация РТИ, синергизм свойств полимеров, меха¬
низм миграции фторированных ингредиентов 143
1.8 Выводы 153
1.9 Задачи и структура исследований 164
Глава 2 Обоснование уровня ключевых показателей ТТХ шин и полно-приводных автомобилей, критериев продолжительной работоспособности шин
и РТИ (теоретические и экспериментальные исследования) 166
2.1 Оценка параметров шин и их влияние на показатели движения автомо-билей по дорогам с твердым покрытием и бездорожью 166
2.1.1 Жесткость шин различных сроков службы 166
2.1.2 Энергетические затраты на качение колес (коэффициент сопро-тивления качению, температура разогрева шин). Ходимость шин и заметность автомобилей по ИК-излучению 176
2.2 Теоретическое обоснование критериев работоспособности шин и РТИ. Математическая модель изменения критериев работоспособности изделий...224
2.3 Выводы 246
Глава 3 Математическое моделирование качения колеса и движения авто-мобиля по деформируемому грунту. Оценка шин по жесткостным и конструк-тивным параметрам и их влияние на показатели опорной проходимости полно- 
приводных автомобилей (теоретические и экспериментальные исследова¬ния) 251
3.1 Основы построения и характеристика принятой для расчетов матема¬
тической модели качения одиночного эластичного колеса по деформируемому грунту 251
3.2 Математическая модель прямолинейного движения автомобиля по
деформируемому грунту 266
3.3 Метод оценки шин для АТ повышенной проходимости 272
3.3.1 Предварительная оценка шин по показателю приведенной удель-ной нагруженности шин по объему 272
3.3.2 Расчетная оценка влияния жесткостных и других конструктив-ных параметров шин на показатели опорной проходимости автомобилей 281
3.3.2.1 Влияние жесткостных параметров (давления воздуха) шин
290
3.3.2.2 Влияние конструктивных параметров шин 304
3.3.3 Экспериментальная оценка выбора шин по ключевым показате-лям 312
3.4 Выводы 334
Глава 4 Теоретические предпосылки для исследования работоспособно¬сти резинотехнических изделий. Оценка сохраняемости, напряженно-деформированного состояния, рецептуростроения и модификации РТИ (теоре¬
тические исследования) 340
4.1 Сохраняемость РТИ 340
4.2 Сопротивляемость разрушению (длительная прочность) резин 343
4.3 Метод оценки сохраняемости РТИ 353
4.4 Обоснование резин и материалов при рецептуростроении РТИ 371
4.4.1 Рукавные РТИ 373
4.4.2 Защитные РТИ 376
4.5 Метод оценки напряженно-деформированного состояния РТИ. Расчет
формы гофра и оптимизации профиля его сечения 384
4.5.1 Расчет НДС РТИ 384
4.5.2 Расчет формы гофра 389
4.5.3 Расчет оптимизации профиля сечения гофра 396
4.5.4 Определение статических напряжений в гофрах 402
4.6 Метод модификации резин. Моделирование кинетики миграции фто-рированного ингредиента из эластомера с лимитирующей стадией процесса, его
совместимости, оптимизации состава и режима насыщения 409
4.7 Выводы 419
Глава 5 Ускоренная оценка сохраняемости и долговечности РТИ, прогно-зирование их сроков службы. Определение основных показателей разработан-ных резин, оценка их технологичности. Фтормодификация резин. Определение статических нагрузок НДС РТИ, оценка их динамической усталости и вибро-устойчивости (экспериментальные исследования) 422
5.1 Рецептуростроение резин. Определение пластоэластических, физико¬
механических и вулканизационных показателей разработанных резиновых сме-сей 428
5.2 Изготовление РТИ и оценка технологичности резин 451
5.2.1 Изготовление опытных образцов рукавных изделий и оценка их
технологических свойств 451
5.2.2 Изготовление опытных образцов защитных РТИ и оценка их тех¬нологических свойств 456
5.3 Методика и режимы испытаний РТИ, определяемые параметры и кри¬
терии оценки их сохраняемости по результатам термовлажностного старения резин. Расчет гарантийных сроков 460
5.4 Ускоренное термостарение резин, определение сроков сохраняемости
РТИ 473
5.4.1 Ускоренное термостарение опытных резин защитных РТИ 473
5.4.2 Ускоренное термостарение опытных резин рукавных РТИ 479
5.5 Стендовые испытания рукавных РТИ 488
5.6 Фторорганическая модификация РТИ 490
5.6.1 Методика объемной и поверхностной фторорганической моди¬
фикации РТИ. Результаты оптимизации состава и режимов насыщения 490
5.6.2 Методика ускоренных климатических испытаний РТИ на термо-светоозоностойкость. Результаты испытаний 494
5.6.3 Методика ускоренных климатических испытаний РТИ на термо¬
окислительное старение. Прогнозирование времени гарантированного хранения РТИ по результатам ускоренного старения 498
5.6.4 Методика ускоренных климатических испытаний РТИ на озон-ное старение. Результаты испытаний 507
5.7 Определение статических нагрузок НДС РТИ, оценка их динамической усталости и виброустойчивости 516
5.7.1 Методика определения статических нагрузок НДС оптических и электрических моделей гофров защитных РТИ. Результаты исследований. ...516
5.7.2 Методика определения динамических испытаний защитных РТИ.
Результаты исследований чехлов на динамическую усталость 531
5.7.3 Методика и результаты исследований защитных РТИ на вибро-устойчивость (косвенную жесткостную характеристику старения резины)....540
5.8 Эксплуатационные испытания РТИ 549
5.9 Выводы 558
Глава 6 Разработка Типажа пневматических шин регулируемого давления для серийных и перспективных полноприводных автомобилей, Банка данных РТИ системы каталогизации 566
6.1 Типаж пневматических шин регулируемого давления для серийных и
перспективных полноприводных автомобилей 566
6.1.1 Концепция создания Типажа шин 566
6.1.2 Основные технические требования к шинам Типажа для пер¬спективных образцов АТ 567
6.1.3 Типоразмерный ряд шин 570
6.2 Банк данных РТИ системы каталогизации предметов снабжения для
АТ 576
6.2.1 Характеристики РТИ 576
6.2.2 Формирование стандартных форматов описания и каталожных
описаний предметов снабжения 581
6.2.3 Создание номенклатора РТИ в структуре каталога 586
6.3 Выводы 589
Глава 7 Разработка рекомендаций заводам промышленности и потребите-лям. Технико - экономическая оценка результатов исследований 592
7.1 Рекомендации заводам и потребителям по использованию шин
Типажа и разработанных РТИ, предложения по повышению их уровня
потребительских свойств 592
7.2 Технико - экономическая эффективность реализации результатов ис-следований 602
7.2.1 Технико - экономическая эффективность внедрения шин Типа¬жа 602
7.2.2 Эффективность от внедрения результатов исследований
РТИ 613
7.3 Выводы 618
Общие выводы 620
Список использованных источников 627
Приложения:
А Программа расчета показателей опорной проходимости 649
Б Программа расчета НДС и оптимальности гофра 653
В Акты реализации и внедрения результатов исследований 657
Г Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований 670

Список літератури

Общие выводы
1 Исследования выполнены по проблематике сохраняемости машин, повышения уровня их эксплуатационных показателей, работоспособности, долговечности шин и резинотехнических изделий и являются весьма актуальными, поскольку отечественные шины и РТИ, применяемые на автомобильном транспорте по ряду основных показателей не соответствуют предъявляемым к ним требованиям, их конструктивное исполнение, материалы и рецептуры резин, не обеспечивают в полной мере соответствие нагрузочных, жесткостных, размерных параметров и теплонагруженности условиям эксплуатации АТ, сохраняемости и долговечности шин и РТИ.
2 В целом диссертация представляет законченный труд, в котором на основании выполненных автором исследований разработана концепция реше-
I
ния проблемы повышения работоспособности и надежности эксплуатации ав-томобильного транспорта за счет обеспечения сохраняемости и долговечности шин и РТИ на основе совершенствования методологии их оценок и расчетов, конструктивных доработок и технологии производства, разработок новых пер-спективных материалов, способов модификации резин и их защиты.
3 В результате исследований научно обоснованы уровни ключевых пока-зателей ТТХ шин и автомобилей, критерии работоспособности шин и РТИ, раз-работаны и экспериментально проверены расчеты и оценки:
| • показателей опорной проходимости полноприводных автомобилей по
удельной нагруженности шин по объему, их жесткостным и конструктивным параметрам, уточненной математической модели качения колеса через накоп¬ленный сдвиг ее элементов в контакте с грунтом, пробуксовку и потери в ши¬нах разных сроков службы, обеспечивающих наиболее оптимальный выбор шин с улучшенными потребительскими свойствами для АТ при значительном (до 70 %) ограничении объема и погрешностей (до 30%) экспериментальной оценки, сведения ее к выбору адекватных расчетов и получение закономерно-
стей их изменений на различных грунтах от схем трансмиссии, распределения нагрузок, количества осей, давления в шинах и других факторов;
• сохраняемости РТИ по базовым критериям их работоспособности и прогнозированию сроков их службы по результатам экстраполяции эквивален-тов подобия известных расчетных зависимостей на показатели ускоренных кли-матических испытаний с установлением аналитических зависимостей их изме-нений, аппроксимации полученных зависимостей и нахождение соотношений между ними в процессе длительного хранения АТ;
• напряженно-деформированного состояния гофрированных РТИ по кри-вому стержню вдоль его геометрической оси с наделением конструкции допол-нительной жесткости и оптимизации профиля в гофрах переменного сечения в результате перераспределения опасных напряжений в закруглениях гофр на бо-ковые поверхности их стенок, разгружающих гофры на 32,4% и повышающих их долговечность в 2,2-2,4 раза;
• модификации резин с применением комбинированного способа объем-ного упрочнения фтордобавками по параметру их растворимости и набуханию на основе фторпарафинов, эфиров и спиртов-теломеров и поверхностного на-сыщения фтором с использованием фторгелиевого реагента и химического по-глотителя (СаО) со степенью фторирования по изменению массы образцов и элементному химанализу, снижающего скорость миграции ингредиентов и формирующего более плотный и стойкий к озону поверхностный слой, повы-шающей до 40% срок службы РТИ.
4 Обоснованы материалы, созданы рецептуры резиновых смесей и вне-дрены в производство (на Уральском, Саранском, Волжском, Ярославском, Ба-лаковском заводах РТИ, НИЦ "Уплотнительная техника", "РТИ-Каучук", авто-мобильных заводах УАЗ, КАМАЗ и УРАЛАЗ) защитные и рукавные РТИ с 15-летней гарантией для АТ на основе перспективных озоно- и морозостойких этиленпропиленовых, эпихлоргидриновых и гидрированных бутадиен- нитрильных каучуков. Внедрены в производство разработанные автором силь-фон переменного сечения для автомобилей ГАЗ-66 на Уральском заводе РТИ и безопасная (боестойкая) шина с внутренней опорой для семейства автомобилей "Водник" (ГАЗ-3937) на НТЦ "НИИШП".
5 Проведен комплекс ускоренных климатических, лабораторно-стендовых и натурных испытаний шин и РТИ в различных климатических и дорожно-грунтовых условиях. По результатам испытаний получены экспери-ментальные данные по жесткостным и прочностным характеристикам шин и РТИ, показателям опорной проходимости автомобилей и шин различных моде-лей и сроков службы по твердой поверхности и деформируемому грунту, экс-плуатационных показателей АТ, по кинетике изменения показателей старения резин и математической обработке исследуемых шин и РТИ. Впервые в иссле-дованиях применен способ оценки теплонагруженности шин через температуру разогрева их поверхностей с использованием тепловизионной аппаратуры.
6 Впервые разработаны Типаж пневматических шин с регулируемым дав¬лением для серийной и перспективной полноприводной АТ и Банк данных РТИ системы каталогизации ПС РФ, базирующиеся соответственно на:
• типоразмерных рядах шин по нагрузкам на колесо в соответствии с действующим Типажом АТ с обеспечением соответствия нагрузочных и раз- мерно-жесткостных параметров шин для движения АТ по дорогам с твердым покрытием (по тепловой нагруженности и коэффициенту сопротивления каче-
^ нию) и деформируемым грунтам (по удельной нагруженности шин по объему), применении радиальных шин и безопасных ободьев при сокращении их но-менклатуры и максимальной унификации последних с коммерческими образ-цами автомобилей и полуприцепного состава;
• автоматизированной системе формирования каталожных описаний предметов снабжения по сведениям, поступающим с заводов-изготовителей РТИ и АТ, обеспечивающей систематизацию коммуникативных форматов, их
( наполнение, изменение и выдачу выходных документов.
7 Теоретические, экспериментальные исследования и расчеты автора сде¬лали возможным повышение эффективности эксплуатации автомобилей с ши¬нами и РТИ разных сроков службы, выражающиеся в наиболее полной реали¬зации их эксплуатационных качеств на АТ, что позволило:
• существенно улучшить ключевые показатели характеристик полнопри-водных автомобилей для движения по дорогам с твердым покрытием и дефор-мируемым грунтам (снизить энергетические затраты на качение и температуру разогрева шин не менее чем в 1,3-1,5 раза, а также расход топлива на 10-15 %, повысить тягово-сцепные показатели до уровня лучших по проходимости об-разцов автомобилей, соответственно снизить заметность армейских автомоби-лей от технических средств разведки, в 1,7-2,1 раза повысить ходимость шин с одновременным существенным снижением эксплуатационных расходов);
• увеличить гарантийные сроки хранения и эксплуатации шин с регули-руемым давлением до 10 лет для автомобилей многоцелевого назначения и до 12 лет - для специальных колесных шасси, гарантийный срок службы защит¬ных и рукавных резинотехнических изделий для АТ до 15 лет;
• снизить нормы наработки до списания шин при эксплуатации в услови-ях жаркого климата - на 10% и за каждый год после 5 лет их хранения и экс-плуатации - на 2,5% от основной нормы;
• установить надбавку 5% к основной норме расхода горючего при экс-плуатации автомобилей с шинами со сроком службы 10 лет и более;
• определить рациональные режимы использования, условия и способы содержания шин на автомобильном транспорте (оптимальная периодичность замены шин не более 15 лет на АТ и 5 лет на складах АТИ, разгрузка колес на открытых стоянках машин ДХ и их защита, установка в хранилищах упоров, предотвращающих излом каркаса шин при потере в них внутреннего давления);
• разработать конкретизированные значения нормативных показателей в технических требованиях к шинам перспективных автомобилей (в ГОСТ 13298, ГОСТ РВ, Типаже шин) по соответствующим нагрузочным, размерным и жест-костным параметрам шин для движения по дорогам с твердым покрытием и
• разработать концепцию создания конструкции современной шины и типоразмерного ряда шин для полноприводных автомобилей:
- шина радиальная, бескамерная с соответствием нагрузочных и размер-ных параметров по приведенной удельной нагруженности по объему не более 8,0 тс/м ; тороидная или широкопрофильная с рисунком протектора повышен-ной проходимости при развитых грунтозацепах в плечевой части и расчленен-ным насыщенным по центру беговой дорожки; целиком металлокордная с из-быточным регулируемым давлением воздуха и нормируемым радиальным про-гибом при минимальном (10-12 %) и номинальном (3-4 %) давлении от наруж-ного диаметра; с разъемным герметичным ободом и резинокордным распорным кольцом или внутренним неподвижным ограничителем деформации, обеспечи-вающими надежную посадку шины на обод и герметичность, а также исклю-чающими проворачивание шины на ободе, как при наличии, так и при отсутст-вии внутреннего избыточного давления;
- типоразмерный ряд с созданием физически подобных шин с масштабом подобия по нагрузке, равному кубическому масштабу по линейным размерам; прекращением производства диагональных и переход на более прогрессивные радиальные шины той же размерности и только в бескамерном исполнении; применением на всех полноприводных автомобилях, в том числе и малого класса грузоподъемности (УАЗ, ГАЗ) системы регулирования давления воздуха в шинах; разработкой для СКШ шин КГШ радиальной конструкции в беска-мерном исполнении; кардинальным сокращением номенклатуры применяемых на АТ шин для перспективных (до 8 типоразмеров) и серийных образцов (до 13 типоразмеров); использованием шин ЦМК, «каркасного» типа и ограничителей деформации шины, как перспективным направлением совершенствования их конструкции; возможностью монтажа шин Типажа, как с внутренним ограни-чителем деформации, так и без него на одинаковых ободьях без ухудшения по-
казателей опорной проходимости; сокращением времени регулирования давле-ния воздуха в шинах при использовании более производительного компрессора и установки вентилей по типу БК-5 с проходными отверстиями большего диа-метра (8 и 10 мм вместо 5 мм); применением шин одинаковых размерностей для колесных тягачей и полуприцепов, безопасных шин; обеспечением ремон-топригодности шин без проведения демонтажных работ;
• прогнозировать жесткостные характеристики и тепловую нагружен- ность шин, их влияние на тягово-скоростные и топливно-экономические пока-затели, опорную проходимость автомобилей и ресурс шин;
• разработать нормативные показатели РТИ, включенные в ОТТ системы НТД и технические требования: в части гарантийного срока службы, ресурса, условной прочности, твердости и относительного удлинения при разрыве, 030- ностойкости, накопления относительной остаточной деформации, коэффициен¬та старения и др.
• определить пути повышения сохраняемости РТИ (в 2-3 раза) на основе применения эффективных способов защиты резин (фторорганической модифи¬кации резин), новых конструкций (защитных чехлов переменного сечения) и прогрессивных материалов (защитных и рукавных РТИ на основе гидрирован¬ных каучуков), прогнозирования их сроков службы (до 15 лет) по результатам ускоренных климатических испытаний резин и РТИ на режимах, имитирующих
|| термовлажностное, термосветоозонное, термоокислительное и озонное старе¬ние;
• рассчитать профиль сечения и оптимизировать границы гофров защит-ных РТИ переменного сечения, увеличивающих жесткость конструкции почти в 2 раза до постоянной ее однородности при деформации;
• прогнозировать прочностные характеристики РТИ, сроки их службы (до 15 лет) на основе установления эквивалентных режимов хранения и экс-
f плуатации РТИ, согласуемых с их оценкой на озоностойкость, статическую и динамическую усталость резин;
• сократить затраты на эксплуатацию и хранение шин и РТИ соответст-венно в 1,5 и 4,3 раза, снизить трудоемкость их технического обслуживания в среднем в 3 раза и решить некоторые аспекты экологической проблемы.
8 Для реализации концепции решения проблемы разработаны рекоменда¬ции потребителям и заводам промышленности на создание перспективных шин Типажа, использование разработанных РТИ с 15 - летней гарантией, гофриро¬ванных РТИ переменного сечения и фторированных резин, предложения по по¬вышению их уровня потребительских свойств на основе разработанных требо¬ваний и подтвержденных изобретениями автора.
9 Экономический эффект из расчета на 1 тыс. автомобилей многоцелево¬го назначения с учетом общего внедрения разработок автора при реализации
( рекомендаций по обеспечению надежности шин и РТИ составит значения от
15,1 до 28,7 млн. руб. в год (в ценах 2005г.)
10 Проведенные исследования позволяют определить следующие основ-ные направления работ в области сохраняемости и долговечности шин и РТИ:
• создание шин для полноприводных автомобилей без избыточного дав-ления воздуха в них, применение технологии литья шин под давлением на ос-нове перспективных полиуретановых каучуков с низким гистерезисом;
• развитие и совершенствование Типажа шин для АТ на основе макси- ^ мальной унификации шин, сокращении их номенклатуры для всего типораз¬мерного ряда полноприводной АТ с учетом отечественных и мировых дости¬жений в области конструирования, материалов, технологий и применяемости;
• повышение надежности, качества изготовления и создание всей но-менклатуры РТИ и шин с 15-летней гарантией на основе применения высокока¬чественных материалов и технологий;
• совершенствование методов (методик) оценок и расчетов, способов за- ► щиты и восстановления работоспособности, нормативов в области шин и РТИ,
эксплуатационных показателей автомобилей двойного применения.