Повышение прочностных характеристик свойств шин сельскохозяйственной техники

Эксплуатация сельскохозяйственной техники сопряжена с различными видами рисков (природно-климатическими, экологическими, техническими). Эти риски связаны с уровнями состояния техники и ее технического обслуживания, превышением допустимых нагрузок техники, со сложными погодными условиями (высокотемпературные колебания, влажность, грязь), с работой на слишком влажной или сухой почве и др. факторами, которые способствуют преждевременной потере работоспособности машин (быстрому износу деталей или нарушению регулировки, перегреву агрегатов, окислению смазочного материала с последующей его деструкцией, увеличению скорости коррозионных процессов и др.), а также разрушению почвенного покрова, загрязнению почвы и атмосферы [1–5].

Непредвиденные простои техники в периоды наивысшей загрузки ведут к потере производительности и продукции, увеличению расходов на ремонт.

Несмотря на то, что вся колесная техника комплектуется пневматическими шинами усиленной проходимости, существует ряд актуальных проблем, связанных с их использованием [6–8].

Подвижной состав сельскохозяйственных машин и машин специального назначения подвержен механическим, динамическим, фрикционным нагрузкам, оказывающим неблагоприятное воздействие на шины и, как следствие, приводящим к их разрыву. К таковым факторам относят: значительное превышение допустимого давления, механические повреждения, высокую температуру окружающей среды, работу шин на высоких скоростях, износ, неправильную установку и неравномерное распределение нагрузки на шины [9; 10].

Наиболее распространенный вид деформации при эксплуатации шин комбайнов и тракторных прицепов, обеспечивающих доставку грузов с полей, а также тракторов промышленных и лесных модификаций – вытягивание нитей корда покрышки с последующим разрывом бортовой зоны (рис.1).

Рис. 1. Разрушение бортовой зоны покрышки

Данный дефект очень распространен вследствие того, что шина, используемая в колесных тракторах и др. сельхозтехнике, практически не имеет запаса прочности по бортовой зоне при перегрузе.

Такие покрышки, как правило, имеют конструкцию диагонального типа, которая подразумевает сетчатое расположение нитей корда каркаса относительно друг друга

V estnik of Omsk SAU, 2025, no. 3 (59)

AGROENGINEERING

под углом 30–45°, при этом жесткость каркаса не оказывает существенного влияния на усиление бортовой зоны в области металлического обода. Значительное влияние на работу каркаса оказывают толщина корда, его плотность, теплостойкость и другие физико-механические свойства [11].

Современные модели сельскохозяйственных шин разрабатываются с учетом целого ряда факторов, таких как вес техники, тип обрабатываемой почвы и характер выполняемых работ. Конструкционные особенности шин направлены на повышение проходимости, сцепления и снижение вероятности повреждения грунта, в итоге это способствует повышению эффективности агротехнических процессов и снижению затрат.

Цель работы заключается в разработке технологического решения по усилению бортовой зоны покрышки для сельскохозяйственных машин с использованием отходов армирующего материала – металлокорда, применяемого в шинном производстве.

Материалы и методы

Исследования проводились в производственных и лабораторных условиях АО «Омскшина» и химико-аналитической лаборатории Сибирского казачьего института технологий и управления в 2024-2025 гг.

Объектом исследования явился метод усиления бортового крыла шины диагональной конструкции.

Предмет исследования – физико-механические свойства армирующего материала.

Физико-механические свойства материалов характеризовали по стандартным методикам в соответствии с ГОСТ 23785.1, ГОСТ 23785.7 – 2001, АSTMD 885, АSTMD 4974, АSTMD 2969, АSTMD 2229-02, ГОСТ 14863 – 69 «Резина. Метод определения прочности связи резина-корд, Н-метод», ГОСТ 7463-2003 «Шины пневматические для тракторов и сельскохозяйственных машин. Технические условия».

Результаты исследования

Для увеличения прочности боковой части диагональных шин используется несколько слоев текстильного корда, который укладывается в определенном направлении, чтобы нити пересекались. В каркасе покрышки с диагональным строением всегда четное количество слоев корда, нити идут от одного края к другому, и для усиления необходимо обеспечить пересечение путей слоев (рис. 2).

Рис. 2. Борт сельскохозяйственной шины стандартной конструкции:

1 – металлический обод; 2, 3 – корд текстильный

V estnik of Omsk SAU, 2025, no. 3 (59)

AGROENGINEERING

Срез бортовой зоны дает наглядное представление о том, как располагаются слои армирующего материала. Несмотря на то, что кордная нить в покрышке работает главным образом на растяжение и многократный изгиб, отметим: при чрезмерном усилении нагрузки на покрышку происходит вытяжка слоев текстильного корда на внешнюю часть бортовой зоны (рис. 3).

Рис.3. Отслоение каркаса от бортовой зоны

Поскольку такая проблема встречается в практике довольно часто, одним из перспективных технических решений является усиление конструкции борта шины дополнительными слоями обрезиненного металлокорда, который широко используется для производства различных деталей в шинной и резинотехнической промышленности.

Предлагается использовать остатки и малые по размерам части металлокорда, образующиеся в процессе раскроя материала, а также забракованный с незначительными дефектами обрезиненный металлический корд, не допущенный в производство.

Следует отметить, что такой материал относится к наиболее проблемному виду отходов из-за сложности его последующей утилизации. Существующая в настоящее время система управления этими и др. видами отходов недостаточно результативна по целому ряду причин (недостаточное финансирование, отсутствие строгого законодательного контроля и др.), это увеличивает экологические риски, связанные с их обращениями [12; 13].

В связи с этим технологическое решение использования отходов прорезиненного металлокорда для структурирования и повышения прочности бортовой зоны пневматической шины, изготовленной из текстильного корда, может служить эффективной стратегией развития управления данным видом отходов.

Предварительно исследовали характеристики некоторых материалов, используемых для армирования бортовой зоны шины, результаты представлены в табл. 1.

Полученные результаты проведенных испытаний свидетельствуют: использование текстильного корда для усиления бортовой зоны менее эффективно в сравнении с металлокордом. В частности, разрывная нагрузка металлического корда превосходит таковую величину текстильного корда на 1520 Н; разница в величине относительного удлинения материалов при разрыве составляет 22,5%.

V estnik of Omsk SAU, 2025, no. 3 (59)

AGROENGINEERING

Таблица 1

Сравнение характеристик физико-механических свойств исследуемых материалов

Наименование измеряемого показателя	Армирующие материалы
	Пропитанная кордная нить марки 30 КНТС	Металлокорд марки 9Л30НТ
Толщина нити, мм	0,79	1,13
Разрывная нагрузка, Н	285	1805
Относительное удлинение при разрыве, %	24,0	1,5

Установлено, что удлинение при разрыве металлокорда – 1,5%, это оптимальная характеристика для усиления бортовой зоны шины. Данная величина показывает стабильность физико-механической характеристики, оказывающей влияние на бортовую зону при различных деформационных напряжениях при эксплуатации.

При проведении исследований были изготовлены два опытных образца шин диагональной конструкции с различным видом усиления бортовой зоны:

• –    конструкция 1-го образца была собрана по стандартной технологии с использованием текстильного капронового корда в качестве армирующего материала;

• –    армирующим материалом 2-го образца служили обрезки металлокорда, дополнительно раскроенные в прямоугольные ленты и состыкованные между собой.

Усиление крыла шины проводили на полуавтоматическом кольцеделательном станке модели АКД-2А. С внешней стороны к крылу прикрепляли армирующий материал, с последующей его прикаткой, это обусловило расположение металлокорда внутри бортовой зоны.

Аппарат по навивке способен одновременно выполнять несколько бортовых колец. Сначала ленту пропускали через группу шкивов, которые отвечают за ее противооткатность, после она попадала к продольно-резательному устройству аппарата, где подвергалась раскройке, а посредством пневматических роликов перемещалась к следующему этапу. В устройство захвата шаблона подводили ленту с уже подготовленной проволокой, пневматические ролики откатывались назад, и шаблон «крыла» принимался к навивке кольца, после пневматические ножи обрезали заготовку, которая выталкивалась в емкость для шаблонов колец, при помощи подходящей необработанной ленты. Далее готовые шаблоны поступали на проверку диаметра на специализированном устройстве.

После изготовления усиленных бортовых колец с отходами обрезиненного металлокорда были собраны экспериментальные шины (6 шт.) и отправлены в вулканизационный пресс с нагреванием до температуры вулканизации резиновой смеси при давлении 3,5 МПа, а затем охлаждением.

Для исследования структуры бортовой зоны экспериментального образца 2 был сделан вертикальный срез, отражающий строение шины, в слои которой в виде армирующего элемента введены дополнительные слои из отходов металлокорда (рис. 4).

Армирующий слой металлокорда на срезе шины отчетливо демонстрирует заворот, цель которого – увеличить монолитность конструкции, улучшить прочностные характеристики и способствовать повышению адгезии.

На следующем этапе эксперимента в испытательной лаборатории были проведены исследования по определению прочности связи резины с кордом (адгезия), это критически важное свойство для шин, определяющее их долговечность и

V estnik of Omsk SAU, 2025, no. 3 (59)

AGROENGINEERING

безопасность. Эта прочность обеспечивает надежное соединение резинового слоя с кордом, предотвращая расслоение и деформацию шины при эксплуатации.

Рис. 4. Срез бортовой зона шины, армированной металлокордом: 1 – текстильный корд; 2 – бортовое кольцо; 3 – металлокорд

Определение адгезии проводили по Н-методу, который основан на вулканизации резиновых образцов с кордом и последующем определении прочностных характеристик. При оценке прочности связей учитывается наивысшая сила в ньютонах, возникающая при вырывании нити из резинового блока на разрывной машине. Образцы испытывали через 24 ч после вулканизации. Результаты исследования представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты испытания (Н-метод)

№ образца п/п	Разрывная нагрузка, Н
	Пропитанная кордная нить марки 30 КНТС (образец 1)	Металлокорд марки 9Л30НТ (образец 2)
1	211	932
2	181	782
3	202	708
4	208	886
5	197	952
6	203	954
7	182	818
8	196	885
Средние статистические показатели: образец 1 – 195 Н, образец 2 – 862 Н

Установлено, что адгезия текстильной кордной нити с вулканизованной резиной в 4,42 раза ниже, чем у опытного образца 2 с использованием отходов металлокорда.

Согласно результатам испытаний наилучшие показатели демонстрирует опытный образец 2. Основные параметры экспериментальных исследований опытных образцов представлены на рис. 5.

Таким образом, в результате проведенных исследований выявлено положительное влияние использования дополнительных слоев из отходов обрезиненного металлокорда

V estnik of Omsk SAU, 2025, no. 3 (59)

AGROENGINEERING

марки 9Л30НТ как на физико-механические, так и на эксплуатационные, в том числе адгезионные, свойства шины.

Рис. 5. Основные параметры экспериментальных исследований опытных образцов

Выводы

Использование отходов металлокорда имеет существенные преимущества в сравнении с текстильным кордом, подтверждают это упругопрочностные характеристики армирующих материалов: металлокорд имеет разрывную нагрузку (1805Н): на 74,2% выше в сравнении с текстильным кордом.

При этом у металлокорда отмечается малое относительное удлинение (1,5%), которое способствует более прочному усилению бортовой зоны, минимизируя возможность вытягивания нитей каркаса шины.

Отходы металлокорда, интегрированные в виде дополнительных усиливающих слоев в борт покрышки, способны значительно повысить прочностные характеристики сельскохозяйственной шины.

Полученные результаты исследования, подтверждающие адгезионные характеристики армирующих материалов с резиной, проводимые по Н-методу и имитирующие борт вулканизованного колеса, указывают на верный выбор решения по использованию отходов металлокорда. Средняя характеристика адгезионной прочности металлокорда с вулканизованной резиной составила 862 Н, это существенное усиление для бортовой зоны в сравнении с текстильным кордом на 77,4%.

Данное технологическое решение по усилению бортовой зоны сельскохозяйственной шины рекомендовано для производства.