3＋9＋15×0.225ST钢丝帘线在全钢载重子午线轮胎胎体中的应用

朱立新，冯兴林，徐海涛，潘 雷，苍俊祥，陈立强*

（1.山东昌丰轮胎有限公司，山东 广饶 257335；2.山东大业股份有限公司，山东 诸城 262200）

进入21世纪以来，我国子午线轮胎生产得到了长足的发展，从引进技术到国产化技术、从低端制造向高端制造转型，企业规模持续壮大，品质管控越来越严格，品牌化发展越来越清晰，根据国家战略规划向着培养具有世界影响力的轮胎企业和民族轮胎品牌迈进[1-2]。

钢丝帘线作为轮胎的骨架材料，起着支撑胎体同时承载车辆及货物载质量的作用[3-9]。这就要求钢丝帘线具有优异的耐屈挠疲劳性能和超高的破断力以保证轮胎安全性，且钢丝帘线与橡胶具有良好的粘合性以保证橡胶与钢丝帘线的结合，减少钢丝帘线脱层、断裂等带来的风险[10-12]。

3＋9＋15×0.225ST钢丝帘线特点如下：（1）同向捻，减少钢丝帘线层与层之间点接触造成的损耗，提高钢丝帘线耐疲劳性能；（2）单丝强度高，保障轮胎结构安全倍数；（3）结构简化、单丝直径大，在成本及耐疲劳性能方面优势明显；（4）无外缠丝，减小钢丝帘线加工成本，优化加工工艺。

本工作研究3＋9＋15×0.225ST钢丝帘线替代3＋9＋15×0.22+0.15NT钢丝帘线在全钢载重子午线轮胎胎体中的应用。

1 实验

1.1 主要原材料

3＋9＋15×0.225ST钢丝帘线，山东大业股份有限公司产品；3＋9＋15×0.22＋0.15NT钢丝帘线，国内某钢丝帘线厂产品。

1.2 主要设备和仪器

钢丝帘线生产线，日本IHI公司产品；150-E型刚度仪，美国TABER公司产品；M/C型亨特疲劳试验机，山东泰成精密科技有限公司产品；3365型拉力机，美国英斯特朗公司产品；90°裁断机和一次法成型机，软控股份有限公司产品；双模硫化机，桂林橡胶机械有限公司产品；TB-2-200-Y型双工位轮胎高速/耐久试验机和LQJ-1B型轮胎强度/静负荷试验机，青岛高校测控技术有限公司产品。

1.3 性能测试

钢丝帘线性能按照GB/T 33159—2016进行测试；成品轮胎充气外缘尺寸和强度性能分别按照GB/T 521—2012和GB/T 4501—2016测试，轮胎耐久性能按照山东昌丰轮胎有限公司内控标准测试。

2 结果与讨论

2.1 钢丝帘线性能

2.1.1 结构及基本性能指标

3＋9＋15×0.225ST钢丝帘线和3＋9＋15×0.22＋0.15NT钢丝帘线结构对比见图1，性能指标对比见表1。

表1 两种钢丝帘线基本性能指标对比Tab.1 Comparison of basic property indexes of two kinds of steel cords

由图1可见：两种钢丝帘线均属于紧密型结构，渗胶性能一般，渗胶后钢丝帘线变形情况有差异，3＋9＋15×0.22＋0.15NT钢丝帘线带有外缠丝，渗胶后帘线结构发生变化，芯线结构变化不大，第2层与第3层之间渗胶厚度不均匀，造成钢丝帘线略有变形；3＋9＋15×0.225ST钢丝帘线渗胶后各内外层结构间隙变化不大，渗胶均匀。与带外缠丝结构3＋9＋15×0.22＋0.15NT钢丝帘线相比，不带外缠丝结构3＋9＋15×0.225ST钢丝帘线渗胶后稳定性提高，具有良好的耐疲劳及耐屈挠性能。

由表1可见：与3＋9＋15×0.22＋0.15NT钢丝帘线相比，3＋9＋15×0.225ST钢丝帘线直径减小，可以减小压延帘布厚度；破断力提高30%，可提高轮胎结构安全倍数。

2.1.2 刚度

两种钢丝帘线刚度对比见表2。

由表2可见，3＋9＋15×0.225ST钢丝帘线刚度大于3＋9＋15×0.22＋0.15NT钢丝帘线。钢丝帘线刚度越大挺性越好，压延时发生跳线、并线的概率低，有利于帘布压延的质量稳定性，且帘布裁断时塑性保持率好，扭转目标值设定合理则帘布发生翘头的概率低；成型时因载重轮胎胎圈部位材料厚度偏大，钢丝帘线较大的刚度和良好的挺性可以减轻成型胎坯胎圈部位因三角胶、胎圈等材料厚度和质量大造成的凹陷和由此带来的硫化装模困难，减少胎坯变形引起的质量问题。

表2 两种钢丝帘线刚度对比Tab.2 Comparison of stiffnesses of two kinds of steel cords TSU

2.1.3 亨特疲劳试验

应用亨特疲劳试验机模拟钢丝帘线在轮胎中受力弯曲运动中的应力状态。取1根限定长度的钢丝帘线置于亨特疲劳试验机上，弯曲180°，在接受弯曲应力的状态下旋转钢丝帘线，使其反复受到拉伸和压缩应力，直至钢丝帘线发生断裂，记录一定弯曲应力下的疲劳次数，试验结果见表3。

表3 两种钢丝帘线疲劳次数对比Tab.3 Comparison of fatigue times of two kinds of steel cords

由表3可见：在加载相同弯曲应力的情况下，3＋9＋15×0.225ST钢丝帘线耐疲劳性能具有明显优势；两种钢丝帘线疲劳次数均随加载应力的增大而减少。

2.1.4 H抽出力

H抽出力是从硫化试样中将埋入的钢丝帘线沿轴向抽出的力。每板试样15根钢丝帘线，每板试样抽取5根钢丝帘线以测算其H抽出力的平均值，使用的夹具应有保证应力均匀的圆孔以用来观察覆胶率，测试结果见表4。

由表4可见，两种钢丝帘线老化前H抽出力、覆胶率及老化后H抽出力保持率均保持较高水平，满足客户使用要求。

表4 两种钢丝帘线H抽出力对比Tab.4 Comparison of H extraction forces of two kinds of steel cords

2.2 帘布生产工艺

2.2.1 压延

两种压延钢丝帘布性能对比见表5。

由表5可见，与3＋9＋15×0.22＋0.15NT钢丝帘布相比，3＋9＋15×0.225ST钢丝帘布压延密度减小，帘布强度增大。

表5 两种压延钢丝帘布性能对比Tab.5 Comparison of properties of two kinds of calendered steel cord fabrics

3＋9＋15×0.225ST钢丝帘线在压延放线单丝张力和压延主张力分别控制为（14.7±0.98）和（11 760±980）N、压延厚度为2.8 mm、压延线速度为25 m·min-1的条件下，压延钢丝帘布未出现稀并线现象及散头、硬弯、波浪丝、起鼓等情况，帘布平整光滑，符合压延工艺要求[1-2]，如图2所示。

图2 3＋9＋15×0.225ST压延钢丝帘布Fig.2 3＋9＋15×0.225ST calendered steel cord fabric

2.2.2 裁断

3＋9＋15×0.225ST钢丝帘布应用于12.00R20轮胎胎体，裁断时采用90°直裁裁断机[13-17]，裁断帘布四角无翘头、翘边现象，中间部分无拱起，全程自动拼接，接头良好，拼接间隙符合裁断施工标准，裁断质量符合裁断工艺要求，如图3所示。

图3 3＋9＋15×0.225ST钢丝帘布直裁拼接Fig.3 Direct cutting splicing of 3＋9＋15×0.225ST steel cord fabric

2.2.3 成型

采用3＋9＋15×0.225ST钢丝帘布的胎体挺性好、刚度大，成型充气后膨胀的胎体帘布无拉伸、变形、稀并线情况，胎体承载力强，后压辊辊压后胎坯形状保持良好，成型胎坯停放后胎圈部位无凹陷情况，成型状态见图4。

图4 3＋9＋15×0.225ST钢丝帘布轮胎成型状态Fig.4 Building state of 3＋9＋15×0.225ST steel cord fabric tire

2.3 成品性能

使用3＋9＋15×0.225ST钢丝帘线替代3＋9＋15×0.22＋0.15NT钢丝帘线应用于工矿系列12.00R20全钢载重子午线轮胎胎体，进行成品轮胎性能测试，结果见表6。

由表6可见：使用3＋9＋15×0.225ST钢丝帘线的轮胎充气外缘尺寸符合国家标准要求；与使用3＋9＋15×0.22＋0.15NT钢丝帘线的轮胎相比，使用3＋9＋15×0.225ST钢丝帘线轮胎的破坏能提高24%，耐久性试验累计行驶时间延长16%，远超过国家标准要求。综合来看，使用3＋9＋15×0.225ST钢丝帘线的轮胎安全性更好。

表6 两种钢丝帘线成品轮胎性能测试结果Tab.6 Test results of performances of two kinds of steel cord tires

2.4 成本分析

压延机停机的人工、设备及原材料方面的浪费极大。3＋9＋15×0.225ST钢丝帘线定长比3＋9＋15×0.22＋0.15NT钢丝帘线增大500 m，其可减少压延停机、接头搭接牵引等工时及材料浪费。压延成品率可提高25%。

两种钢丝帘布生产成本对比见表7。

表7 两种钢丝帘布成本对比Tab.7 Comparison of costs of two kinds of steel cord fabrics

由表7可见，与3＋9＋15×0.22＋0.15NT钢丝帘布相比，3＋9＋15×0.225ST钢丝帘布压延密度减小2根·dm-1，压延厚度减小0.2 mm，帘线成本、胶料成本和帘布质量分别减小2.5%，6.9%和4.2%，具有明显的成本优势。

3 结论

工矿系列轮胎主要应用于矿区，道路条件苛刻且轮胎承载质量大。与3＋9＋15×0.22＋0.15NT钢丝帘线相比，3＋9＋15×0.225ST钢丝帘线直径减小，破断力、刚度、耐疲劳性能显明提高，与胶料粘合性能良好，以其替代3＋9＋15×0.22＋0.15NT钢丝帘线用于工矿系列全钢载重子午线轮胎胎体，可减小压延密度和帘布厚度，并延长轮胎使用寿命，具有良好的效益。