Шины из полиуретановых эластомеров
11.10.10
Д-р техн. наук С.А. Любартович,
канд. хим. наук Л.А. Шуманов, канд. техн. наук И.В. Веселое, НИИШП, ООО НПП «Полиуретан»
Шины представляют собой наиболее распространенный и сложный тип эластичных изделий технического назначения, являясь важной и ответственной деталью автомобилей, самолетов, военной и сельскохозяйственной техники, велосипедов, мотоциклов, и других. транспортных средств. Объемы производства шин в РФ последние 10 лет неуклонно возрастают до 8-10% в год. В настоящее время в РФ производится около 42 млн. шин в год (без учета массивных и других не пневматических шин).
Шина является наукоемким конструктивно сложным изделием, так как к ней предъявляется широкий комплекс противоречивых технических требований: механическая прочность, конструктивная жесткость в сочетании с хорошей амортизирующей способностью, высокая скорость качения и небольшие теплообразования, низкое сопротивление качению и высокая износостойкость в сочетании с хорошим сцеплением и небольшим тормозным путем и др. Реализация приемлемого компромисса свойств шины требует усложнения конструкции и использование сложных ресурсоемких технологий.
В этой связи полиуретановые эластомеры, обладающие уникальным комплексом технических и технологических свойств (недостижимым в традиционных резинах) побудили шинников, в частности НИИШП, к постановке работ по созданию и внедрению полиуретановых шин сразу после зарождения в середине XX века сырьевой базы полиуретанов.
Внедрения началось с массивных шин, где высокие упруго-прочностные свойства в сочетании с высокой эластичностью и износостойкостью полиуретана позволили повысить грузоподъемность до 3-6 раз и срок службы до 10 раз по сравнению с резиновой шиной аналогичного размера. Уменьшение допустимого диаметра и ширины колеса при использовании полиуретановой шины позволяет повысить маневренность напольного транспорта, а более низкое сопротивление качению способствует уменьшению частоты перезарядки аккумуляторных батарей элекроприводного транспорта и увеличению массы грузов, перевозимых на ручных тележках.
НИИШП совместно с ООО НПП «Полиуретан» разработали широкий ассортимент массивных шин из полиуретановых эластомеров на основе простых и сложных полиэфиров с твердостью от 55 до 95 усл. ед. по Шору А для безрельсового и рельсового транспорта, в том числе катки для эскалаторов метрополитена, стабилизирующие колеса дискового типа для монорельсового подвижного состава, массивные шины для катальных горок, шины для внутризаводского транспорта, погрузчиков и тележек различного назначения, инвалидных кресел-колясок, ролики, катки и асфальтоходные башмаки для гусеничной техники и др.
Полиуретановые массивные шины нашли широкое применение, успешно вытесняя с рынка резиновые шины аналогичного назначения.
Самонесущие шины (в том числе «туннельные», «подушечные» или типа «эластик») - отличаются от обычной массивной шины наличием в полиуретановом массиве между протекторной и посадочной частями закрытых окружных полостей или равномерно распределенных по окружности опорных ребер или открытых полостей с осевой, окружной и/или радиальной направленностью. Указанные опорные ребра или выемки могут иметь различную конфигурацию, например иметь вид сквозных цилиндрических, конических, клиновидных или иных отверстий, образовывать сетку перегородок, радиальные или эвольвентно расположенные ребра.
К последним относится, например, полиуретановое запасное колесо фирмы Юнироял. Запасное колесо имеет массу в 3-4 раза меньшую, чем обычная шина, и занимает меньшее пространство в багажнике автомобиля, при этом имеет пробег до 4800 км при скорости до 125 км/час.
Специалисты американского исследовательского центра Мишлен ведут работы по созданию самонесущей полиуретановой шины, совмещенной с диском, так называемые колеса Twel (Tire + Wheel, шина + диск). В этих шинах роль амортизирующего элемента выполняет не воздух, а эластичные полиуретановые спицы, связывающие протектор и диск. По мнению разработчиков, главное преимущество таких шин - возможность независимого изменения их радиальной и боковой жесткости.
К самонесущим шинам можно отнести шины с так называемой «туннельной подушкой», имеющие «V» - образный профиль. Нами разработаны шины туннельного типа для ведущих и несущих колес инвалидных кресел-колясок 37-533, 37-540 и 47-110, которые полностью отвечают требованиям заказчиков: не требуют подкачки воздухом, имеют хорошие амортизационные свойства, не оставляют следов на полу, имеют низкое сопротивление качению, высокую износостойкость и привлекательную окраску.
Эластичные полиуретановые вставки и заполнители используются в безопасных проколостойких шинах. Эластичные вставки в виде полиуретановых самонесущих опорных колец используются в безопасных легковых колесах типа PAX, разработанных фирмой Мишлен совместно с химической фирмой DOW при участии фирм Гудьир и Пирелли. В шинах PAX при проколах и полной потере давления полиуретановая вставка позволяет сохранить водителю контроль над автомобилем и проехать до 200 км при скорости 80 км/час. Полиуретановое опорное кольцо самонесущей конструкции имеет массу в 2 раза меньшую, чем резиновое опорное кольцо аналогичной шины. В шинах, работающих при относительно небольших скоростях, вместо воздуха с успехом пользуются низкомодульные полиуретановые заполнители типа Тайерфил либо вспененные полиуретаны. Смесь исходных компонентов заполнителя закачивается в полость шины через вентиль под давлением, соответствующим рабочему давлению воздуха в шине.
Шины атмосферного давления имеют конфигурацию, близкую к пневматической шине, но работают при нулевом избыточном давлении. Нами были опробованы полиуретановые шины атмосферного давления для ведущих колес инвалидных кресел колясок 37-533, сельхозшины 5.00-10 и шины 34-286 для детского велосипеда «Спарите -ЗМ». В шине 34-286 для обеспечения плотной и надежной посадки
на обод использовалась конструкция замкнутого профиля с разъемным основанием.
Полиуретановые пневматические шины - это уникальное, без преувеличения, самое сложное изделие из полиуретанового эластомера. Над ее созданием мы работали около 30 лет, теоретически обосновав, экспериментально отработав и испытав десятки конструктивных и рецептурно-технологических вариантов.
Работы начались с литой бескордной шины из одного, а затем из двух полиуретановых эластомеров с различными физико-механическими свойствами. Не достигнув требуемого результата, мы начали прорабатывать различные варианты армирования брекера шин в окружном и диагональном направлениях, а затем и каркаса в радиальном направлении. В результате этой работы были созданы пневматические полиуретановые легковые и сельскохозяйственные шины радиальной конструкции, которые успешно прошли стендовые лабораторно-дорожные (лабораторно-полевые) и эксплуатационные испытания.
Аналогичные работы велись и за рубежом, в частности фирмой ЛИМ Холдинг СА, Люксембург, (бывшая фирма Полиэр), владельцами акций которой являются Даймлер-Бенц АГ, г. Штутгарт. ФРГ, Б.Ф. Гудрич, Акрон, США. В 2001 г. появилась информация, что один из мировых лидеров шинного производства фирма Гудьир, совместно с Америтайер Корп. приступили к разработке полиуретановых автомобильных шин, которые они рассматривают как возможную перспективную альтернативу существующим шинам.
Полиуретановые массивные шины нашли широкое применение, успешно вытесняя с рынка резиновые шины аналогичного назначения
Технологическая концепция изготовления полиуретановых пневматических шин принципиально отличается от традиционной концепции шинного производства и базирующуюся на следующих принципах:
- производство шин концентрируется в сравнительно небольших по мощности (до 100 тыс. шин в год) машинных комплексах на модульной основе с полным технологическим циклом изготовления шин, которые обладают высокой мобильностью с позиций изменения конструкции шины и изменения производственной программы;
- формирование резино-кордной структуры шины из деталей кольцевой конфигурации путем агрегирования (приформовывания или последовательного наложения) эластичных и армирующих деталей шины на жестком секторном тороидальном дорне;
- использование для изготовления эластичных элементов шины прецизионных методов жидкого реакционного формования в жесткой вакуумируемой формующей оснастке;
- армирование каркаса и брекера шин методами автоматизированной машинной намотки одиночной кордной нити (или прядей нитей) без образования зон окружного стыка с дефектами кордной структуры (нахлесты, разряжения, складки);
- использование на основных стадиях производства шин прямых технологических потоков (без промежуточных складов) с компактным расположением оборудования и минимальной протяженностью транспортных систем.
Учитывая, что данная технология базируется на процессах намотки и литья, ее можно условно назвать намоточно-литьевой технологией [1].
Благодаря намоточно-литьевой технологии, обеспечивающей получение прецизионных шин-близнецов с хорошими показателями геометрической и силовой неоднородности и уникальному комплексу физико-механических свойств, полиуретановые легковые шины обладают следующими преимуществами (по сравнению с современными пневматическими шинами и традиционной технологией):
• снижение массы шины на 15-20% и сопротивления качению до 30%, что предопределяет снижение потребления горючего при эксплуатации автомобиля до 5-8 %;
• повышение износостойкости на 30-50% и однородности шин, что способствует увеличению их ресурса при эксплуатации;
• улучшение комфортабельности езды на автомобиле, повышение скоростных характеристик и безопасности шин;
• широкая цветовая гамма шин , что позволяет подбирать цвет шин
под цвет кузова, повышая уровень дизайна автомобиля;
• снижение энергоемкости производства в 2-3 раза и его трудоемкости в 1.5-2.0 раза;
• сокращение в 2-3 раза производственных площадей, погрузочно-разгрузочных и транспортных операций, существенное уменьшение номенклатуры оборудования и его металлоемкости;
• исключение промежуточных складов шинных заготовок и деталей;
• повышение маневренности шинного производства, возможность гибко реагировать на изменения потребительского спроса рынка;
• малоотходность технологии, возможность повторного применения в шинном производстве используемого эластомера;
• снижение негативных экологических последствий производства и эксплуатации шин (сокращение вредных воздушных выбросов автомобилей и шинных предприятий, исключение сточных вод, уменьшение засорения почвы и др.).
Сельскохозяйственные полиуретановые шины 240/70-508Р успешно прошли стендовые, лабораторно-полевые и эксплуатационные испытания. Эти испытания показали, что полиуретановые шины, обладая на 20% меньшей массой, чем традиционный аналог, имеют больший в 1,7 раза ресурс работоспособности, оцениваемый при обкатке на барабане с клицами, при этом олигомерные шины обладают лучшими сцепными свойствами (на сухом и мокром покрытии) и показателями устойчивости и управляемости.
Основные технические решения по пневматическим шинам, материалам, технологии и оборудованию нами экспериментально проверены на более чем 1000 шин и запатентованы [2-5 и др.]. Для промышленной реализации производства пневматических шин из полиуретанового сырья требуется стратегический инвестор.
Но - " этот нехороший человек , батарею на ногу уронил , п...ла "
