鋼絲簾線疲勞性能的影響因素研究

倪自飛，黃 河

（南京工業職業技術大學，江蘇 南京 210023）

鋼絲簾線在輪胎使用過程中受到非常復雜的交變負荷以及周期性的彎曲變形，因此彎曲疲勞壽命直接影響輪胎的使用壽命和安全性[1-3]。為了配合輪胎輕量化、綠色化發展的要求，在鋼絲簾線結構和強度設計時，一方面要考慮破斷力（靜態強度），另一方面要考慮動態強度和疲勞強度，若作為輪胎骨架材料時對其疲勞強度有更高的要求[4-7]。目前，影響子午線輪胎鋼絲簾線疲勞壽命的主要機理尚不清楚，缺乏相關理論與試驗結果。

本工作主要探討鋼絲簾線的單絲直徑、強度和結構設計對其彎曲疲勞性能的影響，為新結構鋼絲簾線開發與設計提供數據支撐。

1 鋼絲簾線疲勞性能測試原理

將鋼絲簾線與橡膠粘合經硫化后制成一定尺寸的硫化試樣。將硫化試樣壓在三輥導輪下，兩端接通電源后，在施加一定載荷（載荷為鋼絲簾線破斷力的10%）下，試樣進行周期性往復彎曲變形。當鋼絲簾線疲勞失效時（即硫化試樣內的鋼絲簾線有一根單絲斷裂），鋼絲簾線電流會產生變化，由此可檢測其疲勞壽命。應用三輥疲勞試驗機進行鋼絲簾線彎曲疲勞性能測試的原理如圖1所示[4]。

圖1 三輥疲勞試驗機測試鋼絲簾線彎曲疲勞性能的原理示意

2 鋼絲簾線彎曲疲勞性能的影響因素分析

2.1 單絲直徑

3/9系列是目前在輪胎胎體中應用最為廣泛的一種鋼絲簾線結構，該結構由12根單絲組成，按相同捻向與捻距一次捻制而成，其中3根直徑大的單絲組成芯線，9根直徑小的單絲組成面線，其截面近似于三角形，如圖2所示。

圖2 3/9系列鋼絲簾線截面示意

3/9系列鋼絲簾線中的單絲與單絲之間為線接觸，可減小單絲之間的接觸摩擦，提高鋼絲簾線的耐疲勞性能。選取相同HT強度等級、不同直徑的單絲捻制而成的3/9鋼絲簾線的疲勞壽命如表1所示。

從表1可以看出，相同結構、同等強度的鋼絲簾線，隨著單絲直徑的增大，破斷力提高，但疲勞壽命反而縮短。

表1 不同單絲直徑鋼絲簾線疲勞壽命對比

2.2 鋼絲簾線強度

為了確定鋼絲簾線強度與彎曲疲勞性能的關系，選擇NT，HT，ST，UT以及UMT結構的3×0.22/9×0.20系列鋼絲簾線進行彎曲疲勞性能測試。其中，3×0.22/9×0.20UMT的制備工藝見文獻[8]，相同結構、不同強度等級鋼絲簾線的疲勞壽命測試結果如表2所示。

表2 不同強度等級鋼絲簾線疲勞壽命對比

從表2可以看出，隨著單絲強度的提高，鋼絲簾線的破斷力提高，相應的疲勞壽命顯著延長。輪胎在使用過程中，輪胎負載高速運轉，且胎側不斷受到屈撓作用，胎體要承受周期性的徑向屈撓變形和扭矩傳遞過程中復雜的扭轉變形。因此，胎體用鋼絲簾線需具備高強度，良好的耐疲勞、耐磨損性能和尺寸穩定性。低滾動阻力和輕量化是實現降低平均燃油消耗的保障，是研究綠色輪胎的重要措施。

鋼絲簾線作為輪胎骨架材料，占輪胎成品質量的20%～30%，對成品輪胎質量、承載、安全、節油、耐磨和可翻新等方面起到重要的作用，因此使用超/特高強度且疲勞性能優異的鋼絲簾線成為制備低滾動阻力和輕量化輪胎必要手段[9]。

從表1和2進一步分析得出，3×0.22/9×0.20 CCUMT鋼 絲簾 線 的 強度 高 于3×0.24/9×0.225 CCHT鋼絲簾線，但3×0.22/9×0.20CCUMT鋼絲簾線的直徑僅為3×0.24/9×0.225CCHT鋼絲簾線的72.6%，而疲勞壽命提高26%。因此，采 用3×0.22/9×0.20 CCUMT鋼 絲 簾 線 替 代3×0.24/9×0.225CCHT鋼絲簾線，不但可減小鋼絲簾線的用量，還可降低輪胎的滾動阻力，延長輪胎的使用壽命以及提高耐磨性能。

文獻研究了兩組帶束層用鋼絲簾線（2×0.30HT與2×0.30ST，3×0.30NT與3×0.30ST）的彎曲疲勞性能，測試結果與本試驗結果相一致，都表明結構相同、強度等級越高的鋼絲簾線，其疲勞壽命越長。

2.3 鋼絲簾線結構設計

為研究鋼絲簾線結構設計對鋼絲簾線彎曲疲勞性能的影響規律，選取了1＋6＋12與1＋18兩種結構的鋼絲簾線，其結構如圖3所示。

圖3 兩種鋼絲簾線的結構示意

基于上述兩種結構的鋼絲簾線，分別設計了1×0.22＋6×0.20＋12×0.20HT，1×0.22＋18×0.20CCHT和1×0.22＋18×0.20CCST三種鋼絲簾線結構，三種結構單絲根數相同，各層單絲直徑相同。但是，1＋6＋12結構分兩步成繩，內層1＋6芯股與外層捻距不同，簾線鋼絲間呈點接觸。1＋18結構為一步成繩且同向捻向，內層和外層捻距相同，鋼絲間呈線接觸。3種鋼絲簾線結構的彎曲疲勞性能測試結果如表3所示。

表3 不同結構鋼絲簾線疲勞壽命對比

從表3可以看出，呈線接觸的1＋18結構鋼絲簾線的彎曲疲勞性能要優于呈點接觸1＋6＋12結構鋼絲簾線，且鋼絲簾線的破斷力越高，其疲勞壽命越長，彎曲疲勞性能越優異，與文獻結果相一致。綜上所述，鋼絲簾線超高強度化且具有良好的彎曲疲勞性能是輪胎骨架材料鋼絲簾線的必然發展趨勢。

3 結論

（1）相同結構、同等強度等級的鋼絲簾線，隨著單絲直徑的增大，鋼絲簾線的破斷力提高，但疲勞壽命反而縮短。

（2）相同結構、不同強度等級的鋼絲簾線，隨著單絲強度提高，鋼絲簾線的破斷力增大，疲勞壽命顯著延長。

（3）單絲直徑與單絲根數相同，但結構不同的鋼絲簾線，呈線接觸1＋18結構鋼絲簾線的彎曲疲勞性能優于呈點接觸1＋6＋12結構鋼絲簾線。

（4）鋼絲簾線超高強度化且具有良好的彎曲疲勞性能是輪胎骨架材料鋼絲簾線的發展趨勢。