Статьи

Шины из полиуретановых эластомеров

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.

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.

Выбираем полиуретановые колёса из «правильного» материала

Какие полиуретановые колёса выбрать: с высокой грузоподъёмностью или предохраняющие полы от повреждений? Чем жёстче шины, тем выше грузоподъёмность, тем большее давление оказывается на опорную поверхность.

Твёрдость материала легко узнать с помощью специального прибора – твердомера или дюрометра. Обозначается она в виде числового значения шкалы Шора. Обычно применяют шкалы типов A (для мягких материалов) и D (для твёрдых материалов). К примеру, твёрдость резиновых шинок промышленных колёс составляет 50-70 единиц по шкале A. Такие шинки отличаются тишиной хода и бережным воздействием на полы, однако препятствия крупнее металлической стружки подвергают их сильному износу.

Опыт показывает, что лучшим компромиссом между высокой грузоподъёмностью и защитой пола являются полиуретановые колёса.

Разновидности полиуретана для колёс

Существует множество видов полиуретана, разработанных для различных условий эксплуатации:

1. Стандартный полиуретан с твёрдостью по Шору 95А (TDI). Наиболее доступный по цене. Обеспечивает высокую грузоподъёмность, износостойкость. Не оставляет следов торможения на полах.
2. H.D. полиуретан, 70D (TDI). Наилучшим образом подходит для большегрузных колёс. Отличается долгим сроком службы, не пачкает полы.
3. H.D.T/R полиуретан, 85A (MDI). Большегрузный, прочный на разрыв. Обладает высокой эластичностью, обеспечивает хорошее сцепление с поверхностью.
4. Твердый полиуретан, 70D (TDI). Износостойкий, не следит на полах и выдерживает значительные физические нагрузки.
5. HPPT полиуретан, 92A (TODI). Большегрузный полиуретан премиум-класса, обладающий максимальной износостойкостью и прочностью.
6. Полиуретан 95 T/R, 95A (MDI). Высокая прочность в сочетании с эластичностью.
7. T/R полиуретан 85A (MDI). Стойкий к разрыву, долговечный, не оставляющий следов на полах.

На свойства полиуретана влияют его компоненты:

• TDI (ТДИ – толуилендиизоцианат) – жёсткость;
• MDI (МДИ – дифенилметандиизоцианат – эластичность;
• TODI (ТОДИ – диметил-бифенил диизоцианат) – термостойкость.

Шины из полиуретана, где они используются?

Ролики, катки и колеса – необходимые элементы любого производственного оборудования и внутризаводской техники. Потребность выдерживать тяжелые механические нагрузки обуславливает ряд их характеристик, например, высокая прочность и длительный срок эксплуатации. Подтвердить эти показатели позволяет использование полиуретанового покрытия.

Полиуретан — полимер синтетического происхождения, относится к категории композитных материалов и имеет ряд неоспоримых, положительных качеств: эластичность, износостойкость, устойчивость к механическим повреждениям. Как правило, полиуретаном покрывается не все изделие, а лишь та его часть, которая наиболее часто контактирует с различными поверхностями. Использование полимера на колесах значительно снижает шум и вибрацию, а также обеспечивает высокий уровень грузоподъемности. Жесткость полиуретанового покрытия легко определить при помощи дюрометра — специального прибора, оснащенного шкалой Шора. Чаще всего используют шкалы типа A (для материалов относительной мягкости) и D (для твердых). Кроме того, полиуретановые колеса идеальны в работе с химическими веществами, так как выдерживают воздействие агрессивных средств – щелочи, нефтепродуктов, кислоты, растворителей. Диапазон температурного режима для эффективной эксплуатации полиуретановых колес варьируется от – 40 до + 60 градусов, что позволяет использовать их в условиях даже самого сурового климата.

Современное производство полиуретана позволяет создать изделия различных конфигураций и цветов. Полиуретановые колеса используются в самых разнообразных видах погрузчиках: фронтальных, вилочных и других. Укомплектованные полиуретаном механизмы способны передвигаться по всем видам напольных и дорожных покрытий, не повреждая их и не оставляя следов. Это позволяет использовать его на отрытых и закрытых площадках на относительно высоких скоростях передвижения. Полиуретан прост в обращении и ремонте – достаточно снять поврежденный верхний слой с колеса и обновить его, без воздействия на механическую часть конструкции.