Почему шина, накачанная внизу, на руднике на 4000 м перекачана, а после теплого бокса на морозе недокачана? Нагружай самосвал, качай шину, меняй высоту и температуру и смотри на прогиб, пятно контакта, манометр и ресурс.
Под нагрузкой шина проседает, пока пятно контакта, умноженное на давление, не уравновесит вес. Мало давления: боковины гнутся сильнее, на каждом обороте резина мнется и греется изнутри, плечи протектора стираются первыми, а горячий брекер может отслоиться. Много давления: шина становится жесткой, пятно сжимается к центру, середина протектора стирается быстрее, тяга хуже, а острый камень не обминается, а режет и пробивает. Давление в шине растет при нагреве и зависит от высоты над морем, поэтому меряют его по правилам: на холодную и в избыточных барах, как показывает манометр.
Газ в шине подчиняется газовым законам, их подробно разбирает тема химии «Газовые законы: давление, объем, температура». Здесь три расчета, которые нужны шиннику. Числа берутся из опыта.
Сколько покажет манометр на горячей шине?
Закон Гей-Люссака: объем шины почти не меняется, поэтому давление растет вместе с абсолютной температурой газа. Считать надо в абсолютных величинах: бары от вакуума и кельвины.
Почему на высоте манометр показывает больше?
Манометр меряет разницу между газом внутри и воздухом снаружи. На высоте воздух реже, и та же шина показывает больше. Боковина чувствует именно эту разницу, поэтому норму производителя выставляют по манометру на месте работы.
Какое пятно и давление на грунт?
Шина проседает, пока газ на площади пятна не удержит вес. Каркас немного помогает газу, поэтому на грунт шина давит чуть сильнее, чем давление в ней. Меньше давления дает большее пятно и больший прогиб.
Каждую секунду колесо проворачивается, и кусок боковины, который подходит к дороге, сгибается, а уходя, распрямляется. Резина при этом ведет себя не как пружина: часть работы на сгиб не возвращается, а уходит в тепло. Это гистерезис, как у мяча, который подпрыгивает все ниже.
Тепло растет примерно с квадратом размаха изгиба. Недокачка на 20 % дает прогиб больше на 15–20 %, а тепла в боковине и в плечах на 30–40 % больше. Резина плохо проводит тепло, поэтому оно копится в самом толстом месте, у края брекера. Выше 105–120 °C резина там теряет связь с кордом, и брекер отслаивается. Это разбирается в теме «Нагрев шины и рабочий TKPH цикла».
Перегруз действует так же, как недокачка: шина сильнее проседает. Поэтому ресурс считают по нагрузке и давлению вместе. Как вес делится между осями, показывает тема «Колеса и оси: как делится вес».
Давление меряют на холодных шинах, пока самосвал не ушел в рейс, и доводят до нормы. Горячую шину не стравливают: после остывания она окажется недокачанной.
Карьерные шины часто качают азотом. Он медленнее уходит сквозь резину, не окисляет ее изнутри, в нем нет влаги. А при пожаре или перегреве шина без кислорода внутри не поддерживает горение изнутри.
На 4000 м атмосфера около 0,62 бар. Шина, накачанная внизу, наверху покажет почти на 0,4 бар больше. Это настоящая лишняя разница давлений, поэтому норму выставляют уже на месте, по манометру и на холодную.
Шину накачали в теплом боксе, выгнали на мороз, и давление упало на 15–20 %. Зимой давление проверяют после того, как шина остыла до уличной температуры, иначе она весь день ездит недокачанной.
На многих самосвалах в каждом колесе стоит датчик давления и температуры, данные идут диспетчеру. Медленную утечку видно за дни до того, как шина сядет и сгорит от перегрева.
Тот же закон и дома: норма давления написана на стойке двери и дана для холодных шин. Недокачанное колесо съедает топливо, стирает плечи и греется на трассе.
Нормы давления и нагрузки шин учебные, близкие к каталогам для звездности ** и скорости до 50 км/ч, но для каждой шины их берут из таблицы производителя. Нагрузка показана для передней шины, она обычно самая нагруженная. Прогиб считается как δ ~ Q / p0,8 относительно нормы, площадь пятна как F / (p + 0,12 · pнорм). На рисунке прогиб увеличен в 2 раза, чтобы его было видно. Нагрев газа в работе: при норме на 45 °C выше воздуха у самосвала и на 35 °C у погрузчика, растет с прогибом и нагрузкой; на самом деле он зависит еще от скорости и длины рейса, это тема 14.6. Ресурс от давления и нагрузки взят по известной зависимости: недокачка на 20 % снимает около четверти ресурса, перекачка на 20 % около десятой части из-за порезов и износа центра, перегруз на 20 % около четверти. Атмосферное давление по стандартной атмосфере. Объем шины при нагреве считается постоянным. Реальные нормы и порядок проверки берут из инструкций производителя шин и правил рудника.