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网友:截止到5分钟前,我都以为飞机轮胎是实心的…

subtitle 了不起的中国制造11-13 06:50 跟贴 4477 条
航空轮胎如同飞机的双脚,是飞机起飞、降落和滑行过程中唯一接地的部件,必须能够耐冲击、耐刺扎、耐温升。子午线轮胎是未来航空轮胎的主流,从材料到结构、制造工艺上都极其尖端,中国是世界上第五个掌握子午线轮胎制造技术的国家。

  出品| 网易新闻

  作者| 陈俊宇,清华大学机械工程系博士研究生

  11月10日中午11点38分,中国自主研制的国产大型客机C919从上海浦东起飞,成功转场至西安阎良,顺利完成第一次城际“远行”。提到飞机,不知道大家有没有想过这样一个问题:一架飞机有几十吨乃至上百吨重,仅靠几个轮子能承受得住吗?飞机轮胎究竟有什么特殊之处?今天,我们就带大家来了解相关的内容。

  (一)轮胎是怎么工作的?从一道物理题说起

  我们骑自行车时,双脚在脚蹬子上来回捣腾,两个轮子就转动着朝前移动了,但你知道自行车的能量都消耗在哪儿了么?

  这个问题从初中接触物理时就已经困扰了很多同学,物理老师大多将其笼统地归结为滚动摩擦。滑动摩擦是容易理解的,有一个摩擦力,当克服摩擦力进行相对运动时,就会把动能转化为内能,但是,滚动摩擦是如何实现能量转化的呢?

  (自行车的能量都消耗在哪儿了?)

  原因在于制造轮胎的材料——橡胶。

  橡胶不是完全不变形的刚体,也不是可以完全恢复形变的弹性体(比如弹簧);更不是完全不会恢复形变的液体(又叫粘性体,比如浓稠的油),而是介于它们中间,是一种典型的粘弹性材料。

  有读者会问,橡胶在被挤压之后是可以变回原来的样子的,为什么不是弹性体呢?实际上,橡胶仅仅是形状上变回去了,这可以理解为将一个弹簧和一桶黏黏的油并联在一起(学术一点叫“弹簧阻尼系统中的开尔文模型”),这样,在变形的过程中能量就会被那桶油消耗掉,同时在弹簧的作用下勉勉强强恢复形状。

  (橡胶的近似等效力学模型)

  自行车滚动时受到的静摩擦力其实就是动力,而橡胶变形和恢复变形造成的力才是阻力,变形越大,阻力越大。这也是为什么车胎表面粗糙程度不变的情况下,胎压不足也会导致阻力增大,以及细轱辘的车比粗轱辘的车更容易骑行的原因,变形大,阻力就大。

  橡胶工业是国民经济的重要基础产业之一,包括自行车轮胎、汽车轮胎、飞机轮胎在内的所有轮胎基本上都是橡胶制成的。

  (二)飞机轮胎:橡胶细分行业里的富家子弟

  橡胶工业中,轮胎行业产值占到了约65%,是整个橡胶行业的老大哥。而在轮胎行业中,汽车轮胎占据着绝对的主体地位,不过要说到利润大户,却非特种轮胎莫属。属于特种轮胎的航空轮胎,净利润能到40%以上。

  航空轮胎从制造工艺上分为斜交轮胎和子午线轮胎。目前,中国总的机队保有量近8500架,轮胎总需求达43.12万条。具体到民航领域,截至2016年底,中国飞机在册架数2950架,比2015年底增加300架,飞机数量多年保持快速增长趋势,2020年飞机轮胎总需求有望突破63万条,其中子午线与斜纹轮胎需求将分别达11.41、51.91万条。

  (2013-2016年中国民航全行业运输飞机在册架数增长情况)

  目前中国民用、通用航空业每年消耗的航空轮胎大部分由国外公司提供,进口民用飞机的航空轮胎国产化率不到5%,不过,一个好消息是,当下已经有小部分轮胎开始由本土企业提供,而在军用航空领域,为了摆脱受制于人的局面,实现航空轮胎的国产化也具有十分重要的战略意义。

  不过,航空轮胎行业的核心技术长期掌握在少数的大公司手中、市场容量有限、对安全和技术的要求十分苛刻、准入门槛也十分严苛,要进入这一具有极高利润、具有极高战略意义的行业并不容易。

  1、航空子午线轮胎:严苛要求下的选择

  数十吨的飞机以每小时300-400公里的速度起飞、每小时200公里以上的速度着陆,还会以每小时45公里左右的速度滑行,飞机重量加上对地面的撞击力,每平方厘米的轮胎胶面就要承受近千牛顿的压力。此外,飞机轮胎还需要经受万米高空零下50-60度、减速刹车150度的温度急剧变化,因此,航空轮胎必须特别耐冲击、耐刺扎、耐温升。

  2000年7月25日,法航一架编号F-BTSC的协和超音速客机发生空难,调查发现就是飞机起飞滑跑时爆胎,轮胎的碎片击穿了飞机的油箱引发的惨剧,这也促使航空业界提出“制造抗外物致损的轮胎”。

  和斜交轮胎相比,航空子午线轮胎能够满足抗外物致损的要求,能够经受住飞机高速起飞产生的强大离心力和着陆接地瞬间的巨大冲击力,因此是未来的主流规格

  2、子午线轮胎的结构:该强的地方强、该软的地方软

  斜交胎其80%到90%的内应力均由胎体的帘布层承担,而子午线轮胎的受力主要靠帘线层和带束层。

  (斜交航空轮胎结构示意图 关伟平,2016)

  目前一些服役的老机型使用的轮胎是斜交航空轮胎,胎体是一个由多层帘布叠合而成的壳体,其中每一层的帘线都与胎面中线呈一定的角度,同时层与层之间交叉排列。缓冲层覆盖在胎体上,起保护作用。这种形式的骨架结构没有明显的刚柔度分区,其胎侧部位和胎冠的力学性能几乎相同。

  (子午线航空轮胎结构示意图 关伟平,2016)

  子午线轮胎因其胎体帘线排列与轮胎胎冠中心线(亦即胎面中线)垂直或接近垂直(亦即与轮胎横断面方向呈0°或接近0°),如同地球的子午线(经线)而得名,其帘线排布有点像一个扁平的宫灯。

  子午线轮胎的胎体帘线在层与层之间没有交叉,所有帘线受力的时候朝一个方向一起使劲,强度就更高,需要的帘布层数少,所以胎体柔软,弹性好。

  在垂直于帘线的方向即圆周方向上,帘线只靠橡胶来联结,但只有这个这是不够的。为了承担轮胎行驶时产生的较大切向力,子午线轮胎使用带束层箍紧轮胎的周向。

  带束层采用了与胎面中心线夹角较小(10°-20°)交叉排列的多层帘线带束层,并用刚性大、强度高、变形小的钢丝。这使带束层像钢腰带一样,紧紧箍在胎体上,以承受轮胎的内压和外力,大大提高了胎面的刚性和强度。

  3、航空子午胎变形特点:径向变形大,侧向变形大,周向变形小

  总的来说,航空子午胎的特点就是径向变形大,侧向变形大,周向变形小。这样的子午线轮胎的胎侧可以变形用于吸收能量,但是与地面接触的胎面变形很小,膨胀小,这就带来了诸多的优良性能。

  (新机型均采用子午线轮胎)

  比如说:

  1)因为该硬的地方硬,该软的地方软,接地面积大,附着性能好,胎面滑移小,对地面单位压力也小,因而滚动阻力小,使用寿命长;

  2)胎冠较厚且有坚硬的带束层,不易刺穿,这部分行驶时变形小,可降低油耗;

  3)因为帘布层数少,胎侧薄容易发生变形,所以缓冲性能好;

  4)结构更轻,滚动阻力小,节省燃油的同时散热性能好,可适应高温、高速行驶;

  5)由于子午线轮胎帘线排列与轮胎主要的变形方向一致,因而使帘线强度得到充分有效的利用,故比普通斜线轮胎承载能力更高。

  由于结构的优化,与斜交航空轮胎相比,子午线航空轮胎在综合性能上有着显著的提高。

  在航空界流行着这样的格言“一克质量一克黄金”,把飞机做轻是所有设计者的追求。空客A380改用子午线航空轮胎后,总重量减轻360kg,平均每条轮胎减轻16.4 kg,带来的运营效益十分可观。

  4、航空子午线轮胎制造:工艺复杂,装备专用

  航空子午线轮胎的制造过程不同于一般的汽车轮胎,生产流程复杂,要求苛刻,装备多为专用。

  航空子午线轮胎生产中需要采用覆胶纤维帘布作为胎体骨架材料,覆胶纤维帘布主要采用压延机生产,一般需要使用性能先进、高精密化、高质高效的S型压延机。

  制约航空子午线轮胎自动化、批量化生产的关键设备为航空子午线轮胎成型机,其工艺上因为胎体的贴合层数较多,通常采用二次法成型工艺技术、成型过程中应用正反包技术、采用冠带条复杂曲线的缠绕技术。

  (轮胎成型装备)

  此外,航空轮胎橡胶材料的物理性能及耐老化性严重影响航空子午线轮胎的质量和寿命,这两种性能又取决于橡胶的硫化工艺条件。在最佳硫化工艺条件下,制造航空轮胎一般使用专用硫化装备硫化的橡胶件,因为它性能较好,具有较强的耐老化性,使用寿命较长。

  (三)中国的航空轮胎行业:迎头赶上

  近些年来,中国在航空轮胎的研制上取得了不小的成绩,2008年,中国成功研制子午线航空轮胎,打破了西方发达国家对这一技术长达28年的垄断,使中国成为继法、美、日、英后世界上第5个有能力研发、制造和试验航空子午线轮胎的国家。

  目前,中国研制的子午线轮胎已有3个规格实现批量生产,配套国产第三、四代战机和大型运输机。

  2015年,中国自主研制的军用航空轮胎试用成功,打破了中国航空高端用胶长期依赖进口的局面,战略意义尤为深远。

  在航空轮胎这个高技术含量、高利润的领域,中国开始有了自己的力量,国产子午线航空轮胎的研制成功,为保证中国先进飞机研制和国防建设需要奠定了坚实的技术基础。

  结语

  航空轮胎就如飞机的双脚,是飞机起飞、降落和滑行过程中唯一接地的部件。中国成功攻克航空轮胎中子午线航空轮胎制造这一尖端技术,对于未来有效提高中国国产大飞机航空轮胎的速度性、安全性等综合性能指标具有重要意义。

  作为世界上认知度最高的标签,中国制造(Made in China)正寻求战略升级。「了不起的中国制造」专栏,力邀行业权威、资深玩家,呈现他们眼中的中国创新之路。

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  编辑| 史文慧

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