礦用輪胎全壽期管理與成本優(yōu)化措施分析

黃 磊，劉玉龍，汪志平，周恕輝

（中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100029）

1 引言

大型礦用卡車輪胎使用和管理成本是采礦生產(chǎn)成本的重要組成部分，約占4%～8%［1］。如何做好輪胎管理，降低輪胎在采礦成本中的占比一直是采礦工程實踐領(lǐng)域的重要研究課題。輪胎的精細(xì)化管理對延長輪胎使用壽命、降低采礦成本、保證礦車出勤率、提升采礦安全系數(shù)等有重要意義。

目前已有學(xué)者和工程技術(shù)人員對礦用卡車輪胎的損耗、管理優(yōu)化等課題進(jìn)行了研究。國內(nèi)方面，張強(qiáng)［2］統(tǒng)計了黑岱溝和哈爾烏素露天礦2008—2018年間礦用輪胎的損壞原因，發(fā)現(xiàn)扎破占比超過50%；蘭天輝［3］研究了礦用輪胎的損壞原因，提出了應(yīng)對措施；黃文［4］研究了平朔東露天礦礦用輪胎的損傷種類，發(fā)現(xiàn)局部磨損和割傷是該礦輪胎損傷的主因，分別占23%和43%；潘斌［5］發(fā)現(xiàn)了改善道路質(zhì)量，同時加強(qiáng)對電動輪輪胎運行、裝配和檢查等現(xiàn)場管理，可提高輪胎使用壽命；戴繼成［6］針對傳統(tǒng)輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的弊端，自主研發(fā)出適用于礦山開采的智慧輪胎管理系統(tǒng)；鄔玉林［7］系統(tǒng)論述了礦用卡車輪胎的維護(hù)與保養(yǎng)。國外方面，Aleksander［8］研究了礦用卡車輪胎在靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)負(fù)載作用下的變形情況；William［9］從實踐入手，討論了礦用卡車輪胎的全壽期管理過程和應(yīng)對策略；Filip Medinac［10］在美國禿山金礦應(yīng)用無人機(jī)對道路情況進(jìn)行檢測，提高了礦用輪胎壽命。

筆者通過調(diào)研國內(nèi)礦用輪胎管理現(xiàn)狀，以輪胎損傷類型統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了輪胎損傷的主要類型和原因，探討了輪胎全壽期管理的重點內(nèi)容，以納米比亞某大型露天鈾礦為案例，提出了考核該礦山輪胎使用成本的指標(biāo)，優(yōu)化該礦輪胎使用和管理成本的策略，以供該礦和國內(nèi)同類型礦山借鑒。

2 輪胎損傷類型與原因

2.1 輪胎損傷類型

作者在國內(nèi)多個大型露天礦山進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)大型礦用卡車輪胎損傷主要可分為自然磨損和異常損傷兩大類，其中，異常損傷包括局部磨損、脫層鼓包、割劃刺破、熱損傷（脫空、熱剝離、胎面掉膠）和沖擊爆裂。礦用卡車輪胎損傷實例見圖1。

圖1 某礦輪胎損傷實例圖

2.2 輪胎損傷原因分析

2.2.1 自然磨損

輪胎與路面的接觸摩擦?xí)斐奢喬プ匀荒p，自然磨損是輪胎使用過程中不可避免的自然損耗，自然磨損至輪胎紋底消失直至報廢是輪胎使用過程中最理想、最經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)。

2.2.2 異常磨損

（1） 局部磨損。中煤平朔統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明［8］，雨季時，30%以上的礦用卡車輪胎報廢是由局部磨損引起的。局部磨損是由于輪胎花紋凸緣的磨耗能量不均勻而引起的胎面磨損，具體表現(xiàn)為胎面局部磨平，外露鋼絲等。

（2）脫層鼓包。礦用卡車高負(fù)荷行駛過程中，如果胎壓不足或過大，在撞擊坑槽或石塊等情況下，會導(dǎo)致輪胎局部壓力陡然升高，發(fā)生胎體變形、線層間附著力下降、簾線斷裂等損傷。胎面損傷則發(fā)生脫層，內(nèi)部損傷可形成鼓包。

（3） 割劃刺破。礦用卡車行駛中可能會散落礦巖，或是雨天雨水帶走路面砂土使路面尖銳礦巖露出，輪胎碾壓路面尖銳礦巖后易造成割劃刺破損傷。

（4） 熱損傷。當(dāng)輪胎不易散熱（如長距離爬坡等）胎體溫度急劇升高時，會形成熱應(yīng)力積聚造成輪胎機(jī)械性能下降，橡膠熱解變質(zhì)，胎面與緩沖層、胎體鋼絲等分離，從而產(chǎn)生脫空、熱剝離、脫膠等現(xiàn)象。

（5）沖擊爆裂。當(dāng)輪胎碰撞到尖銳石塊或障礙物時，特別是在礦用卡車超載、超速的情況下，輪胎瞬時所承受的壓力和變形過大，可能導(dǎo)致輪胎爆裂。

通過輪胎損傷類型分析可知，輪胎運行過程中胎體的溫度和壓力狀態(tài)異常變化是造成輪胎損傷影響輪胎壽命的本質(zhì)原因。因此，及時監(jiān)測輪胎溫度、壓力等參數(shù)變化，做好輪胎維修與保養(yǎng)，是延長輪胎經(jīng)濟(jì)壽命、降低輪胎使用和維護(hù)成本的重要手段。

3 輪胎全壽期管理內(nèi)容

3.1 全壽期管理流程

礦用卡車輪胎全壽期管理是指從輪胎投入使用到報廢后的所有與輪胎相關(guān)的管理過程。全壽期管理的最終目標(biāo)是延長輪胎的使用壽命，降低輪胎使用和維修成本，提升礦山的生產(chǎn)效益。實施礦用卡車輪胎全壽期管理后，礦山輪胎成本至少可以降低20%［11］。通過現(xiàn)場調(diào)研與理論分析，筆者認(rèn)為，典型的輪胎全壽期管理流程主要包括6個環(huán)節(jié)，如圖2所示。輪胎全壽期管理涉及輪胎選型、保管、搭配與安裝、使用、維護(hù)、修補(bǔ)等，故輪胎全壽期管理是一個涉及管理、技術(shù)、人員和設(shè)備的系統(tǒng)工程，每個環(huán)節(jié)的工作都對輪胎的使用和管理成本有較大影響。

圖2 典型的輪胎全壽期管理流程

在輪胎選型環(huán)節(jié)，巨型礦用輪胎現(xiàn)場實際TKPH值［12］（即噸公里小時）是衡量輪胎實際工作強(qiáng)度的關(guān)鍵指標(biāo)，也是輪胎選型和使用壽期的關(guān)鍵指標(biāo)，可用如下公式計算：

式中，K1為運距修正系數(shù)；K2為環(huán)境溫度修正系數(shù)；T為單個輪胎平均載荷；V為平均速度。

3.2 全壽期管理輔助工具

隨著信息技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，部分大型露天礦山已開始將卡車輪胎全壽期管理系統(tǒng)應(yīng)用到輪胎管理工作中。輪胎全壽期管理系統(tǒng)［13］是實現(xiàn)輪胎全壽期管理的重要工具，基本組成如圖3所示［14］。

圖3 輪胎全壽期管理系統(tǒng)組成

由圖3可知，卡車輪胎全壽期管理系統(tǒng)由輪胎內(nèi)置智能傳感器、車載輪胎數(shù)據(jù)傳輸器、駕駛室數(shù)據(jù)顯示器、手持檢測設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器和系統(tǒng)軟件組成，可實時監(jiān)控、檢測、采集、傳輸輪胎壓力和溫度等狀態(tài)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是輪胎安全使用、合理維護(hù)、及時修補(bǔ)的重要參考。

4 納米比亞某大型露天鈾礦輪胎成本分析與優(yōu)化措施

4.1 礦山概況

該礦位于非洲納米比亞西部沿海的沙漠地區(qū)，礦床類型為白崗巖型鈾礦床，是全球最大的露天鈾礦（圖4）。該礦包含5條成礦帶，其中以1、2號帶為主，1號帶平均厚度23m，最大厚度75m，沿走向長1100m，礦化深度53～323m，平均深度約200m。2號帶平均厚度18m，最大厚度100m，呈北東走向，長1400m，埋深145～306m。

圖4 礦坑最終邊界模擬圖

4.2 礦山輪胎管理現(xiàn)狀

礦山有小松960E和北方股份NTE330礦車30臺（圖5）。礦用卡車使用某品牌的巨型輪胎，規(guī)格為59/80 R63，由業(yè)主自主選型、采購和運維。

圖5 采礦生產(chǎn)現(xiàn)場

4.3 輪胎使用和維護(hù)成本分析

4.3.1 噸礦巖輪胎攤銷成本Ca

（1）單條輪胎的成本構(gòu)成T。經(jīng)統(tǒng)計分析，單條輪胎成本由采購成本、操作設(shè)備折舊、運輸成本，維修成本和人工成本構(gòu)成，具體構(gòu)成見表1。由表1可知，該礦每條輪胎不含人工的全成本為36.5萬元/條。

表1 單條輪胎成本構(gòu)成 萬元/條

（2）單條輪胎運量Q。

式中，P為年剝采總量（萬t），取7400萬t；S為年輪胎消耗數(shù)量（條），取140條。經(jīng)計算，單條輪胎運量Q等于52.86萬t/條。

（3）噸礦巖輪胎攤銷成本Ca計算。

開采每噸礦巖的輪胎攤銷成本可按如下過程進(jìn)行計算：

由式（3）可知，該礦開采每噸礦巖的輪胎攤銷成本Ca等于0.7元/t。該礦每噸礦巖開采成本為1.9美元/t，由此可推算，該礦輪胎成本約占采礦總成本的5%～6%。該指標(biāo)可以作為采礦成本分析的重要依據(jù)。

4.3.2 噸公里輪胎消耗成本Cb

輪胎噸公里消耗成本Cb是考核輪胎管理績效的重要指標(biāo)，估算方法如下：

（1）單條輪胎總噸公里S。

式中，Q為單個輪胎的總運量（萬t），L為每噸礦巖的平均運距（km），取2.5km。由式（4）可知，該礦單條輪胎總噸公里S等于132.2 t·km。

（2）噸公里消耗成本Cb。

由式（5）可知，該礦輪胎噸公里消耗成本Cb等于0.276 元/t·km，即每噸礦巖運輸1km平均需消耗輪胎成本0.276元。該指標(biāo)可以定量衡量礦山輪胎績效管理水平，也可以作為輪胎使用數(shù)量的計算依據(jù)。

4.4 輪胎成本優(yōu)化措施建議

4.4.1 輪胎管理策略

從輪胎管理的策略上看，主要有兩種策略可供選擇。

一是輪胎管理全外包，委托專業(yè)化公司承擔(dān)礦山輪胎全壽期管理，負(fù)責(zé)輪胎的采購供應(yīng)、保管、使用管理、維護(hù)保養(yǎng)和修補(bǔ)等工作。目前，鞍鋼大孤山礦、首鋼水廠礦、撫順西露天礦、寧煤大峰礦、本鋼南芬礦等國內(nèi)大型礦山均是實行輪胎管理外包。

二是建立專業(yè)化輪胎運維團(tuán)隊，自主進(jìn)行輪胎全壽期管理。國內(nèi)的哈爾烏素和黑岱溝等大型露天礦均是自主進(jìn)行輪胎采購和維護(hù)管理，礦山配備了先進(jìn)的輪胎全壽期管理系統(tǒng)，降低了輪胎使用成本，提升了行車安全，取得了較好的綜合效益。

納米比亞經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，制造業(yè)水平較低，人力資源匱乏，采用哪種輪胎管理策略需要進(jìn)行理論分析和生產(chǎn)實踐的摸索。目前該礦是以自主運維輪胎的模式為主，也在積極探討引進(jìn)專業(yè)化公司承包運維的模式。經(jīng)過一段時間的比選，最終選擇一種符合當(dāng)?shù)貙嵡椋饶芙档洼喬ピ诓傻V成本中占比，又能提升輪胎管理績效的輪胎管理策略。

4.4.2 輪胎全壽期過程管理

采用TKPH值法加強(qiáng)輪胎分析和選型，選擇更適合本礦山工況條件的輪胎。新舊輪胎分類分庫管理，建立新胎保管倉庫，保證新胎投用前質(zhì)量完好。更換輪胎時，做好新舊輪胎對角搭配與安裝。輪胎使用過程中，借助更先進(jìn)的傳感儀器和監(jiān)控系統(tǒng)，實時掌握輪胎的運行狀態(tài)，監(jiān)控輪胎胎壓、胎溫等關(guān)鍵運行指標(biāo)，降低輪胎異常損傷的頻率。改善路面質(zhì)量，及時清除路面的尖銳礦巖，為輪胎運行創(chuàng)造更好的工況條件。建立輪胎保養(yǎng)制度，形成輪胎檔案卡，每車出班前要檢查輪胎胎壓和外觀，每班交接時，要復(fù)檢胎壓和胎溫，及時清除夾石等。輪胎修補(bǔ)運用更先進(jìn)的修補(bǔ)技術(shù)，創(chuàng)新修補(bǔ)方案，如從原來的滯后修補(bǔ)調(diào)整為及時修補(bǔ)等。建立輪胎報廢處置流程，做好廢舊輪胎回收與再利用，如在高風(fēng)險路段使用廢舊輪胎做安全圍擋。

4.4.3 輪胎全壽期經(jīng)濟(jì)指標(biāo)管理

把噸礦巖輪胎攤銷成本Ca和噸公里輪胎消耗成本Cb作為采礦生產(chǎn)部門的重要考核指標(biāo)，按期分析兩個指標(biāo)的變化情況，尋找指標(biāo)變化的原因，制定改進(jìn)措施。

5 結(jié)論

（1）本文分析總結(jié)了大型礦用卡車輪胎損傷類型和原因，認(rèn)為卡車運行過程中輪胎胎體溫度和壓力的異常是輪胎損傷的本質(zhì)原因。加強(qiáng)輪胎胎體溫度和壓力值的監(jiān)測并及時干預(yù)是減少輪胎異常損傷延長輪胎使用壽命的關(guān)鍵舉措。

（2）梳理了輪胎全壽期管理流程，主要包括輪胎選型、保管、搭配與安裝、使用、維護(hù)、修補(bǔ)等6個環(huán)節(jié)。借助以傳感技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和信息技術(shù)為支撐的輪胎全壽期管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)輪胎的高效、經(jīng)濟(jì)的管理。

（3）以納米比亞某大型露天礦為例，分析了單條輪胎成本構(gòu)成、噸礦巖輪胎攤銷成本和噸公里輪胎消耗成本等輪胎技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，該礦的單條輪胎成本為36.5萬元/條，噸礦巖輪胎攤銷成本為0.7元，占采礦成本的5%～6%，噸公里輪胎消耗成本為0. 276元。上述三項指標(biāo)可以作為礦山輪胎管理績效考核的關(guān)鍵指標(biāo)。

（4）從輪胎管理模式、管理過程和成本控制考核等三個方面對加強(qiáng)納米比亞某露天鈾礦輪胎管理提出合理化建議，目標(biāo)是在有限的資源條件下，實現(xiàn)輪胎高效管理，減少輪胎的異常損傷，延長輪胎的使用壽命，降低輪胎的使用成本，提高礦山的產(chǎn)量和效益。