載重輪胎胎面脫層故障分析方法研究

宋佑川

（武漢城市職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430064）

輪胎胎面脫層會(huì)導(dǎo)致輪胎失效，嚴(yán)重時(shí)會(huì)爆胎，發(fā)生交通事故，造成人員傷亡。電動(dòng)摩托車、摩托車、轎車和輕型載重汽車在使用過程中一般不會(huì)出現(xiàn)超載情況，如果出現(xiàn)大批量的輪胎胎面脫層故障，主要原因是產(chǎn)品的質(zhì)量，根本原因可能是膠料之間粘合強(qiáng)度太低、膠料尺寸不當(dāng)、硫化程度不足、工藝問題或膠料配方問題等[1-2]。但是，對(duì)于載重輪胎而言，使用情況比較復(fù)雜，不能單一的歸結(jié)為產(chǎn)品的質(zhì)量問題，而是需要通過科學(xué)的分析方法來(lái)綜合判定胎面脫層故障的原因，才能為是否給予用戶相應(yīng)賠償提供依據(jù)。

1 輪胎故障分析策略

國(guó)內(nèi)輪胎企業(yè)對(duì)載重輪胎脫層故障原因的分析，通常會(huì)做內(nèi)因分析，也就是產(chǎn)品質(zhì)量分析，如輪胎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、配方設(shè)計(jì)以及輪胎工藝制造過程中的缺陷分析。對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量非常穩(wěn)定的大型輪胎制造商而言，不僅會(huì)從產(chǎn)品的內(nèi)因分析，更會(huì)從外因分析載重輪胎胎面脫層的原因。

1.1 外因分析

影響載重輪胎性能的外因有很多，主要有輪胎充氣壓力、負(fù)荷、車速、路面情況等，下面分別進(jìn)行分析。

1.1.1 輪胎充氣壓力

輪胎充氣壓力在輪胎設(shè)計(jì)時(shí)確定。若輪胎充氣壓力過低，會(huì)導(dǎo)致輪胎缺氣，胎面靠近胎肩的兩側(cè)磨損嚴(yán)重，嚴(yán)重缺氣時(shí)還會(huì)造成胎體簾布疲勞斷裂，引起爆胎；若充氣壓力過高，除了會(huì)導(dǎo)致胎面中間磨損嚴(yán)重，還會(huì)使輪胎氣密層膠料向胎體簾布滲入，導(dǎo)致氣密層的氣密性下降，使氣體滲入到胎面膠中形成局部脫層。因此，輪胎充氣壓力應(yīng)當(dāng)保持在推薦的合理范圍以內(nèi)。

1.1.2 負(fù)荷

輪胎能夠承受的負(fù)荷也在輪胎設(shè)計(jì)時(shí)確定，且標(biāo)識(shí)在輪胎上。如果輪胎所承受的負(fù)荷超過設(shè)計(jì)值，會(huì)導(dǎo)致胎體簾布和胎圈鋼絲超負(fù)荷，容易造成胎圈脫層、胎體簾布疲勞斷裂等故障，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致胎圈鋼絲斷裂，輪胎從輪輞中脫落出來(lái)的危險(xiǎn)情況。當(dāng)輪胎充氣壓力處于正常范圍時(shí)，由于超載會(huì)使胎體簾布變形嚴(yán)重，顯示缺氣。對(duì)于超載的輪胎，在車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，輪胎受到地面的側(cè)向力更大，胎面與帶束層之間的剪切應(yīng)力也增大，更容易造成脫層。

1.1.3 車速

輪胎所能承受的最高車速同樣是在輪胎設(shè)計(jì)時(shí)確定，在輪胎上會(huì)有輪胎速度等級(jí)標(biāo)識(shí)。該標(biāo)識(shí)是指輪胎在規(guī)定條件下承載規(guī)定負(fù)荷的最高速度。如果輪胎在超載的情況下，依然運(yùn)行在速度等級(jí)標(biāo)識(shí)的最高車速下，就會(huì)使輪胎內(nèi)部生熱嚴(yán)重而無(wú)法耗散，導(dǎo)致輪胎膠料灼熱軟化失去機(jī)械特性，最終導(dǎo)致脫層等故障。

1.1.4 路面情況

不同路面情況對(duì)輪胎性能產(chǎn)生不同的影響。在高速公路的平直路面，車速較快，輪胎在高速下運(yùn)行，更容易生熱，如果熱量不能及時(shí)耗散，容易引起輪胎灼熱軟化導(dǎo)致脫層。在有小石頭或小釘子的崎嶇路面，輪胎容易因?yàn)閵A石或扎釘導(dǎo)致鋼絲帶束層滲水而氧化，最終出現(xiàn)胎面脫層故障。在有坑洼和大石頭的非公路崎嶇路面，輪胎容易因?yàn)榕c地面或石頭的撞擊而導(dǎo)致鋼絲帶束層斷裂而爆胎。

1.2 內(nèi)因分析

影響載重輪胎性能的內(nèi)因主要有輪胎設(shè)計(jì)和輪胎制造兩方面因素。

1.2.1 輪胎設(shè)計(jì)

輪胎設(shè)計(jì)由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和配方設(shè)計(jì)構(gòu)成。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括胎圈鋼絲的形狀和根數(shù)，三角膠的形狀和大小，胎體簾布的鋼絲間距和根數(shù)，帶束層鋼絲的傾斜角度和根數(shù)，帶束層的層數(shù)和寬度，胎肩墊膠的形狀和大小以及胎面膠的厚度和花紋塊形狀等[3-4]。輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將直接影響其使用性能。

配方設(shè)計(jì)包括輪胎各部位膠料的配方設(shè)計(jì)。輪胎不同部位的膠料需要具備的物理性能和化學(xué)特性不同。鋼絲簾線的選用會(huì)影響胎圈鋼絲、胎體以及帶束層的性能[5-6]。

輪胎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和配方設(shè)計(jì)是影響輪胎性能的主要內(nèi)因因素。

1.2.2 輪胎制造

輪胎制造主要分為混煉、擠出、成型和硫化4個(gè)工序，任一工序環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，就可能出現(xiàn)不合格產(chǎn)品，如果該不合格產(chǎn)品沒有被抽檢出來(lái)進(jìn)行修補(bǔ)或報(bào)廢，一旦被銷售并使用，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的后果。

混煉工序是將天然（合成）橡膠、炭黑、油、加工助劑和促進(jìn)劑等原材料按配方進(jìn)行混合后形成混煉膠的過程。如果各原材料的配比波動(dòng)較大，則會(huì)影響膠料的性能。

擠出工序是將混煉后的膠料擠出成不同形狀的半成品膠料部件的過程，還包括將鋼絲和膠料復(fù)合成為鋼絲簾布或鋼絲帶束層半成品的過程。如果半成品的形狀尺寸發(fā)生較大變化，將會(huì)影響成品輪胎的性能。

成型工序是將半成品組裝成胎坯的過程。如果膠料的位置發(fā)生偏差、膠料搭接處太寬或太窄以及在兩層膠料間混入較多的空氣或其他物質(zhì)，都會(huì)影響成品輪胎的性能。

硫化工序是將胎坯裝入模具置于硫化機(jī)中，經(jīng)過高溫高壓硫化成品輪胎的過程。如果硫化溫度、壓力或時(shí)間未精準(zhǔn)控制，將影響成品輪胎的性能。

總之，輪胎制造過程中出現(xiàn)的問題，如果未及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，即便是在正常的外因條件下使用，輪胎的性能也會(huì)不佳。

2 故障分析方法

載重輪胎的胎面脫層故障可能由外因或者內(nèi)因造成，無(wú)論是哪種因素，都需要用科學(xué)的方法進(jìn)行分析，才能得出合理結(jié)論。

2.1 輪胎使用情況調(diào)查

輪胎使用情況調(diào)查是對(duì)故障輪胎外因分析的主要手段。即對(duì)輪胎胎面脫層故障較多的載重車用戶進(jìn)行輪胎使用情況調(diào)查，測(cè)量輪胎的充氣壓力和車輛滿載時(shí)的載質(zhì)量、安裝GPS設(shè)備測(cè)量車速，以及隨車調(diào)查車輛運(yùn)行的道路路面情況。

2.1.1 輪胎充氣壓力測(cè)量

輪胎充氣壓力的測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單易行，無(wú)需司機(jī)在場(chǎng)可直接測(cè)量。采用氣壓表測(cè)量輪胎充氣壓力如圖1所示。測(cè)量時(shí)，首先要確保氣壓表可正常使用，測(cè)量時(shí)讀數(shù)誤差盡可能?。黄浯卧跍y(cè)量充氣壓力時(shí)要確保輪胎處于冷卻狀態(tài)，或者是車輛停放至少1 h以上；最后在測(cè)量時(shí)要避免出現(xiàn)漏氣導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)。

圖1 采用氣壓表測(cè)量輪胎充氣壓力

2.1.2 車輛滿載時(shí)的載質(zhì)量測(cè)量

測(cè)量車輛滿載時(shí)的載質(zhì)量，主要是為了計(jì)算單胎的負(fù)荷和超載率。首先車輛要處于正常滿載狀態(tài)，且需要司機(jī)將車輛前后移動(dòng)；其次需要兩人在車輛的左右兩邊用Haenni地磅測(cè)量同一根軸的左右兩邊的質(zhì)量；再次將車輛前后移動(dòng)測(cè)量不同車軸的質(zhì)量（如圖2所示）；最后再根據(jù)測(cè)量的車軸質(zhì)量和單胎最大負(fù)荷計(jì)算出超載率。

圖2 利用Haenni地磅測(cè)量車輛載質(zhì)量

2.1.3 車速測(cè)試

測(cè)試車速的方法至少有兩種，一種是用測(cè)速儀測(cè)試運(yùn)行車輛的瞬時(shí)速度，通常采用測(cè)速槍；另外一種是在車上安裝GPS設(shè)備，測(cè)試車輛在某一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)行的速度。后者方法有利于對(duì)固定車輛進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤調(diào)查，通常在車上安裝名為VBOX的GPS設(shè)備和天線[7]，如圖3所示。該設(shè)備是12 V供電，但載重車采用24 V電源，所以還需要一個(gè)24 V轉(zhuǎn)12 V的直流-直流轉(zhuǎn)換器。車輛行駛時(shí)VBOX設(shè)備能自動(dòng)記錄車輛的車速信息并存入存儲(chǔ)卡，一段時(shí)間后將存儲(chǔ)卡中數(shù)據(jù)導(dǎo)出再進(jìn)行速度和加速度分析。

圖3 VBOX設(shè)備

2.1.4 路面情況調(diào)查

當(dāng)載重輪胎胎面脫層時(shí)，需調(diào)查車輛行駛時(shí)道路的路面情況。調(diào)查路面有兩種方式，一種是在車輛行駛過程中拍攝道路路面情況；另外一種是在GPS數(shù)據(jù)分析后，繪制出行車路線，如圖4所示，再根據(jù)地圖上的線路，自行調(diào)查拍攝道路路面情況。前者方法相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，但信息不夠細(xì)致；后者方法可以隨時(shí)對(duì)道路路面情況進(jìn)行詳細(xì)的拍攝調(diào)查，例如，石子很多的路面，如圖5所示，或者是凹坑較多的水泥路面等[8]，這種方法成本較高，耗時(shí)較長(zhǎng)，但分析更精確。

圖4 利用GPS數(shù)據(jù)在地圖上繪制的行車路線

圖5 多石子路面

2.2 輪胎解剖分析

輪胎解剖分析是對(duì)故障輪胎分析的基本手段。對(duì)于胎面脫層的故障輪胎，需要將脫層區(qū)域的胎面用機(jī)械設(shè)備將胎面兩層帶束層剝離，保留輪胎未脫層的區(qū)域。在未脫層區(qū)域切割3個(gè)輪胎斷面，便于觀察胎肩部位是否局部脫層。再對(duì)3個(gè)輪胎斷面進(jìn)行關(guān)鍵部位膠料的理化分析。

為了精確判斷載重輪胎出現(xiàn)故障的原因，還需在市場(chǎng)上尋找與脫層故障輪胎生產(chǎn)時(shí)間相近的未使用新輪胎，對(duì)其進(jìn)行胎肩處的膠料剝離，分析其接合面的情況，判斷是否有生產(chǎn)過程中的問題；也需要在新輪胎上切割3個(gè)輪胎斷面的膠料進(jìn)行理化分析，作為參考數(shù)據(jù)。

2.2.1 帶束層脫層區(qū)域的胎冠剝離分析

已完全失去胎冠的輪胎（如圖6所示）不具有太多分析價(jià)值，所以需要收集市場(chǎng)上已出現(xiàn)脫層但胎冠仍完整的輪胎。這些輪胎通常胎冠脫空，或者胎肩處有明顯的裂開，如圖7所示；用撬棍伸入裂縫后可以看到2層帶束層已經(jīng)脫層分離，如圖8所示。

圖6 胎冠完全失去的輪胎

圖7 胎肩處裂開的輪胎

圖8 兩層帶束層之間脫層

利用專用的剝胎冠設(shè)備將輪胎的胎面連同第1層帶束層沿著鋼絲簾線方向割開（如圖9所示），沿著輪胎周向剝離2層帶束層，直到所有脫層的區(qū)域都被分離，觀察脫層面的外觀，判定是否為“口袋型”脫層故障?！翱诖汀泵搶庸收陷喬ッ搶用娴耐庥^和示意如圖10和11所示。

圖9 胎冠剝離

從圖10和11可以看出，在區(qū)域3—8輪胎脫層面出現(xiàn)脫層，其中白色線條畫出的區(qū)域是“口袋型”脫層外觀。若將輪胎沿圓周分為區(qū)域1—12，區(qū)域3—8黑色部分示意了脫層的形態(tài)，呈現(xiàn)口袋形狀，故稱為“口袋型”脫層，此脫層是輪胎兩側(cè)都脫層，也稱為“雙口袋型”脫層。

圖10 “口袋型”脫層故障輪胎脫層面的外觀

圖11 “口袋型”脫層故障輪胎脫層面的示意（黑色區(qū)域?yàn)槊搶硬糠郑?/p>

2.2.2 切割未脫層區(qū)域的輪胎斷面分析

針對(duì)上述脫層的輪胎，在脫層區(qū)域剝離第1層帶束層后，在剩下未脫層的區(qū)域，選擇3個(gè)部位切割寬度約為15 cm的輪胎斷面，其中兩個(gè)是較為靠近脫層區(qū)域，一個(gè)是遠(yuǎn)離脫層區(qū)域，如圖12所示。

圖12 在胎面脫層故障輪胎上進(jìn)行胎冠剝離和斷面切割示意

將斷面切割后，需要對(duì)切割面進(jìn)行打磨，一方面防止鋼絲扎手，另一方面便于觀察斷面各層膠料的界限，有利于下一步對(duì)特定層的膠料進(jìn)行切片后的理化分析，輪胎斷面如圖13所示。在輪胎斷面的胎肩處，觀察帶束層的邊緣是否出現(xiàn)裂紋，如圖14所示。若有裂紋，則表明該輪胎除具有“口袋型”脫層，還有“普通”脫層。

圖13 打磨后的輪胎斷面

圖14 輪胎斷面帶束層邊緣的裂紋

2.2.3 新輪胎胎肩的剝離分析

輪胎胎面脫層故障通常是從胎肩處開始擴(kuò)展，所以要對(duì)新輪胎胎肩處膠料進(jìn)行剝離分析，如圖15所示。

圖15 胎肩膠料剝離方法

如果剝離后胎肩膠料與胎體膠料的接合面是平滑的（如圖16所示），則表明兩層膠料之間的接合不緊密，在外力作用下容易造成胎肩處脫層。

圖16 新胎胎肩膠料剝離后平滑接合面

2.3 輪胎膠料的理化分析

對(duì)胎面脫層輪胎的膠料進(jìn)行切片取樣和理化分析，并與新輪胎相同部位膠料的理化分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，有助于判斷膠料在輪胎使用過程中的變化情況，從而定量地驗(yàn)證輪胎使用情況和輪胎解剖分析數(shù)據(jù)。通常對(duì)胎面膠、帶束層膠和胎肩墊膠進(jìn)行理化分析。

2.3.1 彈性模量

橡膠彈性模量是衡量橡膠材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)[9-11]。對(duì)胎面脫層輪胎重要部位膠料的彈性模量進(jìn)行測(cè)試，得到膠料在拉伸10倍和拉伸100倍時(shí)的彈性模量。與新胎相同部位膠料的彈性模量相比，若膠料的彈性模量增大，則膠料曾在高溫高氧的環(huán)境工作；若彈性模量減小，則膠料僅曾在高溫的環(huán)境工作。

2.3.2 防老劑6PPD含量

根據(jù)胎面脫層輪胎重要部位膠料的防老劑6PPD含量分析，可知胎面脫層輪胎膠料的老化程度。與新輪胎相同部位的防老劑6PPD含量相比，若防老劑6PPD含量降幅很大，則老化程度很高；否則反之[12]。

2.3.3 氧含量

對(duì)胎面脫層輪胎重要部位膠料的氧含量分析，可知胎面脫層輪胎膠料的氧化程度。與新輪胎相同部位的氧含量相比，若氧含量增幅大，則氧化程度高；若氧含量增幅小，則氧化程度較低。

2.3.4 硫含量

硫含量分析包括多硫化物、雙硫化物和單硫化物含量的測(cè)量，可推斷胎面脫層輪胎膠料曾經(jīng)歷的工作環(huán)境。與新輪胎相同部位的硫含量相比，若多硫化物和雙硫化物減少，單硫化物增加，則表明胎面脫層輪胎曾在高溫的環(huán)境工作。

3 結(jié)語(yǔ)

載重輪胎胎面脫層故障會(huì)導(dǎo)致輪胎失效，嚴(yán)重時(shí)會(huì)爆胎，發(fā)生交通事故，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。用戶往往會(huì)以產(chǎn)品質(zhì)量為由向輪胎制造企業(yè)提出索賠。通過從外因和內(nèi)因兩方面對(duì)載重輪胎胎面脫層故障進(jìn)行分析，有利于判斷該故障是產(chǎn)品本身的質(zhì)量問題引起的，還是用戶不恰當(dāng)?shù)妮喬ナ褂脳l件造成的，既為市場(chǎng)部門決定是否賠償用戶提供依據(jù)，也為設(shè)計(jì)部門指明產(chǎn)品改進(jìn)的方向，有利于減小載重輪胎在市場(chǎng)上的故障率，更好滿足用戶需求。