地下礦鉸接式卡車用18.00R25 E3全鋼工程機(jī)械子午線輪胎的設(shè)計(jì)

王銀竹，趙 君，于 飛，謝仕強(qiáng)，孫 昕

[泰凱英（青島）專用輪胎技術(shù)研究開發(fā)有限公司，山東 青島 266100]

礦山資源開采主要有露天開采和地下開采兩種方式，當(dāng)?shù)V床埋藏在地下深處時(shí)，采用露天開采剝離系數(shù)過高，綜合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)評(píng)估，采用地下開采方式比較合理。同時(shí)，由于各國(guó)對(duì)環(huán)保的要求越來越高，礦山露天開采轉(zhuǎn)地下開采的趨勢(shì)越來越明顯。目前，鉸接式卡車在大中型礦山中仍為主要的運(yùn)輸車輛，其中載質(zhì)量為20 t的地下礦鉸接式卡車在獨(dú)聯(lián)體、南美和非洲仍在大量使用，隨著近年地下礦開采量的飛速增長(zhǎng)，對(duì)該車輛輪胎的需求量也在逐漸增大。由于傳統(tǒng)斜交輪胎存在舒適性低、生熱高、胎冠抗刺穿性能差等問題，無法滿足地下礦運(yùn)輸卡車的需求[1-3]，同時(shí)，很多在用的全鋼工程機(jī)械子午線輪胎并非針對(duì)地下礦用車輛設(shè)計(jì)，存在壽命短、胎側(cè)/胎冠扎傷導(dǎo)致爆胎失效等問題，因此，地下礦用全鋼工程機(jī)械子午線輪胎的設(shè)計(jì)非常重要。

為了滿足客戶需求并提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，本工作針對(duì)地下礦鉸接式卡車用18.00R25 E3全鋼工程機(jī)械子午線輪胎進(jìn)行設(shè)計(jì)，以期解決斜交輪胎產(chǎn)品生熱高、抗刺穿性能差及子午線輪胎異常損壞比例高、壽命偏短等問題，從而提高產(chǎn)品性能，為客戶創(chuàng)造更高的價(jià)值。下面將該規(guī)格輪胎的設(shè)計(jì)情況簡(jiǎn)要介紹如下。

1 技術(shù)要求

根據(jù)《美國(guó)輪胎輪輞協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)年鑒（TRA）—2016》《歐洲輪胎輪輞技術(shù)組織標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)（ETRTO）—2018》和GB/T 2980—2018《工程機(jī)械輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負(fù)荷》，確定18.00R25 E3輪胎的技術(shù)參數(shù)如下：標(biāo)準(zhǔn)輪輞 13.00/2.5，充 氣 外 直 徑（D′） 1 613（1 585.6～1 644.4）mm，充氣斷面寬（B′） 504（485～545） mm，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力 800 kPa，標(biāo)準(zhǔn)單胎負(fù)荷 10 300 kg，行駛速度 50 km·h-1。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

充分考慮地下礦用車輛的作業(yè)路況和應(yīng)用場(chǎng)景，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面以平衡輪廓設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，基于經(jīng)典力學(xué)原理，通過有限元方法進(jìn)行模擬分析[4-11]，最終確定D為1 602 mm，B為490 mm（不包含標(biāo)志、裝飾線和防擦線所增加的寬度），滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b為兩側(cè)胎肩間胎面行駛面的軸向距離，h為兩側(cè)胎肩線至胎面最外表面的垂直距離。因?yàn)榈叵碌V路況復(fù)雜，坑洼、多水且泥濘的道路普遍存在，并且b和h對(duì)輪胎的接地印痕、耐磨性能及操控穩(wěn)定性有很大的影響[12-13]，同時(shí)考慮普通子午線輪胎b/B范圍（0.86～0.90）和h/H（斷面高）范圍（0.03～0.05），本次設(shè)計(jì)對(duì)輪胎的接地印痕和胎冠部位生熱進(jìn)行了平衡，結(jié)合有限元分析，得出最優(yōu)的b和h分別為430和20 mm，在保證輪胎耐熱性能的同時(shí)，可以提升輪胎的耐磨性能和操控性能。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

d和C主要影響輪胎與輪輞配合的密封性以及輪胎安裝和拆卸的便利性；在無內(nèi)胎輪胎設(shè)計(jì)過程中，為保證輪胎與輪輞的密封性，胎圈與輪輞采用適當(dāng)?shù)倪^盈配合[14]。本次設(shè)計(jì)d在標(biāo)準(zhǔn)輪輞基礎(chǔ)上減小5 mm，取630 mm；C一般與輪輞著合寬度一致，本次設(shè)計(jì)取330.2 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸位于輪胎斷面兩外側(cè)之間的最大距離位置（不包括標(biāo)志、裝飾線和防擦線所增加的寬度），也是子午線輪胎受力后胎側(cè)變形最大的位置，因此，H1/H2的選取對(duì)輪胎性能有很大的影響。H1/H2取值過大，即斷面水平軸位置過高，有利于輪胎承載性能，但會(huì)導(dǎo)致輪胎肩部應(yīng)力集中，導(dǎo)致肩部損壞風(fēng)險(xiǎn)增大；H1/H2取值過小，即斷面水平軸位置過低，有利于輪胎的高速性能，但會(huì)導(dǎo)致胎圈應(yīng)力集中、胎圈損壞風(fēng)險(xiǎn)增大等問題。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，工程機(jī)械子午線輪胎的H1/H2一般為0.8～1.1[14]，由于地下礦鉸接式卡車行駛受限于巷道，輪胎負(fù)荷主要是標(biāo)載，對(duì)輪胎的生熱和安全性能要求更高，減小生熱、降低上胎側(cè)應(yīng)力集中導(dǎo)致輪胎外傷的幾率增大，因此本次設(shè)計(jì)H1/H2取0.84。

輪胎斷面輪廓如圖1所示。

圖1 輪胎斷面輪廓示意

2.5 胎面花紋

本產(chǎn)品為非公路用途，在地下礦鉸接式卡車上使用。相較于露天礦，其作業(yè)路面存在泥濘坑洼、礦石散落、巷道狹窄等工況，輪胎胎側(cè)切割/刺穿、胎面礦石切割/刺扎、胎面金屬刺穿等異常損壞問題非常普遍，同時(shí)一旦輪胎損壞會(huì)造成巷道阻塞、輪胎更換困難等問題，增大礦山作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，因此在胎面花紋設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮輪胎的抗切割和抗刺穿性能。另外，考慮到地下礦鉸接式卡車存在不同作業(yè)平面的爬坡運(yùn)輸場(chǎng)景和長(zhǎng)距離作業(yè)場(chǎng)景，也需要保證輪胎的散熱性能和牽引性能。因此，本次設(shè)計(jì)胎面花紋具備優(yōu)異的抗切割性能、抗刺穿性能、散熱性能和牽引性能，以塊狀耐磨型花紋為基礎(chǔ)：胎冠中部采用全飽和設(shè)計(jì)，可以提升輪胎的抗刺穿和抗切割性能；胎肩采用羊角形溝槽設(shè)計(jì)，可以提升輪胎肩部的散熱性能；花紋溝采用有向設(shè)計(jì)，可以提供輪胎良好的牽引性能；花紋溝底采用階梯過渡設(shè)計(jì)，可以提升溝底的抗刺扎性能和自潔性能；胎肩采用胎側(cè)防護(hù)設(shè)計(jì)，可以降低胎側(cè)外傷幾率?；y深度為30 mm，采用等節(jié)距設(shè)計(jì)，花紋周節(jié)數(shù)為32，花紋飽和度為86.7%。

胎面花紋二維和三維效果分別如圖2和3所示。

圖2 胎面花紋二維效果

圖3 胎面花紋三維效果

3 施工設(shè)計(jì)

3.1 胎面

胎面是輪胎與地面接觸的部位，全鋼工程機(jī)械子午線輪胎對(duì)胎面膠的一般要求是具有良好的耐磨性能、抗切割性能和低生熱性能等。考慮地下礦鉸接式卡車的作業(yè)工況及場(chǎng)景的特殊性，胎面膠選用含80%丁苯橡膠的抗切割配方膠料，以保證輪胎在地下泥濘、坑洼的路況下有優(yōu)異的抗切割性能?？紤]到地下礦鉸接式卡車存在長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)及部分長(zhǎng)運(yùn)距場(chǎng)景，胎面膠與帶束層之間增加基部膠設(shè)計(jì)，其膠料生熱低，具有良好的鋼絲粘合性能；同時(shí)考慮到車輛行駛過程中震動(dòng)較大，其基部膠具有優(yōu)異的定伸模量，既有利于降低輪胎在作業(yè)狀態(tài)下的生熱，同時(shí)又起到緩沖作用，可以降低應(yīng)力和應(yīng)變從胎面?zhèn)鬟f到帶束層的幅度。

3.2 胎體

胎體鋼絲簾布在輪胎作業(yè)過程中主要起承載的作用，目前635 mm（25英寸）及以上工程機(jī)械子午線輪胎主要采用胎體簾布高反包設(shè)計(jì)（反包胎體簾布高度高于斷面水平軸），以起到保護(hù)胎側(cè)位置胎體簾布，增加胎側(cè)剛性的作用。

考慮地下礦鉸接式卡車的載重及使用工況，本設(shè)計(jì)以充氣后輪胎為基礎(chǔ)，結(jié)合有限元分析，采用7×7×0.25＋0.15HT鋼絲簾線。胎體安全倍數(shù)為6.6，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 帶束層

全鋼工程機(jī)械子午線輪胎一般為4—6層帶束層結(jié)構(gòu)，889 mm（35英寸）以上輪胎的帶束層一般為5—6層（以最貼近胎體的帶束層為1#帶束層）。以6層帶束層為例，1#和2#帶束層為過渡層；3#和4#帶束層為主要受力層，鋼絲簾線強(qiáng)度高；5#和6#帶束層為保護(hù)層，采用高伸長(zhǎng)型鋼絲簾線。帶束層結(jié)構(gòu)的選用對(duì)輪胎性能（如帶束層應(yīng)力分布、輪胎接地印痕和冠部變形生熱等）有非常重要的影響。

本次設(shè)計(jì)選用4層帶束層結(jié)構(gòu)，其中1#和2#帶束層采用7×7×0.22＋0.15HT鋼絲簾線，3#和4#帶束層采用4×6×0.25HE高伸長(zhǎng)型鋼絲簾線。帶束層安全倍數(shù)為8.5，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 胎圈

胎圈即輪胎與輪輞的配合部分，目前胎圈鋼絲圈有圓形、六角形、斜六角形、U形和矩形等形狀；其中六角形鋼絲圈由于其具有強(qiáng)度高、工藝制造方便和生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，目前在全鋼工程機(jī)械子午線輪胎中應(yīng)用廣泛。考慮到地下礦鉸接式卡車的作業(yè)工況，本次設(shè)計(jì)鋼絲圈采用六角形鋼絲圈結(jié)構(gòu)，鋼絲直徑為2.0 mm，覆膠直徑為2.2 mm，鋼絲圈根數(shù)為200，胎圈安全倍數(shù)為11.5，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.5 成型和硫化

成型工藝主要考慮作業(yè)效率和生產(chǎn)操作的便捷性，同時(shí)降低生產(chǎn)過程中人員和物料的浪費(fèi)，本次設(shè)計(jì)采用一次法成型機(jī)進(jìn)行成型，其中胎面采用纏繞機(jī)進(jìn)行纏繞。

采用單模蒸鍋式硫化機(jī)進(jìn)行硫化。硫化條件為：內(nèi)溫 （173±3） ℃，外溫 （147±2） ℃，內(nèi)壓 （2.8±0.1） MPa，外壓 （0.35±0.03）MPa，總硫化時(shí)間 219 min。硫化后成品輪胎外觀合格，無缺膠及過硫現(xiàn)象，X光檢測(cè)骨架材料合格，胎里內(nèi)襯層厚度檢測(cè)無異常，輪胎總體合格。

4 成品性能

4.1 外緣尺寸

成品輪胎外緣尺寸按照GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測(cè)量方法》進(jìn)行測(cè)量。安裝在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上的輪胎在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下的D′和B′分別為1 611和507 mm，均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 靜負(fù)荷性能

成品輪胎靜負(fù)荷性能按照HG/T 2443—2012《輪胎靜負(fù)荷性能試驗(yàn)方法》并根據(jù)企業(yè)要求進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 輪胎靜負(fù)荷性能測(cè)試結(jié)果

從表1可以看出，隨著負(fù)荷的增大，在試驗(yàn)負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，輪胎靜負(fù)荷半徑均勻減小，負(fù)荷下斷面寬和輪胎下沉量均勻增大，輪胎接地印痕總面積及平均接地壓力也均勻增大。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力及標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷下，輪輞著合寬度位置接地印痕（見圖4）矩形比為1.08，達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力及標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷下輪胎接地印痕

4.3 耐久性能

按照GB/T 30193—2013《工程機(jī)械輪胎耐久性試驗(yàn)方法》進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表2所示。

表2 輪胎耐久性試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果要求：按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求完成前3個(gè)階段測(cè)試后，輪胎無損壞；企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試必須完成6個(gè)階段。實(shí)際測(cè)試完成第6階段結(jié)束，耐久性試驗(yàn)累計(jì)行駛時(shí)間達(dá)83 h后輪胎未損壞。輪胎耐久性能達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)且遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)地下礦鉸接式卡車作業(yè)場(chǎng)景設(shè)計(jì)開發(fā)的18.00R25 E3全鋼工程機(jī)械子午線輪胎的充氣外緣尺寸達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，靜負(fù)荷性能滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，耐久性能滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)且遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。本產(chǎn)品投入市場(chǎng)后客戶反饋使用效果較好，胎冠刺穿及胎側(cè)外傷比例明顯下降，車輛作業(yè)效率大幅提升，降低了地下礦開采的綜合成本，并為公司帶來了較高的經(jīng)濟(jì)效益。