全路面起重機用445/95R25無內(nèi)胎全鋼工程機械子午線輪胎的設(shè)計

張燕龍，王雪崗，岳 振，劉本鑫，印海建

[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]

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日益增長，尤其是風(fēng)電、化工等行業(yè)發(fā)展迅猛，對建筑類型工程機械車輛的市場需求顯著提升[1]。全路面起重機具有全輪轉(zhuǎn)向和多軸驅(qū)動的特點，適用于多種工況的全路面吊裝作業(yè)[2]，并具備長途高速轉(zhuǎn)場能力，以適應(yīng)吊裝作業(yè)地點分布廣而散的現(xiàn)狀。全路面起重機經(jīng)常在惡劣場景進行吊裝作業(yè)，路面布滿石子或建材廢料，因此要求輪胎既能確保車輛在高速轉(zhuǎn)場過程中的安全可靠性，又要具備一定的抗切割性能。

隨著吊裝作業(yè)需求的日益增加，主機廠不斷迭代大載荷全路面起重機[3-5]，不僅提高吊載能力，同時車輛可帶行駛的上裝設(shè)備逐漸增多，如在高速轉(zhuǎn)場時可帶全臂全腿、可攜帶配重塊行駛，導(dǎo)致輪胎的單胎負荷不斷提高，部分輪位的軸荷達到18 t以上，對輪胎行駛安全性提出了更高的要求。高速長距離轉(zhuǎn)場過程中，輪胎生熱導(dǎo)致橡膠老化而引起的爆胎問題不僅延長宕機時間[6]，更嚴重影響車輛行駛安全。

為適應(yīng)不斷變化的市場需求，我公司針對起重機高速、重載應(yīng)用場景，開發(fā)了445/95R25無內(nèi)胎全鋼工程機械子午線輪胎，現(xiàn)將相關(guān)設(shè)計情況介紹如下。

1 技術(shù)要求

根據(jù)《美國輪胎輪輞標準協(xié)會標準（TRA—2016）》及《歐洲輪胎輪輞技術(shù)組織標準手冊（ETRTO—2018）》，確定445/95R25無內(nèi)胎全鋼工程機械子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)如下：標準輪輞11.25/2.0，充氣外直徑（D'） 1 481（1 464～1 498） mm，充氣斷面寬（B'） 435（422～474）mm；適用于E2使用條件（移動式起重機）的無內(nèi)胎輪胎，充氣壓力 900 kPa，額定負荷 6 700 kg。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

結(jié)構(gòu)設(shè)計采用了平衡輪廓設(shè)計理論，通過仿真建模手段進行模擬分析，同時綜合全路面起重機在終端客戶的實際使用工況以及客戶的痛點需求，最終優(yōu)化確定D為1 478 mm，B為448 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

全路面起重機輪胎的全生命周期中約90%在狀況良好路面上長距離高速轉(zhuǎn)場行駛，而b和h決定了輪胎的耐磨性能和使用壽命。市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)多個品牌起重機輪胎存在肩部偏磨及花紋塊前高后低等畸形磨損情況。因此，針對全路面起重機長距離高速連續(xù)行駛的場景，為確保輪胎均勻磨損，延長輪胎的使用壽命，通過仿真模擬分析輪胎的接地印痕形狀和接地壓力分布，最終優(yōu)化確定b為355 mm，h為12 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

市場調(diào)研時發(fā)現(xiàn)國內(nèi)大載荷全路面起重機轉(zhuǎn)場時普遍處于高載荷狀態(tài)，客戶為提高轉(zhuǎn)場效率，節(jié)約拖車成本，全路面起重機轉(zhuǎn)場過程中基本帶全臂全腿行駛，導(dǎo)致輪胎胎圈部位變形較大，與輪輞之間產(chǎn)生接觸磨損?？紤]起重機在高速、重載條件下使用，為避免胎圈與輪輞之間產(chǎn)生滑移，d取630 mm。為獲得良好的裝配接觸性能，同時滿足輪胎拆卸的便利性，本次設(shè)計C取標準值，為286 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸位于輪胎斷面最寬處，也是輪胎斷面最薄、胎側(cè)橫向變形最大的位置，H1/H2取值將直接影響輪胎胎肩與胎圈部位的受力平衡情況[7]。H1/H2取值過小，會導(dǎo)致胎圈部位在加載、釋放的循環(huán)狀態(tài)下出現(xiàn)較大的疲勞積累，從而使得胎圈部位異常損壞；H1/H2取值過大，容易造成輪胎肩部應(yīng)力過大，產(chǎn)生肩空和脫層等問題。

全路面起重機在施工作業(yè)時，通過支腿將車輛架起，輪胎懸空不受力；在作業(yè)場地內(nèi)存在短距離低速、重載移動的情況；在轉(zhuǎn)場行駛過程中輪胎處于長運距高速、重載狀態(tài)，市場上輪胎主要病象以肩部生熱過大導(dǎo)致的肩空為主。本設(shè)計盡量減小肩部帶束層端點處的屈撓程度，減小橡膠應(yīng)變，從而降低肩部生熱，同時兼顧控制重載下的胎圈部位變形，因此H1/H2取0.96。

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

全路面起重機在作業(yè)過程中存在多軸轉(zhuǎn)向和原地小角度扭轉(zhuǎn)情況，負荷大加上惡劣的路況，導(dǎo)致輪胎胎面磨耗加快，使得輪胎的更換頻率加快[8-11]。針對多軸轉(zhuǎn)向帶來的輪胎異常磨損問題，同時結(jié)合胎肩生熱問題，胎肩花紋采用半封閉設(shè)計，并增加散熱孔，既可有效控制成本，又能有效降低生熱。

為滿足長運距高速穩(wěn)定行駛，胎面花紋采用4條縱溝、溝槽采用輕溝槽設(shè)計；為兼顧復(fù)雜路面的驅(qū)動性能，采用大弧度塊狀花紋設(shè)計，冠弧展開長度為355 mm，花紋節(jié)距寬度為85.5 mm，花紋深度為25 mm，花紋飽和度為64%，花紋周節(jié)數(shù)為54。

胎面二維花紋和三維花紋效果分別如圖2和3所示。

圖2 胎面二維花紋示意

圖3 胎面三維花紋效果

2.6 負荷能力

輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計重要的一步是根據(jù)用途測算輪胎的負荷能力，主要依據(jù)《美國輪胎輪輞協(xié)會工程設(shè)計手冊（TRA EDI—2020）》計算輪胎負荷。根據(jù)移動式起重機用工程機械子午線輪胎單胎負荷計算公式計算得出，445/95R25無內(nèi)胎全鋼工程機械子午線輪胎在40 km·h-1行駛速度下的負荷能力為9 180 kg，滿足輪胎技術(shù)條件和整車技術(shù)要求。

3 施工設(shè)計

3.1 胎面

胎面是輪胎直接接觸地面的部位，對起重機輪胎胎面膠的要求一般是具備全路面工況行駛性能，重點兼顧高速性能、生熱和耐磨性能。因此，采用冠部膠和基部膠雙層胎面設(shè)計?？紤]起重機車輛全路面的作業(yè)行駛特點和輪胎肩空的主要失效模式，冠部膠選用硬度較高、抗刺扎的膠料配方，以保證復(fù)雜路面上輪胎的抗切割和耐磨性能；基部膠采用低生熱膠料配方，同時保證胎面與帶束層之間具有良好的過渡性能，以降低輪胎生熱，減少肩空故障。

3.2 帶束層

全鋼工程機械子午線輪胎一般采用3—6層帶束層。本設(shè)計采用3層帶束層，均采用3+9+15×0.225HT鋼絲簾線，帶束層安全倍數(shù)為6.9，滿足使用要求。因全路面起重機需具備長距離高速轉(zhuǎn)場的性能要求，帶束層包膠和隔離膠采用工程機械輪胎定制模量的高速配方，以提升輪胎的耐久性能。

3.3 胎體

胎體骨架主要起承載作用，本設(shè)計胎體采用7×7×0.22+0.15HT鋼絲簾線，胎體安全倍數(shù)為6.3，滿足使用要求。由于起重機輪胎在作業(yè)過程中扭轉(zhuǎn)程度大且頻次高[12]，因此胎體簾布采用高反包設(shè)計，即胎體簾布反包高度超過輪胎的斷面水平軸，以支撐胎側(cè)，降低高頻扭轉(zhuǎn)帶來的胎圈部位損壞風(fēng)險。

3.4 胎圈

胎圈的主要作用是車輛在啟動和制動時能夠?qū)⑤喬ダ卫尉o固在輪輞上。本設(shè)計胎圈采用傳統(tǒng)的六邊形鋼絲圈結(jié)構(gòu)，鋼絲總根數(shù)為102，鋼絲直徑為1.8 mm，覆膠鋼絲直徑為2.0 mm，胎圈安全倍數(shù)為6.2，滿足使用要求。

3.5 成型

采用一次法四鼓成型機成型，以提升生產(chǎn)效率[13]。胎體簾布高反包結(jié)構(gòu)需要充氣膠囊助推到位，控制膠囊充氣時長，并關(guān)注胎側(cè)的輥壓排氣，以降低胎體簾布反包處的工藝缺陷[14]。

3.6 硫化

采用單模蒸鍋式硫化機硫化。硫化條件為：內(nèi)溫 （175±3） ℃，外溫 （143±2） ℃，內(nèi)壓（0.8±0.05） MPa，外壓 （0.30±0.02） MPa，總硫化時間 85 min，硫化輪胎無外觀質(zhì)量缺陷，檢測合格。

4 成品輪胎性能

4.1 外緣尺寸

成品輪胎外緣尺寸按照GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測量方法》進行測量。安裝在標準輪輞上的輪胎在標準充氣壓力下的D'為1 478 mm，B'為448 mm，符合國家標準要求。

4.2 耐久性能

參考GB/T 30193—2013并結(jié)合企業(yè)測試標準進行輪胎耐久性試驗，試驗條件如表1所示。

表1 輪胎耐久性試驗條件

按照國家標準要求完成前3個階段測試后輪胎無損壞；企業(yè)標準要求輪胎必須通過第13個階段測試。結(jié)果表明，輪胎測試至第13個階段結(jié)束，累計行駛147 h后輪胎未發(fā)生損壞。輪胎的耐久性能達到企業(yè)標準要求，超過國家標準要求。

5 智能輪胎監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

在長距離高速、重載使用工況下，全路面起重機輪胎常見失效模式為肩空，因輪胎連續(xù)高速、重載行駛，胎肩內(nèi)部積累的熱量逐漸增加且得不到釋放，長時間處于高溫狀態(tài)會大大縮短輪胎使用壽命，并伴有高熱肩空風(fēng)險，因此需要司機養(yǎng)成良好的行車習(xí)慣，及時停車休息，讓輪胎降溫。本設(shè)計的445/95R2無內(nèi)胎全鋼工程機械子午線輪胎配備了智能輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)控行車過程中輪胎狀態(tài)，當(dāng)胎溫或充氣壓力達到報警閾值時，及時提醒司機停車休息，從而實現(xiàn)規(guī)范司機駕駛習(xí)慣，降低輪胎因高熱引發(fā)的失效風(fēng)險，提高輪胎行駛安全性，延長輪胎的使用壽命。例如全路面起重機600T終端客戶裝配了445/95R25工程機械子午線輪胎，同時配備智能輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，車輛在轉(zhuǎn)場行駛過程中帶全臂全腿，軸負荷達到18 t左右，以40 km·h-1的平均速度連續(xù)行駛3.5 h，重載輪位均觸發(fā)高溫報警；次日按規(guī)范要求行車2 h停車休息0.5 h，重載輪位均處于良好運行狀態(tài)。兩種行車狀態(tài)下的輪胎的溫升曲線對比見圖4。

圖4 不同行車習(xí)慣下的溫升曲線對比

從圖4可以看出，應(yīng)用智能輪胎監(jiān)測系統(tǒng)后，規(guī)范了司機良好的行車習(xí)慣，降低了輪胎行駛過程中的溫度上限，提高了輪胎行駛安全性。

6 結(jié)語

針對全路面起重機長運距、重載場景設(shè)計開發(fā)的445/95R25無內(nèi)胎全鋼工程機械子午線輪胎的外緣尺寸滿足國家標準要求，耐久性能達到企業(yè)標準要求。該產(chǎn)品投入市場后，終端客戶反饋輪胎使用效果優(yōu)良，在大載荷全路面起重機細分市場占比高，輪胎失效比例得到顯著控制，為全路面起重機提供了有效的輪胎解決方案，同時通過智能輪胎監(jiān)測系統(tǒng)，行車過程實時監(jiān)控輪胎狀態(tài)，不僅規(guī)范了司機良好的行車習(xí)慣，同時提升了輪胎行駛安全性和使用壽命。