巨型礦用輪胎全壽命管理研究

丁 震 王鐵軍 孟 峰 宋子光 龍 飛

（1.神華集團有限責任公司煤炭生產部，北京市東城區，100011；2.神華北電勝利能源有限公司，內蒙古自治區錫林浩特市，026000；3.邦弘礦業公司，北京市朝陽區，100037）

目前，我國露天礦開采工藝以單斗卡車工藝為主，礦用自卸卡車是其最主要的運輸工具，輪胎作為卡車的重要部件，直接與工作環境接觸，承擔著卡車的牽引力和載荷。隨著露天裝備的大型化和重型化發展，輪胎隨之也越來越大。巨型礦用輪胎不同于其他類型的輪胎，其擁有尺寸大和重量沉的特點，特大巨型輪胎的最大直徑超過4m，重量超過5t，型號主要集中在：27.00×49、33.00×51、37.00×57、40.00×57、53／80×63、59／80×63。

一臺礦用自卸卡車的輪胎購置費大約占卡車總機購置費的15%～20%，在使用過程中，巨型輪胎小時運行成本有時可達卡車燃油小時成本的兩倍。

隨著輪胎價格的逐漸上漲，巨型輪胎的供貨出現較為緊張的局面，這是由于巨型礦用輪胎的工作環境復雜、制造技術含量高、設計復雜以及價格昂貴等諸多原因造成的。過去10年來，由于全球經濟增長導致礦業不斷擴張，從而進一步導致巨型礦用輪胎的短缺。自2012年下半年以來，世界能源材料價格的下降，礦產企業急需減少成本，作為露天礦兩大高消耗之一的輪胎，如何提高其性能以降低成本顯得尤為重要。國內隨著露天礦山卡車等設備和技術與國際的接軌，輪胎管理方面得到了日益重視并取得了長足的進步，但到目前為止各礦山輪胎管理仍然集中在與維修直接相關的方面。全壽命理論在煤礦機電管理中越來越被重視，研究巨型礦用輪胎全壽命管理，對礦山最大化延長輪胎使用壽命、緩解輪胎供需壓力、降低生產成本有非常重要的意義。

1 影響巨型礦用輪胎使用壽命的因素

由于巨型礦用輪胎與周圍環境相互作用的復雜性，影響輪胎使用壽命的因素主要有4大種類，即維修、卡車、道路及周圍環境。

1.1 維修對輪胎的影響

維修對輪胎的影響主要是指各種維修實踐對輪胎性能的影響，如輪胎靜態壓力的合理設定、輪胎定位校準、輪胎定期檢查保養等。維修安裝輪胎時靜態壓力對輪胎性能的影響見圖1。

圖1 靜態壓力對輪胎性能的影響

由圖1可以看出，X 軸為輪胎實際充氣壓力相對推薦靜態壓力的百分比，Y 軸為輪胎壽命相對推薦靜態壓力時正常壽命的降低百分比。由此可見輪胎過多充氣和過低充氣同樣有害，當輪胎充氣壓力大于或小于輪胎推薦靜態壓力的20%時，輪胎壽命減少約20%。

1.2 卡車對輪胎的影響

卡車對輪胎的影響主要是指卡車的各種因素對輪胎的影響，如卡車的載重量、卡車本身的結構以及卡車的速度等，載重與輪胎壽命的關系見圖2。

圖2 載重與輪胎壽命的關系

由圖2可以看出，X 軸為輪胎實際壽命小時數，Y 軸為實際載重相對于額定載重的百分比。隨著卡車載荷的增加，輪胎變形增大導致輪胎發熱，輪胎的性能從額定載重時的4500h降低到了超載40%時的1500h，下降幅度超過65%。

1.3 道路對輪胎的影響

道路對輪胎的影響比較復雜，礦山卡車運輸道路是最大的影響因素，良好的道路設計和維護可減少燃油消耗、提高輪胎壽命和駕車的舒適性。

1.4 周圍環境的溫度對輪胎的影響

周圍環境的溫度對輪胎的影響往往容易被忽視，環境溫度的變化會影響輪胎的壓力和溫度變化，進而影響輪胎的性能。在其他操作環境相似的情況下，寒冷地區的輪胎壽命要比炎熱地區的輪胎壽命高，環境溫度的變化要求輪胎的靜態壓力隨之動態調整。例如，米其林輪胎公司建議在環境溫度低于10℃或高于25℃時對輪胎靜態壓力進行相應的調整，靜態壓力建議增加值見表1。

表1 靜態壓力建議增加值

由表1 可見，當充氣時環境溫度為35℃～39℃時，推薦靜態壓力應增加8%。

在對上述4大類互動因素研究分析的基礎上，結合對巨型礦用輪胎的管理實踐和理論研究，總結了巨型礦用輪胎全壽命周期內影響輪胎使用壽命的3大類22項主要因素由圖3所示。

圖3 影響輪胎性能的主要因素

2 巨型礦用輪胎全壽命管理概念和涵蓋內容

2.1 巨型礦用輪胎全壽命管理概念

巨型礦用輪胎全壽命管理是指從輪胎入礦前到報廢后的所有與輪胎相關的管理及過程，該管理的最終目標是最大化輪胎性能、降低客戶生產成本、加強安全和提高生產力。實施輪胎全壽命管理后客戶整體的輪胎成本降低至少20%，同時礦山輪胎的管理水平和輪胎作業安全水平也得到大幅改善。

2.2 巨型礦用輪胎全壽命管理涵蓋內容

礦用輪胎全壽命管理涵蓋選擇輪胎、計劃采購、維修、生產使用、報廢和修補翻新等全部相關過程。輪胎全壽命管理的核心服務內容主要涵蓋以下5個方面：（1）輪胎關鍵指標監控分析；（2）輪胎應用工程分析；（3）整體輪胎意識培訓；（4）現場最佳輪胎使用實踐規范；（5）新科技應用。從數據監控收集、科學報告至現場操作及培訓，以至最終實現流程標準化運營，并配合最新科技產品的應用，每個環節循序漸進，環環相扣，以整體工程為理念，以數字化、精細化管理為基礎，持續改進礦用輪胎的綜合管理水平，有效提高輪胎使用壽命。

3 輪胎全壽命管理結構體系

輪胎全壽命管理結構體系全面測量、收集和整理輪胎在露天礦使用環境中的各種關鍵數據，實時監控輪胎的工況壓力和溫度，對影響輪胎壽命的關鍵指標進行工程分析，定期根據分析結果進行動態調整、改進現場操作實踐，全面實現露天礦用輪胎管理數字化和精細化。輪胎全壽命管理結構體系見圖4，以工程技術分析為核心，以分析結果科學指導和管理其他四項內容。為了保證輪胎全壽命管理體系順利貫徹實施，必須有管理實施整體流程見圖5。

圖4 輪胎全壽命管理結構體系

圖5 輪胎全壽命管理結構體系貫徹流程圖

4 信息數據收集

及時全面地獲取和監控露天礦山巨型輪胎數據是建立礦用輪胎全壽命管理體系的重要先決條件，是整個體系的第一步驟，是礦山輪胎數字化、精細化運營的基礎，信息數據收集主要包括建立數據信息收集體系與監控系統。

4.1 建立數據信息收集體系

輪胎管理數據信息收集體系包含兩大方面，即收集規范和數據采集整理。根據收集規范，維修、生產、技術等相關部門進行歷史和當前數據的采集，數據主要來源為維修車間的日常維修計劃和維修保養記錄、生產部門的日常卡車運行數據、技術部門的道路設計參數和生產計劃以及輪胎生產廠家的輪胎技術參數；數據信息收集包含從其他相關部門的不同軟件中獲取相關數據和信息，如Wenco車輛管理系統、Vulcan采礦設計軟件、卡特比勒或小松卡車載重系統等，收集數據后建立輪胎管理系統數據庫，對輪胎相關數據進行整理、歸納和分析后輸錄存儲到數據庫軟件中，應用該數據庫用戶可查看每臺卡車的輪胎配置狀況、每條輪胎的具體維修歷史、輪胎庫存等。

4.2 建立輪胎監控系統

壓力和溫度是輪胎的兩大關鍵性能指標，管理好這些指標對輪胎性能益處極大。目前國內礦山使用紅外溫度槍對輪胎表面進行胎溫點檢，比起之前只檢測壓力，這是一個巨大進步。盡管如此，由于輪胎表面胎溫直接受到周圍環境如陽光、路面溫度、地面摩擦等的影響，很多情況下不能準確地反映輪胎真實的發熱狀況，比如內腔和胎體鋼帶層的溫度，該方法的另一缺點是不能持續監控輪胎壓力和溫度。

輪胎監控系統通過安裝于輪胎內部的傳感器將輪胎壓力溫度數據傳輸到駕駛室內的接收器中，然后再通過現場的無線網絡傳輸到礦山主服務器，最后通過此主服務器及互聯網與外界各計算機相接。輪胎監控系統主要功能有：準確設定輪胎靜態壓力值；設定輪胎壓力溫度警戒值，提供監督及報警機制；實時壓力及溫度顯示，監控優化輪胎使用；提供速度和運距信息，指導卡車行車速度；為輪胎相關分析提供數據及信息支持；為管理人員提供緊急警報時卡車的地理信息概況。

基于地理信息的輪胎壓力和溫度狀況展示是該系統的獨特性之一，可通過警報發生時的地理信息結合相關數據，對卡車操作實踐、道路設計和路面提出相應的改進建議，從而提高輪胎壽命。

5 現場調查審計

定期現場審計是提高輪胎性能的重要一環，該審計可及時跟蹤解決數據收集過程中的相關問題，幫助礦山更有效的落實輪胎全壽命管理實踐，并及時發現礦山現場存在或潛在的問題。現場審計服務范圍廣泛，具體內容見圖7。

圖6 現場調查審計內容

根據現場審計、工程數據分析和報告，輪胎專家出具審計報告并生成指導性意見，對相應輪胎管理實踐活動提供建議、操作指導和培訓，并回答客戶疑難問題。

圖7 加拿大Kemess礦山40.00R57輪胎推薦換位順序

6 全壽命管理系統工程技術分析及應用建議

全面細致的工程分析及應用建議是全壽命管理的核心所在，該分析及應用建議以強大的輪胎管理數據為基礎，通過可靠性、失效性、工程統計和工程優化等分析方法，定期提供輪胎技術報告，發現現場存在的問題，并提出改進方案。工程報告對輪胎維護、現場操作、運輸道路維護改進、輪胎未來運行趨勢、輪胎選型及采購規劃等重要決策提供了詳盡有力的技術支持，對影響輪胎壽命的關鍵指標，如壓力和溫度等指標提供了動態優化的管理方案，并可將輪胎的運行參數和分析建議及時反饋給生產廠家以協助提高產品，如加拿大Kemess礦山的40.00R57輪胎推薦換位順序，分析結果見圖7。

由圖7可以看出，如果輪胎最初安裝在左前位置，換位的方式是先從左前位到右后內位，再從右后內位到右后外位，最后換至左后外位，實施該換位方法后礦山輪胎壽命提高了7%。

7 輪胎全壽命管理實踐

7.1 神華集團勝利露天礦應用情況

神華集團勝利露天礦目前擁有50 臺220t自卸卡車，其中830E 卡車28 臺，MT4400 卡車22臺。現有57 寸在用輪胎252 條，其中進口輪胎：米其林72 條，普利司通94 條；國產輪胎：陸安44條，火炬42條。到目前為止，神華勝利露天礦共安裝胎壓溫度車載監控設備28臺，并建立了輪胎數字化管理平臺，累計監控時間超過15000h。

7.2 輪胎全壽命管理實現主要功能

（1）溫度和壓力實時數據采集、監控、報警。輪胎監控系統通過輪胎內置感應器，實時采集溫度和壓力數據；感應器每3s發射一次溫度、壓力數據信號；通過監控軟件的各種界面，可實時查看各種監控數據；針對輪胎高溫、高壓、低壓3種異常狀況，需要在監控系統中設定黃色和紅色兩種級別報警值，進口輪胎與國產輪胎分開設定。

（2）實現現場數據遠程傳輸和共享。目前，勝利露天礦使用GSM／GPRS移動網絡實現輪胎監控數據傳輸，中控室可以通過內部網絡訪問服務器，實現實時監控。北京集團總部、加拿大邦弘技術支持后臺可以通過Internet實現遠程登錄、實時監控和數據共享。

（3）科學指導，智能決策。神華勝利露天礦通過定期分析監控系統采集的輪胎數據，科學指導現場管理決策。主要手段有：輪胎產品TKPH 分析、壓力溫度監控分析、輪胎磨損及換位分析、輪胎報廢原因分析、不同品牌使用成本分析等，實現了輪胎全壽命管理。

7.3 應用案例

（1）及時發現輪胎慢漏氣。通過安裝輪胎全壽命管理系統，在初裝的10臺車中發現有50%的車輛存在漏氣現象，其中慢漏氣的情況不易被發現。如830E-10車的2＃胎慢漏氣，在常規點檢中，第9天才被發現，但在監控系統數據曲線圖中，僅需2天就已經發現該現象。

（2）及時發現輪胎壓力不平衡。通過輪胎全壽命管理系統，在初裝的10臺車中有80%的車輛存在氣壓不平衡現象。在常規點檢中，氣壓不平衡很難被發現。

8 結語

研究探討了基于中國國情的巨型礦用輪胎全壽命管理理念及過程，通過實施輪胎全壽命管理，節省了輪胎消耗，促進綠色礦業的發展，提高車輛出動率，降低卡車平均油耗，實現輪胎工況實時預警，提高安全生產管理水平。輪胎全壽命管理是實現礦用輪胎數字化、精細化管理、確保客戶輪胎及相關資產最大化的必要步驟，可提高本土輪胎應用的安全性和穩定性，減少對進口輪胎的依賴性，推動民族品牌快速發展。

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