大型礦山電動輪汽車巨型輪胎磨損率技術研究

張偉旗

(江西銅業集團銅材有限公司，江西貴溪 335424)

大型礦山電動輪汽車巨型輪胎磨損率技術研究

張偉旗

(江西銅業集團銅材有限公司，江西貴溪 335424)

針對德興銅礦大型礦山電動輪巨型輪胎磨損率進行長期深入的研究，且結合礦山實際，打破國外的技術封鎖和長期壟斷，通過探索巨型輪胎磨破事故基本規律及磨損機理，創建了相應的磨損模型、作業率模型及成本數學模型，提升了礦山工藝技術裝備水平，對行業科技進步及產業結構優化升級皆具有重大的推動作用，其多項關鍵技術填補了國內外空白。

巨型輪胎； 磨損率； 模型創建

大型礦山電動輪汽車是煤、鐵、銅、稀土、鉆石等礦山露天開采中的主力運輸設備，特別適用于千萬噸級以上礦山。而巨型工程子午線輪胎(簡稱巨型輪胎)是工程輪胎家族中的新一代高科技產品，對電動輪汽車而言極為關鍵，尤其是在車輛的路面操控、更短濕地剎車距離、更強的磨耗性能、自控彎道抓地性能、駕駛舒適性和超值的節油效能等表現上，至關重要。其主要與大型電動挖掘機相配套，主要優點是滾動阻力小、行駛里程高、耐磨性好、耐切割、耐刺扎、抗撕裂、抗老化及氣密性好、安全舒適、經濟效益顯著等。

江銅德興銅礦(簡稱德銅)銅廠和富家塢采區日采選礦石產能13萬t/d，礦石年采剝總量巨大，達1.32億t/a。故采用10多臺大型電動挖掘機和配套的70多臺電動輪進行采礦作業[1]。然而，由于該礦采區工況惡劣，裝載任務繁重，作業條件差且強度高，其關鍵部件巨型輪胎磨破事故居高不下，部分輪胎超期服役嚴重，故一直位居四大消耗備件之首，需長期依賴進口，且由于進口備件短缺、采購周期長、價格昂貴、維修困難且費用高，經濟損失巨大，對安全生產威脅大，因而成為該礦安全生產的技術“瓶頸”。

1 巨型輪胎總體消耗磨破狀況分析

1.1 銅廠及富家塢采區概況分析

銅廠采區為超大型銅鉬礦床，地帶呈北向西的狹長槽型，大部分以花崗閃長斑巖、石英閃長玢巖、細晶巖、煌斑巖及千枚巖等為主，其中：銅524.5萬t、平均品位0.46%，鉬12.8萬t、平均品位0.01%。按含銅3%邊界品位圈定，露天境界東西長、南北寬分別約2.3 km、2.4 km，境界面積約6 km2，剝采比約1.39:1。50多年來的持續開采，使該采區形成巨大的深部凹坑，且以2～3個臺階/年的深度不斷向下延伸，作業面頻繁變更且變窄，排土場高度和運距持續增加，礦石和廢石最大運距分別達2 km、3.6 km以上，且以重載上坡路段居多。由于石橋輪胎橡膠偏軟，難以滿足該采區長距離運行的要求。

富家塢采區為大型銅鉬礦床，與銅廠采區相距1.5 km。金屬礦物以黃銅礦、輝鉬礦、黃鐵礦、褐鐵礦為主，其中：銅257.3萬t、平均品位0.5%，鉬16.8萬t、平均品位0.03%，境界面積約3.98 m2，剝采比約3.23∶1；運距約2 km范圍內，主干道偏窄，且以波浪形的重載下坡路段居多，路基偏軟，特別是雨季時，西南部排土場沉降、大面積邊坡滑坍及泥石流等災害性事故多，排土條件之差、不利因素及存在問題之多，在國內外礦山極為罕見。然而石橋輪胎較適宜于該采區使用。

1.2 電動輪汽車的主要技術參數

1.2.1 主要技術規格

目前，德銅銅廠和富家塢兩大采區在線使用的大型礦山電動輪汽車共63臺，其相應配套輪胎的型號、最大載重量、自重及重量利用率分別是：830E車輛12臺(含國產車2臺)，為40.00 R57型、220 t、165 t、1.33；730E車輛25臺，為37.00R57型、183.73 t、103.83 t、1.31；630E車輛6臺，為36.00R51型、154.22 t、1.47及37.00R57型；R190Ⅲ車輛14臺，及R170車輛12臺，37.00R57型、173t、126.68 t、1.37，及36.00R51型、154.22 t、103.83 t、1.49；日立EH3500車輛5臺，為36.00R51型、190 t、140 t、1.36。另有6 臺R-170型、2 臺R190型、2 臺630E型電動輪汽車現已改為灑水車使用。

1.2.2 核定裝載質量

考慮到830E、730E、R190、R170、630E、EH3500等主力車型載重量不同、車斗內耐磨襯板磨損及額定載重量等因素，該礦先后對各種電動輪裝載量進行測量與核定，核定物料為斑巖、千枚巖及風化千枚巖等，最終核定裝載質量分別為：830E型196～206 t/車；730E型、EH3500型166～176 t/車；R190型155～165 t/車；630E 、R170型138～148 t/車。

1.3 進口巨型輪胎磨損報廢狀況分析

統計數據表明，該礦2011年電動輪汽車巨型輪胎全年總體運行狀況平穩，36.00R51和37.00R57進口巨型輪胎平均使用壽命為2 703 h/條，比2010年略減27 h/條；40.00R57型進口巨型輪胎平均使用壽命為2 107 h/條，比2010年提高267 h/條。而隨著富家塢采區開采的進一步深入，新胎投入比例不斷增大，全年銅廠采區與富家塢采區37.0057型新胎、40.0057型新胎的消耗比例分別為5.5∶4.5和1∶1。其中：

1.3.1 40.00R57型進口輪胎

米其林型輪胎磨損55條，損壞120條，報廢120條，新胎消耗120條，平均報廢壽命2 095 h/條；而石橋輪胎磨損19條，損壞24條，報廢24條，新胎消耗33條，平均報廢壽命2 168 h/條。皆無熱剝離現象。

1.3.2 37.00R57型進口輪胎

米其林輪胎磨損120條，損壞187條，報廢160條，新胎消耗183條，平均報廢壽命2 816 h/條；石橋輪胎磨損1條，損壞3條，報廢2條，新胎消耗26條，平均報廢壽命1 833 h/條；而固特異輪胎磨損85條，損壞109條，報廢98條，新胎消耗60條，平均報廢壽命2 672 h/條。皆無熱剝離現象。

1.3.3 36.00R51型進口輪胎

米其林型輪胎磨損18條，損壞44條，報廢37條，新胎消耗27條，平均報廢壽命2 325 h/條；而固特異輪胎磨損16條，a損壞24條，報廢22條，新胎消耗0條，平均報廢壽命2 738 h/條。皆無熱剝離現象。

表1 德興銅礦銅廠采區和富家塢采區試用國產“陸安”巨型輪胎數據分類及統計情況

1.4 國產輪胎磨破報廢狀況分析

德銅銅廠和富家塢采區試用國產“陸安”巨型輪胎數據分類及統計情況，如表1所示。其中，2009年，國產輪胎僅在2臺車輛運行；2010年12月始，已推廣至二大采區7臺電動輪，且車型從R-190型、EH3500型增至R-190型、630E型及730E型，3臺630E、3臺730E及1臺R190車輛分別試用36.00R51型、37.00R57型國產輪胎；2012年始，則分別在730E前輪上和830E車輛后輪上首次安裝試用37.00R57和40.00R57型輪胎。

2 巨型輪胎主要磨損特性機理分析

2.1 輪胎磨損特性分析

輪胎磨損看似簡單，卻極為復雜。其牽引力、制動力、磨耗性、散熱性、排水性、操縱穩定性及低噪音等性能皆來源于輪胎橡膠花紋塊即低彈性模量的超彈性材料；其摩擦磨損特性與相對滑動速度、接觸應力、溫度和路面粗糙度等因素相關；其耐磨特性的優劣，將直接影響到輪胎行駛里程及提前失效報廢，即胎面各花紋塊沿輪胎橫截面的不均勻磨損和沿周向的不規則磨損。

2.2 輪胎磨損機理分析

輪胎主要磨損形式可分為磨粒磨損、強力磨損、粘著磨損、疲勞磨損、侵蝕磨損及異常磨損。輪胎剩余花紋深度小于新胎花紋深度的20%時，若從安全生產和翻新利用角度考慮，需及時換胎的屬于正常磨損。其中：

磨粒磨損最為常見。它可分為二體和三體磨損形式。它主要是指輪胎與粗糙路面的外界硬碎石粒、沙粒及鋒利裸露尖石摩擦過程中所產生表面材料脫落的現象。在正常磨損條件下，該形式最為顯著，其磨損機理是磨粒的犁溝作用，該微觀切削過程主要表現為切削、塊狀剝落、薄片剝落及磨損花紋。

強力磨損較為常見。它是指輪胎印跡開始滑動，且滑動區域不斷擴展時所產生的磨損，如重車制動時，該磨損尤為突出。

粘著磨損較為常見。可分為涂抹、擦傷及輕微磨損等，以涂抹居多。它是指輪胎相對干燥光滑路面運動時，胎面膠分子對路面的粘附效應所形成的粘附結點產生剪切斷裂，使胎面表層材料轉移至路面的機械磨損。影響因素有輪胎與路面表層材料強度等物性、表面粗糙度、接地面溫度及環境條件等。

疲勞磨損較為少見。它是指輪胎與粗糙路面相互滾動或滑移運動時，輪胎反復碾壓路面使胎面膠料在反復變化的接觸應力下如正常行駛時所產生疲勞剝落的現象。由于典型側偏力分布及胎面膠料生熱造成的破壞更為嚴重，因而該磨損較少。

侵蝕磨損較為罕見。它是指含固體粒子的流體以一定速度沿平行于胎面的方向產生相對運動而產生的胎面磨損。其常發生于近熔點冰雪路面或積水路面滑動的胎面上，由于磨損程度輕，僅在特殊侵蝕環境下才研究。

異常磨損最為常見。它是指輪胎局部面積磨損過大時，出現胎面呈波浪形磨損、胎冠呈局部橢圓形磨損、輪胎中心與胎肩部急劇磨損、單肩磨損、多角形磨損等現象。主要表現為胎面磨損不均勻、簾布層之間脫層、簾線松散及折斷而導致胎體破裂。其主因多與其負荷、氣壓、路面質量、行駛速度、環境溫度、駕駛水平等密切相關，促使輪胎提前下車報廢，直接經濟損失巨大，故減少異常磨損也是降低輪胎消耗的主要途徑。

3 提高巨型輪胎磨損率的技術研究

輪胎磨損率是指單位滑動距離橡膠的總損耗量，可分為線性磨損率、體積磨損率和質量磨損率。它是輪胎磨損特性的基本參數及關鍵指標，是反映現場工作環境對輪胎使用效用、道路質量功能及企業管理效率的重要評價指標。其雖不同于輪胎尺寸、載重及速度級別等，未被標識于輪胎胎肩，并不直接影響安裝和威脅安全，但對延長壽命至關重要。受操作條件、環境因素、輪胎結構和膠料性能等各種因素影響，磨損預測很難。目前國內外輪胎磨損理論研究主要集中在輪胎磨損微觀機理和對磨損量的預測上[2]，而國內針對性的實用研究極少。

3.1 創建輪胎磨損模型及其仿真

該礦通過研發的輪胎系列有限元分析軟件，針對40.00R57、37.00R57、36.00R51型巨型輪胎歷年來的磨耗狀況進行系統的研討及仿真分析，給出了不同工況條件下如起步、制動、側偏、轉彎、靜態和穩態等輪胎的摩擦功及磨耗方向。研究表明，其工況條件按對輪胎磨耗的影響程度，由小到大排序為穩態、側偏、起步、制動、轉彎，特別是轉彎、側偏等工況條件，對輪胎橫向磨耗的分布影響也較大。其磨損體積速率V與滑動過程中表面的摩擦功速率Wfric關系為：

(1)

式中b0、b1—與花紋塊相關的材料系數。

3.2 創新輪胎異常磨損預警機制

針對輪胎在惡劣路況及極端天氣下的牽引性、安全性、操縱性、抗刺扎、耐磨耗、輪胎里程壽命預測等系列技術難題，該礦創新輪胎異常磨損預警機制，在確保TKPH值的前提下，加強對輪胎早期損壞的特征及成因分析，如對輪胎結構設計、使用特性、采區道路、環境氣候、匹配車輛車況、胎面配方、駕駛習慣、輪胎保養等進行前期技術認證，學會觀察胎面花紋的磨耗狀況，能“解讀”輪胎異常磨耗的早期預警信號。

一旦輪胎花紋磨損至殘留深度極限即磨耗標記時，必須及時換下輪胎進行翻新，杜絕繼續使用，以防不測；若常采用緊急制動或輪轂軸承松動，胎面呈波浪或碟狀磨損時，車輛失控的風險極大，必須加強點檢，及時緊固或更換輪位；輪胎不正常磨損時，應及時從車況技術加以分析，指導操作、維修人員實施改進，可解決輪胎磨耗過快等技術“瓶頸”，有效地減少輪胎磨破事故的產生。

3.3 創新裝車質量智能監控技術

裝車質量是大型礦山電動輪汽車的一項重要技術經濟指標。在礦山工序質量管理中，舉足輕重。實踐證明，輪胎負荷對輪胎壽命影響極大，其主要由輪胎構造、胎體強度、氣壓及速度等計算確定，時常超載會使輪胎過熱、氣壓加大，使橡膠和簾布疲勞增加，易脫層，使用壽命低，若超載10%，使用壽命則降低20%，且滾動阻力增加；若超載30%，滾動阻力增加45%～60%；而車輛高速行駛時，胎溫會升高，胎體老化加速，胎面磨損加劇，且胎溫每升高1度，胎面磨損會增加2%，甚至發生爆胎現象。

由于鏟、車、胎廠家型號不同、狀態迥異，該礦通過創新裝車質量智能監控系統，長期針對各種電動輪(其中試運行和“減負”運行車輛按滿載85%計)裝車質量管理標準進行評估與核定，制訂了《采礦場裝車質量技術標準》，加大現場巡查力度，狠抓中晚班時段、重點機臺及人員的日常裝車質量管理，規范倒裝車操作，杜絕少裝、偏裝等現象。

3.4 創新輪胎氣壓動態監控系統

輪胎氣壓是輪胎的命門。氣壓過高或過低，皆會引起不正常的過度磨損或破裂，導致輪胎的早期損壞，將直接影響到車輛的行駛安全、操控穩定性及使用壽命。氣壓過高時，剛性增大，胎冠磨損加劇，胎體彈性下降，一旦遇到劇烈沖擊，易產生內裂或爆破，耐刺扎性能下降；而車輛超載和輪胎氣壓不足時，胎體變形及接地面積增大，胎側易裂口、產生屈撓運動，胎冠和胎肩磨損加速，導致輪胎過熱，橡膠老化，簾布層疲勞、簾線折斷。該礦創新輪胎氣壓動態監控系統，綜合運用汽車電子、傳感器、無線通訊等多種高新技術來提高汽車的安全性，以便實時監控電動輪汽車行駛時所有輪胎的氣壓，可對輪胎漏氣和低氣壓狀態適時報警。

3.5 創新極端天氣輪胎應對技術

梅雨季節，路面松軟、翻漿，平整度陡降，鋒利巖石裸露，輪胎損耗明顯高于全年的平均值，尤以每年汛期輪胎異常磨損及刺破現象更為嚴重，且重載下坡車輛后輪常發生“汽車甩尾”現象，即產生橫向或縱向滑移，車輛制動時宜采用點剎即可；而緊急制動時，輪胎與地面產生局磨，摩擦劇烈、胎溫升高，輪胎性能降低，若長時間制動易導致胎面膠磨平、鋼絲層外露；車輛前行的慣性力將由胎體內搓切應力消耗，會嚴重損壞胎體結構及強度，造成胎面花紋溝深淺不等，必須及時報廢局磨損壞輪胎，不得湊合使用，已策安全；特別是霧霾天或冰雪天，能見度低，濕滑泥濘、結冰的路面，易使輪胎在卡車起步、制動或上下坡時產生滑移現象，駕駛失控的風險大，極易磨損、割傷輪胎。

必須加大基礎設施的投入，加強作業面的排水工程，且根據季節和環境氣候變化合理配胎，特別是富家塢采區，應在雨季前裝車使用現場TKPH值適于耐刺、耐磨性能較強的米其林XDRB4型輪胎，其切割報廢概率低，磨耗小；氣溫較低季節，宜使用耐熱性和抗刺性較弱的石橋或固特異輪胎，且將刺破報廢率控制于20%內<往年的40%；而高溫酷暑時節，則應使用質量與技術服務過硬的米其林輪胎。為物盡其用，必須優先執行“季節性換胎”、“后輪并裝輪胎”、“同廠家、同花紋”、“整車換胎”等原則。

3.6 創新巨型輪胎國產化的關鍵技術

加強與巨型輪胎廠家及科研單位的技術合作，針對巨型輪胎結構尺寸、胎面花紋、胎面節油、低生熱、高耐磨、抗刺膠料配方等進行工藝技術裝備創新，通過有限元分析，創新配方粘合體系和抗硫化返原體系，取得特粗鋼絲與橡膠粘合性、輪胎厚薄部件硫化等多項關鍵性技術的突破，其巨型輪胎的載重負荷、安全性、耐磨性、抗扎刺性、散熱性、抓著力及壽命等皆可與進口產品相媲美。

多年來，該礦通過進一步完善輪胎檢測手段，穩步提高國產巨型輪胎的質量及使用壽命，成功解決了國產巨型輪胎在惡劣路況重載高速行駛下鼓包、側裂、爆胎等重大技術難題，該巨型輪胎產品經國外多家權威機構檢測，綜合技術指標達到或超過國際先進水平且附加值高，核心競爭力極強，社會經濟效益巨大，對行業科技進步及產業結構優化升級皆具有重大的推動作用，填補了國內外技術空白。

3.7 創新巨型輪胎硫化內模翻新技術

回收利用廢舊巨型輪胎是目前經濟效益最好、與環境親和性最佳的方法。近年來，米其林、固特異、石橋巨型輪胎貨源緊缺、價格昂貴，而德銅國產同類規格翻新胎壽命短，達標難，滿足巨型輪胎硫化所需溫度且胎體內壁受熱均勻成為生產技術的 “瓶頸”。該礦摸索創新巨型輪胎硫化內模翻新技術，自制成功目前國內各項指標最先進、使硫化過程中巨型輪胎內壁保持定型與恒溫巨型輪胎的硫化內模，優化消磨、切割、手磨、貼膠、硫化(包含時間、壓力、空間三大要素)五道工序，特別是控制硫化過程的精確度，能確保翻修質量。2011年投入翻新胎僅219條，與2010年同比減少76條，使用周期皆提高了30%以上，填補進口備件缺口130條，使用狀況穩定，其中下車報廢36.00R51型翻新胎9條，平均壽命1 050 h/條；37.00R57型231條，平均壽命1 085 h/條。

3.8 創建作業率和成本數學模型

電動輪汽車運行維修的質量、技術狀態的好壞，對礦山經濟效益影響極大。該礦結合生產實際，根據歷年來車輛運行和維修成本數據、現代設備經濟管理理論及數理統計回歸分析等，創建了電動輪臺時作業率、日常維修成本、運行成本及停機損失數學模型，摸索出汽車運行、維修成本、大修及更新等的變化規律，可科學預測電動輪汽車的最佳經濟壽命；除提高車輛維修技術水平，定期檢查、校正車輛前束和懸掛外，構建露天礦巨型輪胎管理、使用維修、工序服務質量責任考評體系，且運用現代先進的成本控制方法，可減少停機損失，降低成本，合理延長經濟壽命，大幅提高礦山經濟效益和核心競爭力。

3.9 創新道路質量標準考評機制

據統計分析，巨型輪胎刺破率與輪胎磨平率成反比。巨型輪胎刺破率下降，磨平率上升，反映了巨型輪胎效用及企業管理效率得以提高，對巨型輪胎的工程價值和效用的認識得到深化[3]。然而，異常磨損直接關系到巨型輪胎刺破率，倘若其降幅較大，則恰好表明對路面的養護質量有所提高；若車輛在直線道路上或在曲線道路上行駛，各輪胎的受力往往是不同的、不均勻的，且曲線行駛時彎道內側輪胎的受力更大，磨損也更大；而重載汽車后胎的磨損和刺破率皆明顯高于前胎。

道路質量是涉及礦山安全生產、經營狀況及衡量礦山現場管理水平的重要標志。為提高巨型輪胎磨平率，必須優化礦山開采工程、道路設計及養護質量，提高路面現時服務能力指數PSI，減少巨型輪胎前期異常磨損和刺破事故，特別是巨型輪胎質量相對穩定時，生產技術部門應負責礦山道路各項技術指標的保證水平，即按車型嚴格驗算道路寬度、縱坡、橫坡、轉彎半徑、曲線超高、擋墻高度及路料顆粒等[4]，重點完善露天運輸道路工程技術標準、驗收管理標準及充實養護規程，構建完整的露天道路質量考評標準體系，且將巨型輪胎刺破率與電鏟工作面、養路設備操作相關人員分配相掛鉤，加強對道路質量的過程控制，實現道路的科學養護與規范管理。

3.10 創新巨型輪胎消耗定額考核模式

輪胎消耗定額是編制年度用胎計劃的依據及衡量輪胎管理水平最有效的指標。該礦創新輪胎消耗定額管理考核模式，實施輪胎的全壽命管理工作，建立輪胎臺帳、履歷卡片及拆裝動態記錄，切實掌握輪胎實況，創造條件實行定車、定人、定胎，條件不具備時則分段定胎、分段考核。輪胎考核指標主要包括行駛里程和翻新率，行駛里程采取綜合考核與分段考核相結合法，綜合考核是考核輪胎使用實績的主要指標，即考核新胎用至報廢(含翻新和未經翻新直接用至報廢)的綜合平均里程；分段考核則分別考核新胎未經翻新直接用至報廢，及新胎經一、二、三次翻新至報廢各階段的平均里程；將觀測輪胎花紋厚度作為輪胎技術管理工作重點，以確定最佳翻新時間和可翻新次數，促使輪胎消耗逐步跨入良性循環的軌道。

4 結語

巨型輪胎磨損率的課題研究涉及多種領域、多種學科，工況極其復雜嚴峻，是特大型露天礦山的關鍵環節和安全管理的重要方向。在工程輪胎子午化時代來臨之際，該礦打破國外的技術封鎖和長期壟斷，針對大型礦用電動輪汽車磨破事故規律及磨損機理進行長期深入的技術研究，創建了相應的磨損模型、作業率模型及成本數學模型，可確保礦山安全順行，大幅提高產能、車輛作業率、完好率、管理效率及能耗水平，降低生產成本，延長壽命，提升礦山技術經濟和安全環保效益，能為汽車運輸露天礦達到世界先進水平提供強有力的技術保障。

[1] 張偉旗.電動挖掘機鋼絲繩失效形式探究及其預防[J].工程機械，2011，(7):65-68，71.

[2] 董保利.左曙光.吳旭東.輪胎均勻磨損建模與仿真[J].計算機仿真，2009，26(2)：274-277.

[3] 李文斌.大型露天礦山運輸汽車輪胎破損分析及對策[J].采礦技術，2002，2(3)：70-72.

[4] 王立友.露天礦山道路質量標準化建設的重要性[J].露天采礦技術，2004，(5)：26-27.

Technology Research of Giant Tires Wear Rate of
the Electric Wheel Cars in Large Mine

ZHANG Wei-qi

The paper analyzes wear rate of mining electric wheels giant tires in Dexing copper mine, combines with the mining actual operation situation, breaks the foreign technology blockade and monopoly for a long time, creates the corresponding wear model, the working model and the mathematical model of cost, through exploring the worn out accident basic rule and the wear mechanism of the giant tires, improves the level mining process technology and equipment, plays an important role for industry science, technology progress and industrial structure optimization, fills a lot of key technologies gaps in the home and abroad.

giant tire； wear rate； model creating

2014-10-05

張偉旗(1965-)，男，江西余江人，高級工程師，大學本科，主要從事礦山機械、銅加工、有色冶金、機電設備工程等技術研究工作，現為中國機械工程學會高級會員。

TQ336.1

B

1003-8884(2015)02-0011-05