礦用輪胎全壽期管理與成本優(yōu)化措施分析

黃 磊，劉玉龍，汪志平，周恕輝

（中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100029）

1 引言

大型礦用卡車輪胎使用和管理成本是采礦生產(chǎn)成本的重要組成部分，約占4%～8%［1］。如何做好輪胎管理，降低輪胎在采礦成本中的占比一直是采礦工程實(shí)踐領(lǐng)域的重要研究課題。輪胎的精細(xì)化管理對延長輪胎使用壽命、降低采礦成本、保證礦車出勤率、提升采礦安全系數(shù)等有重要意義。

目前已有學(xué)者和工程技術(shù)人員對礦用卡車輪胎的損耗、管理優(yōu)化等課題進(jìn)行了研究。國內(nèi)方面，張強(qiáng)［2］統(tǒng)計(jì)了黑岱溝和哈爾烏素露天礦2008—2018年間礦用輪胎的損壞原因，發(fā)現(xiàn)扎破占比超過50%；蘭天輝［3］研究了礦用輪胎的損壞原因，提出了應(yīng)對措施；黃文［4］研究了平朔東露天礦礦用輪胎的損傷種類，發(fā)現(xiàn)局部磨損和割傷是該礦輪胎損傷的主因，分別占23%和43%；潘斌［5］發(fā)現(xiàn)了改善道路質(zhì)量，同時(shí)加強(qiáng)對電動(dòng)輪輪胎運(yùn)行、裝配和檢查等現(xiàn)場管理，可提高輪胎使用壽命；戴繼成［6］針對傳統(tǒng)輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)的弊端，自主研發(fā)出適用于礦山開采的智慧輪胎管理系統(tǒng)；鄔玉林［7］系統(tǒng)論述了礦用卡車輪胎的維護(hù)與保養(yǎng)。國外方面，Aleksander［8］研究了礦用卡車輪胎在靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)負(fù)載作用下的變形情況；William［9］從實(shí)踐入手，討論了礦用卡車輪胎的全壽期管理過程和應(yīng)對策略；Filip Medinac［10］在美國禿山金礦應(yīng)用無人機(jī)對道路情況進(jìn)行檢測，提高了礦用輪胎壽命。

筆者通過調(diào)研國內(nèi)礦用輪胎管理現(xiàn)狀，以輪胎損傷類型統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了輪胎損傷的主要類型和原因，探討了輪胎全壽期管理的重點(diǎn)內(nèi)容，以納米比亞某大型露天鈾礦為案例，提出了考核該礦山輪胎使用成本的指標(biāo)，優(yōu)化該礦輪胎使用和管理成本的策略，以供該礦和國內(nèi)同類型礦山借鑒。

2 輪胎損傷類型與原因

2.1 輪胎損傷類型

作者在國內(nèi)多個(gè)大型露天礦山進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)大型礦用卡車輪胎損傷主要可分為自然磨損和異常損傷兩大類，其中，異常損傷包括局部磨損、脫層鼓包、割劃刺破、熱損傷（脫空、熱剝離、胎面掉膠）和沖擊爆裂。礦用卡車輪胎損傷實(shí)例見圖1。

圖1 某礦輪胎損傷實(shí)例圖

2.2 輪胎損傷原因分析

2.2.1 自然磨損

輪胎與路面的接觸摩擦?xí)斐奢喬プ匀荒p，自然磨損是輪胎使用過程中不可避免的自然損耗，自然磨損至輪胎紋底消失直至報(bào)廢是輪胎使用過程中最理想、最經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)。

2.2.2 異常磨損

（1） 局部磨損。中煤平朔統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明［8］，雨季時(shí)，30%以上的礦用卡車輪胎報(bào)廢是由局部磨損引起的。局部磨損是由于輪胎花紋凸緣的磨耗能量不均勻而引起的胎面磨損，具體表現(xiàn)為胎面局部磨平，外露鋼絲等。

（2）脫層鼓包。礦用卡車高負(fù)荷行駛過程中，如果胎壓不足或過大，在撞擊坑槽或石塊等情況下，會(huì)導(dǎo)致輪胎局部壓力陡然升高，發(fā)生胎體變形、線層間附著力下降、簾線斷裂等損傷。胎面損傷則發(fā)生脫層，內(nèi)部損傷可形成鼓包。

（3） 割劃刺破。礦用卡車行駛中可能會(huì)散落礦巖，或是雨天雨水帶走路面砂土使路面尖銳礦巖露出，輪胎碾壓路面尖銳礦巖后易造成割劃刺破損傷。

（4） 熱損傷。當(dāng)輪胎不易散熱（如長距離爬坡等）胎體溫度急劇升高時(shí)，會(huì)形成熱應(yīng)力積聚造成輪胎機(jī)械性能下降，橡膠熱解變質(zhì)，胎面與緩沖層、胎體鋼絲等分離，從而產(chǎn)生脫空、熱剝離、脫膠等現(xiàn)象。

（5）沖擊爆裂。當(dāng)輪胎碰撞到尖銳石塊或障礙物時(shí)，特別是在礦用卡車超載、超速的情況下，輪胎瞬時(shí)所承受的壓力和變形過大，可能導(dǎo)致輪胎爆裂。

通過輪胎損傷類型分析可知，輪胎運(yùn)行過程中胎體的溫度和壓力狀態(tài)異常變化是造成輪胎損傷影響輪胎壽命的本質(zhì)原因。因此，及時(shí)監(jiān)測輪胎溫度、壓力等參數(shù)變化，做好輪胎維修與保養(yǎng)，是延長輪胎經(jīng)濟(jì)壽命、降低輪胎使用和維護(hù)成本的重要手段。

3 輪胎全壽期管理內(nèi)容

3.1 全壽期管理流程

礦用卡車輪胎全壽期管理是指從輪胎投入使用到報(bào)廢后的所有與輪胎相關(guān)的管理過程。全壽期管理的最終目標(biāo)是延長輪胎的使用壽命，降低輪胎使用和維修成本，提升礦山的生產(chǎn)效益。實(shí)施礦用卡車輪胎全壽期管理后，礦山輪胎成本至少可以降低20%［11］。通過現(xiàn)場調(diào)研與理論分析，筆者認(rèn)為，典型的輪胎全壽期管理流程主要包括6個(gè)環(huán)節(jié)，如圖2所示。輪胎全壽期管理涉及輪胎選型、保管、搭配與安裝、使用、維護(hù)、修補(bǔ)等，故輪胎全壽期管理是一個(gè)涉及管理、技術(shù)、人員和設(shè)備的系統(tǒng)工程，每個(gè)環(huán)節(jié)的工作都對輪胎的使用和管理成本有較大影響。

圖2 典型的輪胎全壽期管理流程

在輪胎選型環(huán)節(jié)，巨型礦用輪胎現(xiàn)場實(shí)際TKPH值［12］（即噸公里小時(shí)）是衡量輪胎實(shí)際工作強(qiáng)度的關(guān)鍵指標(biāo)，也是輪胎選型和使用壽期的關(guān)鍵指標(biāo)，可用如下公式計(jì)算：

式中，K1為運(yùn)距修正系數(shù)；K2為環(huán)境溫度修正系數(shù)；T為單個(gè)輪胎平均載荷；V為平均速度。

3.2 全壽期管理輔助工具

隨著信息技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，部分大型露天礦山已開始將卡車輪胎全壽期管理系統(tǒng)應(yīng)用到輪胎管理工作中。輪胎全壽期管理系統(tǒng)［13］是實(shí)現(xiàn)輪胎全壽期管理的重要工具，基本組成如圖3所示［14］。

圖3 輪胎全壽期管理系統(tǒng)組成

由圖3可知，卡車輪胎全壽期管理系統(tǒng)由輪胎內(nèi)置智能傳感器、車載輪胎數(shù)據(jù)傳輸器、駕駛室數(shù)據(jù)顯示器、手持檢測設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器和系統(tǒng)軟件組成，可實(shí)時(shí)監(jiān)控、檢測、采集、傳輸輪胎壓力和溫度等狀態(tài)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是輪胎安全使用、合理維護(hù)、及時(shí)修補(bǔ)的重要參考。

4 納米比亞某大型露天鈾礦輪胎成本分析與優(yōu)化措施

4.1 礦山概況

該礦位于非洲納米比亞西部沿海的沙漠地區(qū)，礦床類型為白崗巖型鈾礦床，是全球最大的露天鈾礦（圖4）。該礦包含5條成礦帶，其中以1、2號帶為主，1號帶平均厚度23m，最大厚度75m，沿走向長1100m，礦化深度53～323m，平均深度約200m。2號帶平均厚度18m，最大厚度100m，呈北東走向，長1400m，埋深145～306m。

圖4 礦坑最終邊界模擬圖

4.2 礦山輪胎管理現(xiàn)狀

礦山有小松960E和北方股份NTE330礦車30臺(tái)（圖5）。礦用卡車使用某品牌的巨型輪胎，規(guī)格為59/80 R63，由業(yè)主自主選型、采購和運(yùn)維。

圖5 采礦生產(chǎn)現(xiàn)場

4.3 輪胎使用和維護(hù)成本分析

4.3.1 噸礦巖輪胎攤銷成本Ca

（1）單條輪胎的成本構(gòu)成T。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，單條輪胎成本由采購成本、操作設(shè)備折舊、運(yùn)輸成本，維修成本和人工成本構(gòu)成，具體構(gòu)成見表1。由表1可知，該礦每條輪胎不含人工的全成本為36.5萬元/條。

表1 單條輪胎成本構(gòu)成 萬元/條

（2）單條輪胎運(yùn)量Q。

式中，P為年剝采總量（萬t），取7400萬t；S為年輪胎消耗數(shù)量（條），取140條。經(jīng)計(jì)算，單條輪胎運(yùn)量Q等于52.86萬t/條。

（3）噸礦巖輪胎攤銷成本Ca計(jì)算。

開采每噸礦巖的輪胎攤銷成本可按如下過程進(jìn)行計(jì)算：

由式（3）可知，該礦開采每噸礦巖的輪胎攤銷成本Ca等于0.7元/t。該礦每噸礦巖開采成本為1.9美元/t，由此可推算，該礦輪胎成本約占采礦總成本的5%～6%。該指標(biāo)可以作為采礦成本分析的重要依據(jù)。

4.3.2 噸公里輪胎消耗成本Cb

輪胎噸公里消耗成本Cb是考核輪胎管理績效的重要指標(biāo)，估算方法如下：

（1）單條輪胎總噸公里S。

式中，Q為單個(gè)輪胎的總運(yùn)量（萬t），L為每噸礦巖的平均運(yùn)距（km），取2.5km。由式（4）可知，該礦單條輪胎總噸公里S等于132.2 t·km。

（2）噸公里消耗成本Cb。

由式（5）可知，該礦輪胎噸公里消耗成本Cb等于0.276 元/t·km，即每噸礦巖運(yùn)輸1km平均需消耗輪胎成本0.276元。該指標(biāo)可以定量衡量礦山輪胎績效管理水平，也可以作為輪胎使用數(shù)量的計(jì)算依據(jù)。

4.4 輪胎成本優(yōu)化措施建議

4.4.1 輪胎管理策略

從輪胎管理的策略上看，主要有兩種策略可供選擇。

一是輪胎管理全外包，委托專業(yè)化公司承擔(dān)礦山輪胎全壽期管理，負(fù)責(zé)輪胎的采購供應(yīng)、保管、使用管理、維護(hù)保養(yǎng)和修補(bǔ)等工作。目前，鞍鋼大孤山礦、首鋼水廠礦、撫順西露天礦、寧煤大峰礦、本鋼南芬礦等國內(nèi)大型礦山均是實(shí)行輪胎管理外包。

二是建立專業(yè)化輪胎運(yùn)維團(tuán)隊(duì)，自主進(jìn)行輪胎全壽期管理。國內(nèi)的哈爾烏素和黑岱溝等大型露天礦均是自主進(jìn)行輪胎采購和維護(hù)管理，礦山配備了先進(jìn)的輪胎全壽期管理系統(tǒng)，降低了輪胎使用成本，提升了行車安全，取得了較好的綜合效益。

納米比亞經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，制造業(yè)水平較低，人力資源匱乏，采用哪種輪胎管理策略需要進(jìn)行理論分析和生產(chǎn)實(shí)踐的摸索。目前該礦是以自主運(yùn)維輪胎的模式為主，也在積極探討引進(jìn)專業(yè)化公司承包運(yùn)維的模式。經(jīng)過一段時(shí)間的比選，最終選擇一種符合當(dāng)?shù)貙?shí)情，既能降低輪胎在采礦成本中占比，又能提升輪胎管理績效的輪胎管理策略。

4.4.2 輪胎全壽期過程管理

采用TKPH值法加強(qiáng)輪胎分析和選型，選擇更適合本礦山工況條件的輪胎。新舊輪胎分類分庫管理，建立新胎保管倉庫，保證新胎投用前質(zhì)量完好。更換輪胎時(shí)，做好新舊輪胎對角搭配與安裝。輪胎使用過程中，借助更先進(jìn)的傳感儀器和監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)掌握輪胎的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)控輪胎胎壓、胎溫等關(guān)鍵運(yùn)行指標(biāo)，降低輪胎異常損傷的頻率。改善路面質(zhì)量，及時(shí)清除路面的尖銳礦巖，為輪胎運(yùn)行創(chuàng)造更好的工況條件。建立輪胎保養(yǎng)制度，形成輪胎檔案卡，每車出班前要檢查輪胎胎壓和外觀，每班交接時(shí)，要復(fù)檢胎壓和胎溫，及時(shí)清除夾石等。輪胎修補(bǔ)運(yùn)用更先進(jìn)的修補(bǔ)技術(shù)，創(chuàng)新修補(bǔ)方案，如從原來的滯后修補(bǔ)調(diào)整為及時(shí)修補(bǔ)等。建立輪胎報(bào)廢處置流程，做好廢舊輪胎回收與再利用，如在高風(fēng)險(xiǎn)路段使用廢舊輪胎做安全圍擋。

4.4.3 輪胎全壽期經(jīng)濟(jì)指標(biāo)管理

把噸礦巖輪胎攤銷成本Ca和噸公里輪胎消耗成本Cb作為采礦生產(chǎn)部門的重要考核指標(biāo)，按期分析兩個(gè)指標(biāo)的變化情況，尋找指標(biāo)變化的原因，制定改進(jìn)措施。

5 結(jié)論

（1）本文分析總結(jié)了大型礦用卡車輪胎損傷類型和原因，認(rèn)為卡車運(yùn)行過程中輪胎胎體溫度和壓力的異常是輪胎損傷的本質(zhì)原因。加強(qiáng)輪胎胎體溫度和壓力值的監(jiān)測并及時(shí)干預(yù)是減少輪胎異常損傷延長輪胎使用壽命的關(guān)鍵舉措。

（2）梳理了輪胎全壽期管理流程，主要包括輪胎選型、保管、搭配與安裝、使用、維護(hù)、修補(bǔ)等6個(gè)環(huán)節(jié)。借助以傳感技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和信息技術(shù)為支撐的輪胎全壽期管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)輪胎的高效、經(jīng)濟(jì)的管理。

（3）以納米比亞某大型露天礦為例，分析了單條輪胎成本構(gòu)成、噸礦巖輪胎攤銷成本和噸公里輪胎消耗成本等輪胎技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，該礦的單條輪胎成本為36.5萬元/條，噸礦巖輪胎攤銷成本為0.7元，占采礦成本的5%～6%，噸公里輪胎消耗成本為0. 276元。上述三項(xiàng)指標(biāo)可以作為礦山輪胎管理績效考核的關(guān)鍵指標(biāo)。

（4）從輪胎管理模式、管理過程和成本控制考核等三個(gè)方面對加強(qiáng)納米比亞某露天鈾礦輪胎管理提出合理化建議，目標(biāo)是在有限的資源條件下，實(shí)現(xiàn)輪胎高效管理，減少輪胎的異常損傷，延長輪胎的使用壽命，降低輪胎的使用成本，提高礦山的產(chǎn)量和效益。