載重輪胎胎面脫層故障分析方法研究

宋佑川

（武漢城市職業學院，湖北 武漢 430064）

輪胎胎面脫層會導致輪胎失效，嚴重時會爆胎，發生交通事故，造成人員傷亡。電動摩托車、摩托車、轎車和輕型載重汽車在使用過程中一般不會出現超載情況，如果出現大批量的輪胎胎面脫層故障，主要原因是產品的質量，根本原因可能是膠料之間粘合強度太低、膠料尺寸不當、硫化程度不足、工藝問題或膠料配方問題等[1-2]。但是，對于載重輪胎而言，使用情況比較復雜，不能單一的歸結為產品的質量問題，而是需要通過科學的分析方法來綜合判定胎面脫層故障的原因，才能為是否給予用戶相應賠償提供依據。

1 輪胎故障分析策略

國內輪胎企業對載重輪胎脫層故障原因的分析，通常會做內因分析，也就是產品質量分析，如輪胎的結構設計、配方設計以及輪胎工藝制造過程中的缺陷分析。對于產品質量非常穩定的大型輪胎制造商而言，不僅會從產品的內因分析，更會從外因分析載重輪胎胎面脫層的原因。

1.1 外因分析

影響載重輪胎性能的外因有很多，主要有輪胎充氣壓力、負荷、車速、路面情況等，下面分別進行分析。

1.1.1 輪胎充氣壓力

輪胎充氣壓力在輪胎設計時確定。若輪胎充氣壓力過低，會導致輪胎缺氣，胎面靠近胎肩的兩側磨損嚴重，嚴重缺氣時還會造成胎體簾布疲勞斷裂，引起爆胎；若充氣壓力過高，除了會導致胎面中間磨損嚴重，還會使輪胎氣密層膠料向胎體簾布滲入，導致氣密層的氣密性下降，使氣體滲入到胎面膠中形成局部脫層。因此，輪胎充氣壓力應當保持在推薦的合理范圍以內。

1.1.2 負荷

輪胎能夠承受的負荷也在輪胎設計時確定，且標識在輪胎上。如果輪胎所承受的負荷超過設計值，會導致胎體簾布和胎圈鋼絲超負荷，容易造成胎圈脫層、胎體簾布疲勞斷裂等故障，嚴重時還會導致胎圈鋼絲斷裂，輪胎從輪輞中脫落出來的危險情況。當輪胎充氣壓力處于正常范圍時，由于超載會使胎體簾布變形嚴重，顯示缺氣。對于超載的輪胎，在車輛轉彎時，輪胎受到地面的側向力更大，胎面與帶束層之間的剪切應力也增大，更容易造成脫層。

1.1.3 車速

輪胎所能承受的最高車速同樣是在輪胎設計時確定，在輪胎上會有輪胎速度等級標識。該標識是指輪胎在規定條件下承載規定負荷的最高速度。如果輪胎在超載的情況下，依然運行在速度等級標識的最高車速下，就會使輪胎內部生熱嚴重而無法耗散，導致輪胎膠料灼熱軟化失去機械特性，最終導致脫層等故障。

1.1.4 路面情況

不同路面情況對輪胎性能產生不同的影響。在高速公路的平直路面，車速較快，輪胎在高速下運行，更容易生熱，如果熱量不能及時耗散，容易引起輪胎灼熱軟化導致脫層。在有小石頭或小釘子的崎嶇路面，輪胎容易因為夾石或扎釘導致鋼絲帶束層滲水而氧化，最終出現胎面脫層故障。在有坑洼和大石頭的非公路崎嶇路面，輪胎容易因為與地面或石頭的撞擊而導致鋼絲帶束層斷裂而爆胎。

1.2 內因分析

影響載重輪胎性能的內因主要有輪胎設計和輪胎制造兩方面因素。

1.2.1 輪胎設計

輪胎設計由結構設計和配方設計構成。

結構設計包括胎圈鋼絲的形狀和根數，三角膠的形狀和大小，胎體簾布的鋼絲間距和根數，帶束層鋼絲的傾斜角度和根數，帶束層的層數和寬度，胎肩墊膠的形狀和大小以及胎面膠的厚度和花紋塊形狀等[3-4]。輪胎結構設計的優劣將直接影響其使用性能。

配方設計包括輪胎各部位膠料的配方設計。輪胎不同部位的膠料需要具備的物理性能和化學特性不同。鋼絲簾線的選用會影響胎圈鋼絲、胎體以及帶束層的性能[5-6]。

輪胎的結構設計和配方設計是影響輪胎性能的主要內因因素。

1.2.2 輪胎制造

輪胎制造主要分為混煉、擠出、成型和硫化4個工序，任一工序環節出現問題，就可能出現不合格產品，如果該不合格產品沒有被抽檢出來進行修補或報廢，一旦被銷售并使用，會出現嚴重的后果。

混煉工序是將天然（合成）橡膠、炭黑、油、加工助劑和促進劑等原材料按配方進行混合后形成混煉膠的過程。如果各原材料的配比波動較大，則會影響膠料的性能。

擠出工序是將混煉后的膠料擠出成不同形狀的半成品膠料部件的過程，還包括將鋼絲和膠料復合成為鋼絲簾布或鋼絲帶束層半成品的過程。如果半成品的形狀尺寸發生較大變化，將會影響成品輪胎的性能。

成型工序是將半成品組裝成胎坯的過程。如果膠料的位置發生偏差、膠料搭接處太寬或太窄以及在兩層膠料間混入較多的空氣或其他物質，都會影響成品輪胎的性能。

硫化工序是將胎坯裝入模具置于硫化機中，經過高溫高壓硫化成品輪胎的過程。如果硫化溫度、壓力或時間未精準控制，將影響成品輪胎的性能。

總之，輪胎制造過程中出現的問題，如果未及時發現和處理，即便是在正常的外因條件下使用，輪胎的性能也會不佳。

2 故障分析方法

載重輪胎的胎面脫層故障可能由外因或者內因造成，無論是哪種因素，都需要用科學的方法進行分析，才能得出合理結論。

2.1 輪胎使用情況調查

輪胎使用情況調查是對故障輪胎外因分析的主要手段。即對輪胎胎面脫層故障較多的載重車用戶進行輪胎使用情況調查，測量輪胎的充氣壓力和車輛滿載時的載質量、安裝GPS設備測量車速，以及隨車調查車輛運行的道路路面情況。

2.1.1 輪胎充氣壓力測量

輪胎充氣壓力的測量相對簡單易行，無需司機在場可直接測量。采用氣壓表測量輪胎充氣壓力如圖1所示。測量時，首先要確保氣壓表可正常使用，測量時讀數誤差盡可能小；其次在測量充氣壓力時要確保輪胎處于冷卻狀態，或者是車輛停放至少1 h以上；最后在測量時要避免出現漏氣導致測量不準。

圖1 采用氣壓表測量輪胎充氣壓力

2.1.2 車輛滿載時的載質量測量

測量車輛滿載時的載質量，主要是為了計算單胎的負荷和超載率。首先車輛要處于正常滿載狀態，且需要司機將車輛前后移動；其次需要兩人在車輛的左右兩邊用Haenni地磅測量同一根軸的左右兩邊的質量；再次將車輛前后移動測量不同車軸的質量（如圖2所示）；最后再根據測量的車軸質量和單胎最大負荷計算出超載率。

圖2 利用Haenni地磅測量車輛載質量

2.1.3 車速測試

測試車速的方法至少有兩種，一種是用測速儀測試運行車輛的瞬時速度，通常采用測速槍；另外一種是在車上安裝GPS設備，測試車輛在某一段時間內運行的速度。后者方法有利于對固定車輛進行長期跟蹤調查，通常在車上安裝名為VBOX的GPS設備和天線[7]，如圖3所示。該設備是12 V供電，但載重車采用24 V電源，所以還需要一個24 V轉12 V的直流-直流轉換器。車輛行駛時VBOX設備能自動記錄車輛的車速信息并存入存儲卡，一段時間后將存儲卡中數據導出再進行速度和加速度分析。

圖3 VBOX設備

2.1.4 路面情況調查

當載重輪胎胎面脫層時，需調查車輛行駛時道路的路面情況。調查路面有兩種方式，一種是在車輛行駛過程中拍攝道路路面情況；另外一種是在GPS數據分析后，繪制出行車路線，如圖4所示，再根據地圖上的線路，自行調查拍攝道路路面情況。前者方法相對簡單，成本較低，但信息不夠細致；后者方法可以隨時對道路路面情況進行詳細的拍攝調查，例如，石子很多的路面，如圖5所示，或者是凹坑較多的水泥路面等[8]，這種方法成本較高，耗時較長，但分析更精確。

圖4 利用GPS數據在地圖上繪制的行車路線

圖5 多石子路面

2.2 輪胎解剖分析

輪胎解剖分析是對故障輪胎分析的基本手段。對于胎面脫層的故障輪胎，需要將脫層區域的胎面用機械設備將胎面兩層帶束層剝離，保留輪胎未脫層的區域。在未脫層區域切割3個輪胎斷面，便于觀察胎肩部位是否局部脫層。再對3個輪胎斷面進行關鍵部位膠料的理化分析。

為了精確判斷載重輪胎出現故障的原因，還需在市場上尋找與脫層故障輪胎生產時間相近的未使用新輪胎，對其進行胎肩處的膠料剝離，分析其接合面的情況，判斷是否有生產過程中的問題；也需要在新輪胎上切割3個輪胎斷面的膠料進行理化分析，作為參考數據。

2.2.1 帶束層脫層區域的胎冠剝離分析

已完全失去胎冠的輪胎（如圖6所示）不具有太多分析價值，所以需要收集市場上已出現脫層但胎冠仍完整的輪胎。這些輪胎通常胎冠脫空，或者胎肩處有明顯的裂開，如圖7所示；用撬棍伸入裂縫后可以看到2層帶束層已經脫層分離，如圖8所示。

圖6 胎冠完全失去的輪胎

圖7 胎肩處裂開的輪胎

圖8 兩層帶束層之間脫層

利用專用的剝胎冠設備將輪胎的胎面連同第1層帶束層沿著鋼絲簾線方向割開（如圖9所示），沿著輪胎周向剝離2層帶束層，直到所有脫層的區域都被分離，觀察脫層面的外觀，判定是否為“口袋型”脫層故障。“口袋型”脫層故障輪胎脫層面的外觀和示意如圖10和11所示。

圖9 胎冠剝離

從圖10和11可以看出，在區域3—8輪胎脫層面出現脫層，其中白色線條畫出的區域是“口袋型”脫層外觀。若將輪胎沿圓周分為區域1—12，區域3—8黑色部分示意了脫層的形態，呈現口袋形狀，故稱為“口袋型”脫層，此脫層是輪胎兩側都脫層，也稱為“雙口袋型”脫層。

圖10 “口袋型”脫層故障輪胎脫層面的外觀

圖11 “口袋型”脫層故障輪胎脫層面的示意（黑色區域為脫層部分）

2.2.2 切割未脫層區域的輪胎斷面分析

針對上述脫層的輪胎，在脫層區域剝離第1層帶束層后，在剩下未脫層的區域，選擇3個部位切割寬度約為15 cm的輪胎斷面，其中兩個是較為靠近脫層區域，一個是遠離脫層區域，如圖12所示。

圖12 在胎面脫層故障輪胎上進行胎冠剝離和斷面切割示意

將斷面切割后，需要對切割面進行打磨，一方面防止鋼絲扎手，另一方面便于觀察斷面各層膠料的界限，有利于下一步對特定層的膠料進行切片后的理化分析，輪胎斷面如圖13所示。在輪胎斷面的胎肩處，觀察帶束層的邊緣是否出現裂紋，如圖14所示。若有裂紋，則表明該輪胎除具有“口袋型”脫層，還有“普通”脫層。

圖13 打磨后的輪胎斷面

圖14 輪胎斷面帶束層邊緣的裂紋

2.2.3 新輪胎胎肩的剝離分析

輪胎胎面脫層故障通常是從胎肩處開始擴展，所以要對新輪胎胎肩處膠料進行剝離分析，如圖15所示。

圖15 胎肩膠料剝離方法

如果剝離后胎肩膠料與胎體膠料的接合面是平滑的（如圖16所示），則表明兩層膠料之間的接合不緊密，在外力作用下容易造成胎肩處脫層。

圖16 新胎胎肩膠料剝離后平滑接合面

2.3 輪胎膠料的理化分析

對胎面脫層輪胎的膠料進行切片取樣和理化分析，并與新輪胎相同部位膠料的理化分析結果進行對比，有助于判斷膠料在輪胎使用過程中的變化情況，從而定量地驗證輪胎使用情況和輪胎解剖分析數據。通常對胎面膠、帶束層膠和胎肩墊膠進行理化分析。

2.3.1 彈性模量

橡膠彈性模量是衡量橡膠材料產生彈性變形難易程度的指標[9-11]。對胎面脫層輪胎重要部位膠料的彈性模量進行測試，得到膠料在拉伸10倍和拉伸100倍時的彈性模量。與新胎相同部位膠料的彈性模量相比，若膠料的彈性模量增大，則膠料曾在高溫高氧的環境工作；若彈性模量減小，則膠料僅曾在高溫的環境工作。

2.3.2 防老劑6PPD含量

根據胎面脫層輪胎重要部位膠料的防老劑6PPD含量分析，可知胎面脫層輪胎膠料的老化程度。與新輪胎相同部位的防老劑6PPD含量相比，若防老劑6PPD含量降幅很大，則老化程度很高；否則反之[12]。

2.3.3 氧含量

對胎面脫層輪胎重要部位膠料的氧含量分析，可知胎面脫層輪胎膠料的氧化程度。與新輪胎相同部位的氧含量相比，若氧含量增幅大，則氧化程度高；若氧含量增幅小，則氧化程度較低。

2.3.4 硫含量

硫含量分析包括多硫化物、雙硫化物和單硫化物含量的測量，可推斷胎面脫層輪胎膠料曾經歷的工作環境。與新輪胎相同部位的硫含量相比，若多硫化物和雙硫化物減少，單硫化物增加，則表明胎面脫層輪胎曾在高溫的環境工作。

3 結語

載重輪胎胎面脫層故障會導致輪胎失效，嚴重時會爆胎，發生交通事故，造成人員傷亡和經濟損失。用戶往往會以產品質量為由向輪胎制造企業提出索賠。通過從外因和內因兩方面對載重輪胎胎面脫層故障進行分析，有利于判斷該故障是產品本身的質量問題引起的，還是用戶不恰當的輪胎使用條件造成的，既為市場部門決定是否賠償用戶提供依據，也為設計部門指明產品改進的方向，有利于減小載重輪胎在市場上的故障率，更好滿足用戶需求。