地下礦鉸接式卡車用18.00R25 E3全鋼工程機械子午線輪胎的設計

王銀竹，趙 君，于 飛，謝仕強，孫 昕

[泰凱英（青島）專用輪胎技術研究開發有限公司，山東 青島 266100]

礦山資源開采主要有露天開采和地下開采兩種方式，當礦床埋藏在地下深處時，采用露天開采剝離系數過高，綜合技術和經濟評估，采用地下開采方式比較合理。同時，由于各國對環保的要求越來越高，礦山露天開采轉地下開采的趨勢越來越明顯。目前，鉸接式卡車在大中型礦山中仍為主要的運輸車輛，其中載質量為20 t的地下礦鉸接式卡車在獨聯體、南美和非洲仍在大量使用，隨著近年地下礦開采量的飛速增長，對該車輛輪胎的需求量也在逐漸增大。由于傳統斜交輪胎存在舒適性低、生熱高、胎冠抗刺穿性能差等問題，無法滿足地下礦運輸卡車的需求[1-3]，同時，很多在用的全鋼工程機械子午線輪胎并非針對地下礦用車輛設計，存在壽命短、胎側/胎冠扎傷導致爆胎失效等問題，因此，地下礦用全鋼工程機械子午線輪胎的設計非常重要。

為了滿足客戶需求并提高企業經濟效益，本工作針對地下礦鉸接式卡車用18.00R25 E3全鋼工程機械子午線輪胎進行設計，以期解決斜交輪胎產品生熱高、抗刺穿性能差及子午線輪胎異常損壞比例高、壽命偏短等問題，從而提高產品性能，為客戶創造更高的價值。下面將該規格輪胎的設計情況簡要介紹如下。

1 技術要求

根據《美國輪胎輪輞協會標準年鑒（TRA）—2016》《歐洲輪胎輪輞技術組織標準手冊（ETRTO）—2018》和GB/T 2980—2018《工程機械輪胎規格、尺寸、氣壓與負荷》，確定18.00R25 E3輪胎的技術參數如下：標準輪輞 13.00/2.5，充 氣 外 直 徑（D′） 1 613（1 585.6～1 644.4）mm，充氣斷面寬（B′） 504（485～545） mm，標準充氣壓力 800 kPa，標準單胎負荷 10 300 kg，行駛速度 50 km·h-1。

2 結構設計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

充分考慮地下礦用車輛的作業路況和應用場景，在結構設計方面以平衡輪廓設計理論為基礎，基于經典力學原理，通過有限元方法進行模擬分析[4-11]，最終確定D為1 602 mm，B為490 mm（不包含標志、裝飾線和防擦線所增加的寬度），滿足國家標準要求。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

b為兩側胎肩間胎面行駛面的軸向距離，h為兩側胎肩線至胎面最外表面的垂直距離。因為地下礦路況復雜，坑洼、多水且泥濘的道路普遍存在，并且b和h對輪胎的接地印痕、耐磨性能及操控穩定性有很大的影響[12-13]，同時考慮普通子午線輪胎b/B范圍（0.86～0.90）和h/H（斷面高）范圍（0.03～0.05），本次設計對輪胎的接地印痕和胎冠部位生熱進行了平衡，結合有限元分析，得出最優的b和h分別為430和20 mm，在保證輪胎耐熱性能的同時，可以提升輪胎的耐磨性能和操控性能。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

d和C主要影響輪胎與輪輞配合的密封性以及輪胎安裝和拆卸的便利性；在無內胎輪胎設計過程中，為保證輪胎與輪輞的密封性，胎圈與輪輞采用適當的過盈配合[14]。本次設計d在標準輪輞基礎上減小5 mm，取630 mm；C一般與輪輞著合寬度一致，本次設計取330.2 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸位于輪胎斷面兩外側之間的最大距離位置（不包括標志、裝飾線和防擦線所增加的寬度），也是子午線輪胎受力后胎側變形最大的位置，因此，H1/H2的選取對輪胎性能有很大的影響。H1/H2取值過大，即斷面水平軸位置過高，有利于輪胎承載性能，但會導致輪胎肩部應力集中，導致肩部損壞風險增大；H1/H2取值過小，即斷面水平軸位置過低，有利于輪胎的高速性能，但會導致胎圈應力集中、胎圈損壞風險增大等問題。根據經驗，工程機械子午線輪胎的H1/H2一般為0.8～1.1[14]，由于地下礦鉸接式卡車行駛受限于巷道，輪胎負荷主要是標載，對輪胎的生熱和安全性能要求更高，減小生熱、降低上胎側應力集中導致輪胎外傷的幾率增大，因此本次設計H1/H2取0.84。

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

本產品為非公路用途，在地下礦鉸接式卡車上使用。相較于露天礦，其作業路面存在泥濘坑洼、礦石散落、巷道狹窄等工況，輪胎胎側切割/刺穿、胎面礦石切割/刺扎、胎面金屬刺穿等異常損壞問題非常普遍，同時一旦輪胎損壞會造成巷道阻塞、輪胎更換困難等問題，增大礦山作業風險，因此在胎面花紋設計中優先考慮輪胎的抗切割和抗刺穿性能。另外，考慮到地下礦鉸接式卡車存在不同作業平面的爬坡運輸場景和長距離作業場景，也需要保證輪胎的散熱性能和牽引性能。因此，本次設計胎面花紋具備優異的抗切割性能、抗刺穿性能、散熱性能和牽引性能，以塊狀耐磨型花紋為基礎：胎冠中部采用全飽和設計，可以提升輪胎的抗刺穿和抗切割性能；胎肩采用羊角形溝槽設計，可以提升輪胎肩部的散熱性能；花紋溝采用有向設計，可以提供輪胎良好的牽引性能；花紋溝底采用階梯過渡設計，可以提升溝底的抗刺扎性能和自潔性能；胎肩采用胎側防護設計，可以降低胎側外傷幾率。花紋深度為30 mm，采用等節距設計，花紋周節數為32，花紋飽和度為86.7%。

胎面花紋二維和三維效果分別如圖2和3所示。

圖2 胎面花紋二維效果

圖3 胎面花紋三維效果

3 施工設計

3.1 胎面

胎面是輪胎與地面接觸的部位，全鋼工程機械子午線輪胎對胎面膠的一般要求是具有良好的耐磨性能、抗切割性能和低生熱性能等?？紤]地下礦鉸接式卡車的作業工況及場景的特殊性，胎面膠選用含80%丁苯橡膠的抗切割配方膠料，以保證輪胎在地下泥濘、坑洼的路況下有優異的抗切割性能。考慮到地下礦鉸接式卡車存在長時間作業及部分長運距場景，胎面膠與帶束層之間增加基部膠設計，其膠料生熱低，具有良好的鋼絲粘合性能；同時考慮到車輛行駛過程中震動較大，其基部膠具有優異的定伸模量，既有利于降低輪胎在作業狀態下的生熱，同時又起到緩沖作用，可以降低應力和應變從胎面傳遞到帶束層的幅度。

3.2 胎體

胎體鋼絲簾布在輪胎作業過程中主要起承載的作用，目前635 mm（25英寸）及以上工程機械子午線輪胎主要采用胎體簾布高反包設計（反包胎體簾布高度高于斷面水平軸），以起到保護胎側位置胎體簾布，增加胎側剛性的作用。

考慮地下礦鉸接式卡車的載重及使用工況，本設計以充氣后輪胎為基礎，結合有限元分析，采用7×7×0.25＋0.15HT鋼絲簾線。胎體安全倍數為6.6，滿足標準要求。

3.3 帶束層

全鋼工程機械子午線輪胎一般為4—6層帶束層結構，889 mm（35英寸）以上輪胎的帶束層一般為5—6層（以最貼近胎體的帶束層為1#帶束層）。以6層帶束層為例，1#和2#帶束層為過渡層；3#和4#帶束層為主要受力層，鋼絲簾線強度高；5#和6#帶束層為保護層，采用高伸長型鋼絲簾線。帶束層結構的選用對輪胎性能（如帶束層應力分布、輪胎接地印痕和冠部變形生熱等）有非常重要的影響。

本次設計選用4層帶束層結構，其中1#和2#帶束層采用7×7×0.22＋0.15HT鋼絲簾線，3#和4#帶束層采用4×6×0.25HE高伸長型鋼絲簾線。帶束層安全倍數為8.5，滿足設計要求。

3.4 胎圈

胎圈即輪胎與輪輞的配合部分，目前胎圈鋼絲圈有圓形、六角形、斜六角形、U形和矩形等形狀；其中六角形鋼絲圈由于其具有強度高、工藝制造方便和生產效率高等特點，目前在全鋼工程機械子午線輪胎中應用廣泛。考慮到地下礦鉸接式卡車的作業工況，本次設計鋼絲圈采用六角形鋼絲圈結構，鋼絲直徑為2.0 mm，覆膠直徑為2.2 mm，鋼絲圈根數為200，胎圈安全倍數為11.5，滿足標準要求。

3.5 成型和硫化

成型工藝主要考慮作業效率和生產操作的便捷性，同時降低生產過程中人員和物料的浪費，本次設計采用一次法成型機進行成型，其中胎面采用纏繞機進行纏繞。

采用單模蒸鍋式硫化機進行硫化。硫化條件為：內溫 （173±3） ℃，外溫 （147±2） ℃，內壓 （2.8±0.1） MPa，外壓 （0.35±0.03）MPa，總硫化時間 219 min。硫化后成品輪胎外觀合格，無缺膠及過硫現象，X光檢測骨架材料合格，胎里內襯層厚度檢測無異常，輪胎總體合格。

4 成品性能

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′和B′分別為1 611和507 mm，均符合國家標準要求。

4.2 靜負荷性能

成品輪胎靜負荷性能按照HG/T 2443—2012《輪胎靜負荷性能試驗方法》并根據企業要求進行測試，結果如表1所示。

表1 輪胎靜負荷性能測試結果

從表1可以看出，隨著負荷的增大，在試驗負荷區間內，輪胎靜負荷半徑均勻減小，負荷下斷面寬和輪胎下沉量均勻增大，輪胎接地印痕總面積及平均接地壓力也均勻增大。同時，標準充氣壓力及標準負荷下，輪輞著合寬度位置接地印痕（見圖4）矩形比為1.08，達到企業標準要求。

圖4 標準充氣壓力及標準負荷下輪胎接地印痕

4.3 耐久性能

按照GB/T 30193—2013《工程機械輪胎耐久性試驗方法》進行耐久性試驗，試驗條件如表2所示。

表2 輪胎耐久性試驗結果

試驗結果要求：按照國家標準要求完成前3個階段測試后，輪胎無損壞；企業標準要求測試必須完成6個階段。實際測試完成第6階段結束，耐久性試驗累計行駛時間達83 h后輪胎未損壞。輪胎耐久性能達到企業標準且遠高于國家標準要求。

5 結語

針對地下礦鉸接式卡車作業場景設計開發的18.00R25 E3全鋼工程機械子午線輪胎的充氣外緣尺寸達到國家標準要求，靜負荷性能滿足企業標準要求，耐久性能滿足企業標準且遠高于國家標準要求。本產品投入市場后客戶反饋使用效果較好，胎冠刺穿及胎側外傷比例明顯下降，車輛作業效率大幅提升，降低了地下礦開采的綜合成本，并為公司帶來了較高的經濟效益。