全路面起重機(jī)用445/95R25無內(nèi)胎全鋼工程機(jī)械子午線輪胎的設(shè)計(jì)

張燕龍，王雪崗，岳 振，劉本鑫，印海建

[泰凱英（青島）專用輪胎技術(shù)研究開發(fā)有限公司，山東 青島 266100]

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日益增長(zhǎng)，尤其是風(fēng)電、化工等行業(yè)發(fā)展迅猛，對(duì)建筑類型工程機(jī)械車輛的市場(chǎng)需求顯著提升[1]。全路面起重機(jī)具有全輪轉(zhuǎn)向和多軸驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，適用于多種工況的全路面吊裝作業(yè)[2]，并具備長(zhǎng)途高速轉(zhuǎn)場(chǎng)能力，以適應(yīng)吊裝作業(yè)地點(diǎn)分布廣而散的現(xiàn)狀。全路面起重機(jī)經(jīng)常在惡劣場(chǎng)景進(jìn)行吊裝作業(yè)，路面布滿石子或建材廢料，因此要求輪胎既能確保車輛在高速轉(zhuǎn)場(chǎng)過程中的安全可靠性，又要具備一定的抗切割性能。

隨著吊裝作業(yè)需求的日益增加，主機(jī)廠不斷迭代大載荷全路面起重機(jī)[3-5]，不僅提高吊載能力，同時(shí)車輛可帶行駛的上裝設(shè)備逐漸增多，如在高速轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)可帶全臂全腿、可攜帶配重塊行駛，導(dǎo)致輪胎的單胎負(fù)荷不斷提高，部分輪位的軸荷達(dá)到18 t以上，對(duì)輪胎行駛安全性提出了更高的要求。高速長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)場(chǎng)過程中，輪胎生熱導(dǎo)致橡膠老化而引起的爆胎問題不僅延長(zhǎng)宕機(jī)時(shí)間[6]，更嚴(yán)重影響車輛行駛安全。

為適應(yīng)不斷變化的市場(chǎng)需求，我公司針對(duì)起重機(jī)高速、重載應(yīng)用場(chǎng)景，開發(fā)了445/95R25無內(nèi)胎全鋼工程機(jī)械子午線輪胎，現(xiàn)將相關(guān)設(shè)計(jì)情況介紹如下。

1 技術(shù)要求

根據(jù)《美國輪胎輪輞標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（TRA—2016）》及《歐洲輪胎輪輞技術(shù)組織標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)（ETRTO—2018）》，確定445/95R25無內(nèi)胎全鋼工程機(jī)械子午線輪胎的技術(shù)參數(shù)如下：標(biāo)準(zhǔn)輪輞11.25/2.0，充氣外直徑（D'） 1 481（1 464～1 498） mm，充氣斷面寬（B'） 435（422～474）mm；適用于E2使用條件（移動(dòng)式起重機(jī)）的無內(nèi)胎輪胎，充氣壓力 900 kPa，額定負(fù)荷 6 700 kg。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了平衡輪廓設(shè)計(jì)理論，通過仿真建模手段進(jìn)行模擬分析，同時(shí)綜合全路面起重機(jī)在終端客戶的實(shí)際使用工況以及客戶的痛點(diǎn)需求，最終優(yōu)化確定D為1 478 mm，B為448 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

全路面起重機(jī)輪胎的全生命周期中約90%在狀況良好路面上長(zhǎng)距離高速轉(zhuǎn)場(chǎng)行駛，而b和h決定了輪胎的耐磨性能和使用壽命。市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)多個(gè)品牌起重機(jī)輪胎存在肩部偏磨及花紋塊前高后低等畸形磨損情況。因此，針對(duì)全路面起重機(jī)長(zhǎng)距離高速連續(xù)行駛的場(chǎng)景，為確保輪胎均勻磨損，延長(zhǎng)輪胎的使用壽命，通過仿真模擬分析輪胎的接地印痕形狀和接地壓力分布，最終優(yōu)化確定b為355 mm，h為12 mm。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

市場(chǎng)調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)國內(nèi)大載荷全路面起重機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)普遍處于高載荷狀態(tài)，客戶為提高轉(zhuǎn)場(chǎng)效率，節(jié)約拖車成本，全路面起重機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)過程中基本帶全臂全腿行駛，導(dǎo)致輪胎胎圈部位變形較大，與輪輞之間產(chǎn)生接觸磨損。考慮起重機(jī)在高速、重載條件下使用，為避免胎圈與輪輞之間產(chǎn)生滑移，d取630 mm。為獲得良好的裝配接觸性能，同時(shí)滿足輪胎拆卸的便利性，本次設(shè)計(jì)C取標(biāo)準(zhǔn)值，為286 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

斷面水平軸位于輪胎斷面最寬處，也是輪胎斷面最薄、胎側(cè)橫向變形最大的位置，H1/H2取值將直接影響輪胎胎肩與胎圈部位的受力平衡情況[7]。H1/H2取值過小，會(huì)導(dǎo)致胎圈部位在加載、釋放的循環(huán)狀態(tài)下出現(xiàn)較大的疲勞積累，從而使得胎圈部位異常損壞；H1/H2取值過大，容易造成輪胎肩部應(yīng)力過大，產(chǎn)生肩空和脫層等問題。

全路面起重機(jī)在施工作業(yè)時(shí)，通過支腿將車輛架起，輪胎懸空不受力；在作業(yè)場(chǎng)地內(nèi)存在短距離低速、重載移動(dòng)的情況；在轉(zhuǎn)場(chǎng)行駛過程中輪胎處于長(zhǎng)運(yùn)距高速、重載狀態(tài)，市場(chǎng)上輪胎主要病象以肩部生熱過大導(dǎo)致的肩空為主。本設(shè)計(jì)盡量減小肩部帶束層端點(diǎn)處的屈撓程度，減小橡膠應(yīng)變，從而降低肩部生熱，同時(shí)兼顧控制重載下的胎圈部位變形，因此H1/H2取0.96。

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

全路面起重機(jī)在作業(yè)過程中存在多軸轉(zhuǎn)向和原地小角度扭轉(zhuǎn)情況，負(fù)荷大加上惡劣的路況，導(dǎo)致輪胎胎面磨耗加快，使得輪胎的更換頻率加快[8-11]。針對(duì)多軸轉(zhuǎn)向帶來的輪胎異常磨損問題，同時(shí)結(jié)合胎肩生熱問題，胎肩花紋采用半封閉設(shè)計(jì)，并增加散熱孔，既可有效控制成本，又能有效降低生熱。

為滿足長(zhǎng)運(yùn)距高速穩(wěn)定行駛，胎面花紋采用4條縱溝、溝槽采用輕溝槽設(shè)計(jì)；為兼顧復(fù)雜路面的驅(qū)動(dòng)性能，采用大弧度塊狀花紋設(shè)計(jì)，冠弧展開長(zhǎng)度為355 mm，花紋節(jié)距寬度為85.5 mm，花紋深度為25 mm，花紋飽和度為64%，花紋周節(jié)數(shù)為54。

胎面二維花紋和三維花紋效果分別如圖2和3所示。

圖2 胎面二維花紋示意

圖3 胎面三維花紋效果

2.6 負(fù)荷能力

輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重要的一步是根據(jù)用途測(cè)算輪胎的負(fù)荷能力，主要依據(jù)《美國輪胎輪輞協(xié)會(huì)工程設(shè)計(jì)手冊(cè)（TRA EDI—2020）》計(jì)算輪胎負(fù)荷。根據(jù)移動(dòng)式起重機(jī)用工程機(jī)械子午線輪胎單胎負(fù)荷計(jì)算公式計(jì)算得出，445/95R25無內(nèi)胎全鋼工程機(jī)械子午線輪胎在40 km·h-1行駛速度下的負(fù)荷能力為9 180 kg，滿足輪胎技術(shù)條件和整車技術(shù)要求。

3 施工設(shè)計(jì)

3.1 胎面

胎面是輪胎直接接觸地面的部位，對(duì)起重機(jī)輪胎胎面膠的要求一般是具備全路面工況行駛性能，重點(diǎn)兼顧高速性能、生熱和耐磨性能。因此，采用冠部膠和基部膠雙層胎面設(shè)計(jì)。考慮起重機(jī)車輛全路面的作業(yè)行駛特點(diǎn)和輪胎肩空的主要失效模式，冠部膠選用硬度較高、抗刺扎的膠料配方，以保證復(fù)雜路面上輪胎的抗切割和耐磨性能；基部膠采用低生熱膠料配方，同時(shí)保證胎面與帶束層之間具有良好的過渡性能，以降低輪胎生熱，減少肩空故障。

3.2 帶束層

全鋼工程機(jī)械子午線輪胎一般采用3—6層帶束層。本設(shè)計(jì)采用3層帶束層，均采用3+9+15×0.225HT鋼絲簾線，帶束層安全倍數(shù)為6.9，滿足使用要求。因全路面起重機(jī)需具備長(zhǎng)距離高速轉(zhuǎn)場(chǎng)的性能要求，帶束層包膠和隔離膠采用工程機(jī)械輪胎定制模量的高速配方，以提升輪胎的耐久性能。

3.3 胎體

胎體骨架主要起承載作用，本設(shè)計(jì)胎體采用7×7×0.22+0.15HT鋼絲簾線，胎體安全倍數(shù)為6.3，滿足使用要求。由于起重機(jī)輪胎在作業(yè)過程中扭轉(zhuǎn)程度大且頻次高[12]，因此胎體簾布采用高反包設(shè)計(jì)，即胎體簾布反包高度超過輪胎的斷面水平軸，以支撐胎側(cè)，降低高頻扭轉(zhuǎn)帶來的胎圈部位損壞風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 胎圈

胎圈的主要作用是車輛在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)能夠?qū)⑤喬ダ卫尉o固在輪輞上。本設(shè)計(jì)胎圈采用傳統(tǒng)的六邊形鋼絲圈結(jié)構(gòu)，鋼絲總根數(shù)為102，鋼絲直徑為1.8 mm，覆膠鋼絲直徑為2.0 mm，胎圈安全倍數(shù)為6.2，滿足使用要求。

3.5 成型

采用一次法四鼓成型機(jī)成型，以提升生產(chǎn)效率[13]。胎體簾布高反包結(jié)構(gòu)需要充氣膠囊助推到位，控制膠囊充氣時(shí)長(zhǎng)，并關(guān)注胎側(cè)的輥壓排氣，以降低胎體簾布反包處的工藝缺陷[14]。

3.6 硫化

采用單模蒸鍋式硫化機(jī)硫化。硫化條件為：內(nèi)溫 （175±3） ℃，外溫 （143±2） ℃，內(nèi)壓（0.8±0.05） MPa，外壓 （0.30±0.02） MPa，總硫化時(shí)間 85 min，硫化輪胎無外觀質(zhì)量缺陷，檢測(cè)合格。

4 成品輪胎性能

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(cè)量方法》進(jìn)行測(cè)量。安裝在標(biāo)準(zhǔn)輪輞上的輪胎在標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力下的D'為1 478 mm，B'為448 mm，符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 耐久性能

參考GB/T 30193—2013并結(jié)合企業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行輪胎耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 輪胎耐久性試驗(yàn)條件

按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求完成前3個(gè)階段測(cè)試后輪胎無損壞；企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求輪胎必須通過第13個(gè)階段測(cè)試。結(jié)果表明，輪胎測(cè)試至第13個(gè)階段結(jié)束，累計(jì)行駛147 h后輪胎未發(fā)生損壞。輪胎的耐久性能達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，超過國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 智能輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

在長(zhǎng)距離高速、重載使用工況下，全路面起重機(jī)輪胎常見失效模式為肩空，因輪胎連續(xù)高速、重載行駛，胎肩內(nèi)部積累的熱量逐漸增加且得不到釋放，長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)會(huì)大大縮短輪胎使用壽命，并伴有高熱肩空風(fēng)險(xiǎn)，因此需要司機(jī)養(yǎng)成良好的行車習(xí)慣，及時(shí)停車休息，讓輪胎降溫。本設(shè)計(jì)的445/95R2無內(nèi)胎全鋼工程機(jī)械子午線輪胎配備了智能輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控行車過程中輪胎狀態(tài)，當(dāng)胎溫或充氣壓力達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)，及時(shí)提醒司機(jī)停車休息，從而實(shí)現(xiàn)規(guī)范司機(jī)駕駛習(xí)慣，降低輪胎因高熱引發(fā)的失效風(fēng)險(xiǎn)，提高輪胎行駛安全性，延長(zhǎng)輪胎的使用壽命。例如全路面起重機(jī)600T終端客戶裝配了445/95R25工程機(jī)械子午線輪胎，同時(shí)配備智能輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，車輛在轉(zhuǎn)場(chǎng)行駛過程中帶全臂全腿，軸負(fù)荷達(dá)到18 t左右，以40 km·h-1的平均速度連續(xù)行駛3.5 h，重載輪位均觸發(fā)高溫報(bào)警；次日按規(guī)范要求行車2 h停車休息0.5 h，重載輪位均處于良好運(yùn)行狀態(tài)。兩種行車狀態(tài)下的輪胎的溫升曲線對(duì)比見圖4。

圖4 不同行車習(xí)慣下的溫升曲線對(duì)比

從圖4可以看出，應(yīng)用智能輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，規(guī)范了司機(jī)良好的行車習(xí)慣，降低了輪胎行駛過程中的溫度上限，提高了輪胎行駛安全性。

6 結(jié)語

針對(duì)全路面起重機(jī)長(zhǎng)運(yùn)距、重載場(chǎng)景設(shè)計(jì)開發(fā)的445/95R25無內(nèi)胎全鋼工程機(jī)械子午線輪胎的外緣尺寸滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，耐久性能達(dá)到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。該產(chǎn)品投入市場(chǎng)后，終端客戶反饋輪胎使用效果優(yōu)良，在大載荷全路面起重機(jī)細(xì)分市場(chǎng)占比高，輪胎失效比例得到顯著控制，為全路面起重機(jī)提供了有效的輪胎解決方案，同時(shí)通過智能輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，行車過程實(shí)時(shí)監(jiān)控輪胎狀態(tài)，不僅規(guī)范了司機(jī)良好的行車習(xí)慣，同時(shí)提升了輪胎行駛安全性和使用壽命。