385/95R25工程機械子午線輪胎的設計

程 超，張 甲，張 鵬，朱仕翻，龍云山，黃 勛

（貴州輪胎股份有限公司，貴州 貴陽 550008）

當前，隨著社會的發展，城市基礎建設、建筑、鐵路及公路建設等領域發展迅速，高速吊車的用途越來越廣，高速吊車產業發展突飛猛進，并向智能化、科技化和綠色化發展。終端客戶為了滿足市場高強度的作業現狀，對車輛性能的要求也越來越高。

在車輛輪胎方面，高速吊車用系列輪胎在市場終端使用時面臨三方面要求：不斷提高輪胎的耐磨性能、進一步提高產品的性價比、降低終端用戶的成本投入。此外，客戶對輪胎花紋的不規則磨損（偏磨）性能也提出了較高的要求，但偏磨這一使用表象在高速吊車系列產品中普遍存在，與車輛本身的調校、行駛模式等因素有關，所有輪胎品牌都會發生，目前只能改善，不能完全消除。再者，高速吊車作業模式較為特殊，場地經常不固定，隨時需要快速機動，所以對輪胎的高速性能要求也非常高，因此對輪胎的整個胎體，特別是胎圈性能，以及冠部性能要求較高，相對而言發生病象的風險也較大，因此對胎圈及胎冠性能設計亦有很高的要求。

本工作對高速吊車用385/95R25工程機械子午線輪胎進行設計開發，以滿足客戶對高耐磨、高性價比、高機動性的需求，為終端用戶創造更高價值。

1 技術要求

通過查閱國家化學工業標準2018、美國輪胎輪輞標準協會標準（TRA—2018）、歐洲輪胎輪輞技術組織標準手冊（ETRTO—2018）等相關資料，確定385/95R25工程機械子午線輪胎的技術參數如下：標準輪輞 10.00/1.5，充氣外直徑（D′）1 368（1 347～1 391）mm，充氣斷面寬（B′）385（368～406）mm，速度級別 G級，輪胎最高速度

90 km·h-1，標準充氣壓力 900 kPa，單胎標準負荷 6 000 kg，胎面花紋 徑向塊狀、周向線性條狀，作業類型 全地形高速機動。

2 結構設計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

結合該車型目前市場實際使用需求，以及結合車型全驅全轉功能特點。以平衡輪廓理論作為數學模型，以經典力學原理作為架構，并通過有限元對其進行模擬分析。最終優化得出D為1 365 mm、B為385 mm，該結果滿足工程機械輪胎模具尺寸和輪胎產品的標準要求。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

輪胎行駛面直接接觸作業路面，b以及h會影響輪胎在運動狀態下的穩定性和耐磨性能，特別是不規則磨損及偏磨表象。該類型輪胎本身作用工況復雜，全地形全路面作業，輪胎的抓著穩定性、耐磨性能、高速性能等均為關鍵性能指標。在設計中，本著增大輪胎接地面積以及提升抓著性能的原則，b取320 mm，h取10 mm。通過優化設計，可以使輪胎運動狀態下的接地面積增大，使得輪胎花紋單位接地壓力分布更加均勻、合理，耐磨性能得到優化提升[2]，同時高速性能也得到提高。

2.3 胎圈著合直徑（d）和著合寬度（C）

該系列輪胎主要采用無內胎裝配方式，d設計主要根據輪輞的尺寸確認。為確保輪胎與輪輞配合緊密，以獲得良好的保氣性能，并能夠提高胎圈部位的剛性支撐，同時能夠很好地裝卸輪胎，輪胎與輪輞采用過盈配合，即d取630 mm；C采用加寬12.7 mm（0.5英寸）設計（C通常要大于輪輞寬度0.5～1英寸），即C取266.7 mm。

2.4 斷面水平軸位置（H1/H2）

輪胎設計中，H1/H2的取值關系到胎圈、胎肩耐久疲勞失效模式，并且斷面水平軸位置均需要與輪胎斷面的最寬點相匹配，該部位是輪胎斷面中最薄、屈撓變形最大的區域，對于輪胎性能起到關鍵作用。該工程機械子午線輪胎的負荷較高、速度較快，H1/H2一般取0.80～0.95。本次設計中，H1/H2取0.88[3]，可以避免傳統輪胎H1/H2取值不合理問題，即H1/H2取值過大，會導致輪胎胎肩受力集中，使胎肩出現早期失效；H1/H2取值過小，會導致胎圈受力集中，使胎圈出現早期失效。兩種表現均會造成輪胎的胎肩、胎圈出現因應力集中而過度疲勞，最終導致輪胎性能失效。

輪胎有限元模擬接地印痕及輪胎輪廓分別如圖1和2所示。

圖2 輪胎輪廓示意

2.5 輪胎花紋

該類輪胎匹配車型為高速吊車，作業路況是全地形、綜合工況。一般車輛在作業時，都處于非鋪裝惡劣工況環境中；但在轉場機動時，則會在公路上快速機動。輪胎的抓著性能、散熱性、高速性能、自潔能力以及磨耗壽命必須首要考慮，既要保證輪胎在惡劣工況下具有較高的抗切割、抗刺扎性能以及良好的驅動、操控性能，又要滿足在高速機動下的高速性能、耐磨性能以及不規則磨耗等，最終提高輪胎的綜合使用壽命。鑒于該輪胎在特定的環境下作業，通常應滿足以下條件：（1）具有良好的抓著性能；（2）具有較好的高速性能；（3）抗濕滑和耐磨性能好；（4）花紋溝不夾帶泥沙和石子，有較好的自潔性；（5）具有較強的抗切割和抗崩花掉塊能力，不裂口[2-3]。設計當中，以傳統斜交輪胎花紋為設計基礎，花紋采用中間徑向塊狀、邊塊周向線性條狀形式，花紋深度設計為23 mm，采用等節距設計，花紋周節數為50，花紋飽和度為65%。

輪胎花紋展開圖和三維圖分別見圖3和4。

圖3 輪胎花紋展開圖

圖4 輪胎花紋三維圖

3 施工設計

3.1 胎面

鑒于該類輪胎作業工況的特殊性，以及結合國內外市場的該類車型輪胎使用案例。胎面采用熱喂料、冷喂料雙復合擠出工藝，上層膠選用抗刺扎、抗切割、高耐磨及相對低生熱的配方，從而保證輪胎在該類工況下的綜合使用性能；下層膠著重考慮在高速情況下的生熱及熱聚問題，以及與帶束層之間的剛度匹配過渡等要素，優先考慮低生熱配方，以有效抑制輪胎在作業狀態下的生熱及熱聚現象，同時使胎面與帶束層間形成良好的過渡。

3.2 帶束層

帶束層的設計決定輪胎性能及使用質量。帶束層設計應保證其與胎體進行合理的應力分配，以提高輪胎的高速性能、耐磨性能、抗刺扎以及操縱穩定性等。本次設計選擇了4層帶束層結構，其中1#—3#帶束層采用3＋9＋15×0.22＋0.15HT鋼絲簾線，4#帶束層采用高延伸的3×7×0.22HE鋼絲簾線。帶束層安全倍數為6.0，滿足標準要求。

3.3 胎體

全鋼子午線輪胎的胎體主要由各類鋼絲骨架材料組成，在輪胎應用時起承載負荷的關鍵作用，同時直接關聯輪胎的剛度性能、扭轉性能以及舒適性等，對輪胎的綜合功能性、安全性、體驗舒適性產生直接的影響。本次設計考慮到輪胎本身的功能性、安全性和使用體驗性要求，經綜合分析和參數確認，胎體采用3＋9＋15×0.22W鋼絲簾線。胎體安全倍數為6.2，滿足標準要求。

3.4 胎圈

對胎圈部位進行力學分析可知，胎圈既要承受輪胎行駛中的制動力矩、離心力，又要承受輪輞的過盈力。此外，該系列輪胎在實際使用時出現氣壓維護不當的風險較高，在低氣壓情況下運行，胎圈部位會存在應力集中而疲勞破壞風險；氣壓過高又會使其安全倍數降低。再者，特別是該輪胎在G級速度下行駛時，高頻率轉動下的胎圈應力疲勞失效需要充分分析。綜上所述，本次胎圈設計保留了傳統工程機械輪胎的六角形鋼絲圈結構，但對其中鋼絲、覆膠鋼絲的直徑以及鋼絲根數進行了調整，即鋼絲直徑、覆膠鋼絲直徑分別為1.83和2.1 mm，鋼絲根數為95。胎圈安全倍數為6.3，滿足標準要求。

3.5 成型

成型是產品制造過程中的關鍵工序，成型精度直接決定產品性能的穩定性，因此成型工序是輪胎制造過程中需要關鍵控制的環節。首先，必須考慮施工方案的可行性、有效性、便捷性，施工方案必須結合實際現場過程能力情況，盡可能考慮步序防差錯，并盡可能實現自動化控制，減少人員主觀干預引起的產品質量波動。另外，在保證產品制造過程質量的情況下提高生產效率，盡可能減少生產過程中的浪費，降低操作人員的勞動強度。本次設計采用一次法成型機成型[3]，可以一次性完成單個輪胎的生產流程，具有較高的生產效率。此外一次法成型機的應用可以避免人工模式下的一些質量問題，如人工不規范操作導致胎坯質量受損等。

3.6 硫化

鑒于以往蒸鍋硫化模式下模腔內易積水，以及熱效率相對低的情況。本次設計采用單模熱板式硫化機，硫化條件為：內溫（170±3）℃，二次水壓力（2.7±0.1）MPa，一次水壓力（0.6±0.02）MPa，熱板溫度（150±3）℃，模套溫度（160±3）℃，總硫化時間 85 min。硫化過程中無過硫和缺膠等問題。

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》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1 368和388mm，均符合國家標準要求。

4.2 耐久性能

按照GB/T 30193—2013《工程機械輪胎耐久性試驗方法》并結合企業測試標準進行耐久性能試驗，試驗條件如表1所示。

表1 成品輪胎耐久性能試驗條件

試驗按照國家標準要求完成前3個階段測試后，達到47 h輪胎無損壞失效，再按照企業標準要求繼續測試至第7階段結束，累計行駛時間87 h輪胎無損壞失效。經測試，輪胎的耐久性能達到企業標準要求，遠超國家標準要求。

5 結語

本設計385/95R25工程機械子午線輪胎的充氣外緣尺寸達到國家標準要求，耐久性能滿足企業標準要求，并遠高于國家標準要求，輪胎性能得到重大突破，性能指標上了一個新臺階。該輪胎投入市場后，使用效果較好，大大降低了輪胎早期胎圈及胎冠失效損壞的風險。該輪胎為高速吊車市場提供了優異的輪胎解決方案，性價比較高，得到終端客戶一致的高度認可，主機配套及后市場占有率不斷增大，主機廠還提出專供要求，為終端用戶創造了更高價值，為公司帶來了較高的經濟效益。