矿用汽车巨型轮胎失效机制分析及预防控制研究

张伟旗

(江西铜业集团铜材有限公司，江西贵溪 335424)

矿用汽车巨型轮胎失效机制分析及预防控制研究

张伟旗

(江西铜业集团铜材有限公司，江西贵溪 335424)

根据德兴铜矿采矿场的工况特点及现场实际，针对矿用汽车巨型轮胎局部磨损、刺破、割裂、研胎、裂纹、掉块、剥离及爆破等失效形式及失效机制进行研究，摸索出巨型轮胎失效的基本规律，提出预防失效的控制措施。

巨型轮胎；失效机制；预防控制措施

0　引言

随着全球矿产资源消费的快速增长，资源开发持续繁荣，也拉动了露天采掘装备朝着大型化、重型化的方向发展，掀起了全球性的“巨型工程轮胎热”。巨型工程子午线轮胎(以下简称轮胎)作为矿用汽车的重要部件，需承担车辆的牵引力和重载，具有尺寸超大、结构笨重、制造技术难度大、附加值高、采购和返修难及价格昂贵等特点，最大直径大于4 m，质量大于5 t。因外方实施长期的技术封锁和市场垄断，轮胎特别是超大轮胎，大多由法国Michelin、日本Bridgestone、美国Goodyear三大轮胎巨头生产，胎源极度短缺。而国产胎生产和制造技术缓慢，产品品质和使用寿命皆无法与进口胎相媲美，损耗量大，因而一直依赖进口，且轮胎采购成本超过车辆运营成本的30%。

江铜德兴铜矿(简称德铜)铜厂和富家坞采区日采选矿石产能13×104t/d，其矿石年采剥总量巨大，达1.32×108t/a，截至2014年底，德铜铜厂和富家坞两大采矿区在线使用的36.00 R51、37.00 R57、40.00 R57等规格轮胎分别装配于630E、R-170、R-190Ⅲ、EH3500、730E、830E矿用汽车共 63 台。现场统计表明：由于轮胎失效，德铜采矿场年损耗进口和国产轮胎约400条，且每条运行周期不小于2 400 h。为打破国外长期技术封锁和市场垄断的局面，确保行车安全、提高可开动率、降低运输成本、延长轮胎使用寿命，针对巨型轮胎的主要失效形式进行分析及控制研究，意义重大。

1　德铜采矿场的工况特点及分析

德铜铜厂、富家坞采矿区境界面积分别为6、3.98 km2，剥采比分别为1.39∶1、3.23∶1；铜厂采区露天境界东西长2.3 km、南北宽2.4 km，最大高差不小于500 m，矿石最大运距不小于2 km，废石最大运距不小于3.6 km，且以重载上坡路段居多；富家坞采区运距不大于2 km，且以重载下坡路段居多。该矿的剥离层多为矿岩，作业现场和路面碎石多，轮胎的使用条件十分苛刻，采用机械化养护；该矿采矿场斜坡道横坡2%～4%，纵坡8%，综合坡度不大于12%，采区路线坡度大、弯道多、转弯半径小；随着采掘工作面的不断推进，道路在台阶上频繁移设、变化快、周期短，大高差临空路段多、断面形状复杂、曲线半径小；重车上撒落矿岩和爆破后抛石对排土场和采掘工作面的道路影响大等[1]。

2　巨型轮胎主要失效机制分析

轮胎失效的研究内容涉及多个学科如材料力学、力学及机械工程等，特别是轮胎材料、轮胎大变形及轮胎与路面的接触等，均属强非线性问题。因国内外各大露天矿山生产条件和道路质量迥异，使用矿用汽车类型、吨位、装载量、作业环境迥异，管理水平也参差不齐，司机操作技能各异，故矿用汽车轮胎的主要失效形式、影响因素及消耗状况也不尽相同，使用寿命差异大。

德铜矿用汽车皆使用巨型无内胎工程子午线轮胎，斜交轮胎早已淘汰。轮胎运行过程中的主要失效形式是局磨，刺破、割裂、研胎，裂纹、掉块，剥离，爆破等。其失效主因是轮胎运行时频繁受力变形、使用不当、行驶机构安装调整不良、轮胎选型不正确、违章操作或失误及保养不良等。

2.1局部磨损

该失效形式最为常见，俗称局磨。该失效形式约占56%。它是因轮胎花纹凸缘磨耗能量不均匀而引起的胎面磨损，主要表现为轮胎局磨过大、外露钢丝及花纹啃落。其主因是轮胎气压过高或过低；负荷过大；采场道路设计和路况不良或养护差；行驶机构技术状况不良；司机疲劳驾驶、违章操作、驾驶技能低或失误及保养不良等。车辆行驶、制动过程中，轮胎承载传递着垂直、横向及纵向力，它与道路之间的滚动、滑移皆会产生胎面磨损。轮胎使用至后期胎面花纹基本磨平后会出现冠空、肩空。

胎面磨损分为正常磨损和异常磨损。正常磨损又分为疲劳磨损和强力磨损，疲劳磨损是指轮胎只产生变形滑移时引起的磨损，如正常行车；强力磨损是指轮胎印迹开始滑动且滑动区域不断扩展时引起的磨损，如正常制动。异常磨损是指胎面呈波浪形磨损、胎冠呈局部椭圆形磨损、轮胎中心与胎肩部急剧磨损、单肩磨损、多角形磨损等[2]。

轮胎气压过高时，轮胎承受的应力陡增，且与地面的接触面积减少，重车行驶中胎内温度升高且气压略升，会造成胎冠中部严重磨损；轮胎气压过低时，在重车重力的作用下，其径向变形严重，且与地面的接触面积增大，胎内温度增高，致使胎面肩两边的磨损加剧。行车过程中，胎温可通过测定轮胎气压的办法来进行判断，切忌采用放气法来调整轮胎气压；胎温过高时，应立即停车散热降温，切不可用水来浇泼。

车辆行驶于平坦路面上，胎面与路面摩擦阻力较小，胎面磨损小；车辆行驶于坑洼不平或卵石路面上，轮胎动负荷大，颠簸冲击力大，胎温升高，影响橡胶和帘线层强度，使胎面磨损加剧。轮胎超过额定负荷时，胎壁两侧弯曲变形增大，帘线层承受的应力剧增，胎面(胎冠)接地面积变大，会引起轮胎急剧发热、异常磨损等，使胎面磨耗加剧，严重时导致轮胎刚度不足、附着力变差，影响行车的稳定性，甚至爆胎。

左右两车轮调整不一致，或轮毂轴承间隙、主销与主销孔间隙过大时，轮胎跳动和摆动现象加剧，轮胎受力变大，使胎面磨损严重或不均匀；前轮前束或外倾角调整不当即前轮定位不准确时，将使车轮滚动时与地面接触处产生的力矩过大，致使胎面受力倍增且滑动加速，会造成轮胎横向磨损和偏磨等异常磨损；而左右悬架刚度不同、弹性不均，车体倾斜、轮辋不正、轴距不等、车架及车桥弯曲变形时，车轮则易产生侧向力，从而导致轮胎胎面磨耗剧增。

车辆直线行驶时，蛇形行车即左右频繁摆动方向盘、轮胎空转、车辆急速起步、急转弯、高速转弯及紧急刹车等次数增加时，车轮承受的负荷剧增，会导致胎面局部呈波浪形磨损、胎冠局部呈椭圆形磨损或轮辋直径不标准、打滑。

2.2刺破、割裂及研胎

该失效形式最为常见，在国内矿山特别是大型露天矿山约占28%。其主要表现为轮胎外伤破损，如胎面小裂口刺破；胎侧面斜向裂口或划伤；胎肩刺破起层、裂纹、径向裂空；胎圈折断、撕裂；胎冠中间划伤、内裂或伤口爆成x、y、z形等。其主要发生于铲窝、排岩场及倒装台，该地段路面作业条件差，四处散落有棱角锋利矿岩，重车起步太快、快速行驶及紧急制动时，易刺破、割裂轮胎或爆破，引起轮胎早期失效，损坏最严重，导致轮胎的一次性报废；司机责任心不强，未及时发现轮胎中间夹入矿石或轮胎破裂后仍继续行驶，易发生研胎报废。

轮胎气压较低时，轮胎花纹凹部易扎入锋利的矿岩石块，会引起机械性损伤，刺破轮胎；重车行驶于崎岖不平路面或矿岩路面上，若车速过快时，轮胎撞击锋利矿岩、浮石或其他异物，易刺破、割伤胎面及胎侧，雨季车辆路遇水洼地段或车轮久压形成的辙沟时，锋利矿岩更易刺破或切割轮胎。

2.3裂纹、掉块

裂纹、掉块失效形式较为少见，约占5%。其主要表现为胎体胶面严重老化龟裂、花纹掉块。车辆停放处和轮胎存放处有油污、积水、化学物品，轮胎保管不当或长期露天存放，轮胎橡胶易老化开裂；路面凹凸不平、急刹车频繁、超速行驶及轮胎气压不足，也会导致轮胎裂纹。该矿采矿场碎石路面多，切割作用大，易啃落胎面花纹，或胎面橡胶弹性差即自身品质不佳时也会引起掉块。

2.4剥离

也称脱层、起层。该失效形式在高温酷暑季节较为常见，约占3%。胎温高会使帘布脱层，又称为热剥离。

2.4.1脱落、分离

该失效形式较为少见。其主要表现为胎面胶从帘布层分离及剥落；胎冠侧溶胀发泡、缓冲层及帘线层脱空；胎肩局部鼓包、脱空、轻微溶胀及扩大，局部或大面积掉块；胎圈(趾口)脱层等形式。车速过高时，轮胎在单位时间内的变形次数增加，承受冲击载荷更大，引起胎温陡升，发热严重时，易导致轮胎热炸、热剥离。

2.4.2帘线松散、折断及帘布脱层

该失效形式较为少见。其主要表现为帘线及帘布层早期遭到破坏。轮胎气压过低时，行车过程中其径向变形严重，胎体应力骤增，胎壁两侧会产生严重拱曲，促使胎壁两侧受压、外侧受拉，胎体内帘线产生的变应力和变形较大，帘线疲劳损坏加快；轮胎低气压滚动时，与地面之间相对滑动增大，摩擦生热多，胎温急剧攀升，会引起轮胎局部脱层和帘线松弛。而轮胎气压过高时，轮胎帘线受到过度拉伸，帘线疲劳过程加快，随着时间的推移，帘线将被拉断。

重车上下坡道时，对轮胎帘线层影响较大。上坡时，后轮负荷陡增；下坡时，前轮负荷骤升，胎温皆会增高，引起轮胎发热严重、侧壁应力增大、变形过大，致使帘布层脱层、爆破；胎圈应力剧增易导致胎圈损坏失效。重车行驶于凹凸不平的路面上，加速或减速时，动负荷剧增，致使帘线层受力和变形较大，帘线易产生松脱、剥落，甚至爆破。轮胎气压低碾胎时，也会使帘布脱层。除轮胎自身质量外，车速过快、轮胎长时间高温作业，也会导致轮胎脱层失效。

2.5爆破

也称爆胎、爆裂，该失效形式约占8%。其主要表现为裂口外表面有机械损伤痕迹，裂口内表面边缘有龟状裂纹。它是指轮胎局部机械强度受到严重削弱，致使内胎推动保护，胎压失去平衡而突然爆胎，车辆轻则产生剧烈的侧滑、甩尾，或与躲避不及的来往车辆相撞，重则产生连续翻滚，甚至酿成特大交通事故。其失效主因是轮胎质量缺陷、路面障碍物、使用不当、天气恶劣等。轮胎受冲击、超载时，动负荷大，胎侧曲折频率增大，胎壁较薄部位易爆破；路遇铁器或棱角锋利的矿岩、超期服役、装载单轮偏重、轮胎气压过高、排查割裂轮胎不到位及未及时采取有效的措施，造成胎内钢丝和帘线疲劳强度降低和损坏，也会引起爆破。

3　巨型轮胎失效的预防及控制研究

3.1科学优化和拓展运输工艺

该矿矿体赋存条件多变、品位变化大、不可预见因素多，且矿用汽车装载点、卸载点很多，运输系统较复杂。2010年，为与13×104t/d日扩能改造子系统相配套，降低采矿运输成本，减少废气排放，提高经济效益，该矿新建了废石破碎-胶带运输系统，其设计运行能力4 500 t/h，输送任务60 000 t/d，年可运送废石超过2×107t；水平、上行输送段长分别为965、1 465 m，倾角12°，运行速度4.8 m/s，胶带强度ST5400。该系统运输工艺流程是矿用汽车倒料→美卓6089旋回破碎机破碎→3.4 m重型铁板给矿机→2.4 km×1.8 m固定皮带→一线天排土场→移动皮带→排土机排料。

针对原皮带输送系统功率因数低、可靠性差、能耗大及难以达到最佳控制系统的要求，宜采用高压变频器调速方式替代传统的串级调速方式，利用改变皮带传动电动机电源频率，成功地实现了交流高压电动机的软启动及大范围内的无级平滑调速，对设备冲击小，节能降耗显著。今年，该矿采矿场科学规划剥离作业区域，做好日产分析，稳定废石供应，坚持同步作业、同步检修，严格执行三天一通报制度，操作工责任心强，胶带系统作业效率高，其中4月份运输排土量达227万t，创单月历史新高。

3.2创建轮胎磨耗极限制度

以往该矿轮胎普遍存在过度使用、一用到底的现象，多数旧轮胎磨损已超过磨耗标志，甚至磨至带束层钢丝，导致轮胎失去翻新价值，翻新率低。为对轮胎进行科学管理和维护，最大限度地发挥轮胎作用，该矿创建了轮胎磨耗极限制度，包括轮胎的定期检查、补气、合理换位、损伤后的修补处理及路面维护等措施，是提高翻新轮胎比例的有效途径。通常轮胎即使磨损至磨耗标志，仍能继续使用至报废约500 h。严格执行轮胎磨耗极限制度，虽使原使用模式下轮胎使用时间减少，但轮胎使用至磨耗标志后及时下车翻新，可将翻新轮胎比例提高至90%以上，轮胎翻新后又延长了一个使用周期。

经验表明：即使在高温酷暑和苛刻的工况条件下连续使用，翻新轮胎使用正常，胎面胎体粘合良好，胎面磨耗正常。而翻新轮胎成本仅为新胎的30%～40%，使用寿命却超过进口轮胎的80%，且该矿轮胎翻新至少2次以上，部分轮胎甚至达6次，可大幅减少新胎采购量和使用成本。严格执行轮胎磨耗极限制度，可弥补胎源严重不足，实现废旧轮胎资源循环利用，提高成本能耗水平，节约橡胶等战略资源，减少黑色污染，改善矿山环境，对推进行业技术进步、节能减排及建设绿色矿山皆有积极的促进作用。

3.3研发卡调安全及轮胎压力监测系统

该矿研发出基于GPS的卡调安全系统，可连续监视路线选择和车铲动态作业过程，以确定出最佳车铲匹配；可实时监测和跟踪车辆发动机、轮胎及轮圈等关键零部件，大幅提升车辆可开动率，使车辆错驾路线率最小，改善和提升车辆的运行效益。气压和温度是轮胎的生命，充气压力过低或过高皆会缩短轮胎使用里程，胎压不足生热过多，易破坏其内部结构，导致爆胎或翻车事故。为便于监测轮胎的压力、温度及其是否正常工作，该矿新研发的新型轮胎压力温度监测系统TPMS，又称轮胎失压预警装置或轮胎泄气报警装置，其轮胎上设有芯片，车辆运行时可实时自动检测胎压和胎温，在轮胎出现异常状况时及时报警，提醒司机根据相关情况采取必要的措施，保持正常胎压和胎温，避免低压碾胎、高压爆胎等早期损坏现象，轮胎磨损小、刺破消耗率低，使用寿命长。

3.4轮胎拆装、换位应遵循的原则

由于车辆前后左右轮胎负荷不均，前轮转换角度不同，通常各轮胎磨损程度和位置也不同，定期轮胎换位可使各轮胎同步均匀磨损，延长轮胎寿命。新胎只准用于两前轮，当其花纹磨耗至规定值时，需移至后轮。换位前，应排查所有轮胎是否需修补等。轮胎装卸时，严禁尖锐物接触胎口，一旦胎口破裂，整条轮胎即报废，经济损失巨大。装胎前，应排查轮辋是否变形、裂纹，适时修理或更换有问题轮辋；装胎时，必须清除轮辋表面、胎圈底座及沟槽内的杂物和铁锈。轮胎应装配在规定的车型和轮辋上，拆装轮胎须使用专用拆装工具和器械，杜绝野蛮使用硬物或大锤猛敲胎体和轮辋。

为物尽其用，该矿优先执行“同厂家、同花纹”、“整车换胎”、“季节性换胎”、“后轮并装轮胎”等原则，雨季时使用耐刺、耐磨性能较强的米其林XDRB4型轮胎居多；气温较低季节时使用耐热性和抗刺性较弱的固特异或石桥轮胎居多；高温酷暑季节时使用质量与技术服务过硬的米其林轮胎居多[3]。选购新胎时，同一车轴轮胎须遵循“八同”原则，即装配品牌、规格、材质、结构、花纹、层级、气压、负荷相同，其主因是制造厂家不同，轮毂尺寸、胎面宽度、花纹形状、帘线材料皆有差别，混装不同品牌轮胎，磨耗和承受负荷也不同；轮胎规格不同，其充气后外直径和断面宽不同，混装则负荷分布不一样；胎体结构不同，其缓冲性能、周向变形都不同；材质即胎体帘线材料不同，混装影响使用效果；轮胎花纹不同，与地面的附着力和磨耗皆不同，左右轮胎花纹不一致，影响汽车的平顺性，紧急刹车时会出现单边和甩尾现象；层级是轮胎的负荷级别，气压则由层级而定，混装负荷能力不同的轮胎，充气压力和轮胎变形皆不一致。

3.5创建最佳工序成本模式

该矿采矿场核算中心细分为穿孔、爆破、汽运、铲装、养防等16个工段成本中心，工段相当于各工序成本中心，由于各自需完成的成本指标不同，所采取的控制措施无法顾及其他工序产品质量，易导致当前工序成本控制较好，其他工序成本升高。各工序成本消耗控制符合整体成本最优化原则，属于系统控制问题，材料备件质量和电耗等外部因素也会影响工序成本，工序物料消耗的质量好坏则涉及工序成本高低。

该矿矿岩运输由汽运工段负责，道路的修筑与养护则由养护工段负责，两者属于基本生产与辅助生产关系，成本控制呈负相关关系。为降低自身可控成本，养防工段控制道路修筑与养护标准，仅需满足道路的最低可运行状态即可；而汽运工段修筑与养护道路等级标准越高，其吨运输单耗越低，具体表现为轮胎损耗率和油耗降低等。针对现行工序成本及实际，该矿从整体角度出发，树立“大成本”财务管理观念，创建了最佳工序成本模式。通过对各工序责任成本进行比较分析，建立有效的工序责任成本的标准，寻求工序成本最佳结合点，摸索综合成本最低指标模式，且建立和完善了工序成本的考核与激励机制。该成本控制系统可揭示失误何时发生，谁应对失误负责，能确保采取纠正偏差措施，且实用性强、成本低[4]。

3.6轮胎安全保管保养应遵循的原则

轮胎长期露天存放，易加速老化开裂，轻则影响轮胎使用性能，重则可能引起爆胎事故危及生命，需加盖防水油布，以防止日晒、雨淋造成轮胎橡胶老化，缩短寿命。轮胎存放库房必须干燥、凉爽，不宜过分通风，需设有温度计和湿度计；应避免与油、酸碱、臭氧、碳氢化合物及易燃易爆等化学物品存放在一起，以防轮胎老化；轮胎与胎圈装配在一起存放时，宜略充气，使轮胎可承受一定的压力；保管这些“金轮”时，要按制造或入库时间分批次存放，先进先出，按顺序使用；轮胎自重很大，长期存放易鼓包、变形，导致轮胎性能下降，每季度需将轮胎翻转180°，且改变其放置支点。

4　结束语

在认识到轮胎失效原因及摸索出轮胎失效基本规律基础上，应深入探究有效的措施来降低失效率，而通过科学优化和拓展运输工艺，加强对轮胎气压、胎温和车速等数据监测、维修保养及道路施工管理，合理修正TKPH值，加大对轮胎运行的监管及成本控制力度，可提高轮胎可开动率、安全可靠性及能耗成本水平，合理延长轮胎寿命。

【1】张伟旗.大型矿山矿用汽车汽车巨型轮胎磨损率技术研究[J].有色设备，2015(2):11-15，22.

【2】阎岩.赵红.浅析提高矿用汽车轮胎使用寿命的途径[J].黄金，2006，27(3)：31-34.

【3】张伟旗.大型矿山电动轮汽车巨型轮胎刺破率技术研究[J].中国矿山工程，2014(6)：59-62，69.

【4】王和平.德兴铜矿优化工序成本的探讨[J].中国集体经济，2007(8)：163-164.

动力电池回收成本高 企业望而却步

发展新能源是大势所趋，各家汽车企业也打起了自己的算盘，投入大量的物力财力只为先发制人。行业相关人士也乐观预计2016年新能源汽车将会翻倍增长，新能源汽车产量也会持续扩大。毫无疑问，新能源发展利大于弊，大多数人一提到新能源汽车，总能说出一大串的优点，至于发展所带来的弊端，知道的寥寥无几。

就目前热议中的废电池处理回收问题，据中国汽车技术研究中心专家介绍，预计2015年，我国的动力电池累计报废量大概在2万～4万t，到了2020年前后， 我国仅纯电动乘用车和混合动力乘用车的动力电池累计报废量将会达到12万～17万t的规模。新能源汽车动力电池的回收与再利用已成为一个不可忽视的问题。

锂电池将会被广泛运用到电动汽车上，动力锂电池的一般使用寿命大概是20年，但是用于汽车，只能是3～5年就要报废，因为它的容量衰减到初始容量80%以 下时，电动汽车的续航里程就会明显减少，动力电池3～5年必须要更换，所以报废锂电池的数量只会与日俱增。据了解，回收电池的技术路线相当复杂，比如在对报废锂电池的处理上，首先要对其进行预处理，包括放电、拆解、粉碎、分选；拆解之后的塑料以及铁外壳可以回收；然后再对电极材料进行碱浸出、酸浸出，多种程序之后然后再进行萃取。这套复杂的程序以及高成本使得很多回收企业都望而却步，以致电池回收处理存在严重缺口。这应该引起政府相关部门的重视，制定电池处理办法，加强政策的落实和监督。

(来源：盖世汽车)

Failure Mechanism Analysis and Prevention Control Research for Mine Car Giant Tyres

ZHANG Weiqi

(Copper Co.,Ltd., Jiangxi Copper Corporation，Guixi Jiangxi 335424，China)

According to the characteristics and actual working condition of Dexing copper mine stope，the failure modes and failure mechanism of the car giant tyre were researched, including local wear and tear, puncture,cutting crack, grinding tire, crack, metal sheding, stripping and blasting etc. The basic rules for the giant tyre failure were figured out. The control measures to prevent failure were put forward.

Giant tyres; Failure mechanism; Prevention and control measures

2015-08-14

张伟旗(1965—)，男，工学学士，高级工程师，中国机械工程学会高级会员，主要研究方向为矿山机械、铜加工、有色冶金、机电设备工程。E-mail:zhangwq678@126.com。