全路面起重機用445/95R25無內胎全鋼工程機械子午線輪胎的設計

張燕龍，王雪崗，岳 振，劉本鑫，印海建

[泰凱英（青島）專用輪胎技術研究開發有限公司，山東 青島 266100]

隨著現代經濟的快速發展，我國基礎設施建設日益增長，尤其是風電、化工等行業發展迅猛，對建筑類型工程機械車輛的市場需求顯著提升[1]。全路面起重機具有全輪轉向和多軸驅動的特點，適用于多種工況的全路面吊裝作業[2]，并具備長途高速轉場能力，以適應吊裝作業地點分布廣而散的現狀。全路面起重機經常在惡劣場景進行吊裝作業，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場過程中的安全可靠性，又要具備一定的抗切割性能。

隨著吊裝作業需求的日益增加，主機廠不斷迭代大載荷全路面起重機[3-5]，不僅提高吊載能力，同時車輛可帶行駛的上裝設備逐漸增多，如在高速轉場時可帶全臂全腿、可攜帶配重塊行駛，導致輪胎的單胎負荷不斷提高，部分輪位的軸荷達到18 t以上，對輪胎行駛安全性提出了更高的要求。高速長距離轉場過程中，輪胎生熱導致橡膠老化而引起的爆胎問題不僅延長宕機時間[6]，更嚴重影響車輛行駛安全。

為適應不斷變化的市場需求，我公司針對起重機高速、重載應用場景，開發了445/95R25無內胎全鋼工程機械子午線輪胎，現將相關設計情況介紹如下。

1 技術要求

根據《美國輪胎輪輞標準協會標準（TRA—2016）》及《歐洲輪胎輪輞技術組織標準手冊（ETRTO—2018）》，確定445/95R25無內胎全鋼工程機械子午線輪胎的技術參數如下：標準輪輞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（移動式起重機）的無內胎輪胎，充氣壓力 900 kPa，額定負荷 6 700 kg。

2 結構設計

2.1 外直徑（D）和斷面寬（B）

結構設計采用了平衡輪廓設計理論，通過仿真建模手段進行模擬分析，同時綜合全路面起重機在終端客戶的實際使用工況以及客戶的痛點需求，最終優化確定D為1 478 mm，B為448 mm。

2.2 行駛面寬度（b）和弧度高（h）

全路面起重機輪胎的全生命周期中約90%在狀況良好路面上長距離高速轉場行駛，而b和h決定了輪胎的耐磨性能和使用壽命。市場調研發現多個品牌起重機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，針對全路面起重機長距離高速連續行駛的場景，為確保輪胎均勻磨損，延長輪胎的使用壽命，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）

市場調研時發現國內大載荷全路面起重機轉場時普遍處于高載荷狀態，客戶為提高轉場效率，節約拖車成本，全路面起重機轉場過程中基本帶全臂全腿行駛，導致輪胎胎圈部位變形較大，與輪輞之間產生接觸磨損。考慮起重機在高速、重載條件下使用，為避免胎圈與輪輞之間產生滑移，d取630 mm。為獲得良好的裝配接觸性能，同時滿足輪胎拆卸的便利性，本次設計C取標準值，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，會導致胎圈部位在加載、釋放的循環狀態下出現較大的疲勞積累，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力過大，產生肩空和脫層等問題。

全路面起重機在施工作業時，通過支腿將車輛架起，輪胎懸空不受力；在作業場地內存在短距離低速、重載移動的情況；在轉場行駛過程中輪胎處于長運距高速、重載狀態，市場上輪胎主要病象以肩部生熱過大導致的肩空為主。本設計盡量減小肩部帶束層端點處的屈撓程度，減小橡膠應變，從而降低肩部生熱，同時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

全路面起重機在作業過程中存在多軸轉向和原地小角度扭轉情況，負荷大加上惡劣的路況，導致輪胎胎面磨耗加快，使得輪胎的更換頻率加快[8-11]。針對多軸轉向帶來的輪胎異常磨損問題，同時結合胎肩生熱問題，胎肩花紋采用半封閉設計，并增加散熱孔，既可有效控制成本，又能有效降低生熱。

為滿足長運距高速穩定行駛，胎面花紋采用4條縱溝、溝槽采用輕溝槽設計；為兼顧復雜路面的驅動性能，采用大弧度塊狀花紋設計，冠弧展開長度為355 mm，花紋節距寬度為85.5 mm，花紋深度為25 mm，花紋飽和度為64%，花紋周節數為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 負荷能力

輪胎結構設計重要的一步是根據用途測算輪胎的負荷能力，主要依據《美國輪胎輪輞協會工程設計手冊（TRA EDI—2020）》計算輪胎負荷。根據移動式起重機用工程機械子午線輪胎單胎負荷計算公式計算得出，445/95R25無內胎全鋼工程機械子午線輪胎在40 km·h-1行駛速度下的負荷能力為9 180 kg，滿足輪胎技術條件和整車技術要求。

3 施工設計

3.1 胎面

胎面是輪胎直接接觸地面的部位，對起重機輪胎胎面膠的要求一般是具備全路面工況行駛性能，重點兼顧高速性能、生熱和耐磨性能。因此，采用冠部膠和基部膠雙層胎面設計。考慮起重機車輛全路面的作業行駛特點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

全鋼工程機械子午線輪胎一般采用3—6層帶束層。本設計采用3層帶束層，均采用3+9+15×0.225HT鋼絲簾線，帶束層安全倍數為6.9，滿足使用要求。因全路面起重機需具備長距離高速轉場的性能要求，帶束層包膠和隔離膠采用工程機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，本設計胎體采用7×7×0.22+0.15HT鋼絲簾線，胎體安全倍數為6.3，滿足使用要求。由于起重機輪胎在作業過程中扭轉程度大且頻次高[12]，因此胎體簾布采用高反包設計，即胎體簾布反包高度超過輪胎的斷面水平軸，以支撐胎側，降低高頻扭轉帶來的胎圈部位損壞風險。

3.4 胎圈

胎圈的主要作用是車輛在啟動和制動時能夠將輪胎牢牢緊固在輪輞上。本設計胎圈采用傳統的六邊形鋼絲圈結構，鋼絲總根數為102，鋼絲直徑為1.8 mm，覆膠鋼絲直徑為2.0 mm，胎圈安全倍數為6.2，滿足使用要求。

3.5 成型

采用一次法四鼓成型機成型，以提升生產效率[13]。胎體簾布高反包結構需要充氣膠囊助推到位，控制膠囊充氣時長，并關注胎側的輥壓排氣，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硫化。硫化條件為：內溫 （175±3） ℃，外溫 （143±2） ℃，內壓（0.8±0.05） MPa，外壓 （0.30±0.02） MPa，總硫化時間 85 min，硫化輪胎無外觀質量缺陷，檢測合格。

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'為1 478 mm，B'為448 mm，符合國家標準要求。

4.2 耐久性能

參考GB/T 30193—2013并結合企業測試標準進行輪胎耐久性試驗，試驗條件如表1所示。

表1 輪胎耐久性試驗條件

按照國家標準要求完成前3個階段測試后輪胎無損壞；企業標準要求輪胎必須通過第13個階段測試。結果表明，輪胎測試至第13個階段結束，累計行駛147 h后輪胎未發生損壞。輪胎的耐久性能達到企業標準要求，超過國家標準要求。

5 智能輪胎監測系統的應用

在長距離高速、重載使用工況下，全路面起重機輪胎常見失效模式為肩空，因輪胎連續高速、重載行駛，胎肩內部積累的熱量逐漸增加且得不到釋放，長時間處于高溫狀態會大大縮短輪胎使用壽命，并伴有高熱肩空風險，因此需要司機養成良好的行車習慣，及時停車休息，讓輪胎降溫。本設計的445/95R2無內胎全鋼工程機械子午線輪胎配備了智能輪胎監測系統，實時監控行車過程中輪胎狀態，當胎溫或充氣壓力達到報警閾值時，及時提醒司機停車休息，從而實現規范司機駕駛習慣，降低輪胎因高熱引發的失效風險，提高輪胎行駛安全性，延長輪胎的使用壽命。例如全路面起重機600T終端客戶裝配了445/95R25工程機械子午線輪胎，同時配備智能輪胎監測系統，車輛在轉場行駛過程中帶全臂全腿，軸負荷達到18 t左右，以40 km·h-1的平均速度連續行駛3.5 h，重載輪位均觸發高溫報警；次日按規范要求行車2 h停車休息0.5 h，重載輪位均處于良好運行狀態。兩種行車狀態下的輪胎的溫升曲線對比見圖4。

圖4 不同行車習慣下的溫升曲線對比

從圖4可以看出，應用智能輪胎監測系統后，規范了司機良好的行車習慣，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 結語

針對全路面起重機長運距、重載場景設計開發的445/95R25無內胎全鋼工程機械子午線輪胎的外緣尺寸滿足國家標準要求，耐久性能達到企業標準要求。該產品投入市場后，終端客戶反饋輪胎使用效果優良，在大載荷全路面起重機細分市場占比高，輪胎失效比例得到顯著控制，為全路面起重機提供了有效的輪胎解決方案，同時通過智能輪胎監測系統，行車過程實時監控輪胎狀態，不僅規范了司機良好的行車習慣，同時提升了輪胎行駛安全性和使用壽命。