385/95R25工程机械子午线轮胎的设计

程 超，张 甲，张 鹏，朱仕翻，龙云山，黄 勋

（贵州轮胎股份有限公司，贵州 贵阳 550008）

当前，随着社会的发展，城市基础建设、建筑、铁路及公路建设等领域发展迅速，高速吊车的用途越来越广，高速吊车产业发展突飞猛进，并向智能化、科技化和绿色化发展。终端客户为了满足市场高强度的作业现状，对车辆性能的要求也越来越高。

在车辆轮胎方面，高速吊车用系列轮胎在市场终端使用时面临三方面要求：不断提高轮胎的耐磨性能、进一步提高产品的性价比、降低终端用户的成本投入。此外，客户对轮胎花纹的不规则磨损（偏磨）性能也提出了较高的要求，但偏磨这一使用表象在高速吊车系列产品中普遍存在，与车辆本身的调校、行驶模式等因素有关，所有轮胎品牌都会发生，目前只能改善，不能完全消除。再者，高速吊车作业模式较为特殊，场地经常不固定，随时需要快速机动，所以对轮胎的高速性能要求也非常高，因此对轮胎的整个胎体，特别是胎圈性能，以及冠部性能要求较高，相对而言发生病象的风险也较大，因此对胎圈及胎冠性能设计亦有很高的要求。

本工作对高速吊车用385/95R25工程机械子午线轮胎进行设计开发，以满足客户对高耐磨、高性价比、高机动性的需求，为终端用户创造更高价值。

1 技术要求

通过查阅国家化学工业标准2018、美国轮胎轮辋标准协会标准（TRA—2018）、欧洲轮胎轮辋技术组织标准手册（ETRTO—2018）等相关资料，确定385/95R25工程机械子午线轮胎的技术参数如下：标准轮辋 10.00/1.5，充气外直径（D′）1 368（1 347～1 391）mm，充气断面宽（B′）385（368～406）mm，速度级别 G级，轮胎最高速度

90 km·h-1，标准充气压力 900 kPa，单胎标准负荷 6 000 kg，胎面花纹 径向块状、周向线性条状，作业类型 全地形高速机动。

2 结构设计

2.1 外直径（D）和断面宽（B）

结合该车型目前市场实际使用需求，以及结合车型全驱全转功能特点。以平衡轮廓理论作为数学模型，以经典力学原理作为架构，并通过有限元对其进行模拟分析。最终优化得出D为1 365 mm、B为385 mm，该结果满足工程机械轮胎模具尺寸和轮胎产品的标准要求。

2.2 行驶面宽度（b）和弧度高（h）

轮胎行驶面直接接触作业路面，b以及h会影响轮胎在运动状态下的稳定性和耐磨性能，特别是不规则磨损及偏磨表象。该类型轮胎本身作用工况复杂，全地形全路面作业，轮胎的抓着稳定性、耐磨性能、高速性能等均为关键性能指标。在设计中，本着增大轮胎接地面积以及提升抓着性能的原则，b取320 mm，h取10 mm。通过优化设计，可以使轮胎运动状态下的接地面积增大，使得轮胎花纹单位接地压力分布更加均匀、合理，耐磨性能得到优化提升[2]，同时高速性能也得到提高。

2.3 胎圈着合直径（d）和着合宽度（C）

该系列轮胎主要采用无内胎装配方式，d设计主要根据轮辋的尺寸确认。为确保轮胎与轮辋配合紧密，以获得良好的保气性能，并能够提高胎圈部位的刚性支撑，同时能够很好地装卸轮胎，轮胎与轮辋采用过盈配合，即d取630 mm；C采用加宽12.7 mm（0.5英寸）设计（C通常要大于轮辋宽度0.5～1英寸），即C取266.7 mm。

2.4 断面水平轴位置（H1/H2）

轮胎设计中，H1/H2的取值关系到胎圈、胎肩耐久疲劳失效模式，并且断面水平轴位置均需要与轮胎断面的最宽点相匹配，该部位是轮胎断面中最薄、屈挠变形最大的区域，对于轮胎性能起到关键作用。该工程机械子午线轮胎的负荷较高、速度较快，H1/H2一般取0.80～0.95。本次设计中，H1/H2取0.88[3]，可以避免传统轮胎H1/H2取值不合理问题，即H1/H2取值过大，会导致轮胎胎肩受力集中，使胎肩出现早期失效；H1/H2取值过小，会导致胎圈受力集中，使胎圈出现早期失效。两种表现均会造成轮胎的胎肩、胎圈出现因应力集中而过度疲劳，最终导致轮胎性能失效。

轮胎有限元模拟接地印痕及轮胎轮廓分别如图1和2所示。

图2 轮胎轮廓示意

2.5 轮胎花纹

该类轮胎匹配车型为高速吊车，作业路况是全地形、综合工况。一般车辆在作业时，都处于非铺装恶劣工况环境中；但在转场机动时，则会在公路上快速机动。轮胎的抓着性能、散热性、高速性能、自洁能力以及磨耗寿命必须首要考虑，既要保证轮胎在恶劣工况下具有较高的抗切割、抗刺扎性能以及良好的驱动、操控性能，又要满足在高速机动下的高速性能、耐磨性能以及不规则磨耗等，最终提高轮胎的综合使用寿命。鉴于该轮胎在特定的环境下作业，通常应满足以下条件：（1）具有良好的抓着性能；（2）具有较好的高速性能；（3）抗湿滑和耐磨性能好；（4）花纹沟不夹带泥沙和石子，有较好的自洁性；（5）具有较强的抗切割和抗崩花掉块能力，不裂口[2-3]。设计当中，以传统斜交轮胎花纹为设计基础，花纹采用中间径向块状、边块周向线性条状形式，花纹深度设计为23 mm，采用等节距设计，花纹周节数为50，花纹饱和度为65%。

轮胎花纹展开图和三维图分别见图3和4。

图3 轮胎花纹展开图

图4 轮胎花纹三维图

3 施工设计

3.1 胎面

鉴于该类轮胎作业工况的特殊性，以及结合国内外市场的该类车型轮胎使用案例。胎面采用热喂料、冷喂料双复合挤出工艺，上层胶选用抗刺扎、抗切割、高耐磨及相对低生热的配方，从而保证轮胎在该类工况下的综合使用性能；下层胶着重考虑在高速情况下的生热及热聚问题，以及与带束层之间的刚度匹配过渡等要素，优先考虑低生热配方，以有效抑制轮胎在作业状态下的生热及热聚现象，同时使胎面与带束层间形成良好的过渡。

3.2 带束层

带束层的设计决定轮胎性能及使用质量。带束层设计应保证其与胎体进行合理的应力分配，以提高轮胎的高速性能、耐磨性能、抗刺扎以及操纵稳定性等。本次设计选择了4层带束层结构，其中1#—3#带束层采用3＋9＋15×0.22＋0.15HT钢丝帘线，4#带束层采用高延伸的3×7×0.22HE钢丝帘线。带束层安全倍数为6.0，满足标准要求。

3.3 胎体

全钢子午线轮胎的胎体主要由各类钢丝骨架材料组成，在轮胎应用时起承载负荷的关键作用，同时直接关联轮胎的刚度性能、扭转性能以及舒适性等，对轮胎的综合功能性、安全性、体验舒适性产生直接的影响。本次设计考虑到轮胎本身的功能性、安全性和使用体验性要求，经综合分析和参数确认，胎体采用3＋9＋15×0.22W钢丝帘线。胎体安全倍数为6.2，满足标准要求。

3.4 胎圈

对胎圈部位进行力学分析可知，胎圈既要承受轮胎行驶中的制动力矩、离心力，又要承受轮辋的过盈力。此外，该系列轮胎在实际使用时出现气压维护不当的风险较高，在低气压情况下运行，胎圈部位会存在应力集中而疲劳破坏风险；气压过高又会使其安全倍数降低。再者，特别是该轮胎在G级速度下行驶时，高频率转动下的胎圈应力疲劳失效需要充分分析。综上所述，本次胎圈设计保留了传统工程机械轮胎的六角形钢丝圈结构，但对其中钢丝、覆胶钢丝的直径以及钢丝根数进行了调整，即钢丝直径、覆胶钢丝直径分别为1.83和2.1 mm，钢丝根数为95。胎圈安全倍数为6.3，满足标准要求。

3.5 成型

成型是产品制造过程中的关键工序，成型精度直接决定产品性能的稳定性，因此成型工序是轮胎制造过程中需要关键控制的环节。首先，必须考虑施工方案的可行性、有效性、便捷性，施工方案必须结合实际现场过程能力情况，尽可能考虑步序防差错，并尽可能实现自动化控制，减少人员主观干预引起的产品质量波动。另外，在保证产品制造过程质量的情况下提高生产效率，尽可能减少生产过程中的浪费，降低操作人员的劳动强度。本次设计采用一次法成型机成型[3]，可以一次性完成单个轮胎的生产流程，具有较高的生产效率。此外一次法成型机的应用可以避免人工模式下的一些质量问题，如人工不规范操作导致胎坯质量受损等。

3.6 硫化

鉴于以往蒸锅硫化模式下模腔内易积水，以及热效率相对低的情况。本次设计采用单模热板式硫化机，硫化条件为：内温（170±3）℃，二次水压力（2.7±0.1）MPa，一次水压力（0.6±0.02）MPa，热板温度（150±3）℃，模套温度（160±3）℃，总硫化时间 85 min。硫化过程中无过硫和缺胶等问题。

4 成品性能

4.1 外缘尺寸

成品轮胎外缘尺寸按照GB/T 521—2012《轮胎 外缘尺寸测量方法》测量。安装在标准轮辋上的轮胎在标准充气压力下的D′和B′分别为1 368和388mm，均符合国家标准要求。

4.2 耐久性能

按照GB/T 30193—2013《工程机械轮胎耐久性试验方法》并结合企业测试标准进行耐久性能试验，试验条件如表1所示。

表1 成品轮胎耐久性能试验条件

试验按照国家标准要求完成前3个阶段测试后，达到47 h轮胎无损坏失效，再按照企业标准要求继续测试至第7阶段结束，累计行驶时间87 h轮胎无损坏失效。经测试，轮胎的耐久性能达到企业标准要求，远超国家标准要求。

5 结语

本设计385/95R25工程机械子午线轮胎的充气外缘尺寸达到国家标准要求，耐久性能满足企业标准要求，并远高于国家标准要求，轮胎性能得到重大突破，性能指标上了一个新台阶。该轮胎投入市场后，使用效果较好，大大降低了轮胎早期胎圈及胎冠失效损坏的风险。该轮胎为高速吊车市场提供了优异的轮胎解决方案，性价比较高，得到终端客户一致的高度认可，主机配套及后市场占有率不断增大，主机厂还提出专供要求，为终端用户创造了更高价值，为公司带来了较高的经济效益。