[转帖]工程轮胎的使用寿命和影响因素

褚遂良

改革开放以来，随着国内各大矿山、水电站及建筑、筑路等建设事业的蓬勃发展，运输设备的日趋大型化以及我国加入WTO所带来的进出口便利，对专用机械如推土机、挖掘机。运输机和大型自卸车等的需求急剧增加，其配套产品工程轮胎的需求也急剧增大，导致国内工程轮胎市场空前火爆，供不应求。但由于工程轮胎使用条件苛刻，体积庞大，制造工艺复杂，成本高，价格昂贵，如果在较短的时间内损坏而丧失使用价值，必将造成大量的浪费，给用户带来巨大的经济损失。如何延长工程轮胎的使用寿命，是用户和生产厂家普遍关注的问题。本文重点分析影响工程轮胎使用寿命的因素。

    1  工程轮胎的使用条件

6 T" \2 ?3 U7 j" a8 ]    工程机械轮胎一般是在苛刻的环境下工作的。如推土机、挖掘机、压路机等工程车，作业场地大，路面不平坦且有尖锐的碎石块、岩石、钉子和碎玻璃等杂物，行驶速度较慢，受硬物冲击大，经常是昼夜连续作业，轮胎胎面易被割伤或刺穿或出现崩花掉块等现象，工作时易发生单胎压爆、撞爆、刺爆等事故。对于装载机、起重机、搅拌机、大型自卸车等机械，虽在较平坦的路面上工作，但负荷大，运距短，转弯多，速度较快，使用过程中易出现热脱层等问题。运输机工作在碎石和平坦路面，行驶速度快，载荷大，运距长，轮胎易出现磨损、热脱层而爆胎。此外，各种工程车一般都是露天作业，冬、夏季温差变化大，如北方冬季矿山气温达-38℃，夏季采场高达38℃左右，工程轮胎要承受较宽的温度变化范围，而且受风吹日晒雨淋，工程轮胎的这些使用特点，对其使用寿命均会产生重要影响。
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    2  工程轮胎的使用寿命

    轮胎寿命是轮胎最重要的性能之一，尤其是工程机械轮胎，一条轮胎的价格在几万甚至十几万元人民币，延长其寿命对工程车的经济性有直接的影响。及川晃仿照人的寿命曲线(分幼年期、青年期和老年期)将工程机械轮胎的使用寿命分为初期、中期和后期3个阶段，如图(略)所示。
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/ ~) e6 ~& w* Z% W! B    初期轮胎故障发生率很高，故障主要表现为胎肩、胎圈部位脱层、起泡。产生早期故障的原因是轮胎使用不当或轮胎质量低劣，如轮胎的承载能力与车辆的装载量不匹配，胶料与胶料及胶料与帘线或钢丝圈的粘合强度低，导致轮胎内部生热，使轮胎温度上升，如果温度超过允许的临界温度，胶料就会起泡或胶料与骨架材料脱层，轮胎开始破坏。中期轮胎故障发生率减少。这时期发生的故障大部分是割伤和冲击发热、爆破、崩花掉块等。发生故障的原因是出于轮胎充气压力、行驶路面和工程车使用条件等管理不好以及轮胎结构和配方设计不合理。后期主要是磨耗(割伤、摩擦、撕裂等磨耗)影响轮胎寿命，故障发生率升高。也就是说，寿命在初期和中期的工程轮胎，其破坏人为因素不可忽视，后期破坏主要与轮胎材料与性能有关。寿命在初期和中期的工程轮胎损坏后不易修补，不能使用而成为废品；寿命在后期的轮胎，可通过胎面翻新使其寿命进一步延长。

    3  影响工程轮胎使用寿命的因素

    从工程轮使用条件和寿命分析可以看出；影响其寿命的因素很多，概括起来主要有环境因素、人为因素、结构因素、配方因素和工艺因素等。

    3.1  环境因素
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+ f3 G9 F" D! s2 T3 U5 I    工程轮胎工作的环境如道路状况、环境温度、天气情况等对其使用寿命有一定的影响。

; {' P( Y( `6 U( b6 ~7 O/ t* I$ v0 L    3.1.1  道路状况

' P* G3 R  W& L5 n% M8 Y    工程车辆在平直柔软的路面上行驶，轮胎受到的冲击少、转弯少，割伤和冲击发热、崩花掉块、爆破等中期故障发生少。此时，轮胎的使用寿命决定于轮胎的质量、胎面胶的耐磨性和行驶速度。轮胎的质量好，行驶速度慢，胎面耐磨性好，使用寿命长；如果高速行驶，胎面撕裂磨耗和疲劳磨耗增大，使用寿命缩短。如果行驶路面坚硬且凹凸不平或有障碍物，会增加轮胎冲击力，增加因冲击、剪切、割伤而使轮胎发生故障的几率。尤其在行驶速度高、载荷大的情况下，路面状况对轮胎的使用寿命的影响更加显著。另外，轮胎转弯时产生的磨耗量与轮胎受到的侧向力与速度的平方成正比，如果转弯半径不变，则摩擦量与速度的4次方成正比；如果速度不变，则磨耗量与转弯半径的平方成反比。所以转弯时的磨耗比正常的直线行驶时的磨耗量大得多。轮胎在爬坡或下坡时，轮胎与路面之间滑动摩擦大，坡度越大，滑动摩擦趋势越大，轮胎花纹受到的剪切大，磨损磨耗和切割磨耗越大，崩花掉块越严重，尤其在碎石或尖锐棱角的硬石坡路上更严重，使轮胎的寿命缩短。因此，工程轮胎在苛刻路面、转弯多、坡度起伏大的道路上行驶，使用寿命会缩短。
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    3.1.2  环境温度
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* J5 ?5 D* N9 o1 D, R* D    工程轮胎工作的环境温度过高或过低均会缩短使用寿命。温度高，轮胎产生的热量不容易散出，轮胎的温升快，很容易达到临界温度，使轮胎产生热故障而破坏；在低温下，随温度降低，轮胎胎面胶料的硬度上升，因冲击、切割、磨损而导致的伤害增大，寿命缩短。因此，工程轮胎在高温和严寒的条件下工作寿命会缩短。
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    3.1.3  天气情况
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    工程车辆一般均是露天作业，阳光曝晒会提高胎体的温度和温升，增加光氧老化的程度；雨雪天气会增加路面湿滑和冰滑，轮胎在该路面上行驶容易打滑，易产生撕裂磨耗而使寿命缩短。
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9 M6 P1 ^0 M, J4 f: A1 p    3.2  人为因素
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    人为因素对轮胎的早期损坏起了很重要的作用。这些人为因素主要包括车辆与轮胎不匹配、轮胎的充气压力过高或过低、车辆超载、超速、行驶路面管理不好等。
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    3.2.1  车辆与轮胎的匹配

6 `7 ?+ Z% r( X# s    轮胎因变形而产生的一部分能量转换成热并积累在轮胎内部，导致轮胎温度上升，如果超过允许的临界温度(工程机械轮胎的临界温度通常为：斜交结构107℃，子午结构93.3℃)，轮胎就会受到破坏。这种生热温度与轮胎的下沉量(与载荷成正比)和转速(与行驶速度成正比)的乘积成正比。轮胎的载荷越大，行驶速度越快，轮胎在使用过程中生热越大，很容易使轮胎由于热积累而脱层，从而使轮胎过早破坏。如果轮胎与车辆不匹配，轮胎的最大承重量低于车辆的正常载荷，很容易使轮胎的下沉量过大，造成生热过高，发生早期故障，使轮胎的使用寿命大大缩短。
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6 s. }' z( p3 v7 |5 _8 g4 N5 X  j    3.2.2  轮胎的充气压力
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    加于轮胎的载荷是由轮胎内的空气压力支撑的。因此，轮胎的充气压力的高低均对轮胎寿命有很大影响。充气压力低，轮胎下沉量增大，生热会增大，若超过轮胎临界温度，轮胎的生热量就会迅速升高，导致轮胎的生热故障；此外还会使胎体变形，促进胎体补强层(内帘布层)的疲劳，使帘线与橡胶脱离，轮胎容易发生爆破。如果充气压力过高，会使轮胎的胎体超过所需的张力，使轮胎对路面冲击的吸收性能显著下降，由于割伤和冲击而导致的轮胎爆破发生率会急剧提高。因此，轮胎压力过高或过低均使轮胎的寿命缩短。

+ Z2 a% z* T0 G7 r    3.2.3  超载的影响
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( b, I" [! c% f# n/ L    如果工程车超载而使轮胎超过了额定载荷，即使轮胎充气压力正常，也会使轮胎的下沉量增大，会使轮胎发生与低充气压力下使用时一样的故障。另外，如果路面凹凸不平或路面上有障碍物，轮胎在超载下通过时受到的冲击力增大，容易使轮胎由于冲击切割而产生爆破，使寿命缩短。

! ^0 S6 _8 E% [3 e  k0 x& T    3.2.4  行驶速度的影响
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) j7 C% Z( {$ F5 |6 `    每一种工程机械轮胎都规定有最高速度，如果超过规定的速度，轮胎变形的频率增大，胶料松驰变慢，滞后生热增大，由于工程轮胎的胎体厚，层数多，轮胎散热困难，容易发生热故障。而且，行驶速度过快，轮胎对障碍物的冲击力增大，容易产生与过载一样的故障。

6 i7 ]7 B8 O9 j, z4 ?2 m    3.2.5  行驶路面的管理

& h2 Q1 R/ V  l4 i3 b% W    路面状况对轮胎的寿命有明显影响，路面的管理是保证路面良好的关键。如果道路因使用时间长或超载或路面质量低下而损坏，路面会变得凹凸不平，会增加轮胎冲击力，增加因冲击、剪切、割伤而使轮胎发生故障的几率。在水利、建筑、筑路等建设施工场地，地面凹凸不平，硬而尖的杂物多，轮胎受到冲击大、切割多、磨耗大；如果能定期对路面进行维护，限制超载，对新开辟路面进行平整，清除杂物，可以减少轮胎早期或中期故障发生率，延长轮胎的使用寿命。

    3.3  结构因素

/ ~( R) K4 \+ k( l( G0 c  c    影响工程轮胎使用寿命的一个重要因素是轮胎的结构，如胎体结构和胎面花纹结构.这些结构因素对轮胎的使用寿命均会产生重大影响.
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6 L; u# e. A- C1 T    3.3.1  斜交结构
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    由于工程轮胎的载重量高、牵引力大、使用条件苛刻等特点，要求轮胎接地面积大，使轮胎有较低的接地压强，胎面耐磨损、耐刺扎，各部位生热小。轮胎的断面宽、行驶面弧度高、断面水平轴位置、肩弧、胎面厚度以及胎冠帘线角度等对这些性能均会产生影响，进而影响轮胎的使用寿命。轮胎的断面宽度决定了轮胎的接地面积以及接地部位的压力，对轮胎的耐磨性、行驶稳定性有重要影响。若断面宽度窄，接地面积小，接地部位压力高，胎面易磨损，使轮胎寿命缩短。行使面弧度影响轮胎在充气及负荷下滚动时接触地面的宽度及接触面上各点的单位压力分布。若弧度过大，轮胎接触地面的宽度小，接触点上的应力不均匀，胎面易磨损；若弧度过低，会使胎肩过厚，会导致轮胎生热过大和散热不良，使轮胎脱肩而产生早期破坏，缩短轮胎的使用寿命。断面水平轴位置是轮胎变形和屈挠最大的部位，若H1/H2值过大，会造成轮胎肩部生热大而使轮胎产生早期破坏。胎肩部位是轮胎最厚的地方，若胎肩弧度小，胎肩厚，生热大，散热困难，易造成胎肩鼓泡，胎肩易被行驶环境损伤而使轮胎过早破坏。胎面胶的厚度对轮胎有双重影响，胎面胶厚，一方面可提高轮胎的耐磨损和耐刺扎性能，另一方面也会增加胎面的生热和散热的难度。胎冠帘线角是控制轮胎充气后胎体变形能力和轮胎承重能力的重要指标。若角度设计不当，胎体易变形，承重能力下降，使轮胎的寿命缩短。
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    3.3.2  子午结构

    子午线工程轮胎由于结构上的优点，大大减小了胎体的厚度，减少轮胎生热，散热加快，胎体变形的能量损失少，胎冠径向变形小，接地压力分布均匀，胎面刚性大，使得轮胎能在高负荷、高速长距离的条件下行驶，具有比传统的斜交胎耐磨耗、负荷大、牵引和抓着性好、速度快、生热低等优点，适合在经过铺设的路面上行驶。子午线工程轮胎在未经铺设的路面上行驶时抗冲击性、耐切割性较差，胎面磨耗会急剧增加，其磨耗寿命比斜交胎差。由于钢丝的模量与橡胶的模量相差太大，钢丝与橡胶的结合比有机纤维帘线与橡胶的结合困难，因此增强橡胶与钢丝的粘合能力非常关键，否则会容易造成钢丝与橡胶的脱离，使轮胎过早破坏。
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; N+ [9 ^) T6 g' H- Q9 A    3.3.3  胎面花纹
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; A; r' K/ \' W' t3 M/ u8 l, g    轮胎的胎面花纹(形状和沟深)对轮胎的性能如牵引力、耐磨性、散热性等有重要影响。工程轮胎的花纹基本上分为两大类：牵引型和耐磨型。牵引型花纹的花纹块稀、沟部宽，具有方向性，牵引力较大，因花纹沟宽敞不易塞泥，且散热性能好，适用于土方工程和推装、挖作业。耐磨型花纹的花纹块较大，花纹沟窄小，适用于铺设路面，能提高轮胎的耐切割和耐磨耗性能，但轮胎散热性变差。

    花纹沟深，可加快胎面胶的散热，减小温升，减少因生热而造成的故障，同时由于胎面胶厚，可以提高磨耗寿命和抗切割性能。但花纹沟深，易被石块或泥土填塞，减小牵引力，同时花纹块受扭矩变形大，花纹沟底易出现裂口，严重时花纹块断裂，影响轮胎的寿命。

    此外，花纹沟底弧半径也会影响轮胎的寿命。若底弧半径小，花纹沟深而窄，在沟底或花纹块中部易造成应力集中，花纹块易裂或产生崩花掉块现象，从而缩短轮胎的寿命。

    3.4  配方因素
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+ {* a  `8 I( T9 d& N4 C    排除人为因素和结构因素后，影响工程机械轮胎使用寿命的最重要因素就是轮胎胶料配方。工程轮胎的许多性能要求如耐磨性、耐撕裂、耐刺扎、抗崩花掉块、低生热、高模量、高硬度、抗硫化返原性等。均是由胶料配方提供的。在轮胎的初期和中期寿命中，由于生热、切割、刺扎、崩花掉块等原因造成的故障发生率较高；在轮胎后期寿命成的故障发生率较高；在轮胎后期寿命中，影响轮胎寿命的因素主要是磨损和切割磨耗。提高胎面胶的抗硫化返原性、抗切割、耐刺扎、抗崩花掉块性，降低生热，无疑对降低初、中期的故障发生率有利，使轮胎的寿命尽可能多地达到后期，提高胎面胶的耐磨性和可翻新性会进一步延长轮胎后期寿命。从而使轮胎的寿命大大延长。而影响胎面胶抗切割、耐刺扎、抗崩花掉块性、生热性、耐磨性的配方因素很多，包括胶种，硫化体系、补强填充体系、防护体系及其他调整胶料性能的配合剂等。这些因素相互影响、相互作用。因此，设计出合适的胶料配方，提高胎面胶的综合性能，会延长轮胎的使用寿命。

    3.5  工艺因素

+ f* F2 T! A2 W8 G& ]% n  F: C    性能良好的配方必须在合适的工艺条件保证下才能得到性能优良的制品。工程轮胎体积庞大，胎体层数多，胎面胶厚，因此需要长时间硫化。到底需要多长时间才能使轮胎各部位刚好均达正硫化至今没有精确的方法可以得到，因此实际生产中为了保证各部位均达正硫化，尽量延长硫化时间。这样带来的后果是最先硫化的胎面和胎体内层胶料易出现硫化返原现象，从而导致胎面胶性能下降，使轮胎的整体性能变差，使用。寿命缩短。

8 e/ J) K0 W) h7 f    硫化温度和硫化压力对轮胎的寿命也有重要影响。硫化温度越高，虽然硫化速度快，生产效率高，但硫化返原现象也越严重，性能下降越明显。因此工程轮胎采用低温长时间硫化。硫化压力过高，会加快橡胶分子链和交联键的裂解，使骨架材料变形，降低轮胎的性能，使寿命缩短，同时动力损耗大，还可使硫化设备变形。若硫化压力过低，气体不易排出，胎体疏松，胶料与骨架材料之间的结合力低，胶料不易充满模型，造成制品表面缺胶或得不到清晰的花纹，轮胎的质量和性能低下，使用寿命自然长不了。
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    另外，混炼、压延、压出等加工过程的工艺条件会影响胶料的质量，从而对轮胎的质量和使用寿命也有重要的影响。

    4  结语
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* U& |% U: h6 M5 L! n工程轮胎的使用条件苛刻，性能要求高，制造工艺复杂，价格昂贵，使用寿命的影响因素多。正确全面地分析影响工程轮胎使用寿命的因素，对轮胎设计与制造者及用户延长工程轮胎寿命都有一定的指导意义。上述各影响因素中，环境因素和人为因素可帮助用户正确使用和管理轮胎，通过采取适当的措施可以减轻或消除其对工程轮胎使用寿命的影响；结构因素、配方因素和工艺因素是工程轮胎使用寿命的决定性因素，对工程轮胎设计和制造有一定的参考价值。

maihao0987

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