程 超，张 鹏，龙云山，朱仕翻，张 甲

（贵州轮胎股份有限公司，贵州 贵阳 550008）

近年来因为矿业的发展，整个矿山市场复苏，80 t级重型自卸车因为作业运行相对较为便捷，对路况要求较刚性自卸车低，并且前期投入较小，所以得到市场的高度认可，受终端市场的青睐，整个行业重型自卸车市场保有量逐年激增，相应工程机械轮胎需求出现爆发式增长[1]。但是，传统斜交轮胎质量缺陷多、使用寿命短，因此不能满足矿业工程机械轮胎需求。

为了维护行业竞争力并提高企业经济效益，本工作对14.00R25工程机械子午线轮胎进行设计开发，以期消除斜交轮胎产品不抗刺扎和切割以及生热鼓包等问题，提高产品品质，为客户创造更高的价值。

1 技术要求

参考国家化学工业标准汇编第5版、美国轮胎轮辋标准协会标准（TRA—2012）和欧洲轮胎轮辋技术组织标准手册（ETRTO—2012）等要求，确定14.00R25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（1 346～1 390） mm，充气断面宽（B′） 375（364～401） mm，适用于E3使用条件（重型自卸车）的轮胎最高速度 50 km·h-1、充气压力 700 kPa、单胎负荷 5 800 kg，胎面花纹 普通块状花纹，作业类型 搬运。

2 结构设计

2.1 外直径（D）和断面宽（B）

根据该车型在市场的实际使用情况，并结合斜交轮胎产品出现的问题，以平衡轮廓设计理论作为数学模型、以经典力学原理作为架构，通过有限元方法进行模拟分析，同时考虑全钢工程机械子午线轮胎相较于传统斜交轮胎更大[2-3]，最终优化得出本设计轮胎D为1 370 mm、B为375 mm，该结果满足工程机械轮胎模具尺寸和轮胎产品标准要求。

2.2 行驶面宽度（b）和弧度高（h）

轮胎与地面直接接触的平面是行驶面，b和h会影响轮胎在运动状态下的稳定性和耐磨性能。该类型轮胎使用工况较为恶劣，接地稳定性和耐磨性能至关重要。在设计中，需要增大轮胎接地面积，并提升其抓着性能，因此b取315 mm，h取14 mm。通过优化设计，可以使轮胎运动状态下的接地面积增大，使接地压力分布更加均匀、合理，且耐磨性能得到了优化[4]。

2.3 胎圈着合直径（d）和着合宽度（C）

d主要根据轮辋的尺寸来确定。为确保轮胎与轮辋配合紧密，获得良好的气密性，并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632 mm；C采用加宽12.7 mm设计（C通常大于轮辋宽度12.7～38.1 mm），即C取266.7 mm。

2.4 断面水平轴位置（H1/H2）

全钢工程机械子午线轮胎设计中，断面水平轴位置均需与轮胎断面最宽点匹配，该部位是轮胎断面中最薄、变形最大的位置，对于轮胎性能有重大影响。H1/H2过大，会导致轮胎肩部受力集中；H1/H2过小，会导致胎圈受力集中，两种情况均会导致轮胎肩部、胎圈出现较高的疲劳积累，导致轮胎异常损坏。工程机械轮胎的负荷较大，H1/H2一般取0.73～0.90。本次设计中，将H1/H2定为0.87[5]，以尽量避免传统轮胎断面水平轴位置设计不合理问题。

轮胎轮廓如图1所示。

图1 轮胎轮廓示意

2.5 胎面花纹

该类型轮胎为非公路型产品，轮胎的抓着性能、散热性、自洁能力以及磨耗寿命必须被首要考虑。既要保证轮胎的驱动、制动、耐磨和操纵性能，又要提高轮胎的综合使用寿命等。鉴于工程机械轮胎在特定的环境下作业，通常应满足以下条件：（1）行驶面对路面有良好的抓着性能；（2）抗湿滑和耐磨性能好；（3）花纹沟不夹带泥沙和石子，有较好的自洁性；（4）较强的抗切割和抗崩花掉块能力，不裂口[4-5]。花纹设计中以传统斜交轮胎花纹为设计基础，采用块状形式，花纹深度设计为26 mm，采用等节距34节距设计，花纹饱和度达68.8%。

轮胎三维花纹如图2所示。

图2 轮胎三维花纹

3 施工设计

3.1 胎面

考虑该类型产品作业工况特殊，结合国内外市场的斜交轮胎使用案例，胎面冠部胶选用抗刺扎、抗切割和高耐磨胶料，以保证轮胎在其使用工况下的综合使用性能。基部胶主要考虑低生热以及与带束层之间的过渡问题，选用低生热胶料，可以有效减小轮胎在运动状态下的生热率，同时使胎面与带束层间形成良好的过渡[6]。

3.2 带束层

带束层的选型设计决定轮胎性能和使用质量。带束层设计应保证与胎体帘线有一定的受力分配，以提高轮胎的耐磨性能、抗刺扎性能和操纵稳定性等[7]。本次设计选择了4层带束层结构，其中1#—3#带束层均采用3+9+15×0.22+0.15HT钢丝帘线，4#带束层采用高伸长的3×7×0.22HE钢丝帘线。带束层安全倍数为5.1，满足标准要求。

3.3 胎体

胎体主要由各类骨架材料组成，在轮胎应用中起承载结构的作用，同时会对轮胎的侧偏刚性和转向性能造成影响，对轮胎质量有较大影响。本设计考虑到轮胎的实用性，以充气后轮胎作为设计基础，采用3+9+15×0.22+0.15钢丝帘线。胎体安全倍数为5.5，满足标准要求。

3.4 胎圈

轮胎胎圈部位既要承受轮胎行驶中的制动力矩和离心力，又要承受轮辋的过盈力。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，但对钢丝和覆胶钢丝直径以及钢丝圈数进行了调整，钢丝和覆胶钢丝直径分别为1.83和2.10 mm，钢丝圈数为95。确认胎圈安全倍数为5.3，满足标准要求。

3.5 成型

一方面考虑到产品生产效率，尽可能减少生产过程中的浪费；另外考虑操作人员的便捷性，降低操作人员的劳动强度，以及人工干预引起的产品质量波动等。本次设计采用一次法成型机进行生产[6]，可以一次性完成单个轮胎的生产流程，具有较高的效率。此外一次法成型机的应用可以避免一些人工模式下的质量问题，例如人工不规范操作导致胎坯质量受损等。

3.6 硫化

采用单模蒸锅式硫化机，具体工艺为：内温（165±3） ℃，外压蒸汽温度 （143±3） ℃，二次水压力 （2.6±0.1） MPa，外压蒸汽压力（0.35±0.02） MPa，总硫化时间 125 min。硫化过程中无过硫和缺胶等现象。

4 成品性能

4.1 外缘尺寸

成品轮胎外缘尺寸按GB/T 521—2012《轮胎外缘尺寸测量方法》进行测量。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1 372和376 mm，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试验，试验条件如表1所示。试验结果要求如下：国家标准要求完成前3个阶段测试后，轮胎无损坏；企业标准要求测试必须进入第7阶段。实际测试至第7阶段结束，累计行驶87 h后轮胎未损坏。轮胎的耐久性能达到企业标准要求，超过国家标准要求。

表1 成品轮胎耐久性试验条件

5 结语

从轮胎结构和现场工艺设计方面进行了系列优化和论证，14.00R25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，并且远远高于国家标准要求。本设计轮胎投入市场后使用效果较好，且性价比较高，为矿用轮胎市场提供了优越的轮胎解决方案，得到终端客户的高度认可，主机配套及后市场占有率不断增大，为公司带来较高的经济效益。