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本文作者：李興發(fā)作者單位：中電投蒙車集團(tuán)露天煤業(yè)公司安監(jiān)部

輪胎臺(tái)面花紋

胎面花紋對(duì)濕牽引性的影響是顯而易見的。因?yàn)榛y中的溝既能給移動(dòng)的水提供空間，又能給排出的水提供通道。而胎面膠直接與道路表面建立起牽引關(guān)系，故在粗糙的道路表面，由于胎面膠的差別，對(duì)牽引特性的影響也是很大的。在臺(tái)面上刻制花紋是為了確保輪胎與路面間的摩擦系數(shù)，發(fā)揮制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)和側(cè)偏等力學(xué)特征。但是它對(duì)耐磨耗性、耐發(fā)熱性、耐切割性以及振動(dòng)噪聲等特性也都關(guān)系重大。可見胎面花紋的類型是影響輪胎使用性能與使用壽命的重要因素。對(duì)胎面花紋的要求是：1）應(yīng)在縱向、側(cè)向與路面間有良好的附著性，從而有效地傳遞牽引力與制動(dòng)力；2）對(duì)路面壓力均勻，具有良好的耐磨性；3）有助于降低緩沖層和簾布層在滾動(dòng)時(shí)所受的應(yīng)力和變形；4）產(chǎn)生熱量少，散熱性能好；5）花紋溝能很好地導(dǎo)出泥水、空氣，花紋各部應(yīng)結(jié)實(shí)，使用中不產(chǎn)生掉塊、裂口等現(xiàn)象；6）美觀、低噪音；7）硫化模型加工方便。這里，對(duì)圖示中有代表性的5種花紋的特點(diǎn)進(jìn)行說明[1]。

1橫溝花紋

橫溝花紋（見圖1），它是以與輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)方向近似于成直角的橫溝為主體。它的牽引力大，輪胎胎肩的散熱良好，適用于在非鋪裝的壞路面上工作的自卸車等輪胎上。除了在以土路為主體的地面上行駛耐磨性好外，還很少夾石子。在鋪裝路上的耐磨耗性也不差，且側(cè)偏功率較大。然而此種花紋因胎面膠厚，故不適合于容易發(fā)熱的高速行駛。另外，橫溝花紋的最大缺點(diǎn)是好路上行駛時(shí)輪胎噪聲大。

2縱溝花紋

縱溝花紋（見圖2），它是以幾條縱溝為主體，適用于在好路面上行駛的重載車、公共汽車和轎車輪胎上。這種花紋的滾動(dòng)阻力小、省油、防側(cè)滑性能好，散熱性能也較好；但容易夾石子和產(chǎn)生裂口，防縱滑性能較差。故為了耐高速行駛和保證在濕路面上有好的抗縱滑特性，常把縱溝彎曲成“（”字形，并刻上窄槽。縱溝花紋的噪聲雖然不大，但為了進(jìn)一步謀求低噪聲化，可采用不規(guī)則的花紋間距。

3混合花紋

混合花紋介于橫溝花紋和縱溝花紋之間（見圖3），即在胎面中部具有縱向的屈折形窄溝槽，在接近肩部的兩邊則有橫向?qū)挏喜邸＿@種花紋的特點(diǎn)適用于硬集泥濘地和碎石路面，也適用于松土路面。因縱橫兼有花紋，故不但有橫溝花紋的特征，并有良好防側(cè)滑性能，在行駛中與地面附著力大，不易打滑。胎面柔軟性好，行駛中不易脫空。因花紋溝寬度適宜，且由中心到胎肩花紋溝逐漸放寬，使塞進(jìn)去的石子容易甩出，故不易夾石子。也和橫溝花紋一樣，花紋基部不易產(chǎn)生裂口。但其主要缺點(diǎn)是越野性差，胎肩花紋塊易產(chǎn)生磨耗不均現(xiàn)象。

4砌塊花紋

砌塊花紋（見圖4），適合于在難通過的土路上和無(wú)路條件下使用，故也稱為越野花紋。它的特點(diǎn)是：花紋溝槽深，凸出面積小，與路面附著力大，所以適宜于在泥雪地、松軟路面以及一般輪胎不易通行的壞道路上行駛。它有良好的自行清除泥土的性能，在壞路面上行駛，不容易附著泥土。因?yàn)檫@種輪胎的氣壓和普通輪胎相同，所以在較好的路面上不宜使用這種輪胎，否則輪胎花紋會(huì)早期磨損，而且振動(dòng)大、油耗量高。

5非對(duì)稱性花紋

非對(duì)稱性花紋（見圖5），其左右花樣是軸對(duì)稱或點(diǎn)對(duì)稱。因?yàn)橐话愣加米笥乙粯拥慕饘倌Ｖ谱鳎鳇c(diǎn)對(duì)稱是多數(shù)。如果制作時(shí)左右金屬模的鑲合位置在圓周方向稍微錯(cuò)開一點(diǎn)，這就成了非對(duì)稱花紋。這種花紋左右的花樣變更很大。采用非對(duì)稱花紋的首要目的是防止轉(zhuǎn)彎行駛多的車輛，由于整個(gè)車身側(cè)傾和輪胎變形，而引起輪胎胎面外側(cè)迅速磨耗，從而加劇了車身發(fā)生側(cè)傾的傾向。因此要采取對(duì)策，把胎面外側(cè)的花紋做得較內(nèi)側(cè)不容易磨耗，于是就成了非對(duì)稱形態(tài)。由于輪胎內(nèi)氣壓決定了胎面與道路表面間的單位壓力，所以它是影響輪胎濕牽引性的重要因素。速度提高時(shí)牽引力降低，這是由于機(jī)械效應(yīng)，而主要的還是由于流體動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。因?yàn)檩喬サ?a href="http://m.sdfengxin.cn/lunwen/gygclw/kyjslw/201212/746574.html" target="_blank">滑水現(xiàn)象與后者有關(guān)，并且是一個(gè)與速度、氣壓、花紋、水深以及路面等因素相互關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象。

滑水現(xiàn)象

當(dāng)輪胎在水膜覆蓋的路面上高速行駛時(shí)，由于流體的壓力使輪胎上浮的現(xiàn)象稱為“滑水現(xiàn)象”。如果滑水現(xiàn)象一旦發(fā)生，輪胎就非常容易打滑，因此是很危險(xiǎn)的。圖6表示發(fā)生部分水滑現(xiàn)象的狀態(tài)，這里存在3個(gè)區(qū)域。第一個(gè)區(qū)域在接觸前部為完全上浮區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)水的流體壓力足以把胎面舉起，并使之與路面完全脫離。第二個(gè)區(qū)域表示水大量流散，但仍然留有一層水膜為不完全接觸區(qū)，胎面與路面部分地隔開。第三個(gè)區(qū)域在接觸后部，為胎面與路面完全接觸的區(qū)域。當(dāng)然，隨著速度變化，上述3個(gè)區(qū)域的相互關(guān)系也會(huì)發(fā)生變化。例如，提高速度，第一、二區(qū)域就會(huì)沿接觸長(zhǎng)度擴(kuò)展，直到胎面與路面徹底分離，這時(shí)就發(fā)生完全的“滑水現(xiàn)象”。此時(shí)車輪的行駛速度稱為滑水臨界速度[2]。

車輪的滑水臨界速度

假設(shè)：輪胎接地壓力均勻分布，且等于輪胎的充氣壓力；水為不可壓縮流體，并略去水的粘性；將坐標(biāo)固定于輪軸，則車輪在有水膜覆蓋的道面上的滑跑可看成道面和厚度均勻?qū)挾葹閃（等于胎面寬度）的水膜以高速?zèng)_擊胎面。那么從前方進(jìn)人的水被道路表面和胎面攔住，從胎面的兩側(cè)流出[3]。圖7表示即將發(fā)生完全滑水現(xiàn)象之前后端部尚接觸道面時(shí)的水的流線狀態(tài)。由于流體各剖面都有大氣壓作用，由流體力學(xué)可知，各剖面處水速亦皆為V。

1水膜較薄時(shí)

當(dāng)水膜厚度小于3mm時(shí)，很難出現(xiàn)滑水現(xiàn)象，此時(shí)水膜與胎面的接觸面積近似等于輪胎的接地面積[4]。顯然，只有當(dāng)水膜對(duì)作用胎面的平均壓力大于或等于輪胎的充氣壓力，水膜作用合力的垂直分量才可能大于車輪負(fù)載，將輪胎舉起，從而發(fā)生滑水現(xiàn)象。因?yàn)樗?duì)輪胎作用面的平均壓力大于或等于輪胎的充氣壓力，所以胎面不能恢復(fù)變形而呈平板狀。車輪滑水臨界狀態(tài)如圖8所示，水膜變成楔子狀，進(jìn)人道面與胎面之間，這時(shí)胎面為平板狀，并且傾角非常小。對(duì)水膜作用胎面進(jìn)行受力分析（見圖9），沿X方向應(yīng)用動(dòng)量定理Fx=ρHWV2。式中：ρ為水的密度；H為水膜厚度；W為胎面寬度；V為滑水臨界速度。道面干時(shí)輪胎的接地面積S=G/P。式中G為輪胎負(fù)載；P為輪胎充氣壓力。道面干時(shí)輪胎的接地長(zhǎng)度L=S/W；cotα=L/H；Fy=Fx。當(dāng)Fy=G時(shí)，車輪處于臨界滑水狀態(tài)，聯(lián)立以上公式可得（略）。

2水膜較厚時(shí)

當(dāng)水膜較厚時(shí)（>3mm），由于水膜與胎面的接觸面積較大，此時(shí)水膜對(duì)作用胎面的平均壓力無(wú)須大于輪胎的充氣壓力，水膜作用合力的垂直分量便可大于機(jī)輪負(fù)載，將輪胎舉起，導(dǎo)致滑水現(xiàn)象發(fā)生。由于水膜對(duì)作用面的平均壓力小于輪胎的充氣壓力，所以胎面能夠恢復(fù)變形，車輪滑水的臨界狀態(tài)見圖10。對(duì)水膜作用的胎面進(jìn)行受力分析（見圖11）（略）。

理論分析

1）水膜較薄時(shí)，由公式（1）可知，充氣壓力越大，滑水臨界速度越高；液體密度越大，滑水臨界速度越小。2）水膜較厚時(shí)，由由公式（2）可知，提高輪胎充氣壓力對(duì)提高滑水臨界速度已無(wú)意義。水膜厚度越大，滑水臨界速度越小；液體密度越大，滑水臨界速度越小。當(dāng)水膜厚度一定時(shí)，輪胎面越寬，單位時(shí)間內(nèi)對(duì)輪胎面作用的流體質(zhì)量越大，作用合力也就越大，輪胎越易被水膜抬起，所以輪胎面越寬，滑水臨界速度越小。3）水膜較厚時(shí)，由于水膜與胎面的接觸面積較大，此時(shí)水膜對(duì)作用面的平均壓力無(wú)須大于輪胎的充氣壓力，水膜對(duì)胎面作用合力的垂直分量便可大于車輪負(fù)載，將輪胎舉起，導(dǎo)致滑水現(xiàn)象發(fā)生。從而解釋了為什么輪胎滑水現(xiàn)象在水膜厚度較小時(shí)很難出現(xiàn)；而當(dāng)水膜較厚時(shí)，輪胎滑水臨界速度對(duì)水膜厚度非常敏感的原因。4）本文假設(shè)輪胎接地壓力均勻，忽略了胎面花紋排水能力的影響，把水膜流線理想化，得出臨界滑水速度的計(jì)算公式。因此，按照以上兩公式計(jì)算的結(jié)果要比實(shí)際值小。影響滑水現(xiàn)象發(fā)生的速度的主要因素有：水膜厚度、路面的凹凸、胎面溝深、輪胎內(nèi)氣壓、接地壓力分布和胎面花紋等，不論其中哪一項(xiàng)都是重要的。另外，在理論上，水的慣性和粘性這兩項(xiàng)也是重要的。所以在對(duì)滑水現(xiàn)象進(jìn)行理論解析時(shí)，有必要考慮輪胎的彈性變形以及上述這些影響因素。不過要這樣做是非常復(fù)雜的。其次，滑水現(xiàn)象對(duì)輪胎的很多特性，如制動(dòng)特性、側(cè)偏特性等都有影響。圖12表示隨速度增加，制動(dòng)力相對(duì)減小的一個(gè)例子。輪胎的濕牽引性隨著速度增加而降低，這可能部分地是由于滑水效應(yīng)影響的結(jié)果。

結(jié)論及現(xiàn)實(shí)意義

1）通過本文的論析和對(duì)5種常用輪胎花紋的比較以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)的考鑒，從成本性、實(shí)用性、以及現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)認(rèn)為橫溝花紋輪胎較適宜露天煤礦工況現(xiàn)狀生產(chǎn)使用。2）通過表1聯(lián)系公式（1）計(jì)算得出礦用自卸車雨雪泥濘道路工況下的指導(dǎo)性車速為：①BELAZE-75131（130T）使用斜交胎發(fā)生滑水現(xiàn)象的臨界速度為9.5km/h；②BELAZE-75131（130T）使用子午線胎發(fā)生滑水現(xiàn)象的臨界速度為10.3km/h；③SF31904（108T）使用斜交胎發(fā)生滑水現(xiàn)象的臨界速度為9km/h；④SF31904（108T）使用子午線胎發(fā)生滑水現(xiàn)象的臨界速度為10.8km/h；⑤TR100-C（91T）發(fā)生滑水現(xiàn)象的臨界速度為9.4km/h；⑤BELAZE-75473（45T）發(fā)生滑水現(xiàn)象的臨界速度為9.2km/h。由于露天礦生產(chǎn)受氣候因素的直觀性影響，礦用運(yùn)輸自卸車通常都是在水膜較薄的情況下短暫性運(yùn)行，如果條件惡化就會(huì)立即停機(jī)氣候備停。所以綜上所述礦山自卸車為了避免在泥濘濕滑路面上發(fā)生滑水現(xiàn)象，就輪胎角度應(yīng)注意輪胎花紋的選型及磨耗控制；就設(shè)備行駛速度方面應(yīng)嚴(yán)格控制車速低于10km/h。反之為了保證能夠準(zhǔn)確的預(yù)判滑水現(xiàn)象發(fā)生的臨界條件也要嚴(yán)格控制輪胎的充氣壓力為輪胎安全使用的標(biāo)準(zhǔn)氣壓值。