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

輪胎臺面花紋

胎面花紋對濕牽引性的影響是顯而易見的。因為花紋中的溝既能給移動的水提供空間，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系，故在粗糙的道路表面，由于胎面膠的差別，對牽引特性的影響也是很大的。在臺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、驅動和側偏等力學特征。但是它對耐磨耗性、耐發(fā)熱性、耐切割性以及振動噪聲等特性也都關系重大?？梢娞ッ婊y的類型是影響輪胎使用性能與使用壽命的重要因素。對胎面花紋的要求是：1）應在縱向、側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力；2）對路面壓力均勻，具有良好的耐磨性；3）有助于降低緩沖層和簾布層在滾動時所受的應力和變形；4）產生熱量少，散熱性能好；5）花紋溝能很好地導出泥水、空氣，花紋各部應結實，使用中不產生掉塊、裂口等現(xiàn)象；6）美觀、低噪音；7）硫化模型加工方便。這里，對圖示中有代表性的5種花紋的特點進行說明[1]。

1橫溝花紋

橫溝花紋（見圖1），它是以與輪胎轉動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是好路上行駛時輪胎噪聲大。

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。這種花紋的滾動阻力小、省油、防側滑性能好，散熱性能也較好；但容易夾石子和產生裂口，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?？v溝花紋的噪聲雖然不大，但為了進一步謀求低噪聲化，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寬溝槽。這種花紋的特點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，花紋基部不易產生裂口。但其主要缺點是越野性差，胎肩花紋塊易產生磨耗不均現(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路條件下使用，故也稱為越野花紋。它的特點是：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。因為這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，否則輪胎花紋會早期磨損，而且振動大、油耗量高。

5非對稱性花紋

非對稱性花紋（見圖5），其左右花樣是軸對稱或點對稱。因為一般都用左右一樣的金屬模制作，做點對稱是多數(shù)。如果制作時左右金屬模的鑲合位置在圓周方向稍微錯開一點，這就成了非對稱花紋。這種花紋左右的花樣變更很大。采用非對稱花紋的首要目的是防止轉彎行駛多的車輛，由于整個車身側傾和輪胎變形，而引起輪胎胎面外側迅速磨耗，從而加劇了車身發(fā)生側傾的傾向。因此要采取對策，把胎面外側的花紋做得較內側不容易磨耗，于是就成了非對稱形態(tài)。由于輪胎內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。速度提高時牽引力降低，這是由于機械效應，而主要的還是由于流體動力學效應。因為輪胎的滑水現(xiàn)象與后者有關，并且是一個與速度、氣壓、花紋、水深以及路面等因素相互關聯(lián)的現(xiàn)象。

滑水現(xiàn)象

當輪胎在水膜覆蓋的路面上高速行駛時，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個區(qū)域。第一個區(qū)域在接觸前部為完全上浮區(qū)，在此區(qū)域內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。第三個區(qū)域在接觸后部，為胎面與路面完全接觸的區(qū)域。當然，隨著速度變化，上述3個區(qū)域的相互關系也會發(fā)生變化。例如，提高速度，第一、二區(qū)域就會沿接觸長度擴展，直到胎面與路面徹底分離，這時就發(fā)生完全的“滑水現(xiàn)象”。此時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：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寬度為W（等于胎面寬度）的水膜以高速沖擊胎面。那么從前方進人的水被道路表面和胎面攔住，從胎面的兩側流出[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，由流體力學可知，各剖面處水速亦皆為V。

1水膜較薄時

當水膜厚度小于3mm時，很難出現(xiàn)滑水現(xiàn)象，此時水膜與胎面的接觸面積近似等于輪胎的接地面積[4]。顯然，只有當水膜對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載，將輪胎舉起，從而發(fā)生滑水現(xiàn)象。因為水膜對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，進人道面與胎面之間，這時胎面為平板狀，并且傾角非常小。對水膜作用胎面進行受力分析（見圖9），沿X方向應用動量定理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。道面干時輪胎的接地面積S=G/P。式中G為輪胎負載；P為輪胎充氣壓力。道面干時輪胎的接地長度L=S/W；cotα=L/H；Fy=Fx。當Fy=G時，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

當水膜較厚時（>3mm），由于水膜與胎面的接觸面積較大，此時水膜對作用胎面的平均壓力無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輪負載，將輪胎舉起，導致滑水現(xiàn)象發(fā)生。由于水膜對作用面的平均壓力小于輪胎的充氣壓力，所以胎面能夠恢復變形，車輪滑水的臨界狀態(tài)見圖10。對水膜作用的胎面進行受力分析（見圖11）（略）。

理論分析

1）水膜較薄時，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，由由公式（2）可知，提高輪胎充氣壓力對提高滑水臨界速度已無意義。水膜厚度越大，滑水臨界速度越?。灰后w密度越大，滑水臨界速度越小。當水膜厚度一定時，輪胎面越寬，單位時間內對輪胎面作用的流體質量越大，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，由于水膜與胎面的接觸面積較大，此時水膜對作用面的平均壓力無須大于輪胎的充氣壓力，水膜對胎面作用合力的垂直分量便可大于車輪負載，將輪胎舉起，導致滑水現(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很難出現(xiàn)；而當水膜較厚時，輪胎滑水臨界速度對水膜厚度非常敏感的原因。4）本文假設輪胎接地壓力均勻，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算公式。因此，按照以上兩公式計算的結果要比實際值小。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、輪胎內氣壓、接地壓力分布和胎面花紋等，不論其中哪一項都是重要的。另外，在理論上，水的慣性和粘性這兩項也是重要的。所以在對滑水現(xiàn)象進行理論解析時，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雜的。其次，滑水現(xiàn)象對輪胎的很多特性，如制動特性、側偏特性等都有影響。圖12表示隨速度增加，制動力相對減小的一個例子。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影響的結果。

結論及現(xiàn)實意義

1）通過本文的論析和對5種常用輪胎花紋的比較以及現(xiàn)場實際生產的考鑒，從成本性、實用性、以及現(xiàn)場表現(xiàn)認為橫溝花紋輪胎較適宜露天煤礦工況現(xiàn)狀生產使用。2）通過表1聯(lián)系公式（1）計算得出礦用自卸車雨雪泥濘道路工況下的指導性車速為：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。由于露天礦生產受氣候因素的直觀性影響，礦用運輸自卸車通常都是在水膜較薄的情況下短暫性運行，如果條件惡化就會立即停機氣候備停。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，就輪胎角度應注意輪胎花紋的選型及磨耗控制；就設備行駛速度方面應嚴格控制車速低于10km/h。反之為了保證能夠準確的預判滑水現(xiàn)象發(fā)生的臨界條件也要嚴格控制輪胎的充氣壓力為輪胎安全使用的標準氣壓值。