巨型礦用輪胎全壽命管理研究

丁 震 王鐵軍 孟 峰 宋子光 龍 飛

（1.神華集團(tuán)有限責(zé)任公司煤炭生產(chǎn)部，北京市東城區(qū)，100011；2.神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特市，026000；3.邦弘礦業(yè)公司，北京市朝陽區(qū)，100037）

目前，我國露天礦開采工藝以單斗卡車工藝為主，礦用自卸卡車是其最主要的運輸工具，輪胎作為卡車的重要部件，直接與工作環(huán)境接觸，承擔(dān)著卡車的牽引力和載荷。隨著露天裝備的大型化和重型化發(fā)展，輪胎隨之也越來越大。巨型礦用輪胎不同于其他類型的輪胎，其擁有尺寸大和重量沉的特點，特大巨型輪胎的最大直徑超過4m，重量超過5t，型號主要集中在：27.00×49、33.00×51、37.00×57、40.00×57、53／80×63、59／80×63。

一臺礦用自卸卡車的輪胎購置費大約占卡車總機購置費的15%～20%，在使用過程中，巨型輪胎小時運行成本有時可達(dá)卡車燃油小時成本的兩倍。

隨著輪胎價格的逐漸上漲，巨型輪胎的供貨出現(xiàn)較為緊張的局面，這是由于巨型礦用輪胎的工作環(huán)境復(fù)雜、制造技術(shù)含量高、設(shè)計復(fù)雜以及價格昂貴等諸多原因造成的。過去10年來，由于全球經(jīng)濟(jì)增長導(dǎo)致礦業(yè)不斷擴(kuò)張，從而進(jìn)一步導(dǎo)致巨型礦用輪胎的短缺。自2012年下半年以來，世界能源材料價格的下降，礦產(chǎn)企業(yè)急需減少成本，作為露天礦兩大高消耗之一的輪胎，如何提高其性能以降低成本顯得尤為重要。國內(nèi)隨著露天礦山卡車等設(shè)備和技術(shù)與國際的接軌，輪胎管理方面得到了日益重視并取得了長足的進(jìn)步，但到目前為止各礦山輪胎管理仍然集中在與維修直接相關(guān)的方面。全壽命理論在煤礦機電管理中越來越被重視，研究巨型礦用輪胎全壽命管理，對礦山最大化延長輪胎使用壽命、緩解輪胎供需壓力、降低生產(chǎn)成本有非常重要的意義。

1 影響巨型礦用輪胎使用壽命的因素

由于巨型礦用輪胎與周圍環(huán)境相互作用的復(fù)雜性，影響輪胎使用壽命的因素主要有4大種類，即維修、卡車、道路及周圍環(huán)境。

1.1 維修對輪胎的影響

維修對輪胎的影響主要是指各種維修實踐對輪胎性能的影響，如輪胎靜態(tài)壓力的合理設(shè)定、輪胎定位校準(zhǔn)、輪胎定期檢查保養(yǎng)等。維修安裝輪胎時靜態(tài)壓力對輪胎性能的影響見圖1。

圖1 靜態(tài)壓力對輪胎性能的影響

由圖1可以看出，X 軸為輪胎實際充氣壓力相對推薦靜態(tài)壓力的百分比，Y 軸為輪胎壽命相對推薦靜態(tài)壓力時正常壽命的降低百分比。由此可見輪胎過多充氣和過低充氣同樣有害，當(dāng)輪胎充氣壓力大于或小于輪胎推薦靜態(tài)壓力的20%時，輪胎壽命減少約20%。

1.2 卡車對輪胎的影響

卡車對輪胎的影響主要是指卡車的各種因素對輪胎的影響，如卡車的載重量、卡車本身的結(jié)構(gòu)以及卡車的速度等，載重與輪胎壽命的關(guān)系見圖2。

圖2 載重與輪胎壽命的關(guān)系

由圖2可以看出，X 軸為輪胎實際壽命小時數(shù)，Y 軸為實際載重相對于額定載重的百分比。隨著卡車載荷的增加，輪胎變形增大導(dǎo)致輪胎發(fā)熱，輪胎的性能從額定載重時的4500h降低到了超載40%時的1500h，下降幅度超過65%。

1.3 道路對輪胎的影響

道路對輪胎的影響比較復(fù)雜，礦山卡車運輸?shù)缆肥亲畲蟮挠绊懸蛩?，良好的道路設(shè)計和維護(hù)可減少燃油消耗、提高輪胎壽命和駕車的舒適性。

1.4 周圍環(huán)境的溫度對輪胎的影響

周圍環(huán)境的溫度對輪胎的影響往往容易被忽視，環(huán)境溫度的變化會影響輪胎的壓力和溫度變化，進(jìn)而影響輪胎的性能。在其他操作環(huán)境相似的情況下，寒冷地區(qū)的輪胎壽命要比炎熱地區(qū)的輪胎壽命高，環(huán)境溫度的變化要求輪胎的靜態(tài)壓力隨之動態(tài)調(diào)整。例如，米其林輪胎公司建議在環(huán)境溫度低于10℃或高于25℃時對輪胎靜態(tài)壓力進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，靜態(tài)壓力建議增加值見表1。

表1 靜態(tài)壓力建議增加值

由表1 可見，當(dāng)充氣時環(huán)境溫度為35℃～39℃時，推薦靜態(tài)壓力應(yīng)增加8%。

在對上述4大類互動因素研究分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合對巨型礦用輪胎的管理實踐和理論研究，總結(jié)了巨型礦用輪胎全壽命周期內(nèi)影響輪胎使用壽命的3大類22項主要因素由圖3所示。

圖3 影響輪胎性能的主要因素

2 巨型礦用輪胎全壽命管理概念和涵蓋內(nèi)容

2.1 巨型礦用輪胎全壽命管理概念

巨型礦用輪胎全壽命管理是指從輪胎入礦前到報廢后的所有與輪胎相關(guān)的管理及過程，該管理的最終目標(biāo)是最大化輪胎性能、降低客戶生產(chǎn)成本、加強安全和提高生產(chǎn)力。實施輪胎全壽命管理后客戶整體的輪胎成本降低至少20%，同時礦山輪胎的管理水平和輪胎作業(yè)安全水平也得到大幅改善。

2.2 巨型礦用輪胎全壽命管理涵蓋內(nèi)容

礦用輪胎全壽命管理涵蓋選擇輪胎、計劃采購、維修、生產(chǎn)使用、報廢和修補翻新等全部相關(guān)過程。輪胎全壽命管理的核心服務(wù)內(nèi)容主要涵蓋以下5個方面：（1）輪胎關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)控分析；（2）輪胎應(yīng)用工程分析；（3）整體輪胎意識培訓(xùn)；（4）現(xiàn)場最佳輪胎使用實踐規(guī)范；（5）新科技應(yīng)用。從數(shù)據(jù)監(jiān)控收集、科學(xué)報告至現(xiàn)場操作及培訓(xùn)，以至最終實現(xiàn)流程標(biāo)準(zhǔn)化運營，并配合最新科技產(chǎn)品的應(yīng)用，每個環(huán)節(jié)循序漸進(jìn)，環(huán)環(huán)相扣，以整體工程為理念，以數(shù)字化、精細(xì)化管理為基礎(chǔ)，持續(xù)改進(jìn)礦用輪胎的綜合管理水平，有效提高輪胎使用壽命。

3 輪胎全壽命管理結(jié)構(gòu)體系

輪胎全壽命管理結(jié)構(gòu)體系全面測量、收集和整理輪胎在露天礦使用環(huán)境中的各種關(guān)鍵數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控輪胎的工況壓力和溫度，對影響輪胎壽命的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行工程分析，定期根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行動態(tài)調(diào)整、改進(jìn)現(xiàn)場操作實踐，全面實現(xiàn)露天礦用輪胎管理數(shù)字化和精細(xì)化。輪胎全壽命管理結(jié)構(gòu)體系見圖4，以工程技術(shù)分析為核心，以分析結(jié)果科學(xué)指導(dǎo)和管理其他四項內(nèi)容。為了保證輪胎全壽命管理體系順利貫徹實施，必須有管理實施整體流程見圖5。

圖4 輪胎全壽命管理結(jié)構(gòu)體系

圖5 輪胎全壽命管理結(jié)構(gòu)體系貫徹流程圖

4 信息數(shù)據(jù)收集

及時全面地獲取和監(jiān)控露天礦山巨型輪胎數(shù)據(jù)是建立礦用輪胎全壽命管理體系的重要先決條件，是整個體系的第一步驟，是礦山輪胎數(shù)字化、精細(xì)化運營的基礎(chǔ)，信息數(shù)據(jù)收集主要包括建立數(shù)據(jù)信息收集體系與監(jiān)控系統(tǒng)。

4.1 建立數(shù)據(jù)信息收集體系

輪胎管理數(shù)據(jù)信息收集體系包含兩大方面，即收集規(guī)范和數(shù)據(jù)采集整理。根據(jù)收集規(guī)范，維修、生產(chǎn)、技術(shù)等相關(guān)部門進(jìn)行歷史和當(dāng)前數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)主要來源為維修車間的日常維修計劃和維修保養(yǎng)記錄、生產(chǎn)部門的日常卡車運行數(shù)據(jù)、技術(shù)部門的道路設(shè)計參數(shù)和生產(chǎn)計劃以及輪胎生產(chǎn)廠家的輪胎技術(shù)參數(shù)；數(shù)據(jù)信息收集包含從其他相關(guān)部門的不同軟件中獲取相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，如Wenco車輛管理系統(tǒng)、Vulcan采礦設(shè)計軟件、卡特比勒或小松卡車載重系統(tǒng)等，收集數(shù)據(jù)后建立輪胎管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，對輪胎相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、歸納和分析后輸錄存儲到數(shù)據(jù)庫軟件中，應(yīng)用該數(shù)據(jù)庫用戶可查看每臺卡車的輪胎配置狀況、每條輪胎的具體維修歷史、輪胎庫存等。

4.2 建立輪胎監(jiān)控系統(tǒng)

壓力和溫度是輪胎的兩大關(guān)鍵性能指標(biāo)，管理好這些指標(biāo)對輪胎性能益處極大。目前國內(nèi)礦山使用紅外溫度槍對輪胎表面進(jìn)行胎溫點檢，比起之前只檢測壓力，這是一個巨大進(jìn)步。盡管如此，由于輪胎表面胎溫直接受到周圍環(huán)境如陽光、路面溫度、地面摩擦等的影響，很多情況下不能準(zhǔn)確地反映輪胎真實的發(fā)熱狀況，比如內(nèi)腔和胎體鋼帶層的溫度，該方法的另一缺點是不能持續(xù)監(jiān)控輪胎壓力和溫度。

輪胎監(jiān)控系統(tǒng)通過安裝于輪胎內(nèi)部的傳感器將輪胎壓力溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)今{駛室內(nèi)的接收器中，然后再通過現(xiàn)場的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降V山主服務(wù)器，最后通過此主服務(wù)器及互聯(lián)網(wǎng)與外界各計算機相接。輪胎監(jiān)控系統(tǒng)主要功能有：準(zhǔn)確設(shè)定輪胎靜態(tài)壓力值；設(shè)定輪胎壓力溫度警戒值，提供監(jiān)督及報警機制；實時壓力及溫度顯示，監(jiān)控優(yōu)化輪胎使用；提供速度和運距信息，指導(dǎo)卡車行車速度；為輪胎相關(guān)分析提供數(shù)據(jù)及信息支持；為管理人員提供緊急警報時卡車的地理信息概況。

基于地理信息的輪胎壓力和溫度狀況展示是該系統(tǒng)的獨特性之一，可通過警報發(fā)生時的地理信息結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，對卡車操作實踐、道路設(shè)計和路面提出相應(yīng)的改進(jìn)建議，從而提高輪胎壽命。

5 現(xiàn)場調(diào)查審計

定期現(xiàn)場審計是提高輪胎性能的重要一環(huán)，該審計可及時跟蹤解決數(shù)據(jù)收集過程中的相關(guān)問題，幫助礦山更有效的落實輪胎全壽命管理實踐，并及時發(fā)現(xiàn)礦山現(xiàn)場存在或潛在的問題?，F(xiàn)場審計服務(wù)范圍廣泛，具體內(nèi)容見圖7。

圖6 現(xiàn)場調(diào)查審計內(nèi)容

根據(jù)現(xiàn)場審計、工程數(shù)據(jù)分析和報告，輪胎專家出具審計報告并生成指導(dǎo)性意見，對相應(yīng)輪胎管理實踐活動提供建議、操作指導(dǎo)和培訓(xùn)，并回答客戶疑難問題。

圖7 加拿大Kemess礦山40.00R57輪胎推薦換位順序

6 全壽命管理系統(tǒng)工程技術(shù)分析及應(yīng)用建議

全面細(xì)致的工程分析及應(yīng)用建議是全壽命管理的核心所在，該分析及應(yīng)用建議以強大的輪胎管理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過可靠性、失效性、工程統(tǒng)計和工程優(yōu)化等分析方法，定期提供輪胎技術(shù)報告，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場存在的問題，并提出改進(jìn)方案。工程報告對輪胎維護(hù)、現(xiàn)場操作、運輸?shù)缆肪S護(hù)改進(jìn)、輪胎未來運行趨勢、輪胎選型及采購規(guī)劃等重要決策提供了詳盡有力的技術(shù)支持，對影響輪胎壽命的關(guān)鍵指標(biāo)，如壓力和溫度等指標(biāo)提供了動態(tài)優(yōu)化的管理方案，并可將輪胎的運行參數(shù)和分析建議及時反饋給生產(chǎn)廠家以協(xié)助提高產(chǎn)品，如加拿大Kemess礦山的40.00R57輪胎推薦換位順序，分析結(jié)果見圖7。

由圖7可以看出，如果輪胎最初安裝在左前位置，換位的方式是先從左前位到右后內(nèi)位，再從右后內(nèi)位到右后外位，最后換至左后外位，實施該換位方法后礦山輪胎壽命提高了7%。

7 輪胎全壽命管理實踐

7.1 神華集團(tuán)勝利露天礦應(yīng)用情況

神華集團(tuán)勝利露天礦目前擁有50 臺220t自卸卡車，其中830E 卡車28 臺，MT4400 卡車22臺?，F(xiàn)有57 寸在用輪胎252 條，其中進(jìn)口輪胎：米其林72 條，普利司通94 條；國產(chǎn)輪胎：陸安44條，火炬42條。到目前為止，神華勝利露天礦共安裝胎壓溫度車載監(jiān)控設(shè)備28臺，并建立了輪胎數(shù)字化管理平臺，累計監(jiān)控時間超過15000h。

7.2 輪胎全壽命管理實現(xiàn)主要功能

（1）溫度和壓力實時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、報警。輪胎監(jiān)控系統(tǒng)通過輪胎內(nèi)置感應(yīng)器，實時采集溫度和壓力數(shù)據(jù)；感應(yīng)器每3s發(fā)射一次溫度、壓力數(shù)據(jù)信號；通過監(jiān)控軟件的各種界面，可實時查看各種監(jiān)控數(shù)據(jù)；針對輪胎高溫、高壓、低壓3種異常狀況，需要在監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)定黃色和紅色兩種級別報警值，進(jìn)口輪胎與國產(chǎn)輪胎分開設(shè)定。

（2）實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和共享。目前，勝利露天礦使用GSM／GPRS移動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)輪胎監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸，中控室可以通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器，實現(xiàn)實時監(jiān)控。北京集團(tuán)總部、加拿大邦弘技術(shù)支持后臺可以通過Internet實現(xiàn)遠(yuǎn)程登錄、實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)共享。

（3）科學(xué)指導(dǎo)，智能決策。神華勝利露天礦通過定期分析監(jiān)控系統(tǒng)采集的輪胎數(shù)據(jù)，科學(xué)指導(dǎo)現(xiàn)場管理決策。主要手段有：輪胎產(chǎn)品TKPH 分析、壓力溫度監(jiān)控分析、輪胎磨損及換位分析、輪胎報廢原因分析、不同品牌使用成本分析等，實現(xiàn)了輪胎全壽命管理。

7.3 應(yīng)用案例

（1）及時發(fā)現(xiàn)輪胎慢漏氣。通過安裝輪胎全壽命管理系統(tǒng)，在初裝的10臺車中發(fā)現(xiàn)有50%的車輛存在漏氣現(xiàn)象，其中慢漏氣的情況不易被發(fā)現(xiàn)。如830E-10車的2＃胎慢漏氣，在常規(guī)點檢中，第9天才被發(fā)現(xiàn)，但在監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)曲線圖中，僅需2天就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象。

（2）及時發(fā)現(xiàn)輪胎壓力不平衡。通過輪胎全壽命管理系統(tǒng)，在初裝的10臺車中有80%的車輛存在氣壓不平衡現(xiàn)象。在常規(guī)點檢中，氣壓不平衡很難被發(fā)現(xiàn)。

8 結(jié)語

研究探討了基于中國國情的巨型礦用輪胎全壽命管理理念及過程，通過實施輪胎全壽命管理，節(jié)省了輪胎消耗，促進(jìn)綠色礦業(yè)的發(fā)展，提高車輛出動率，降低卡車平均油耗，實現(xiàn)輪胎工況實時預(yù)警，提高安全生產(chǎn)管理水平。輪胎全壽命管理是實現(xiàn)礦用輪胎數(shù)字化、精細(xì)化管理、確保客戶輪胎及相關(guān)資產(chǎn)最大化的必要步驟，可提高本土輪胎應(yīng)用的安全性和穩(wěn)定性，減少對進(jìn)口輪胎的依賴性，推動民族品牌快速發(fā)展。

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