本文作者：李兴发作者单位：中电投蒙车集团露天煤业公司安监部

轮胎台面花纹

胎面花纹对湿牵引性的影响是显而易见的。因为花纹中的沟既能给移动的水提供空间，又能给排出的水提供通道。而胎面胶直接与道路表面建立起牵引关系，故在粗糙的道路表面，由于胎面胶的差别，对牵引特性的影响也是很大的。在台面上刻制花纹是为了确保轮胎与路面间的摩擦系数，发挥制动、驱动和侧偏等力学特征。但是它对耐磨耗性、耐发热性、耐切割性以及振动噪声等特性也都关系重大。可见胎面花纹的类型是影响轮胎使用性能与使用寿命的重要因素。对胎面花纹的要求是：1）应在纵向、侧向与路面间有良好的附着性，从而有效地传递牵引力与制动力；2）对路面压力均匀，具有良好的耐磨性；3）有助于降低缓冲层和帘布层在滚动时所受的应力和变形；4）产生热量少，散热性能好；5）花纹沟能很好地导出泥水、空气，花纹各部应结实，使用中不产生掉块、裂口等现象；6）美观、低噪音；7）硫化模型加工方便。这里，对图示中有代表性的5种花纹的特点进行说明[1]。

1横沟花纹

横沟花纹（见图1），它是以与轮胎转动方向近似于成直角的横沟为主体。它的牵引力大，轮胎胎肩的散热良好，适用于在非铺装的坏路面上工作的自卸车等轮胎上。除了在以土路为主体的地面上行驶耐磨性好外，还很少夹石子。在铺装路上的耐磨耗性也不差，且侧偏功率较大。然而此种花纹因胎面胶厚，故不适合于容易发热的高速行驶。另外，横沟花纹的最大缺点是好路上行驶时轮胎噪声大。

2纵沟花纹

纵沟花纹（见图2），它是以几条纵沟为主体，适用于在好路面上行驶的重载车、公共汽车和轿车轮胎上。这种花纹的滚动阻力小、省油、防侧滑性能好，散热性能也较好；但容易夹石子和产生裂口，防纵滑性能较差。故为了耐高速行驶和保证在湿路面上有好的抗纵滑特性，常把纵沟弯曲成“（”字形，并刻上窄槽。纵沟花纹的噪声虽然不大，但为了进一步谋求低噪声化，可采用不规则的花纹间距。

3混合花纹

混合花纹介于横沟花纹和纵沟花纹之间（见图3），即在胎面中部具有纵向的屈折形窄沟槽，在接近肩部的两边则有横向宽沟槽。这种花纹的特点适用于硬集泥泞地和碎石路面，也适用于松土路面。因纵横兼有花纹，故不但有横沟花纹的特征，并有良好防侧滑性能，在行驶中与地面附着力大，不易打滑。胎面柔软性好，行驶中不易脱空。因花纹沟宽度适宜，且由中心到胎肩花纹沟逐渐放宽，使塞进去的石子容易甩出，故不易夹石子。也和横沟花纹一样，花纹基部不易产生裂口。但其主要缺点是越野性差，胎肩花纹块易产生磨耗不均现象。

4砌块花纹

砌块花纹（见图4），适合于在难通过的土路上和无路条件下使用，故也称为越野花纹。它的特点是：花纹沟槽深，凸出面积小，与路面附着力大，所以适宜于在泥雪地、松软路面以及一般轮胎不易通行的坏道路上行驶。它有良好的自行清除泥土的性能，在坏路面上行驶，不容易附着泥土。因为这种轮胎的气压和普通轮胎相同，所以在较好的路面上不宜使用这种轮胎，否则轮胎花纹会早期磨损，而且振动大、油耗量高。

5非对称性花纹

非对称性花纹（见图5），其左右花样是轴对称或点对称。因为一般都用左右一样的金属模制作，做点对称是多数。如果制作时左右金属模的镶合位置在圆周方向稍微错开一点，这就成了非对称花纹。这种花纹左右的花样变更很大。采用非对称花纹的首要目的是防止转弯行驶多的车辆，由于整个车身侧倾和轮胎变形，而引起轮胎胎面外侧迅速磨耗，从而加剧了车身发生侧倾的倾向。因此要采取对策，把胎面外侧的花纹做得较内侧不容易磨耗，于是就成了非对称形态。由于轮胎内气压决定了胎面与道路表面间的单位压力，所以它是影响轮胎湿牵引性的重要因素。速度提高时牵引力降低，这是由于机械效应，而主要的还是由于流体动力学效应。因为轮胎的滑水现象与后者有关，并且是一个与速度、气压、花纹、水深以及路面等因素相互关联的现象。

滑水现象

当轮胎在水膜覆盖的路面上高速行驶时，由于流体的压力使轮胎上浮的现象称为“滑水现象”。如果滑水现象一旦发生，轮胎就非常容易打滑，因此是很危险的。图6表示发生部分水滑现象的状态，这里存在3个区域。第一个区域在接触前部为完全上浮区，在此区域内水的流体压力足以把胎面举起，并使之与路面完全脱离。第二个区域表示水大量流散，但仍然留有一层水膜为不完全接触区，胎面与路面部分地隔开。第三个区域在接触后部，为胎面与路面完全接触的区域。当然，随着速度变化，上述3个区域的相互关系也会发生变化。例如，提高速度，第一、二区域就会沿接触长度扩展，直到胎面与路面彻底分离，这时就发生完全的“滑水现象”。此时车轮的行驶速度称为滑水临界速度[2]。

车轮的滑水临界速度

假设：轮胎接地压力均匀分布，且等于轮胎的充气压力；水为不可压缩流体，并略去水的粘性；将坐标固定于轮轴，则车轮在有水膜覆盖的道面上的滑跑可看成道面和厚度均匀宽度为W（等于胎面宽度）的水膜以高速冲击胎面。那么从前方进人的水被道路表面和胎面拦住，从胎面的两侧流出[3]。图7表示即将发生完全滑水现象之前后端部尚接触道面时的水的流线状态。由于流体各剖面都有大气压作用，由流体力学可知，各剖面处水速亦皆为V。

1水膜较薄时

当水膜厚度小于3mm时，很难出现滑水现象，此时水膜与胎面的接触面积近似等于轮胎的接地面积[4]。显然，只有当水膜对作用胎面的平均压力大于或等于轮胎的充气压力，水膜作用合力的垂直分量才可能大于车轮负载，将轮胎举起，从而发生滑水现象。因为水膜对轮胎作用面的平均压力大于或等于轮胎的充气压力，所以胎面不能恢复变形而呈平板状。车轮滑水临界状态如图8所示，水膜变成楔子状，进人道面与胎面之间，这时胎面为平板状，并且倾角非常小。对水膜作用胎面进行受力分析（见图9），沿X方向应用动量定理Fx=ρHWV2。式中：ρ为水的密度；H为水膜厚度；W为胎面宽度；V为滑水临界速度。道面干时轮胎的接地面积S=G/P。式中G为轮胎负载；P为轮胎充气压力。道面干时轮胎的接地长度L=S/W；cotα=L/H；Fy=Fx。当Fy=G时，车轮处于临界滑水状态，联立以上公式可得（略）。

2水膜较厚时

当水膜较厚时（>3mm），由于水膜与胎面的接触面积较大，此时水膜对作用胎面的平均压力无须大于轮胎的充气压力，水膜作用合力的垂直分量便可大于机轮负载，将轮胎举起，导致滑水现象发生。由于水膜对作用面的平均压力小于轮胎的充气压力，所以胎面能够恢复变形，车轮滑水的临界状态见图10。对水膜作用的胎面进行受力分析（见图11）（略）。

理论分析

1）水膜较薄时，由公式（1）可知，充气压力越大，滑水临界速度越高；液体密度越大，滑水临界速度越小。2）水膜较厚时，由由公式（2）可知，提高轮胎充气压力对提高滑水临界速度已无意义。水膜厚度越大，滑水临界速度越小；液体密度越大，滑水临界速度越小。当水膜厚度一定时，轮胎面越宽，单位时间内对轮胎面作用的流体质量越大，作用合力也就越大，轮胎越易被水膜抬起，所以轮胎面越宽，滑水临界速度越小。3）水膜较厚时，由于水膜与胎面的接触面积较大，此时水膜对作用面的平均压力无须大于轮胎的充气压力，水膜对胎面作用合力的垂直分量便可大于车轮负载，将轮胎举起，导致滑水现象发生。从而解释了为什么轮胎滑水现象在水膜厚度较小时很难出现；而当水膜较厚时，轮胎滑水临界速度对水膜厚度非常敏感的原因。4）本文假设轮胎接地压力均匀，忽略了胎面花纹排水能力的影响，把水膜流线理想化，得出临界滑水速度的计算公式。因此，按照以上两公式计算的结果要比实际值小。影响滑水现象发生的速度的主要因素有：水膜厚度、路面的凹凸、胎面沟深、轮胎内气压、接地压力分布和胎面花纹等，不论其中哪一项都是重要的。另外，在理论上，水的惯性和粘性这两项也是重要的。所以在对滑水现象进行理论解析时，有必要考虑轮胎的弹性变形以及上述这些影响因素。不过要这样做是非常复杂的。其次，滑水现象对轮胎的很多特性，如制动特性、侧偏特性等都有影响。图12表示随速度增加，制动力相对减小的一个例子。轮胎的湿牵引性随着速度增加而降低，这可能部分地是由于滑水效应影响的结果。

结论及现实意义

1）通过本文的论析和对5种常用轮胎花纹的比较以及现场实际生产的考鉴，从成本性、实用性、以及现场表现认为横沟花纹轮胎较适宜露天煤矿工况现状生产使用。2）通过表1联系公式（1）计算得出矿用自卸车雨雪泥泞道路工况下的指导性车速为：①BELAZE-75131（130T）使用斜交胎发生滑水现象的临界速度为9.5km/h；②BELAZE-75131（130T）使用子午线胎发生滑水现象的临界速度为10.3km/h；③SF31904（108T）使用斜交胎发生滑水现象的临界速度为9km/h；④SF31904（108T）使用子午线胎发生滑水现象的临界速度为10.8km/h；⑤TR100-C（91T）发生滑水现象的临界速度为9.4km/h；⑤BELAZE-75473（45T）发生滑水现象的临界速度为9.2km/h。由于露天矿生产受气候因素的直观性影响，矿用运输自卸车通常都是在水膜较薄的情况下短暂性运行，如果条件恶化就会立即停机气候备停。所以综上所述矿山自卸车为了避免在泥泞湿滑路面上发生滑水现象，就轮胎角度应注意轮胎花纹的选型及磨耗控制；就设备行驶速度方面应严格控制车速低于10km/h。反之为了保证能够准确的预判滑水现象发生的临界条件也要严格控制轮胎的充气压力为轮胎安全使用的标准气压值。