唐 霞，賀建蕓，張金云，薛梓晨，焦志偉*

（1.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2.輪胎設(shè)計(jì)與制造工藝國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)輪胎安全性和舒適性的要求也越來越高。輪胎不僅應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面有所突破，在硫化工藝方面也不宜沿用過去的觀念。

輪胎的結(jié)構(gòu)和組分比較復(fù)雜，在硫化過程中各部位的硫化程度不同，因此研究輪胎各部位的硫化過程對(duì)優(yōu)化硫化工藝有重要意義。要實(shí)現(xiàn)低碳節(jié)能的目標(biāo)，就必須通過改進(jìn)輪胎結(jié)構(gòu)、材料和硫化工藝，用最低的熱量使輪胎獲得最佳的力學(xué)性能。在實(shí)際生產(chǎn)中，工廠一般通過測(cè)量輪胎硫化溫度計(jì)算硫化程度。相比計(jì)算機(jī)模擬，實(shí)際測(cè)量的方法耗時(shí)耗力，并且沒有考慮后硫化對(duì)硫化程度的影響。橡膠硫化是輪胎生產(chǎn)過程中耗能最多的環(huán)節(jié)，利用計(jì)算機(jī)模擬輪胎的實(shí)際硫化歷程并計(jì)算各部位的硫化程度，確定合理的硫化條件，可從整體上提高輪胎性能[1]。

本工作以255/30R22輪胎為例，用Abaqus軟件建立有限元模型，并進(jìn)行蒸汽加熱工藝和直壓硫化工藝的模擬，將兩次模擬得出的溫度場(chǎng)與實(shí)際蒸汽硫化工藝采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。模擬時(shí)考慮硫化反應(yīng)熱和后硫化效應(yīng)，用子程序HETVAL加載硫化反應(yīng)熱，得到兩次模擬的溫度場(chǎng)，由子程序UVARM編寫的阿累尼烏斯方程式得到硫化程度場(chǎng)[2]。

1 有限元仿真

1.1 改進(jìn)型結(jié)構(gòu)介紹

與蒸汽硫化工藝相比，直壓硫化工藝是針對(duì)熱板式硫化機(jī)提出的新工藝。與工藝相匹配的電磁加熱裝置和專用內(nèi)模是硫化機(jī)的改進(jìn)之處。傳統(tǒng)硫化機(jī)采用蒸汽室傳熱，蒸汽的大部分熱量在管路循環(huán)時(shí)耗散，造成了能源的浪費(fèi)。要從根本上解決能源浪費(fèi)問題就必須采用新的加熱方式。電磁加熱所用的內(nèi)模由8組大小鼓瓦組成，內(nèi)模可傘狀撐開，與帶有壓力的蒸汽一樣起脹開輪胎的作用，同時(shí)鼓瓦上的電磁加熱線圈使鼓瓦快速升溫。由于鼓瓦與輪胎直接接觸，因此直壓硫化工藝的傳熱效率比蒸汽高[3]。電磁加熱的特點(diǎn)是生熱快、局部溫度可控。與加熱裝置配套的輪胎硫化測(cè)溫設(shè)備一般由溫度檢測(cè)儀、熱電偶和存儲(chǔ)顯示裝置組成[4]。試驗(yàn)中鼓瓦的溫度分布并不均勻，肩部的溫度平均值為180 ℃，中部的溫度平均值為178 ℃。本研究按照實(shí)測(cè)值加載鼓瓦熱邊界條件。直壓硫化工藝中的成型鼓模型如圖1所示。

圖1 直壓硫化工藝中的成型鼓模型

1.2 有限元模型建立

一般來說，復(fù)合材料力學(xué)性能是各向異性的，其熱學(xué)性能也是各向異性的[5]。本研究建立二維軸對(duì)稱模型，去除骨架材料只保留膠料，認(rèn)為復(fù)合材料熱力學(xué)性能是各向同性的。研究255/30R22輪胎的溫度場(chǎng)和硫化程度場(chǎng)。模型盡可能接近實(shí)際情況。模型包括6 126個(gè)單元。輪胎硫化機(jī)的有限元模型如圖2所示。

圖2 輪胎硫化機(jī)的有限元模型

1.3 硫化模擬參數(shù)及工藝的確定

雖然每種膠料的比熱容和熱導(dǎo)率相差不大，為了確保精度，仍然考慮了每種膠料的熱物理參數(shù)隨溫度的變化情況[6]。根據(jù)試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和實(shí)際工況，設(shè)定輪胎的初始溫度為20 ℃，模具的溫度為150 ℃。硫化工藝分為兩個(gè)階段，總時(shí)間為1 540 s，每個(gè)階段的邊界條件如下。

第1階段輪胎在模具中。上下熱板通180 ℃的過熱蒸汽，熱邊界條件為空氣與熱板的對(duì)流傳熱，該過程持續(xù)780 s。實(shí)際測(cè)量時(shí)，鼓瓦肩部溫度比其他區(qū)域溫度高，根據(jù)電磁加熱鼓瓦的實(shí)測(cè)值，設(shè)定鼓瓦肩部的溫度為180 ℃，其他區(qū)域的溫度為178 ℃。

第2階段輪胎從模具中取出。該過程持續(xù)760 s。整個(gè)輪胎暴露在空氣中，主要的散熱方式為輻射，輻射因子為0.94。

1.4 硫化程度計(jì)算

計(jì)算硫化程度的子程序UVARM的理論基礎(chǔ)是阿累尼烏斯方程式[7]，用于描述硫化溫度和時(shí)間的關(guān)系。根據(jù)阿累尼烏斯方程式可以算出等效硫化時(shí)間te。

為了直觀地顯示硫化反應(yīng)進(jìn)行程度，定義硫化程度（D）：

若D＞1，為過硫化狀態(tài)；D＜1，為欠硫化狀態(tài)；D＝1，為正硫化狀態(tài)。

輪胎各部位的膠料活化能是不一樣的，圖3所示為輪胎測(cè)量點(diǎn)。1#測(cè)量點(diǎn)位于上模氣密層與胎體簾線間，2#測(cè)量點(diǎn)位于上模三角膠芯處，3#測(cè)量點(diǎn)位于胎側(cè)膠與胎體簾線間，4#測(cè)量點(diǎn)位于上模胎面膠與冠帶條中間，5#測(cè)量點(diǎn)位于胎面膠與冠帶條中間。1#～5#測(cè)量點(diǎn)的活化能實(shí)測(cè)值分別為88.1，94.6，92.6，76.0和85.1 kJ·（mol·K）-1。

圖3 溫度測(cè)量點(diǎn)示意

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 溫度曲線

各測(cè)量點(diǎn)蒸汽加熱、電磁加熱和實(shí)測(cè)的溫度曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，采用蒸汽加熱時(shí)，5個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度模擬值和實(shí)測(cè)值較為接近，說明加入反應(yīng)熱的模擬方法是接近真實(shí)情況的。采用電磁加熱時(shí)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)溫度曲線的峰值與蒸汽加熱溫度曲線的峰值接近，電磁加熱工藝中開模部分的溫度曲線與蒸汽加熱相應(yīng)時(shí)間段的曲線段基本重合。不同的是，輪胎在模具中硫化階段，電磁加熱的方式使輪胎溫度上升很快，尤其是與鼓瓦接觸的1#，2#和3#點(diǎn)，其在200 s內(nèi)溫度接近最大值，之后曲線幾乎處于平坦?fàn)睢?#和5#測(cè)量點(diǎn)溫度達(dá)到穩(wěn)定階段所需的時(shí)間比其他點(diǎn)稍長(zhǎng)。與蒸汽加熱相比，電磁加熱的傳熱速度提高。由于電磁加熱的方式提高了傳熱效率，在模具加熱硫化階段電磁加熱的各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度都比蒸汽加熱的溫度高，這將直接導(dǎo)致膠料的硫化程度增高。

圖4 各測(cè)量點(diǎn)蒸汽加熱、電磁加熱和實(shí)測(cè)的溫度曲線

2.2 硫化程度場(chǎng)分析

圖5所示為各測(cè)量點(diǎn)蒸汽加熱和電磁加熱的硫化程度曲線。從圖5可以看出，除三角膠芯處外，電磁加熱的高效傳熱使其余各部位的硫化程度提高了約1/3。由于三角膠芯膠料薄，靠近熱源，傳熱容易，因此加熱方式改變對(duì)其影響不大。

圖5 各測(cè)量點(diǎn)蒸汽加熱、電磁加熱硫化程度曲線

3 結(jié)論

本研究以255/30R22輪胎為例，用Abaqus軟件建立有限元模型，進(jìn)行蒸汽加熱工藝和直壓硫化工藝的模擬，將兩次模擬得出的溫度場(chǎng)與實(shí)際蒸汽硫化工藝采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，將由溫度的模擬值算出的硫化程度與相應(yīng)膠料的最佳硫化程度進(jìn)行對(duì)比。分析云圖和曲線圖得出以下結(jié)論：電磁加熱工藝為輪胎提供了穩(wěn)定的熱源并且使模具的溫度具有可控性；傳熱方式由空氣對(duì)流傳熱變成直接接觸傳熱，因此在電磁加熱硫化階段輪胎的溫度比蒸汽加熱的溫度高；除三角膠芯處外，電磁加熱的高效傳熱使其余各部位的硫化程度提高了約1/3。