孫魯西

(廈門綠野環(huán)?？萍加邢薰荆＝?廈門 361012)

輪胎智能制造集群中的新型定型硫化機(jī)模一體子群

New type vulcanizer subgroup in tire intelligence manufacturing cluster

孫魯西

(廈門綠野環(huán)?？萍加邢薰荆＝?廈門 361012)

提出了智能制造集群中機(jī)模一體硫化定型子群功能模塊概念，為在輪胎制造行業(yè)節(jié)能減排選用這種四無(wú)機(jī)模一體組成單元提供了技術(shù)和產(chǎn)品示例。

輪胎；智能制造；集群；機(jī)模一體；硫化；定型；子群

我國(guó)是世界輪胎生產(chǎn)大國(guó)，國(guó)產(chǎn)定型硫化機(jī)伴隨著輪胎的更新?lián)Q代，經(jīng)歷了硫化罐、以機(jī)代罐、液壓機(jī)的引進(jìn)、消化、吸收、改造、創(chuàng)新等幾代過渡，衍生出花樣品種繁多的機(jī)型，扮演了輪胎制造裝備的重要角色，承擔(dān)了數(shù)十年的輪胎生產(chǎn)重?fù)?dān)。很多科研院所、高校、制造企業(yè)的歷代科研技術(shù)人員一直且仍在輪胎硫化定型裝備的研制上嘔心瀝血，追求高效、節(jié)能、高質(zhì)量的生產(chǎn)實(shí)用機(jī)型，努力追求著這一技術(shù)夙愿。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，迄今為止，機(jī)械式、液壓式或機(jī)液綜合式的輪胎硫化設(shè)備，合模、充氣、硫化以及排氣操作逐漸采用自動(dòng)化程序控制，在自控水平上有了很大提高，技術(shù)上也日趨成熟。

伴隨著電子技術(shù)及控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展、土地資源和能源的進(jìn)一步趨于緊張和限制、以及低碳、綠色環(huán)保和高速、安全意識(shí)的不斷提高，也給定型硫化機(jī)的發(fā)展提出更新的要求：

（1）輪胎規(guī)格和品種多樣化工藝適應(yīng)性

對(duì)于輪胎生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)多種不同型號(hào)的輪胎，形成多品種小批量的生產(chǎn)模式以滿足市場(chǎng)需求，是能立足于市場(chǎng)的關(guān)鍵。在生產(chǎn)規(guī)格和品種方面的靈活性就需要定型硫化機(jī)具有較好的裝備工藝柔性。在保證輪胎質(zhì)量的情況下，建立功能相似，生產(chǎn)輪胎的規(guī)格和類型不同但相近的定型硫化成組機(jī)組，使機(jī)器能夠方便、快捷地完成硫化不同規(guī)格輪胎的更換銜接。

（2）輪胎生產(chǎn)規(guī)?；瘮U(kuò)大

輪胎生產(chǎn)企業(yè)的規(guī)?；l(fā)展是提高其生存能力、應(yīng)對(duì)劇烈競(jìng)爭(zhēng)的必由之路。定型硫化裝備多采用雙模硫化機(jī)或單?？蚣芷措p形式為主，擴(kuò)大規(guī)模化生產(chǎn)必需投入相同的設(shè)備組線達(dá)到擴(kuò)大批量化生產(chǎn)的目的，占地面積、設(shè)備投資和操作成本相應(yīng)倍增，熱源換熱網(wǎng)絡(luò)供能不能有效利用。單純地重復(fù)建設(shè)很難達(dá)到以規(guī)?；团炕档统杀?，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的目標(biāo)。

（3）生產(chǎn)自動(dòng)化、信息化和集成化

隨著科技發(fā)展，輪胎生產(chǎn)勢(shì)必從單機(jī)自動(dòng)化走上成線、多機(jī)組控管理之路，輪胎硫化自動(dòng)生產(chǎn)線甚至全自動(dòng)化硫化車間組成自動(dòng)化的有機(jī)整體并且有著機(jī)體網(wǎng)絡(luò)的友善接口。目前大部分輪胎生產(chǎn)還主要以單機(jī)半自動(dòng)化、自動(dòng)化操作為主，不利于工業(yè)集中控制與換熱網(wǎng)絡(luò)的集中利用，浪費(fèi)空間和資源，不符合現(xiàn)代輪胎制造業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、信息化和集成化的發(fā)展趨勢(shì)。

（4）節(jié)能與環(huán)保

煤炭資源和二氧化碳排放矛盾日益尖銳，在保證輪胎質(zhì)量的前提下，設(shè)計(jì)并生產(chǎn)低能耗的更高壓力、溫度的硫化熱源取代蒸汽熱源硫化是必然趨勢(shì)。直接電磁感應(yīng)、電熱導(dǎo)熱油、熱氮硫化、熱壓縮空氣、對(duì)硫化機(jī)工序剩余能量的循環(huán)、回收再利用等多項(xiàng)節(jié)能技術(shù)正在付諸應(yīng)用。但是，相對(duì)獨(dú)立的單體定型硫化機(jī)，其節(jié)能潛力有限，節(jié)能成本與節(jié)能效益不平衡。采用定型硫化機(jī)組群、群內(nèi)供能則有較多技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性，是輪胎硫化工藝全新的節(jié)能措施。

（5）輪胎智能制造集群

輪胎智能制造集群（Tyre intelligent manufacturing cluster ，Tyre-IM-Cluster）相較于輪胎傳統(tǒng)制造技術(shù)，采用較為先進(jìn)的制造技術(shù)，其理念不僅僅局限于傳統(tǒng)意義上的輪胎制造，在傳統(tǒng)制造工藝、技術(shù)基礎(chǔ)上，吸收機(jī)械、信息、電子、材料、能源、無(wú)損檢測(cè)、云計(jì)算、使用過程檢測(cè)、輪胎翻新、輪胎生命周期管理等方面的最新成果，將這些技術(shù)優(yōu)化、集成、模塊化，綜合地應(yīng)用于輪胎的開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、管理、售后服務(wù)的全過程，使輪胎制造技術(shù)更適應(yīng)于高技術(shù)含量、經(jīng)濟(jì)效益好、創(chuàng)新能力強(qiáng)、資源消耗低、環(huán)境污染少、產(chǎn)品質(zhì)量精良、服務(wù)功能全、對(duì)市場(chǎng)變化快速響應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)輪胎制造的優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、清潔、敏捷制造，取得理想的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)綜合效益。在這一先進(jìn)輪胎智能制造集群體系中，集群是一個(gè)大制造的集成化系統(tǒng)工程概念，其組成的模塊謂之子群，即定型硫化機(jī)模一體子群。在相近的集群概念下，國(guó)際上各個(gè)輪胎巨頭都研發(fā)、提出各自的制造體系并保有為工業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，我國(guó)仍是空白，只能照搬硬套、跟風(fēng)仿制。

在輪胎智能制造集群技術(shù)整合中，筆者提出四無(wú)定型硫化機(jī)模一體子群的設(shè)計(jì)概念，即：無(wú)蒸汽、無(wú)液壓、無(wú)膠囊、無(wú)特構(gòu)的機(jī)模一體子群。本文僅介紹定型硫化機(jī)模一體子群，其他的子群將擇機(jī)逐一撰文就教于同行。

1 四無(wú)機(jī)模一體子群簡(jiǎn)釋

子群：輪胎智能制造集群是一個(gè)大制造的集成化系統(tǒng)工程，其組成的模塊謂之子群。

無(wú)蒸汽：組成單元采用上下熱板間接接觸傳熱，熱板的熱媒采用電磁感應(yīng)加熱的導(dǎo)熱油，中空的熱媒和壓力獲得采用電磁感應(yīng)加熱的導(dǎo)熱油通過換熱器加熱氮?dú)饣蛑苯蛹訜釅嚎s空氣獲得。

無(wú)液壓：組成單元的動(dòng)作均采用伺服電機(jī)、壓縮空氣、機(jī)械組件完成，取消液壓泵站、閥件、管路、密封、液油污染。

無(wú)膠囊：組成單元硫化時(shí)采用機(jī)械構(gòu)件鎖閉輪胎氣密止口，直接利用輪胎內(nèi)側(cè)的氣密層作為膠囊充壓加熱得到輪花。

無(wú)特構(gòu)：組成單元平放于地面或多層摞放，無(wú)需開溝、行車牛腳等建筑特殊結(jié)構(gòu)。

機(jī)模一體：組成單元采用合理的快速制造技術(shù)（RT）、消失模近型鑄造、CNC高速銑削，制造輪花和胎側(cè)模具，在輪胎智能制造集群中另一模具制造子群中，完全提升和保證了技術(shù)水平先進(jìn)性。其適應(yīng)相近輪胎外徑和胎厚的輪胎生產(chǎn)工藝柔性。企業(yè)原配活絡(luò)模副稍加改造均能傳承沿用。

該子群拓展設(shè)計(jì)方式可以適用于乘用胎、載重胎、工程胎等的硫化定型。

2 子群設(shè)計(jì)依據(jù)

輪胎定型硫化機(jī)合模力的面積計(jì)算長(zhǎng)期以來(lái)均為蒸鍋罩內(nèi)徑作為依據(jù)，活絡(luò)模出現(xiàn)后至今，最近的相關(guān)行標(biāo)仍是如是說。設(shè)計(jì)中再放大若干安全系數(shù)，使得機(jī)械式或液壓式定型硫化機(jī)合模力大大富余而造成資源的浪費(fèi)。不考慮活絡(luò)模的自重，以最大成品輪胎外徑作為合模力的面積基數(shù)、輪胎膠囊內(nèi)壓,得出合模力足夠。實(shí)際使用中，由于過飽和蒸汽壓力上限限制，即便合模力富余，但膠囊內(nèi)壓大部分機(jī)型只能使用約2.7 MPa。一段時(shí)間，有將熱氮?dú)饣旌蠅喝肽z囊的工藝做法，實(shí)際壓力也鮮有超過3 MPa的。要提高生產(chǎn)效率，縮短硫化定型時(shí)間，提高硫化溫度和壓力目前大部分的定型硫化機(jī)只能捉膝見肘湊合，并靠后充氣補(bǔ)充將就。

因此，從熱媒考慮，若使用膠囊，既要溫度又要壓力，理想的熱媒就是加熱氮?dú)猓藭r(shí)合模力需要迎合高于3～4 MPa，整機(jī)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)又要高一個(gè)檔次。由于橡膠膠囊的使用，其囊壁是熱不良導(dǎo)體，一味提高溫度，傳熱仍不理想，膠囊本身使用壽命也將大大縮短。輪側(cè)、胎頂?shù)牧蚧岣邷囟染鸵D(zhuǎn)用熱氮，進(jìn)而采用直接電磁感應(yīng)加熱或燃?xì)饧訜釋?dǎo)熱油再加熱熱板的形式，完全取代過熱蒸汽，實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保的要求。

綜合考慮各種因素和成熟設(shè)計(jì)，本子群采用電磁感應(yīng)加熱導(dǎo)熱油直接泵入模瓣后壁和下側(cè)模加熱板。同時(shí)通過氣體換熱排加熱氮?dú)鈮喝霟o(wú)膠囊的輪胎中空腔體。一則，導(dǎo)熱油循環(huán)壓力僅0.3 MPa，做功損失僅30%，工作溫度可以達(dá)到300～400 ℃，容易保證穩(wěn)定200 ℃工作溫度。確保管道罐體隔熱保溫良好，電磁感應(yīng)加熱只需間歇式節(jié)電加熱，二則，導(dǎo)熱油加內(nèi)壓熱氮?dú)饣驂嚎s空氣循環(huán)量以子群為單位而言體量不大，高壓實(shí)現(xiàn)和上調(diào)于硬件可以安全保證，三則，作為熱媒，以子群為單位可以單獨(dú)停開維修維護(hù)。作為輪胎翻新的定型硫化，抑或其它非輪胎橡機(jī)熱源，這種熱媒組合也是最佳形式。當(dāng)然，作為過渡傳承，設(shè)計(jì)中還有考慮在已有蒸汽熱源的廠家使用本子群。

在這種熱源保證下，合模力只需考慮硫化輪胎腔體內(nèi)壓，其分解成兩部分，輪胎圓周側(cè)胎花模具的徑向壓力和胎側(cè)模板壓力，后者因?yàn)槠洵h(huán)形中空，投影面積減少20%，同時(shí)采用多U型鉤板和芯部抱閘，加上圓整環(huán)形抱箍可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)壓4.5 MPa。

利用氣密層在成型時(shí)通過成型鼓對(duì)其加熱實(shí)現(xiàn)半硫化，在后續(xù)的硫化定型中作為膠囊使用，這在國(guó)外輪胎廠家已有機(jī)例，在本子群中，無(wú)需半硫化，但氣密層的組成配方要調(diào)整以適應(yīng)其兼顧在硫化定型中和成品使用中的功能作用。

3 整體方案設(shè)計(jì)、需要解決的技術(shù)難題或者關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)輪胎類型和定型硫化的時(shí)間分成三類擺放，工程胎1～4單元平放；乘用胎4×3單元棧式立放；載重胎2×6單元平放，均共用一套熱源站和門式行走裝卸臺(tái)和必要的后充氣單元。由于平放機(jī)架簡(jiǎn)單，無(wú)中心膠囊機(jī)構(gòu)，故場(chǎng)地要求平鋪直放，節(jié)約用地，無(wú)需挖溝特構(gòu)。

3.1 熱源

綜合考慮各種因素和成熟設(shè)計(jì)，其中：

（1）批量、成線安裝時(shí)除非用電容量不限，避免同時(shí)導(dǎo)通瞬間電流暴增以及用電不安全因素，考慮舊廠改造，熱媒仍以電熱導(dǎo)熱油形式為主。同時(shí)，導(dǎo)熱油的電加熱可以采用電磁感應(yīng)高頻應(yīng)用電路單控多模疊加的節(jié)能模式，采用PID溫度占空比節(jié)能加熱模瓣。

（2）導(dǎo)熱油加熱方式采用特殊的瓣式迷宮式加熱流道、無(wú)導(dǎo)熱油泄漏且更換密封圈間隔長(zhǎng)。

（3）充壓氣體采用壓縮空氣，生胎腔內(nèi)可以只壓入壓縮空氣加壓和保壓處理，隨加熱提高溫度而不用氣體換熱、加壓循環(huán)設(shè)備，但考慮工程胎等大型腔加壓加熱，作為技術(shù)備份，在需要循環(huán)加壓加熱壓縮空氣時(shí)使用這一成熟技術(shù)、商用產(chǎn)品。

（4）以機(jī)組群為單位配備熱源、氣源。

（5）作為過渡傳承，設(shè)計(jì)中還要考慮如果在已有蒸汽熱源的廠家使用本機(jī)組，即保有、沿用橡膠膠囊和使用蒸汽的設(shè)計(jì)。

3.2 門式可控行走取放胎機(jī)構(gòu)

門式取放胎機(jī)構(gòu)可沿軌道平移，且到特定位置能前后對(duì)位硫化單元中心，即多工位的硫化單元固定，公用機(jī)構(gòu)三維定點(diǎn)移動(dòng)。硫化機(jī)組的生胎供應(yīng)可以采用來(lái)自輪胎成型區(qū)的自動(dòng)供應(yīng)，使成型車間與硫化車間實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合，提高整個(gè)輪胎生產(chǎn)企業(yè)的自動(dòng)化與機(jī)械化操作。

在取放胎時(shí)，就直接壓配胎圈達(dá)到定心的要求，通過芯部的插接硬對(duì)中機(jī)構(gòu)，硬性傳遞定心精度。入模后，快插接密封式氣路接通，可以根據(jù)需要，徑向收放瓣模同時(shí)調(diào)節(jié)胎腔內(nèi)的氣壓，實(shí)現(xiàn)二次定心。合模后，模瓣通過徑向擋塊作為輪輻傳遞壓力到上下幅板和機(jī)架外圈；U型鉤板和芯部抱閘承受平面投影上下的壓力。輪胎硫化時(shí)腔內(nèi)壓力由機(jī)械式定壓泄壓回路、安全閥保證，溫度則有PID溫控系統(tǒng)調(diào)節(jié)。硫化結(jié)束，取放胎公用機(jī)器人行走至正上方，扣抓上蓋組件，同時(shí)通過同步伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)上下幅板，徑向退開瓣模，連同輪胎垂直抬起；熟胎托板滑入，輪圈壓爪在機(jī)器人端電機(jī)帶動(dòng)升降桿動(dòng)作退位，輪胎掉下熟胎托板并滑出，轉(zhuǎn)往后充氣；生胎存胎板帶胎滑入，取放胎公用機(jī)器人原位下降，完成抓取、定心，生胎滑板滑出后，生胎再次入模，完成動(dòng)作周期。

取放胎公用機(jī)器人運(yùn)行路線原則上順序循環(huán)，根據(jù)各單元不同規(guī)格輪胎硫化工步時(shí)間，優(yōu)化行走定點(diǎn)策略，可以自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)以達(dá)到組群軟件閉環(huán)自控，無(wú)人值守。

3.3 子群硫化單元

無(wú)膠囊硫化單元組成：無(wú)膠囊設(shè)計(jì)中，機(jī)械壓邊組件分為上下相同部分，隨下模如圖1。圖中略去中心導(dǎo)柱和固定的壓縮空氣進(jìn)出、保壓、泄壓通道與閥件管道。上模部分直接作為取放胎的定心抓夾。降低取放機(jī)構(gòu)的高度，提高胎坯和行走臺(tái)對(duì)位精度。

膠囊硫化單元組成：獨(dú)立的硫化單元中心部分不同，沿用傳統(tǒng)的橡膠膠囊，見圖2。主要是兼顧現(xiàn)有蒸汽、熱氮?dú)饣蛘羝訜岬獨(dú)饣旌狭蚧に嚂r(shí)輪胎設(shè)計(jì)制作工藝不變的胎坯定型硫化。

有無(wú)膠囊其上模部分胎側(cè)模板后襯的熱板不通導(dǎo)熱油，僅僅依靠模瓣U型板后背迷宮式中空強(qiáng)制循環(huán)帶來(lái)熱量，避免導(dǎo)熱油泄漏對(duì)輪胎污染，也使上模部分沒有管道，升降移動(dòng)沒有牽連。

圖1 無(wú)膠囊硫化單元

圖2 膠囊硫化單元

3.4 子群輪胎硫化工藝

輪胎花紋以及胎側(cè)的外硫化工藝無(wú)變動(dòng)沿用。主要是輪胎內(nèi)腔部的加壓加溫硫化的改進(jìn)，其對(duì)于變化溫度和壓力，提供更寬的柔性適應(yīng)范圍。

3.5 子群的不足之處

熱板直徑固定，更換輪胎規(guī)格外徑只能往小徑方向變小，變動(dòng)范圍靠更換固定制造模瓣墊板厚度調(diào)節(jié)；不同的輪圈直徑，需要配備不同的芯部機(jī)械壓邊組件；胎寬不同，U型扣板內(nèi)上下墊板需全部更換；換模時(shí)更換胎面模瓣，要逐一卸下，再逐一裝上新模瓣，側(cè)板、芯部機(jī)械壓邊組件對(duì)位對(duì)心對(duì)裝配鉗工的裝配技術(shù)、責(zé)任心要求較高。

4 結(jié)語(yǔ)

本子群?jiǎn)卧鳈C(jī)均采用平地臥放結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單的U型扣板傳壓結(jié)構(gòu)、加工精密，不易腐蝕磨損，維修方便，換模簡(jiǎn)便，工作壓力與溫度穩(wěn)定和調(diào)整方便，模具制造、保養(yǎng)、存放成本低；生產(chǎn)使用方管理組網(wǎng)、硬件配置成本低，水、油、電用量少，占地及建筑空間小，挖溝布管建筑特殊結(jié)構(gòu)少。固定資產(chǎn)投入相較于傳統(tǒng)機(jī)型生產(chǎn)線節(jié)約成本大大降低。由于可單組群停機(jī)檢修，組群內(nèi)單機(jī)換模，自動(dòng)化程度高、適用規(guī)格范圍大，工藝柔性好，運(yùn)行成本相較于傳統(tǒng)機(jī)型生產(chǎn)線更為可觀。節(jié)約占地，與相同模數(shù)生產(chǎn)線占地對(duì)比僅其60%面積，乘用胎系列群組因其高度更低可以考慮摞層安放，更為節(jié)省占地。同一系列按規(guī)格歸檔擴(kuò)展，共享的設(shè)計(jì)資源比例可以占有比例很大，無(wú)需重復(fù)建設(shè)，符合標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、通用化、科學(xué)管理的規(guī)范設(shè)計(jì)模式。

除了考慮降低制造成本，提高自動(dòng)化程度和輪胎制造精度，考慮輪胎生產(chǎn)制造企業(yè)的節(jié)能減排和生產(chǎn)成本外，很大范圍內(nèi)要求考慮輪胎翻新機(jī)械化裝備的兼容性，這也是輪胎裝備制造業(yè)一直以來(lái)未曾完整慮及而缺失的領(lǐng)域。該技術(shù)的環(huán)保性能較為突出，使得輪胎企業(yè)與裝備企業(yè)聯(lián)合引進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)投資，在無(wú)煤、無(wú)燃油、氣的區(qū)域、走出國(guó)門建廠，尤其是建立新胎和翻胎綜合廠，提供了一種新的工藝技術(shù)選擇和裝備配套。

卡博特推出橡膠用高性能炭黑新產(chǎn)品

2015年12月，卡博特推出了其超耐磨、低滾阻、低環(huán)苯芳烴LP等系列橡膠炭黑新產(chǎn)品。其中，用超耐磨炭黑VULCAN 10H和PROPELD11制造的乘用車輪胎，具有超強(qiáng)的耐磨、抗切割、抗刺扎等性能，令輪胎更安全和經(jīng)久耐用。低多環(huán)芳烴LP系列炭黑可大大降低塑料和橡膠制品中苯類產(chǎn)品對(duì)人類健康造成的不良影響，幫助客戶開發(fā)更多的環(huán)境友好型產(chǎn)品。

燕豐供稿

TQ330.47

1009-797X(2016)03-0044-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.03.010

孫魯西，高級(jí)工程師，從事機(jī)電一體化裝備整機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)工作。

2015-06-01