程安仁，張艷霞，矯 陽(yáng)，陸永俊，郭月瑩，汪文昭

（北京市射線應(yīng)用研究中心 輻射新材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100015）

自1977年日本安裝第1臺(tái)用于輪胎橡膠片材硫化的電子加速器以來(lái)[1]，輻照技術(shù)已應(yīng)用于混煉膠的改性工作，這種能夠提高橡膠熱硫化前性能的應(yīng)用技術(shù)在國(guó)外迅速實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。由于國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的封鎖以及我國(guó)電子加速器技術(shù)相對(duì)落后，直到2000年，北京市射線應(yīng)用研究中心才正式面向社會(huì)推廣該項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)。

輪胎輻照預(yù)硫化系統(tǒng)（TRPS）由北射沃華核技術(shù)（北京）有限公司（以下簡(jiǎn)稱“北射沃華”）開(kāi)發(fā)，旨在為輪胎生產(chǎn)商提供全鋼子午線輪胎內(nèi)襯層氣密層輻照生產(chǎn)模塊和半鋼子午線輪胎胎體層輻照生產(chǎn)模塊。北射沃華由北京市射線應(yīng)用研究中心（以下簡(jiǎn)稱“射線中心”）與北京沃華創(chuàng)新科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“沃華公司”）共同出資成立。該公司依托射線中心的輻射技術(shù)專長(zhǎng)和沃華公司多年輪胎設(shè)備專業(yè)市場(chǎng)的銷售經(jīng)驗(yàn)，以電子輻照技術(shù)為核心，完成了從輻照技術(shù)到輪胎生產(chǎn)工藝的無(wú)縫對(duì)接，并對(duì)子午線輪胎生產(chǎn)過(guò)程半成品部件進(jìn)行輻照預(yù)硫化，提高材料格林強(qiáng)度，保持半成品部件精確結(jié)構(gòu)和尺寸。

本工作研究TRPS在子午線輪胎生產(chǎn)中的應(yīng)用。

1 TRPS簡(jiǎn)介

1.1 TRPS組成及參數(shù)

TRPS包括自屏蔽電子加速器、束下輸送裝置、加速器附屬設(shè)備和輻射工序總控系統(tǒng)。其中電子加速器附屬設(shè)備包含供排水系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；束下輸送裝置包含輸送系統(tǒng)、機(jī)電動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)電一體化控制系統(tǒng)和水冷卻/恒溫系統(tǒng)。

自屏蔽電子加速器主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 自屏蔽電子加速器主要參數(shù)

電子加速器采用俄羅斯科學(xué)院新西伯利亞核物理研究院（BINP）提供的ELV型自屏蔽電子加速器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、電能-束功率轉(zhuǎn)換效率高、束功率大、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、啟動(dòng)出束迅速和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。束下傳輸裝置、電子加速器附屬設(shè)備和輻射工序總控系統(tǒng)均由北射沃華自行設(shè)計(jì)，具有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，保證了加速器的穩(wěn)定運(yùn)行和與輪胎生產(chǎn)線完美對(duì)接，在保證生產(chǎn)線運(yùn)行速度的前提下，獲得最佳射線利用率，減少設(shè)備前期投資。

1.2 子午線輪胎輻照處理工藝流程

半鋼子午線輪胎輻照處理工藝流程如圖1所示。全鋼子午線輪胎輻照處理工藝流程如圖2所示。

圖1 半鋼子午線輪胎輻照處理工藝流程

圖2 全鋼子午線輪胎輻照處理工藝流程

2 TRPS的應(yīng)用

2.1 胎體簾布

TRPS對(duì)覆膠簾布進(jìn)行輻照，即對(duì)胎體簾布進(jìn)行了輻照，其對(duì)胎體簾布性能的影響如表2所示。從表2可以看出，TRPS對(duì)胎體簾線的58 N定伸長(zhǎng)、拉斷力和拉斷伸長(zhǎng)率的影響較小，說(shuō)明輻照不會(huì)影響成品輪胎的安全性能。

表2 TRPS對(duì)胎體簾布性能的影響

2.2 工藝性能

TRPS對(duì)輪胎工藝性能的影響如表3所示。從表3可以看出：輻照后，混煉膠的相對(duì)生膠粘合強(qiáng)度降幅在20%以內(nèi)，滿足生產(chǎn)要求，成型工藝可正常進(jìn)行；TRPS對(duì)混煉膠的相對(duì)焦燒時(shí)間的影響不大，說(shuō)明工藝安全性不存在問(wèn)題；混煉膠的相對(duì)正硫化時(shí)間縮短，但幅度不大，不會(huì)影響混煉膠熱硫化過(guò)程的同步性。

TRPS輻照提高了過(guò)渡層膠的強(qiáng)度，減小了成型時(shí)的變形，因此，適當(dāng)減小其厚度，可達(dá)到節(jié)約原材料目的。半成品部件減薄施工調(diào)整方案示意如圖3所示。

圖3 半成品部件減薄施工調(diào)整方案示意

2.3 胎體混煉膠

TRPS對(duì)胎體混煉膠抗變形性能的影響如表4所示。從表4可以看出：隨著相對(duì)吸收劑量增大，混煉膠的相對(duì)門尼粘度、生膠相對(duì)格林強(qiáng)度和生膠相對(duì)300%定伸應(yīng)力增大，這說(shuō)明混煉膠的抗變形能力提高，其原因可能是因?yàn)檩椪蘸?，混煉膠的交聯(lián)作用增強(qiáng)；當(dāng)相對(duì)吸收劑量為0.86時(shí)，混煉膠的相對(duì)門尼粘度和生膠相對(duì)格林強(qiáng)度分別達(dá)到212%和249%。

表4 TRPS對(duì)混煉膠抗變形性能的影響

綜上所述，TRPS在胎體膠生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用具有如下兩個(gè)方向。

（1）通過(guò)輻射預(yù)硫化處理，混煉膠的相對(duì)門尼粘度、生膠相對(duì)格林強(qiáng)度和生膠相對(duì)300%定伸應(yīng)力增大，橡膠半成品的尺寸穩(wěn)定性和粘度提高，產(chǎn)品質(zhì)量提高。同時(shí)，半成品厚度減小，降低了原材料消耗。

（2）對(duì)于挺性要求較高的半成品，需要混煉膠的相對(duì)門尼粘度、生膠相對(duì)格林強(qiáng)度和生膠相對(duì)300%定伸應(yīng)力較高（以下簡(jiǎn)稱“高門尼膠料”）。為解決高門尼膠料混煉或擠出時(shí)能耗大、生產(chǎn)速度慢的問(wèn)題，建議通過(guò)調(diào)整配方，調(diào)低混煉膠的相對(duì)門尼粘度，使其容易混煉或擠出，以降低生產(chǎn)過(guò)程中的能耗和設(shè)備磨損，提高生產(chǎn)速度。在半成品擠出后，通過(guò)輻射預(yù)硫化技術(shù)提高膠料的相對(duì)門尼粘度、生膠相對(duì)格林強(qiáng)度和生膠相對(duì)300%定伸應(yīng)力，使半成品達(dá)到技術(shù)要求。

2.4 胎體硫化膠

TRPS對(duì)硫化膠性能的影響如表5所示。從表5可以看出，TRPS對(duì)硫化膠相對(duì)邵爾A型硬度、相對(duì)100%定伸應(yīng)力和相對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響較小，對(duì)硫化膠的相對(duì)拉斷伸長(zhǎng)率、相對(duì)撕裂強(qiáng)度和相對(duì)H抽出力的影響約在10%以內(nèi)，符合輪胎企業(yè)技術(shù)指標(biāo)。

表5 TRPS對(duì)硫化膠性能的影響

2.5 成品輪胎

2.5.1 材料分布

為評(píng)價(jià)硫化過(guò)程中材料分布的變化，在內(nèi)襯層和第1層簾布之間的胎肩部位貼一張200 mm×200 mm×1.0 mm的白色膠片，其位置示意如圖4所示。在成品輪胎的胎肩部位，沿垂直簾線的方向切斷面，觀察材料分布的變化，結(jié)果如圖5所示。

圖4 白色膠片位置示意

由圖5可知：無(wú)輻照輪胎在硫化過(guò)程中材料變形較大，需采用加厚過(guò)渡層的方式來(lái)防止氣密層滲透到簾布層，保證簾線與膠體的粘合性；隨著輻照吸收劑量增大，材料的變形減小，白色膠片沒(méi)有滲透到簾線中，簾線排布整齊。這說(shuō)明TRPS輻照可以減小過(guò)渡層厚度。從材料分布角度看，輻照是可行的。

圖5 成品輪胎的材料分布變化

2.5.2 單條輪胎質(zhì)量

經(jīng)過(guò)對(duì)20條樣品輪胎質(zhì)量稱量統(tǒng)計(jì)可知，單條輻照輪胎質(zhì)量比正常輪胎減輕0.205 kg，每條輪胎大約能降低成本3～5元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2.5.3 動(dòng)平衡和均勻性

成品輪胎動(dòng)平衡性能按照GB/T 18505—2001《汽車輪胎動(dòng)平衡試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，均勻性按照GB/T 18506—2001《汽車輪胎均勻性試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6和7。由表6可知，輻照輪胎的動(dòng)平衡性能優(yōu)于正常輪胎。由表7可知：輻照輪胎錐度值與正常輪胎相當(dāng)，且均符合公司A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求；輻照輪胎的徑向力小于正常輪胎，等級(jí)由C級(jí)提升為B級(jí)；與正常輪胎相比，輻照輪胎的側(cè)向力略有下降。綜合看來(lái)，輻照輪胎的均勻性有所提高。

表6 輻照輪胎與正常輪胎的動(dòng)平衡性能

表7 輻照輪胎與正常輪胎的均勻性

2.5.4 外緣尺寸

外緣尺寸按照GB/T 521—2012《輪胎外緣尺寸測(cè)量方法》進(jìn)行測(cè)試，在耐久性試驗(yàn)充氣預(yù)熱后和第3階段完成后輪胎外緣尺寸的測(cè)試結(jié)果如表8所示。從表8可以看出，充氣預(yù)熱后輻照輪胎的外周長(zhǎng)、外直徑和斷面寬均略小于正常輪胎，變化幅度小于1%。

表8 輻照輪胎和正常輪胎外緣尺寸對(duì)比 mm

2.5.5 氣密性

成品輪胎氣密性的測(cè)量需要較長(zhǎng)時(shí)間，采用輪胎耐久性試驗(yàn)過(guò)程中輪胎氣壓表征其氣密性。耐久性試驗(yàn)充氣預(yù)熱后、第3階段完成后和冷卻1 h后輪胎氣壓如表9所示。由表9可知，與正常輪胎相比，輻照輪胎的氣壓保持率變化不大，說(shuō)明減薄過(guò)渡層不影響成品輪胎的氣密性。

表9 輻照輪胎和正常輪胎氣密性對(duì)比

2.5.6 耐久性能和高速性能

輪胎耐久性能按照GB/T 4502—2009《轎車輪胎性能室內(nèi)試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)氣壓為230 kPa，速度為80 km·h-1，試驗(yàn)條件見(jiàn)表10。高速性能按照GB/T 7034—2009《轎車輪胎高速性能試驗(yàn)方法 轉(zhuǎn)鼓法》進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)氣壓為340 kPa，負(fù)荷為365 kg，試驗(yàn)條件見(jiàn)表11。耐久性試驗(yàn)后的輪胎停放1 h，調(diào)整氣壓，繼續(xù)進(jìn)行高速性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表12。

表10 成品輪胎耐久性試驗(yàn)條件

表11 成品輪胎高速性能試驗(yàn)條件

表12 輻照輪胎和正常輪胎高速性能對(duì)比

通過(guò)表10試驗(yàn)條件的測(cè)試，輻照輪胎和正常輪胎均能在跑完34 h后保持完好。從表12可以看出，輻照輪胎的高速性能達(dá)到或超過(guò)正常輪胎水平。

2.5.7 滾動(dòng)阻力

輪胎滾動(dòng)阻力按照GB/T 18861—2012《汽車輪胎和摩托車輪胎滾動(dòng)阻力試驗(yàn)方法 多點(diǎn)試驗(yàn)》進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表13。從表13可以看出，與正常輪胎相比，輻照輪胎的25 ℃滾動(dòng)阻力系數(shù)減小約1%。

表13 輻照輪胎和正常輪胎滾動(dòng)阻力系數(shù)（25 °C）對(duì)比

2.6 效益分析

2.6.1 材料成本

每條半鋼子午線輪胎質(zhì)量平均減輕0.2 kg，即每條節(jié)約0.2 kg×20元·kg-1＝4元。

每條全鋼子午線輪胎質(zhì)量平均減輕1 kg，即每條節(jié)約1 kg×20元·kg-1＝20元。

2.6.2 TRPS投入成本

每臺(tái)TRPS價(jià)格為700萬(wàn)元，年產(chǎn)500萬(wàn)條輪胎。

子午線輪胎生產(chǎn)設(shè)備年折舊為70萬(wàn)元，人員年工資增加為24萬(wàn)元，此項(xiàng)折合到每條輪胎所需成本為（70＋24）/500≈0.2（元）。

2.6.3 運(yùn)行成本

維護(hù)費(fèi)：按照硬件部分合計(jì)的5%計(jì)算，即700×5%＝35（萬(wàn)元）。

動(dòng)力費(fèi)：自屏蔽電子加速器及附屬設(shè)施滿功率運(yùn)行時(shí)耗電量為165 kW，束下裝置滿功率運(yùn)行時(shí)耗電量為15 kW，工業(yè)電價(jià)不同月份不同時(shí)段價(jià)格不同，按照平均1元·（kW·h）-1計(jì)算，一年滿功率運(yùn)行5 000 h的動(dòng)力費(fèi)為5 000×（165＋15）×1＝90（萬(wàn)元）。

此項(xiàng)折合到每條輪胎所需成本為（35＋90）/500≈0.25（元）。

2.6.4 年節(jié)約成本

半鋼子午線輪胎成本降低約為每條3.55元，年節(jié)約成本為3.55×500×104＝1 775（萬(wàn)元）。

全鋼子午線輪胎成本降低約為每條19.55元，每年節(jié)約成本為19.55×500×104＝9 775（萬(wàn)元）。

3 結(jié)論

（1）TRPS對(duì)胎體簾布、輪胎工藝性能和胎體硫化膠物理性能影響不大。

（2）TRPS輻照后，胎體混煉膠的相對(duì)門尼粘度、相對(duì)300%定伸應(yīng)力和相對(duì)格林強(qiáng)度增大，抗變形能力提高。

（3）TRPS輻照后，輪胎在硫化和成型過(guò)程中材料變形減小且分布均勻，使過(guò)渡層減薄成為可能。

（4）與正常輪胎相比，輻照輪胎的動(dòng)平衡性能、均勻性和高速性能較好，滾動(dòng)阻力減小。

（5）TRPS對(duì)半成品部件輻照后可節(jié)約原材料成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。