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        低滾動(dòng)阻力胎面膠配方優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2017-07-22 02:47:40孫學(xué)紅李文東
        輪胎工業(yè) 2017年8期
        關(guān)鍵詞:壓壓密煉機(jī)胎面

        劉 琦,孫學(xué)紅,李文東,李 輝

        (1.青島科技大學(xué) 高分子材料與工程學(xué)院,山東 青島 266042;2.北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院,北京 100143;3.寧夏神州輪胎有限公司,寧夏 平羅 753400)

        近年來(lái),人們對(duì)汽車安全、舒適、節(jié)能的要求逐年提高,相應(yīng)對(duì)輪胎性能的要求也趨于苛刻。高抗?jié)窕阅?、超耐磨性能和低滾動(dòng)阻力被稱為輪胎性能的“魔鬼三角”,同時(shí)三者之間相互影響、相互制約[1-2]。輪胎的滾動(dòng)阻力是車輛在行駛過(guò)程中輪胎受到的空氣阻力、胎面與地面接觸時(shí)的摩擦阻力以及組成胎面膠各種聚合物大分子鏈間的摩擦阻力總和。阻礙車輛行駛的阻力中,輪胎的滾動(dòng)阻力占總阻力的20%~30%,油耗量占車輛總油耗量的約14%。研究發(fā)現(xiàn)[3-5],輪胎的滾動(dòng)阻力降低30%,車輛可節(jié)約油耗量4.5%~6.0%;由胎面膠產(chǎn)生的滾動(dòng)阻力占輪胎總滾動(dòng)阻力的40%~50%,由此直接造成的油耗量占車輛總油耗量的約7%。隨著歐洲和美國(guó)對(duì)輪胎性能要求的提高,輪胎制造商需不斷創(chuàng)新來(lái)提高輪胎的三大行駛性能。

        本工作通過(guò)分析胎面膠滾動(dòng)阻力的影響因素,根據(jù)低滾動(dòng)阻力胎面膠配方的設(shè)計(jì)要求[6-10]對(duì)低滾動(dòng)阻力胎面膠配方進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 主要原材料

        天然橡膠(NR),SMR20,馬來(lái)西亞產(chǎn)品;順丁橡膠(BR),牌號(hào)9000,中國(guó)石油化工股份有限公司產(chǎn)品;炭黑N234,江西黑貓?zhí)亢诠煞萦邢薰井a(chǎn)品;白炭黑175GR,山西同德化工股份有限公司產(chǎn)品;偶聯(lián)劑Si69,景德鎮(zhèn)宏柏化學(xué)科技有限公司產(chǎn)品;氧化鋅,揚(yáng)州振中鋅業(yè)有限公司產(chǎn)品;促進(jìn)劑NS和CZ,山東尚舜化工有限公司產(chǎn)品。

        1.2 試驗(yàn)配方

        3種不同低滾動(dòng)阻力胎面膠配方如表1所示。

        表1 3種不同低滾動(dòng)阻力胎面膠配方 份

        1.3 主要設(shè)備和儀器

        XK-160型開(kāi)煉機(jī)和XLB-800型平板硫化機(jī),青島先銳機(jī)電有限公司產(chǎn)品;XK-660型開(kāi)煉機(jī)和GN255型密煉機(jī),益陽(yáng)橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)有限公司產(chǎn)品;BB430型密煉機(jī)、BB-2小型密煉機(jī)和輪胎均勻性試驗(yàn)機(jī),日本神戶制鋼公司產(chǎn)品;門尼粘度儀、無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀、炭黑分散儀和RPA2000橡膠加工分析儀,美國(guó)阿爾法科技有限公司產(chǎn)品;DIN磨耗儀、阿克隆磨耗儀和輪胎強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī),中國(guó)臺(tái)灣高鐵檢測(cè)儀器有限公司產(chǎn)品;輪胎耐久性試驗(yàn)機(jī),青島高校測(cè)控技術(shù)有限公司產(chǎn)品;X光檢測(cè)儀,德國(guó)依科視朗國(guó)際射線有限公司產(chǎn)品;動(dòng)平衡試驗(yàn)機(jī),美國(guó)阿克隆公司產(chǎn)品;輪胎氣泡試驗(yàn)機(jī),德國(guó)斯泰茵必西勒公司產(chǎn)品。

        1.4 試樣制備

        1.4.1 小配合試驗(yàn)

        小配合試驗(yàn)設(shè)備選用BB-2型密煉機(jī)、XK-160型開(kāi)煉機(jī)和XLB-800型平板硫化機(jī)。

        膠料混煉分兩段,均在密煉機(jī)中進(jìn)行。一段混煉壓力為2.5 MPa,工藝為:生膠、1/2炭黑和小料(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為60 r·min-1)→壓壓砣50 s→1/2炭黑、環(huán)保芳烴油(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為60 r·min-1)→壓壓砣30 s→提壓砣、清掃10 s(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1)→壓壓砣60 s→提壓砣10 s(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1)→排膠(壓壓砣300 s或145 ℃)。一段混煉膠在開(kāi)煉機(jī)上包輥[輥筒溫度為(50±5) ℃],下片,停放8 h。二段混煉轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1,壓力為2.5 MPa,工藝為:一段混煉膠、硫黃和促進(jìn)劑→壓壓砣50 s→提壓砣、清掃10 s→壓壓砣60 s→提砣10 s→排膠(壓壓砣200 s或溫度為105 ℃)。二段混煉膠在開(kāi)煉機(jī)上包輥,左右各均勻割刀5次[輥筒溫度為(40±5) ℃],下片,停放24 h。

        混煉膠在平板硫化機(jī)上進(jìn)行硫化,硫化條件為151 ℃×30 min。

        1.4.2 大配合試驗(yàn)

        大配合試驗(yàn)設(shè)備選用XK-660型開(kāi)煉機(jī)、BB430和GN255型密煉機(jī)以及膠片冷卻線。

        (1)塑煉工藝。膠料塑煉在BB430型密煉機(jī)中進(jìn)行,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為50 r·min-1,壓力為13 MPa,超排溫度為175 ℃,超排時(shí)間為180 s,工藝為:生膠→壓壓砣60 s→加入20份炭黑→壓壓砣40 s→清掃5 s→排膠(壓壓砣80 s或溫度為170 ℃),停放2 h。

        (2)混煉工藝。膠料混煉分3段。一段混煉在BB430型密煉機(jī)中進(jìn)行,混煉壓力為13 MPa,超排溫度為160 ℃,超排時(shí)間為200 s,工藝為:炭黑母膠和小料(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為45 r·min-1)→壓壓砣30 s→部分炭黑(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1,壓壓砣50 s或120 ℃)→提壓砣、清掃5 s→環(huán)保芳烴油(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1)→壓壓砣20 s→提壓砣(轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為40 r·min-1)→排膠(壓壓砣80 s或溫度為155 ℃),停放2 h。二段混煉在BB430型密煉機(jī)中進(jìn)行,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為30 r·min-1,壓力為12 MPa,超排溫度為160 ℃,超排時(shí)間為160 s,工藝為:一段混煉膠和剩余炭黑→壓壓砣 30 s→提壓砣、清掃5 s→壓壓砣30 s→提壓砣→排膠(壓壓砣60 s或溫度為155 ℃),停放4 h。三段混煉在GN255型密煉機(jī)中進(jìn)行,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為25 r·min-1,壓力為12 MPa,超排溫度為120 ℃,超排時(shí)間為180 s,工藝為:二段混煉膠、硫黃和促進(jìn)劑→壓壓砣40 s→提壓砣、清掃5 s→壓壓砣40 s→提壓砣→排膠(壓壓砣60 s或溫度為105 ℃),停放4 h。

        1.5 性能測(cè)試

        膠料各項(xiàng)性能均按照相應(yīng)國(guó)家或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 小配合試驗(yàn)

        小配合試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表2可以看出:1#和2#配方膠料60 ℃時(shí)的損耗因子(tanδ)相對(duì)較低,表明其滾動(dòng)阻力較小;1#配方膠料的密度、壓縮永久變形和溫升較小,說(shuō)明其成品輪胎質(zhì)量較小,在行駛過(guò)程中的能耗較低。分析認(rèn)為,BR具有較低的滾動(dòng)阻力;炭黑N220的結(jié)構(gòu)度相對(duì)炭黑N234低,而低結(jié)構(gòu)炭黑在確保胎面膠耐磨性能的同時(shí)可最大限度降低輪胎滾動(dòng)阻力;添加油料有利于提高胎面膠的加工性能,降低膠料混煉過(guò)程中的能量損耗。

        綜上所述,1#配方膠料的綜合性能較好。

        2.2 大配合試驗(yàn)

        大配合試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3可以看出,大配合試驗(yàn)結(jié)果與小配合試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。

        2.3 成品試驗(yàn)

        采用1#配方試制規(guī)格為295/75R22.5的低滾動(dòng)阻力試驗(yàn)輪胎,并對(duì)其進(jìn)行耐久性能和高速性能測(cè)試。

        耐久性試驗(yàn)條件如表4所示。試驗(yàn)結(jié)果為:試驗(yàn)結(jié)束時(shí)速度 90.3 km·h-1,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)負(fù)荷率 150%,通過(guò)試驗(yàn)階段 9,累計(jì)行駛時(shí)間 87.3 h,累計(jì)行駛里程 6 188.6 km,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎狀

        況 胎冠起鼓。

        表2 小配合試驗(yàn)結(jié)果

        表3 大配合試驗(yàn)結(jié)果

        表4 成品輪胎耐久性試驗(yàn)條件和結(jié)果

        高速性能試驗(yàn)條件如表5所示。試驗(yàn)結(jié)果為:試驗(yàn)結(jié)束時(shí)速度 120 km·h-1,達(dá)到試驗(yàn)階段 7,累計(jì)行駛時(shí)間 16.6 h,累計(jì)行駛里程 1 352 km,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)輪胎狀況 胎冠脫層。

        綜上可知,試驗(yàn)輪胎的耐久性能和高速性能非常優(yōu)異,達(dá)到我公司對(duì)低滾動(dòng)阻力輪胎胎面膠的技術(shù)要求。

        表5 成品輪胎高速性能試驗(yàn)條件和結(jié)果

        3 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)大小配合試驗(yàn),確定最優(yōu)低滾動(dòng)阻力胎面膠配方。按照最優(yōu)配方試制10條成品輪胎并隨機(jī)抽取4條送國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行低滾動(dòng)阻力試驗(yàn),抽檢輪胎全部通過(guò)有關(guān)美國(guó)輪胎法規(guī)對(duì)低滾動(dòng)阻力輪胎的技術(shù)要求,同時(shí)我公司順利拿到出口美國(guó)的SmartWay認(rèn)證證書。該配方輪胎在我公司通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證后現(xiàn)已進(jìn)入量產(chǎn)階段,其優(yōu)異的行駛性能和較低的生產(chǎn)成本給消費(fèi)者和企業(yè)帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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