張金云，劉肖英，鄧世濤，劉海超，譚 晶，楊衛(wèi)民*

(1.北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，北京100029；2.三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200；3.輪胎設(shè)計與制造工藝國家工程實驗室，山東 威海 264200)

0 前言

硫化是輪胎生產(chǎn)過程最后一道工序，其決定了產(chǎn)品外觀品質(zhì)與使用性能的優(yōu)劣。現(xiàn)行充氣輪胎硫化方法一般基于輪胎定型硫化機，利用膠囊與金屬外模相互配合對輪胎外形輪廓定型，蒸汽或過熱水通過膠囊及外模將硫化所需熱量和壓力間接傳遞至胎坯，在一定時間的熱壓作用后，膠料與硫化劑發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，由非牛頓流體變?yōu)榫哂辛⒔痪W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大分子體系的高彈性橡膠[1]，成品輪胎被賦予良好的力學(xué)性能和花紋圖案。

隨著汽車工業(yè)和輪胎工業(yè)的發(fā)展，具有大輪輞且扁平率低于40%的高性能輪胎、超高性能輪胎因良好的低滾阻和低噪聲而越來越受到關(guān)注[2]，而采用傳統(tǒng)輪胎硫化方法很難滿足此類輪胎高精密生產(chǎn)制造要求，由于依靠蒸汽壓力膨脹的高彈性、低剛性膠囊常因黏膠或內(nèi)壓波動而出現(xiàn)膨脹不徹底或結(jié)構(gòu)不對稱，使硫化輪胎質(zhì)量分布及幾何尺寸難以達(dá)到高度均勻狀態(tài)，導(dǎo)致輪胎動平衡均勻性不高，從而加速輪胎和車輛零件的不正常磨損，并嚴(yán)重影響輪胎的操縱性及高速行駛安全性。這對于速度級別一般在H級(210 km/h)以上的高性能輪胎來說尤為重要。因此采用現(xiàn)行硫化方法的輪胎大多需做鉛塊配重。

此外傳統(tǒng)輪胎硫化工藝一般采用飽和蒸汽加熱，輪胎需通過膠囊間接獲得硫化熱能。由于制作膠囊的橡膠為熱的不良導(dǎo)體，導(dǎo)致傳熱速度低，硫化周期長，能源消耗大。而且由于飽和蒸汽溫度與壓力的互鎖，而不能實現(xiàn)單一參數(shù)自由調(diào)節(jié)，導(dǎo)致無法同時獲取最佳硫化溫度與壓力。這就必須通過延長硫化時間來解決溫度適宜而壓力不足的問題，使生產(chǎn)效率嚴(yán)重降低。

為了降低硫化耗能，并打破溫度與壓力的相互制約，人們開發(fā)了基于等壓變溫原理的氮氣硫化工藝，即硫化開始時先向膠囊內(nèi)通入一段時間飽和蒸汽，之后改通氮氣一段時間后停止循環(huán)，依靠氮氣壓力與蒸汽的定量熱能完成硫化過程。雖然氮氣硫化工藝在節(jié)能方面有一定效果，但是仍存在問題。在向膠囊內(nèi)通入氮氣后蒸汽會因絕熱壓縮而聚集到膠囊上部，導(dǎo)致膠囊上下部位呈現(xiàn)溫差[3]，而隨著硫化過程進(jìn)行，蒸汽由于熱交換而部分冷凝沉積于膠囊底部，導(dǎo)致膠囊上下部位溫差進(jìn)一步增大，從而導(dǎo)致輪胎硫化不均。

本文提出一種適用于扁平率為40及以下高性能輪胎硫化的不同于傳統(tǒng)工藝路線的全新的輪胎直壓硫化技術(shù)[4]，目的是從根本上解決傳統(tǒng)輪胎硫化方法中存在的硫化定型精度低，耗能高，硫化效應(yīng)不對稱等主要問題，基于該硫化技術(shù)的成套關(guān)鍵工藝裝備被開發(fā)，并用于測試規(guī)格輪胎的試制及產(chǎn)品性能測試，結(jié)果在下文中示出。該技術(shù)為高端輪胎精密制造及節(jié)能硫化的開辟了新的途徑。

1 直壓硫化工藝裝備的研制

1.1 設(shè)計思想

高性能輪胎輪胎直壓硫化技術(shù)是利用可控伸縮金屬內(nèi)模替代軟體膠囊，憑借金屬模具高剛性及高結(jié)構(gòu)精度，強制使制品幾何尺寸高度均勻?qū)ΨQ，從而提高輪胎動平衡性和均勻性。同時硫化過程采用電磁感應(yīng)加熱方式，完全取代傳統(tǒng)蒸汽過熱水等熱媒加熱方式，金屬模具在高頻電流所產(chǎn)生的交變磁場中切割磁力線而自生熱，并將熱能高效地傳遞至胎坯，電磁感應(yīng)加熱線圈繞組采用對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠最大限度保證內(nèi)模上下部位溫度一致，防止輪胎硫化效應(yīng)不對稱。新硫化技術(shù)還打破了傳統(tǒng)硫化工藝中溫度與壓力的互鎖，實現(xiàn)了工藝參數(shù)的單項自由調(diào)節(jié)。

1.2 金屬內(nèi)模定型機構(gòu)

金屬硫化內(nèi)模在設(shè)計時應(yīng)滿足以下基本工藝要求[5]：(1)卸胎順利。內(nèi)模應(yīng)具有較大的伸縮比，其收縮后的外接圓直徑小于成品輪胎胎圈直徑。(2)輪廓尺寸精確。當(dāng)內(nèi)模完全脹開，相鄰?fù)邏K緊密貼合，在外形上組成一個完整的圓，圓的直徑等于成品輪胎內(nèi)腔直徑，而內(nèi)模軸向輪廓曲線則與輪胎內(nèi)輪廓曲線一致。(3)結(jié)構(gòu)合理。內(nèi)模伸縮時各構(gòu)件互不干涉，硫化時在膠料的高熱壓作用下其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不變形，構(gòu)件滿足強度要求。

試驗樣胎應(yīng)選擇扁平率低、胎圈口徑大的半鋼子午線輪胎，規(guī)格為255/30R22，由三角集團(tuán)提供，根據(jù)輪胎規(guī)格尺寸，據(jù)圖1示內(nèi)模設(shè)計需滿足的伸縮比(λ)為：

λ=R/r=674.5/553.35≈1.22

(1)

式中R——成品輪胎內(nèi)徑，mm

r——成品輪胎胎圈子口直徑,mm

圖1 內(nèi)模收縮示意圖Fig.1 Expanding and contracting state of the inner mold

內(nèi)模采用斜楔式結(jié)構(gòu)[6]，主要由楔形塊，支架和底座組成如圖2所示，支架與瓦塊緊固配合，楔形塊和底座通過滑動配合形式分別與支架連接。工作時，由于楔形塊相對寬、窄瓦塊的配合面具有不同的傾角α和β，使相鄰?fù)邏K在伸縮過程中產(chǎn)生速度差及位移差，從而實現(xiàn)模具徑向異步伸縮。

1—支架 2—楔形塊 3—底座圖2 斜楔式內(nèi)模結(jié)構(gòu)Fig.2 Wedge-shaped inner mold

內(nèi)模物理樣機如圖3示，(a)(b)分別為收縮和漲開狀態(tài)。瓦塊材料45號鋼，表面滲氮處理，其他構(gòu)件材料采用調(diào)質(zhì)40Cr鋼，內(nèi)模在最大膨脹狀態(tài)下相鄰?fù)邏K分型面間距不超過0.2 mm，軸向、徑向跳動公差應(yīng)不大于0.2 mm。為使內(nèi)模與輪胎便于分離，內(nèi)模表面粗糙度值不宜過低，此外，為保證硫化時內(nèi)模與輪胎內(nèi)腔之間氣體排凈，內(nèi)模表面開設(shè)排氣線，排氣線應(yīng)與內(nèi)模軸線成15 °～30 °[7]。

(a)收縮狀態(tài) (b)脹開狀態(tài)圖3 斜楔式內(nèi)模物理樣機Fig.3 Physical prototyping of the wedge-shaped inner mold

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的輪胎定型硫化機的合模力作用效果有2個：一是抵消由膠囊內(nèi)壓產(chǎn)生的垂直向上的一部分張模力[8]，二是要克服由膠囊內(nèi)壓產(chǎn)生沿輪胎直徑方向上的作用力。也就是說，對于采用膠囊定型方式的傳統(tǒng)輪胎硫化工藝，合模力的施加標(biāo)準(zhǔn)就是平衡來自輪胎內(nèi)腔硫化壓力，即膠囊內(nèi)壓。而對于直壓硫化工藝，膠囊結(jié)構(gòu)替換成金屬模具，傳統(tǒng)氣源間接加壓形式變?yōu)閮?nèi)模直接加壓形式，因此這就需要一個能夠鎖緊內(nèi)模以限制其位移的鎖模力。

圖4 內(nèi)外模獨立鎖模機構(gòu)Fig.4 Independent clamping mechanism of the inner and external molds

基于以上設(shè)計思想的輪胎直壓硫化機結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)機型最大的區(qū)別就是創(chuàng)新設(shè)計了內(nèi)、外模獨立鎖模機構(gòu)[9]，如圖4所示，外模鎖模力依靠兩側(cè)的油缸B施加，內(nèi)模鎖模力則依靠懸掛于橫梁下方的油缸A施加。具體工作原理是：當(dāng)施加外模鎖模力時，油缸B的無桿端進(jìn)油，由于上方閘塊的限位作用，油活塞桿固定不動，而油缸B推動上箱體一起向下運動實現(xiàn)加壓；當(dāng)內(nèi)模加壓時，油缸A的無桿端進(jìn)油，活塞桿通過向下推動導(dǎo)桿，間接對內(nèi)模施壓，而當(dāng)卸載時，活塞桿回縮，導(dǎo)桿在彈簧作用下復(fù)位。

直壓硫化技術(shù)采用B型中心機構(gòu)作為硫化內(nèi)模伸縮的驅(qū)動機構(gòu)，如圖5所示，當(dāng)下環(huán)油缸活塞桿運動，通過連接環(huán)帶動整個中心機構(gòu)整體升降，而當(dāng)上環(huán)油缸單獨運動時，下環(huán)不動，上環(huán)獨立升降。這種結(jié)構(gòu)較A型、C型中心機構(gòu)更符合硫化內(nèi)模伸縮動作要求。輪胎直壓硫化機包括主機、加熱系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、裝卸胎機械手及后排輥道，如圖6所示。

圖6 輪胎直壓硫化機Fig.6 Direct-pressure tire curing machine

1.3 電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)

內(nèi)模電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)[10]主要由瓦塊、線圈繞組、導(dǎo)磁體組成，每一塊瓦塊背部固定一組電磁線圈，電磁線圈拆分成兩段左右對稱布置，每段線圈中內(nèi)置導(dǎo)磁體，如圖7所示。

工作時，通入線圈繞組的高頻電流產(chǎn)生高頻交變磁場，交變磁力線穿過瓦塊形成閉合回路，金屬瓦塊表面產(chǎn)生無數(shù)渦電流，由于渦流的熱效應(yīng)，使得模具自行高速生熱，如圖8所示。導(dǎo)磁體的作用[11]一是通過控制磁通方向，使瓦塊端部也能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并產(chǎn)生渦流，從而保證內(nèi)模兩側(cè)端部與冠部溫升趨于同步，二是可以對內(nèi)模底座、導(dǎo)引機構(gòu)等部件起到屏蔽作用，防止受到磁場中逸散的磁力線影響而被加熱，不僅提高了能量消耗，而且還可能導(dǎo)致部件長時間過熱而無法正常工作。

(a)設(shè)計方案 (b)實物圖圖7 內(nèi)模電磁感應(yīng)加熱裝置Fig.7 Electromagnetic induction heating device for the inner mold

圖9 內(nèi)模電磁感應(yīng)加熱控制系統(tǒng)Fig.9 Control system of electromagnetic induction heating method for the inner mold

圖8 內(nèi)模磁力線分布圖Fig.8 Distribution of magnetic lines for the inner mold

在內(nèi)模電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)中，如果所有電磁線圈同時工作，相鄰高頻磁場會因為距離太近而相互干擾，導(dǎo)致加熱異常。為避免這種現(xiàn)象，采用雙路循環(huán)加熱方式，如圖9所示，寬瓦電磁線圈L1與窄瓦電磁線圈L2接入同一臺控制器，埋設(shè)于寬瓦內(nèi)部熱電偶TC1和窄瓦內(nèi)部熱電偶TC2將瓦塊溫度實時反饋至溫控模塊，當(dāng)窄瓦與寬瓦的溫度均未達(dá)到設(shè)定溫度時，PLC中央處理器根據(jù)實際溫度值，經(jīng)過PID指令運算后將延時交替信號送入輸出模塊，輸出模塊通過中間繼電器K1和K2控制電磁線圈L1和L2交替循環(huán)工作，從而避免兩組線圈在同時工作時因為距離過近而相互干擾。每個加熱控制器功率為3 kW，額定電流5 A，線圈繞組電感量120 μH。

2 產(chǎn)品性能

2.1 硫化測溫

通過在輪胎內(nèi)埋設(shè)熱電偶來監(jiān)測輪胎內(nèi)不同部位硫化溫升歷程，并對比新硫化工藝與傳統(tǒng)硫化工藝對輪胎硫化過程的不同影響。測溫點分布如圖10所示和表1所示。

圖10 輪胎測溫點(1#～11#)分布Fig.10 Distribution of tire thermometric points(1#～11#)

表1 測溫點說明Tab.1 Description of the thermometric points

■—傳統(tǒng)硫化工藝 ●—直壓硫化工藝(a)10# (b)8# (c)2#圖11 10#、8#和2#測溫點升溫曲線Fig.11 Temperature-rising curves at 10#，8# and 2#

如圖11所示對比輪胎中最難硫化的3個部位10#、8#、2#點的溫升歷程可知，采用電磁感應(yīng)加熱直壓硫化工藝的3個位置升溫速度明顯高于傳統(tǒng)硫化工藝條件下溫升速度，而且到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)下的溫度比傳統(tǒng)工藝高，說明基于高導(dǎo)熱金屬內(nèi)模的電磁感應(yīng)加熱直壓硫化工藝能夠顯著提高硫化傳熱速度和熱能利用率，使輪胎能夠更快達(dá)到工藝正硫化時間(t90)。而且在傳統(tǒng)硫化工藝中，當(dāng)硫化結(jié)束后，膠囊需被抽真空，以便于卸胎，此時膠囊溫度迅速下降，直到下一條輪胎開始硫化。膠囊被充入的高溫蒸汽重新加熱，這會降低硫化效率，而采用新工藝，當(dāng)卸胎時金屬內(nèi)模可保持恒定的硫化工藝溫度而不需降溫，使得模內(nèi)硫化周期大幅縮短。

輪胎上下部位膠料硫化效應(yīng)的一致性是評價輪胎硫化效果好壞的一項重要標(biāo)準(zhǔn)，如果硫化效應(yīng)不對稱，則其中一側(cè)欠硫或過硫，都會影響輪胎性能和使用壽命。在不同硫化工藝條件下，2組輪胎內(nèi)部對稱測溫點溫差曲線如圖12所示，從圖可以看出，采用氮氣硫化工藝，膠囊表面上下對稱部位3#點和4#點在初始階段溫差為8 ℃，隨著硫化過程進(jìn)行，溫差增大至10 ℃，而上下膠芯內(nèi)部2#點和5#點最大溫差為12 ℃，采用金屬內(nèi)模定型的電磁感應(yīng)加熱直壓硫化工藝，3#點和4#點溫差縮減至3 ℃，2#點和5#點溫差也縮減至5 ℃，可見采用新工藝能夠極大程度降低輪胎上下部位溫差，從而改善輪胎硫化效果，如果進(jìn)一步優(yōu)化線圈分布結(jié)構(gòu)及電參數(shù)，可望徹底消除溫差。

■—傳統(tǒng)硫化工藝 ●—直壓硫化工藝(a)2#/5# (b)3#/4#圖12 2#/5#和3#/4#測溫點溫差曲線Fig.12 Temperature-difference curves at 2#/5# and 3#/4#

2.2 物理性能

輪胎力學(xué)性能主要表現(xiàn)于膠料的彈性、黏彈性、強度、老化和磨損等方面，其中彈性行為、拉伸強度、黏彈性行為等是影響輪胎承載能力、舒適度、滾動阻力、耐磨性等性能的決定因素[12]。

膠料的彈性行為主要以硬度來表征，硬度高說明膠料抵抗外力作用下的形變量小。由表2可以看到，在相同的硫化溫度條件下，采用直壓硫化工藝的胎面膠硬度較標(biāo)準(zhǔn)胎略有提升，胎側(cè)膠硬度則提高10.6 %，表明硫化時高剛性金屬內(nèi)模為胎側(cè)部位提供的直接壓力要比高彈性膠囊部件為胎側(cè)提供的間接壓力要大，使得該部位膠料得交聯(lián)程度明顯提升。

表2 硫化膠硬度對比Tab.2 Hardness comparison of the vulcanized rubber

新型硫化工藝同樣影響輪胎膠料強度，表3的測試結(jié)果顯示，在相同硫化溫度條件下，采用直壓硫化工藝胎側(cè)膠的拉伸強度相比傳統(tǒng)工藝提升25.54 %，300 %定伸應(yīng)力相比傳統(tǒng)工藝提升20.45 %，充分說明金屬模具直接加壓方式能夠明顯改善橡膠與填料之間的相互作用及膠料的交聯(lián)密度，從而使得硫化膠物理性能大幅提升。

表3 胎側(cè)膠強度對比Tab.3 Strength comparison of the sidewall rubber

2.3 動平衡和均勻性

圖13 輪胎動不平衡示意圖Fig.13 Schematic diagram of tire dynamic imbalance

動不平衡性是指輪胎直徑方向和斷面方向上對稱部位質(zhì)量不相等，表現(xiàn)為輪胎的主慣性軸和輪胎的旋轉(zhuǎn)軸成一定角度如圖13所示。動不平衡的輪胎旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生一對離心力偶，以致輪胎轉(zhuǎn)動過程中出現(xiàn)抖動，并且抖動程度隨速度增大而顯著增大，嚴(yán)重影響舒適性，并加速輪胎和車輛零件的不正常磨損。

動不平衡的評價指標(biāo)一般采用校正面不平衡質(zhì)量，校正面指供平衡配重用的輪胎兩側(cè)對稱的2個旋轉(zhuǎn)平面，當(dāng)輪胎呈水平姿態(tài)分上校正平面和下校正平面，同一校正平面上的靜不平衡質(zhì)量(ms)和力偶不平衡質(zhì)量(mc)合成該校正面不平衡質(zhì)量(mu)，如圖14所示。

圖14 校正面不平衡質(zhì)量示意圖Fig.14 Schematic diagram of correction plane imbalance mass

按國家標(biāo)準(zhǔn)分別對傳統(tǒng)硫化工藝及直壓硫化工藝條件下的批量樣胎進(jìn)行測試比對，結(jié)果取均值后如表所示，基于內(nèi)模直壓硫化工藝制作的樣胎動不平衡度較標(biāo)準(zhǔn)胎降低22.52 %，說明采用高剛性金屬內(nèi)模的直壓硫化方式較高彈性膠囊間接加壓方式能更好地改善胎坯在硫化過程中的質(zhì)量分布，提高成品輪胎的質(zhì)量均勻性。

表4 基于不同硫化工藝的成品胎動不平衡度對比Tab.4 Dynamic imbalance comparison of finished tire based on different curing process

不均勻性一般指輪胎力的不均勻性，與動平衡性不同，它只有在輪胎受外力作用時才能測定，輪胎在旋轉(zhuǎn)時所測量的力的變化不僅僅取決于力的不均勻性，同時也反應(yīng)了幾何尺寸的不均勻性。均勻性試驗是檢驗輪胎質(zhì)量精度的一項重要指標(biāo)，輪胎企業(yè)普遍關(guān)注的檢測項目包括：徑向力波動、徑向力波動、側(cè)向力偏移、錐度效應(yīng)和角度效應(yīng)。

分別對傳統(tǒng)硫化工藝及直壓硫化工藝條件下的批量樣胎進(jìn)行抽檢測試，結(jié)果取平均值后如表5所示，基于內(nèi)模直壓硫化工藝的樣胎的五項檢測值均比傳統(tǒng)硫化工藝制作的標(biāo)準(zhǔn)胎要低，其中徑向力波動降低約20 %，徑向力波動值降低約44 %，側(cè)向力偏移值降低約18 %，角度效應(yīng)值降低約66.7 %，錐度效應(yīng)值降低約18 %，說明高剛性金屬內(nèi)模加壓方式相比傳統(tǒng)膠囊加壓方式能夠提高輪胎幾何尺寸對稱度及均勻性，降低輪胎的徑向力波動及橫向力波動，從而提高輪胎成品均勻性。

表5 輪胎均勻性檢測結(jié)果對比Tab.5 Comparison of test results on tire uniformity

2.4 能耗分析

已知采用傳統(tǒng)硫化方式生產(chǎn)的半鋼子午線輪胎，每千克輪胎消耗蒸汽量約1.9 kg，以255/30R22規(guī)格輪胎為例，輪胎質(zhì)量13.944 kg，則單胎消耗蒸汽量約26.5 kg；而采用電磁感應(yīng)加熱硫化工藝，測得平均每條輪胎消耗電力3.72 kW·h，根據(jù)《GB 29449—2012輪胎單位產(chǎn)品能源消耗限額》規(guī)定，蒸汽按折標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)0.128 6千克標(biāo)準(zhǔn)煤/千克，電力折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)按等價值1.229噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬千瓦時計算，則2種硫化工藝條件下每條輪胎消耗標(biāo)煤量分別是：3.4 kg和0.46 kg，如表6所示，即采用電磁感應(yīng)加熱硫化工藝，單胎硫化耗能較傳統(tǒng)工藝節(jié)約86 %。

表6 255/30R22規(guī)格輪胎單胎硫化能耗對比(單位：千克標(biāo)準(zhǔn)煤)Tab.6 Energy consumption comparison for the standard tire of 255/30 R22(Unit: kg standard coal)

3 結(jié)論

(1)基于金屬內(nèi)模定型的電磁感應(yīng)加熱方式能夠提高硫化傳熱速度，從而提高硫化效率。并能夠大幅降低輪胎上下對稱部位的溫差，提高輪胎硫化效果;

(2)直壓硫化工藝能夠提高胎側(cè)膠的交聯(lián)度，從而改善胎側(cè)胎側(cè)膠的力學(xué)性能，相比傳統(tǒng)硫化工藝，胎側(cè)膠硬度則提高10.6 %，拉伸強度提升25.54 %，300 %定伸應(yīng)力相比傳統(tǒng)工藝提升20.45 %;

(3)硫化過程中，采用金屬模具定型相比膠囊能夠顯著提高成品輪胎幾何尺寸及質(zhì)量分布的均勻性，輪胎動不平衡度較傳統(tǒng)硫化工藝降低22.52 %，徑向力波動降低約20 %，徑向力波動值降低約44%;

(4)采用電磁感應(yīng)加熱方式，金屬內(nèi)模高速自生熱，并能夠?qū)a(chǎn)生的熱能高效地直接向硫化胎坯傳遞，不同于傳統(tǒng)硫化工藝，蒸汽在管路循環(huán)中熱能耗散嚴(yán)重，通過測算，采用單胎硫化耗能較傳統(tǒng)工藝節(jié)約86 %。

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