吳 畏，伍先安，楊衛(wèi)民，安 瑛，譚 晶*

（1.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2.輪胎設(shè)計與制造工藝國家工程實驗室，山東 威海 264200）

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著汽車工業(yè)和航空工業(yè)的高速發(fā)展，對輪胎的性能有了更高的要求，而硫化作為輪胎生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對輪胎產(chǎn)品性能起重要作用[1]。

輪胎硫化工藝目前已達(dá)到相當(dāng)高的水平，硫化介質(zhì)從蒸汽/過熱水向氮氣發(fā)展，采用的硫化膠囊具有高導(dǎo)熱性能，甚至有些企業(yè)提出不再使用膠囊進(jìn)行硫化。輪胎硫化機(jī)經(jīng)歷數(shù)十年的發(fā)展，液壓式硫化機(jī)已成為主角[2-3]。

1 輪胎硫化設(shè)備

硫化機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段，從最初的立式水壓輪胎硫化罐到個體硫化機(jī)再到現(xiàn)在的輪胎定型硫化機(jī)。立式水壓硫化罐在國外起源于19世紀(jì)，主要用于生產(chǎn)斜交輪胎；而國內(nèi)則在20世紀(jì)50年代從前蘇聯(lián)引入，當(dāng)時的設(shè)計依據(jù)僅是前蘇聯(lián)留下的一些技術(shù)資料。

20世紀(jì)30年代，普通個體硫化機(jī)在英、美等國家問世，50年代出口到我國，我國為援緬工程曾設(shè)計過幾十臺1 143 mm（45英寸）個體硫化機(jī)。該硫化機(jī)采用曲柄連桿式機(jī)構(gòu)，其最大的問題是硫化過程中不能直接實現(xiàn)裝卸胎、定型、開模/脫模、加壓鎖模、硫化等操作，與立式水壓硫化罐相比沒有明顯的優(yōu)越性[4]。

隨著工業(yè)的發(fā)展和子午線輪胎的應(yīng)用，德、美等國家在20世紀(jì)50年代推出了輪胎定型硫化機(jī)，并仍采用曲柄連桿式結(jié)構(gòu)。相比原來的普通個體硫化機(jī)，最大的突破在于在機(jī)架中設(shè)置了中心機(jī)構(gòu)，可在一臺設(shè)備上實現(xiàn)硫化裝胎、定型、鎖模、開模與卸胎等操作自動化。輪胎定型硫化機(jī)的出現(xiàn)是輪胎硫化工藝和設(shè)備的一次革命，不僅提高了硫化質(zhì)量，也實現(xiàn)了多機(jī)合一、多工序合一和自動化生產(chǎn)[5]。

20世紀(jì)80年代初，液壓定型硫化機(jī)應(yīng)運而生，先后由德、美等國家推出。液壓式硫化機(jī)采用柱塞-油缸式的中心結(jié)構(gòu)，相比機(jī)械式硫化機(jī)，它的機(jī)架結(jié)構(gòu)緊湊，受力均勻，具有良好的對中性，運動平穩(wěn)、操作簡單，硫化出的輪胎質(zhì)量普遍較高；硫化效率和模具精度高，使用壽命長[6]，十分適用于硫化子午線輪胎。目前，國外具有代表性的輪胎定型硫化機(jī)有美國McNeil公司的B型硫化機(jī)、NRM公司的A型硫化機(jī)、德國克虜伯和Herbert的液壓傳動型硫化機(jī)[7]。液壓式硫化機(jī)已在發(fā)達(dá)國家全面推廣，輪胎硫化機(jī)進(jìn)入液壓時代[8]。

我國由于起步較晚、前期受國外技術(shù)限制，對輪胎定型硫化機(jī)的研究耗費了大量人力物力，發(fā)展過程尤為曲折。改革開放以后，以上海大中華橡膠廠、上海正泰橡膠廠和桂林橡膠機(jī)械廠等為代表的廠家開始從日本引進(jìn)機(jī)械式輪胎定型硫化機(jī)，通過消化吸收國外技術(shù)，直到20世紀(jì)90年代設(shè)計并生產(chǎn)的有自主知識產(chǎn)權(quán)的機(jī)械式硫化機(jī)才基本滿足生產(chǎn)要求[9-10]。國內(nèi)正在使用的機(jī)械式硫化機(jī)主要有以下幾種：曲柄連桿式、垂直翻轉(zhuǎn)式、垂直平移式和垂直升降式。

湛江機(jī)械廠和益陽橡塑機(jī)械廠分別于1992和1995年引進(jìn)三菱重工的PC-X43R300-R1B型液壓輪胎定型硫化機(jī)和日本神戶制鋼公司的CUEX-51系列液壓輪胎定型硫化機(jī)，此后，國內(nèi)對使用液壓式硫化機(jī)的優(yōu)越性才有了共識。國內(nèi)許多企業(yè)也紛紛加入液壓硫化機(jī)的開發(fā)生產(chǎn)，目前已有數(shù)十家企業(yè)擁有生產(chǎn)液壓硫化機(jī)的能力，并且出口到國外幾家著名輪胎企業(yè)。毫無疑問，液壓硫化機(jī)將成為輪胎硫化設(shè)備的主流產(chǎn)品[11-12]。

盡管如此，在過去的幾十年，機(jī)械式硫化機(jī)一直是國內(nèi)輪胎廠的主流設(shè)備，通過改進(jìn)大大提高其精度，輪胎的硫化質(zhì)量基本能達(dá)到要求。而液壓硫化機(jī)配套部件大多需要進(jìn)口，成本較高，國內(nèi)輪胎廠并未完全進(jìn)行更新?lián)Q代，在淘汰部分機(jī)械式硫化機(jī)的情況下，也引進(jìn)了一些液壓硫化機(jī)，多引進(jìn)自克虜伯公司。雖然我國液壓硫化機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)已接近世界水平，但是在國內(nèi)輪胎廠的全面推廣還需要一定的時間[13]。

青島科技大學(xué)呂柏源教授在21世紀(jì)初提出了自己構(gòu)思了30多年的一種新結(jié)構(gòu)輪胎定型硫化機(jī)——電動螺旋輪胎定型硫化機(jī)[14]。該硫化機(jī)為框架式結(jié)構(gòu)，在框架頂部設(shè)有電動傳動系統(tǒng)，并與螺旋副連接，螺旋副帶動上模開合模及鎖模，如圖1所示。設(shè)備運行平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊。與傳統(tǒng)機(jī)械式輪胎定型硫化機(jī)相比，該硫化機(jī)可節(jié)省鋼材40%～50%，減少占地面積20%，開發(fā)潛力很大，但螺旋副開合模速度慢，影響生產(chǎn)效率[15]。

圖1 電動螺旋輪胎定型硫化機(jī)

2 輪胎硫化工藝

硫化工藝對輪胎質(zhì)量有直接影響。事實上，硫化工藝的研究與硫化機(jī)的發(fā)展是相輔相成的。國內(nèi)外對硫化工藝進(jìn)行了不斷的探索，輪胎硫化機(jī)在整個輪胎生產(chǎn)過程中作為主要耗能設(shè)備，減少能耗、提高使用性能的研究也不容忽視[16-18]。

從技術(shù)條件來說，硫化工藝最初使用的是等溫等壓硫化。等溫等壓硫化過程中溫度和壓力一直保持穩(wěn)定值，這種方法能耗高，能源利用率低，并且由于正硫化時間長，容易造成過硫化。之后發(fā)展為等壓變溫硫化。相比等溫硫化，其外模開始加熱溫度更高，保持一段時間后再降至與等溫硫化外模相同的溫度至硫化結(jié)束。硫化初始階段溫度較高可強(qiáng)化傳熱，實現(xiàn)內(nèi)部快速升溫，能有效縮短硫化時間；后期降溫又可提高硫化均勻性。目前等壓變溫硫化已被國內(nèi)外全面采用。

從硫化介質(zhì)來說，硫化工藝經(jīng)歷了以下幾個階段：過熱水硫化、蒸汽/過熱水硫化、蒸汽硫化、蒸汽/氮氣硫化。過熱水硫化方式需要通入一定壓力的過熱水，在穩(wěn)定的壓力和溫度下保持不間斷流動，該過程需要消耗大量能量，但只有很小一部分被吸收，硫化時間長、能源利用率極低。而蒸汽/過熱水硫化時，先通入高溫蒸汽，使膠囊快速升溫，再通入一定壓力的過熱水。該工藝內(nèi)壓較高、介質(zhì)穩(wěn)定，輪胎硫化質(zhì)量較高。缺點與過熱水硫化相同，硫化溫度低、硫化時間長，能源利用率稍好于過熱水硫化。蒸汽硫化能實現(xiàn)較高的硫化溫度，生產(chǎn)效率和能源利用率均得到提高。但蒸汽壓力偏低，輪胎質(zhì)量難以保證。鑒于此，蒸汽/氮氣硫化工藝應(yīng)運而生，其開始階段與蒸汽硫化相同，通入高溫高壓飽和蒸汽，保持一段時間后再通入壓力更高的氮氣，保持穩(wěn)定直至硫化結(jié)束。相比蒸汽硫化，該工藝不僅保留硫化溫度高的特點，還提高了硫化壓力，硫化時間縮短10%～20%，能耗降低60%，更提高了輪胎質(zhì)量[19]。目前蒸汽/氮氣硫化已被很多輪胎廠家采用。

除此之外，還有一些新型硫化方式，如采用惰性氣體或者輻射硫化等。輻射硫化是選用γ射線或電子束對橡膠進(jìn)行輻射交聯(lián)，并且均勻地穿透整個產(chǎn)品，形成均勻的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在常溫下即可完成硫化，硫化產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定[20-22]。電加熱、電磁感應(yīng)加熱也是新興的加熱方式，這些新型的硫化方式均具有節(jié)能、無污染和效率高的特點[23]。

從內(nèi)加熱工具來說，從傳統(tǒng)的水胎發(fā)展到膠囊，膠囊硫化操作更簡便、自動化程度高，而且傳熱快、縮短了硫化時間，使用壽命更長。這些年硫化膠囊也得到了充分的發(fā)展，通過改變膠囊的制作工藝和膠料配方等方式，提高了膠囊的導(dǎo)熱效率，使用壽命也從最初的一兩百次提高到了五六百次。盡管如此，膠囊的壽命終歸有限，作為柔性體所提供的壓力較低也影響了輪胎質(zhì)量，從而局限了膠囊硫化的發(fā)展。因此，采用某種方式取代膠囊的作用，不僅可以節(jié)約大量優(yōu)質(zhì)膠料，也能簡化硫化機(jī)結(jié)構(gòu)和操作工序，目前已成為研究重點[24-25]。例如，輪胎無膠囊定型硫化工藝就是一個新的研究方向，該工藝的特點基于現(xiàn)有的輪胎硫化機(jī)，將中心機(jī)構(gòu)上的膠囊替代為上下輪緣嚙合機(jī)構(gòu)。輪胎硫化時，上下輪緣嚙合機(jī)構(gòu)夾緊胎坯輪緣，輪胎內(nèi)腔采用氮氣硫化，直接向預(yù)硫化氣密層內(nèi)通入介質(zhì)，輔以電磁感應(yīng)加熱外模，取代傳統(tǒng)過熱水或蒸汽傳熱介質(zhì)。國內(nèi)北京化工大學(xué)和桂林橡膠設(shè)計院都在對無膠囊定型硫化工藝進(jìn)行研究[26]。

不用膠囊而直接向胎坯充入介質(zhì)硫化輪胎的方法很早之前就已提出，但因技術(shù)缺陷影響輪胎硫化的質(zhì)量，且內(nèi)表面也不夠光滑平坦，故一直未應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。主要原因是當(dāng)時的硫化工藝仍采用蒸汽/過熱水作為硫化介質(zhì)，直接將其通入胎坯會導(dǎo)致水汽透過，這就要求在胎坯內(nèi)表面增加1.5 mm厚的密封膠層，使優(yōu)質(zhì)膠料的消耗量比使用膠囊還高出幾倍；由于沒有膠囊，在固定夾緊胎坯時，輪緣易受壓變形影響硫化質(zhì)量。

然而，在現(xiàn)在的硫化工藝中，氮氣取代蒸汽/過熱水作為硫化介質(zhì)，因此就不需要在胎坯內(nèi)表面增加密封膠層，并且在成型階段預(yù)硫化定型的胎坯進(jìn)入硫化過程時也不會由于夾緊而使輪緣變形嚴(yán)重，再輔以電磁感應(yīng)加熱外模具，可提高加熱效率，節(jié)能環(huán)保。

國內(nèi)外輪胎企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)已提出使用高剛性的內(nèi)模具來替代膠囊，高剛性結(jié)構(gòu)的內(nèi)模具能提供更高的硫化壓力，適用于高性能的子午線輪胎硫化。如倍耐力MIRS技術(shù)、住友橡膠提出的NEO-T01技術(shù)、北京化工大學(xué)的直壓硫化技術(shù)和福建華橡自控技術(shù)股份有限（以下簡稱華橡自控）提出的ABCD技術(shù)等。米其林公司也對采用剛性內(nèi)模具取代膠囊硫化進(jìn)行了研究，但是相關(guān)技術(shù)并未公開。

3 輪胎硫化設(shè)備及工藝的最新發(fā)展

自21世紀(jì)初開始，國外幾家著名輪胎企業(yè)對輪胎制造工藝研究的重心已不在傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，而是致力于自動化生產(chǎn)系統(tǒng)。具有代表性的有大陸MMP技術(shù)、固特異IMPACT技術(shù)、普利司通ACTAS技術(shù)、倍耐力MIRS技術(shù)和米其林C3M技術(shù)等[27-29]。其中MMP技術(shù)、IMPACT技術(shù)和ACTAS技術(shù)等仍采用膠囊傳熱，基本都采用氮氣硫化方式[30-31]。而米其林C3M技術(shù)的區(qū)別在于胎坯在成型過程中即被始終處于加熱狀態(tài)的成型鼓預(yù)硫化，硫化開始前即定型[32]。在硫化工序中采用電加熱方式，摒棄了復(fù)雜的管路，同時更節(jié)能環(huán)保[33-34]。

3.1 倍耐力MIRS技術(shù)

倍耐力MIRS技術(shù)[28，35-37]是積木式集成自動化系統(tǒng)（Modular Integrated Robotized System）。該自動化系統(tǒng)涉及整個生產(chǎn)過程。MIRS技術(shù)只有3道工序：預(yù)制、成型和硫化，因此具有高靈活性、精度和質(zhì)量，同時大大節(jié)省工作時間，提高了工作效率[38]。

MIRS技術(shù)中的硫化工藝與傳統(tǒng)硫化工藝有很大區(qū)別，該系統(tǒng)不再需要膠囊，用胎坯氣密層代替膠囊進(jìn)行硫化，工藝設(shè)備如圖2所示。

圖2 MIRS技術(shù)工藝設(shè)備

在MIRS系統(tǒng)中，輪胎成型機(jī)工作的同時，轉(zhuǎn)盤式的硫化機(jī)組跟隨同步旋轉(zhuǎn)工作，在預(yù)熱的成型鼓上胎坯被預(yù)硫化，胎坯和成型鼓從成型機(jī)上脫離，一起放入硫化機(jī)內(nèi)進(jìn)行硫化；高壓氮氣通入成型鼓腔內(nèi)，氮氣通過鼓壁的通氣孔逸出到鼓面，胎坯脹大，使胎坯脫離成型鼓面并緊貼在花紋塊內(nèi)壁；高壓氮氣提供硫化所需的壓力，膠囊的作用被已預(yù)硫化的胎坯氣密層取代。與傳統(tǒng)硫化工藝一樣，該技術(shù)仍采用蒸汽加熱。硫化完成后，將輪胎連同成型鼓一起取出，成型鼓收縮后，即可取出成品輪胎。而成型鼓則直接送回成型工序繼續(xù) 使用[39]。

3.2 住友橡膠NEO-T01技術(shù)

住友橡膠從20世紀(jì)末開始著手新工藝的研發(fā)工作，自2008年開始啟動新工藝研發(fā)項目“NEO-T01”，目前已研發(fā)成功[40]。

NEO-T01技術(shù)主要有3項關(guān)鍵改進(jìn)：金屬芯工藝、全自動連接控制和高剛性構(gòu)造。金屬芯工藝是其最關(guān)鍵技術(shù)，如圖3所示，輪胎從成型到硫化的生產(chǎn)過程都是在與成品輪胎內(nèi)側(cè)尺寸相符的高剛度金屬芯上進(jìn)行，計算機(jī)系統(tǒng)控制整個生產(chǎn)和加工全過程，部件精度達(dá)到0.01 mm。金屬芯工藝實現(xiàn)了成型和硫化的一體化操作，硫化過程中不再需要膠囊，簡化了操作工序，大量節(jié)約制造膠囊的優(yōu)質(zhì)膠料。而高剛性構(gòu)造保證硫化壓力，使輪胎的高速均勻性和動平衡性能得到提升。

圖3 NEO-T01的金屬芯

3.3 輪胎直壓硫化技術(shù)

為提高國內(nèi)輪胎企業(yè)的自主創(chuàng)新能力，推動我國輪胎工業(yè)技術(shù)進(jìn)步，自2013年起，北京化工大學(xué)聯(lián)合三角集團(tuán)有限公司共同開展了高性能低斷面輪胎直壓硫化技術(shù)的研究。輪胎直壓硫化樣機(jī)如圖4所示，該技術(shù)利用自主研制的高剛性內(nèi)模具，取代B型中心機(jī)構(gòu)上的硫化膠囊，內(nèi)模具在連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下可實現(xiàn)大幅徑向漲縮，以滿足裝卸胎的需要。輪胎直壓硫化技術(shù)的另一大亮點是內(nèi)模具采用電磁感應(yīng)加熱，從而省去了蒸汽、過熱水等傳統(tǒng)導(dǎo)熱介質(zhì)，實現(xiàn)了輪胎的“綠色制造”。試驗證明，硫化壓力可提高25%，輪胎動平衡性和均勻性提高30%，節(jié)能40%，可顯著改善膠料在熔融狀態(tài)下的流動分布[41-42]。

圖4 輪胎直壓硫化樣機(jī)

輪胎直壓硫化技術(shù)的第二代產(chǎn)品采用新一代導(dǎo)軌式內(nèi)模具，結(jié)構(gòu)如圖5所示，相比第一代連桿式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，強(qiáng)度和精度更高[43-45]。內(nèi)外模均采用電磁感應(yīng)加熱的新結(jié)構(gòu)輪胎直壓硫化機(jī)實現(xiàn)了硫化壓力和硫化溫度的分離控制。

圖5 輪胎直壓硫化機(jī)新一代直壓機(jī)構(gòu)

3.4 ABCD技術(shù)

華橡自控在2011年提出了ABCD技術(shù)，即隨行成型鼓（Accompanying Building & Center Drum）技術(shù)[46]。該技術(shù)與倍耐力的MIRS技術(shù)有相似之處，二者均采用隨行成型鼓取代胎體成型的軟體機(jī)構(gòu)和硫化成型的中心膠囊，使胎體成型與硫化全過程均在隨行成型鼓上進(jìn)行，保證尺寸和輪廓的準(zhǔn)確性，并且采用電磁感應(yīng)加熱的電熱油作為加熱介質(zhì)，這點與MIRS技術(shù)有所不同。

4 總結(jié)與展望

硫化設(shè)備和工藝的研究與輪胎的快速發(fā)展密不可分?，F(xiàn)階段液壓硫化機(jī)已成為發(fā)展趨勢，隨著我國輪胎工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)也將逐步進(jìn)入液壓時代。目前，我國液壓硫化機(jī)的研制和生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)完全可以滿足國外著名輪胎企業(yè)對輪胎硫化的要求，這對國內(nèi)橡機(jī)廠進(jìn)入全球市場、擴(kuò)大自身影響力是一個良好的發(fā)展機(jī)遇。

與此同時，國內(nèi)外對硫化工藝的創(chuàng)新發(fā)展也進(jìn)行了大量研究，主要以節(jié)能、高效、高性能為發(fā)展方向，在目前蒸汽/氮氣硫化得到普遍認(rèn)可的情況下，電加熱或電磁感應(yīng)加熱也提供了一種新思路。而摒棄膠囊的使用或者以高剛性金屬結(jié)構(gòu)代替膠囊則成為研究熱點。我國的輪胎硫化工藝經(jīng)過近些年的發(fā)展，與發(fā)達(dá)國家的技術(shù)差距正在不斷縮小，但要完全打破國外的技術(shù)封鎖，大力提倡自主創(chuàng)新顯得尤為重要。新技術(shù)的研究對國內(nèi)外輪胎工業(yè)的進(jìn)步都具有重要的推動作用。

隨著目前國外許多概念輪胎制造技術(shù)的興起，未來的輪胎制造將朝著全自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。