王培濱，柯增光，郭念貴，趙年鵬，劉應(yīng)軍，王愛(ài)萍

（1.三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200；2.江蘇興達(dá)鋼簾線股份有限公司，江蘇 泰州 225721）

交通運(yùn)輸對(duì)全球氣候變暖影響巨大，溫室氣體排放的20%來(lái)自陸地運(yùn)輸，其中20%～30%來(lái)自輪胎[1]。具有低燃油消耗、低滾動(dòng)阻力、高安全性能、長(zhǎng)使用壽命和可翻新性等突出特性的綠色輪胎已成為全球輪胎行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[2-5]。隨著碳達(dá)峰、碳中和等相關(guān)政策的陸續(xù)出臺(tái)更刺激了輪胎企業(yè)對(duì)綠色輪胎的開(kāi)發(fā)研究。

輪胎作為汽車與地面接觸的唯一部件，其質(zhì)量對(duì)汽車的燃油消耗影響較大。載重子午線輪胎中鋼絲簾線的質(zhì)量占比達(dá)到20%左右，其對(duì)輪胎的質(zhì)量、安全性能、燃油消耗、使用壽命和可翻新性等方面起到重要的作用。更高強(qiáng)度的鋼絲簾線可以在滿足簾布強(qiáng)度的情況下，減小鋼絲簾線用量和簾布質(zhì)量，進(jìn)而減小輪胎質(zhì)量和滾動(dòng)阻力，實(shí)現(xiàn)減少燃油消耗和二氧化碳排放。使用更高強(qiáng)度的鋼絲簾線成為制造低滾動(dòng)阻力和輕量化輪胎的首要考慮方法，也是實(shí)現(xiàn)輪胎產(chǎn)業(yè)升級(jí)的必由之路。

本工作研究4＋3×0.33ST鋼絲簾線替代傳統(tǒng)3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線在全鋼載重子午線輪胎帶束層中的應(yīng)用，重點(diǎn)探討其壓延工藝。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

4＋3×0.33ST和3×0.20＋6× 0.35HT鋼絲簾線，江蘇興達(dá)鋼簾線股份有限公司產(chǎn)品。

1.2 主要設(shè)備和儀器

CG4/610X1730-S型壓延機(jī)，意大利魯?shù)婪蚬井a(chǎn)品；CM-G3800-5型裁斷機(jī)，德國(guó)Fisher公司產(chǎn)品；XLB-Q型平板硫化機(jī)、三輥彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)和滲透檢測(cè)儀，江蘇興達(dá)鋼簾線股份有限公司自行研制；2000-C型體式顯微鏡，德國(guó)蔡司公司產(chǎn)品；150-E型雙向擺式V-5剛度儀，美國(guó)Taber公司產(chǎn)品；ZBC7550-2型塑料擺錘沖擊試驗(yàn)儀，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司產(chǎn)品。

1.3 性能測(cè)試

鋼絲簾線性能按GB/T 11181—2016《子午線輪胎用鋼簾線》和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。輪胎各項(xiàng)性能均按相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋼絲簾線性能

2.1.1 鋼絲簾線結(jié)構(gòu)

4 ＋3×0.33ST 鋼絲簾線和3×0.20 ＋6×0.35HT鋼絲簾線的橫截面結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖1所示。

圖1 兩種鋼絲簾線的橫截面結(jié)構(gòu)對(duì)比

從圖1可以看出:4＋3×0.33ST鋼絲簾線為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，外層3根鋼絲對(duì)內(nèi)層鋼絲不完全包覆，為全滲膠型鋼絲簾線；3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線為規(guī)則結(jié)構(gòu)，外層鋼絲圍繞芯股鋼絲編捻，3根芯線呈三角形結(jié)構(gòu)，形成閉合型空腔。

2.1.2 基本性能

4 ＋3×0.33ST 鋼絲簾線和3×0.20 ＋6×0.35HT鋼絲簾線的基本性能對(duì)比如表1所示。

表1 兩種鋼絲簾線的基本性能對(duì)比

從表1可以看出，兩種鋼絲簾線的最小破斷力相同，但4＋3×0.33ST鋼絲簾線單位線密度最小破斷力比3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線提高了12.7%，在保證同等簾布強(qiáng)度下，可以減小材料用量，有利于輪胎輕量化。

2.1.3 滲膠性能

4 ＋3×0.33ST 鋼絲簾線和3×0.20 ＋6×0.35HT鋼絲簾線的滲膠率檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 兩種鋼絲簾線的滲膠率對(duì)比 %

從表2可以看出，4＋3×0.33ST鋼絲簾線的滲膠性能好于3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線。

2.1.4 彎曲剛度

4 ＋3×0.33ST 鋼絲簾線和3×0.20 ＋6×0.35HT鋼絲簾線的彎曲剛度檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 兩種鋼絲簾線的彎曲剛度對(duì)比 TSU

從表3可以看出，兩種鋼絲簾線彎曲剛度相當(dāng)，但覆膠后4＋3×0.33ST鋼絲簾線彎曲剛度明顯提高，比3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線提高了43.3%。這可能是由于4＋3×0.33ST鋼絲簾線為半包覆、全滲膠型，便于橡膠對(duì)所有鋼絲簾線的完全包覆，使得覆膠后彎曲剛度提升。帶束層是輪胎的主要受力部位，對(duì)輪胎的接地面積和耐磨性能有很大影響，剛度的提升有利于減小輪胎的下沉量，改善輪胎的滾動(dòng)阻力性能。

2.1.5 抗沖擊性能

4 ＋3×0.33ST 鋼絲簾線和3×0.20 ＋6×0.35HT鋼絲簾線的沖擊吸收能檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，兩種鋼絲簾線的沖擊吸收能相當(dāng)。

表4 兩種鋼絲簾線的沖擊吸收能對(duì)比 J

2.1.6 耐疲勞性能

在相同負(fù)荷（配重15 kg）下對(duì)比覆膠后兩種鋼絲簾線的耐交變應(yīng)力疲勞性能。4＋3×0.33ST鋼絲簾線和3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線的耐疲勞性能檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 兩種鋼絲簾線的耐疲勞性能對(duì)比

從圖2可以看出，兩種鋼絲簾線的耐疲勞性能相當(dāng)。

2.2 壓延工藝探討

4 ＋3×0.33ST 鋼絲簾線與3×0.20 ＋6×0.35HT鋼絲簾線的直徑相當(dāng)，采用與3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾布相同壓延工藝進(jìn)行壓延，壓延時(shí)頻繁出現(xiàn)跳線現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 工藝調(diào)整前4＋3×0.33ST鋼絲簾布的壓延狀況

壓延過(guò)程中跳線不僅影響生產(chǎn)效率，還會(huì)導(dǎo)致簾布中簾線排布不均勻，影響輪胎的質(zhì)量。

2.2.1 鋼絲簾布?jí)貉犹€原因分析

4＋3×0.33ST鋼絲簾線為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，對(duì)壓延工藝要求較高，壓力輥和整經(jīng)輥槽徑與簾線直徑匹配度、錠子架至整經(jīng)輥/壓力輥的距離以及鋼絲簾布進(jìn)入壓力輥的角度均有可能導(dǎo)致壓延過(guò)程中出現(xiàn)跳線現(xiàn)象。

4＋3×0.33ST鋼絲簾線在同一橫截面上繞軸向旋轉(zhuǎn)不同角度檢測(cè)鋼絲簾線的直徑時(shí)存在較大差異，而3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線為規(guī)則結(jié)構(gòu)，在同一橫截面上繞軸向旋轉(zhuǎn)不同角度檢測(cè)的直徑相差不大。隨機(jī)選取120根4＋3×0.33ST鋼絲簾線進(jìn)行直徑檢測(cè)，在同一橫截面上繞軸向旋轉(zhuǎn)測(cè)得的簾線最大直徑和最小直徑結(jié)果如圖4所示。

圖4 4＋3×0.33ST鋼絲簾線的直徑檢測(cè)結(jié)果

從圖4可以看出，4＋3×0.33ST鋼絲簾線最大直徑與最小直徑存在較大差異，最大直徑均值達(dá)到1.137 mm，最小直徑均值為1.040 mm。

根據(jù)圖4對(duì)4＋3×0.33ST鋼絲簾線最大直徑分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，其最大直徑大部分處在1.11～1.17 mm之間。

由于4＋3×0.33ST鋼絲簾線為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，同一橫截面上不同角度的鋼絲簾線直徑存在差異，且鋼絲簾線存在扭轉(zhuǎn)，在壓延過(guò)程中會(huì)發(fā)生一定的旋轉(zhuǎn)，因此4＋3×0.33ST鋼絲簾線最大直徑和最小直徑在壓力輥和整經(jīng)輥處出現(xiàn)的概率相同，由于4＋3×0.33ST鋼絲簾線最大直徑大部分處在1.11～1.17 mm之間，當(dāng)壓力輥和整經(jīng)輥槽徑小于大部分4＋3×0.33ST鋼絲簾線最大直徑時(shí)，簾線將會(huì)從整經(jīng)輥槽中跳出，導(dǎo)致跳線。因此需要對(duì)壓力輥和整經(jīng)輥槽徑進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使絕大部分4＋3×0.33ST鋼絲簾線都能卡在槽內(nèi)。通過(guò)對(duì)4＋3×0.33ST鋼絲簾線最大直徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，4＋3×0.33ST鋼絲簾線壓力輥和整經(jīng)輥槽徑至少為1.15 mm才能保證絕大部分4＋3×0.33ST鋼絲簾線都能卡在槽內(nèi)，避免鋼絲簾線出現(xiàn)跳線現(xiàn)象。

另外，應(yīng)控制錠子架至整經(jīng)輥/壓力輥的距離，一般在15 m左右，如果錠子架至整經(jīng)輥/壓力輥的距離過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致鋼絲簾線的張力波動(dòng)，鋼絲簾線更容易出現(xiàn)跳動(dòng)現(xiàn)象，在壓延過(guò)程中出現(xiàn)跳線風(fēng)險(xiǎn)增大?？梢酝ㄟ^(guò)安裝壓托輥和梳線板來(lái)減少簾線晃動(dòng)翻轉(zhuǎn)，穩(wěn)定鋼絲簾線的張力，降低壓延過(guò)程中鋼絲簾線的跳線風(fēng)險(xiǎn)。

此外，鋼絲簾布進(jìn)入壓力輥時(shí)應(yīng)盡可能保持水平，如果鋼絲簾布進(jìn)入壓力輥的角度較大，鋼絲簾線更容易從壓力輥槽中跳出。

2.2.2 壓延工藝調(diào)整

通過(guò)對(duì)壓力輥和整經(jīng)輥槽徑進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，將壓力輥槽徑由原來(lái)的1.13 mm調(diào)整為1.15 mm，并在壓力輥前增加梳線板來(lái)穩(wěn)定鋼絲簾線的張力，再次對(duì)4＋3×0.33ST鋼絲簾布進(jìn)行壓延，整個(gè)壓延過(guò)程順暢，無(wú)跳線、稀并線情況發(fā)生，簾布表面正常，達(dá)到改善效果，壓延工藝調(diào)整后4＋3×0.33ST鋼絲簾布的壓延狀況如圖5所示。

圖5 工藝調(diào)整后4＋3×0.33ST鋼絲簾布的壓延狀況

雖然壓延過(guò)程順暢，但通過(guò)對(duì)4＋3×0.33ST鋼絲簾線最大直徑統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)仍有部分處在1.15～1.17 mm之間，存在跳線風(fēng)險(xiǎn)。將壓力輥槽徑改為1.17 mm進(jìn)行驗(yàn)證，效果較好，但是在壓延速度提升至30 m·min-1以上時(shí)仍有跳線現(xiàn)象，溝槽直徑需設(shè)計(jì)為1.2 mm，并要有合適的角度。

2.3 成品輪胎性能

2.3.1 壓穿強(qiáng)度

采 用4 ＋3×0.33ST 鋼絲簾線生產(chǎn)的12R22.5，295/80R22.5和315/80R22.5輪胎的壓穿強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別為3 827.3，3 478.1和3 928.3 J，明顯高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值1.4倍以上。

2.3.2 耐久性能

采用4＋3×0.33ST鋼絲簾線和3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線生產(chǎn)的12R22.5，295/80R22.5和315/80R22.5輪胎的耐久性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

圖6 2種鋼絲簾線成品輪胎的耐久性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從圖6可以看出，采用4＋3×0.33ST鋼絲簾線生產(chǎn)的3種規(guī)格輪胎的耐久性能均好于采用3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線生產(chǎn)的相同規(guī)格輪胎，耐久性能提升超過(guò)4%。

2.3.3 滾動(dòng)阻力

采用4＋3×0.33ST鋼絲簾線和3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線生產(chǎn)的12R22.5，295/80R22.5和315/80R22.5輪胎的滾動(dòng)阻力試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

從圖7可以看出，采用4＋3×0.33ST鋼絲簾線生產(chǎn)的3種規(guī)格輪胎的滾動(dòng)阻力略低于采用3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線生產(chǎn)的相同規(guī)格輪胎，滾動(dòng)阻力下降幅度不大。

圖7 2種鋼絲簾線成品輪胎的滾動(dòng)阻力試驗(yàn)結(jié)果

2.4 成本分析

采用簾布等強(qiáng)度替代原則，使用4 ＋3×0.33ST鋼絲簾線替代3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線時(shí)，鋼絲簾線及膠料用量對(duì)比如表5所示。

表5 兩種鋼絲簾線及膠料用量對(duì)比

從表5可以看出，采用4＋3×0.33ST鋼絲簾線等強(qiáng)度替代3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線進(jìn)行簾布?jí)貉訒r(shí)，鋼絲簾線質(zhì)量和簾布質(zhì)量分別減小11%和7%，有利于減小輪胎質(zhì)量，降低輪胎制造成本，減少能源消耗。

3 結(jié)論

（1）4＋3×0.33ST鋼絲簾線外層鋼絲對(duì)內(nèi)層鋼絲不完全包覆，滲膠性能優(yōu)良，有利于提高輪胎的使用壽命，覆膠后4＋3×0.33ST鋼絲簾線彎曲剛度比3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線明顯提高，有利于減小輪胎的下沉量，改善輪胎的滾動(dòng)阻力性能。

（2）由于4＋3×0.33ST鋼絲簾線為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，需要對(duì)壓力輥和整經(jīng)輥槽徑進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使絕大部分4＋3×0.33ST鋼絲簾線都能卡在槽內(nèi)，并在壓力輥前增加梳線板來(lái)穩(wěn)定鋼絲簾線的張力，避免鋼絲簾布?jí)貉訒r(shí)出現(xiàn)跳線現(xiàn)象。

（3）采用4＋3×0.33ST鋼絲簾線等強(qiáng)度替代3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線用于全鋼載重子午線輪胎帶束層，可以減小鋼絲簾線質(zhì)量和簾布質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輪胎輕量化，減少原材料和能源消耗，符合綠色輪胎的發(fā)展方向。