轮胎硫化工艺条件的优化

轮胎硫化工艺条件的优化随着我国高速公路的发展和汽车性能的提高,人们对汽车行驶的安全性和舒适性提出了更高的要求,因此对轮胎的使用性能也有了更高的要求。这就要求轮胎不仅在结构设计上要有所突破,而且轮胎硫化工艺的制定不能再停留在根据经验或半经验的方法上,沿用过去“宁过勿欠”的观念,而是应利用计算机模拟轮胎的实际硫化历程并计算其各部位的硫化程度,确定合理的硫化条件,从整体上提高轮胎的性能。这样不仅可提高轮胎质量,而且可节约大量能源,提高硫化设备的利用率。轮胎有限元模型的建立、轮胎硫化过程温度场信息的模拟以及轮胎硫化程度的计算参见文献[1～3]。本文仅讨论轮胎硫化程度的影响因素,并对硫化工艺条件进行优化。1轮胎硫化过程模型的建立根据175/70R13半钢子午线轮胎的材料分布图,建立有限元分析的几何模型和材料模型,如图1所示。定义模型与热板接触处为第一类边界条件,温度为165℃。胶囊与过热水之间通过对流换热,由于橡胶的导热系数很小,因此传热的主要热阻是橡胶的热阻,此处也可简化为第一类边界条件[1,2],温度为180℃。模型与外界空气之间有对流换热,由于模型外表面覆盖绝热保温材料,因此换热可忽略不计,此边界可作为绝热边界处理。轮胎出模后与空气之间有自然对流换热和辐射换热[2]。模具初始温度取80℃,轮胎初始温度为25℃,胶囊初始温度为100℃。2硫化程度的影响因素2.1硫化时间应用轮胎硫化过程模拟有限元模型在边界条件不变的情况下(热板温度165℃,胶囊内过热水温度180℃,分别求出图1所示3点过热水循环)时间为10,12,14和16min时的温度2时间关系,将结果代入计算硫化程度的程序中,求出各点在不同过热水循环时间下的硫化程度,如图2所示。由图2可见,在所研究的时间范围内,过热水循环时间与3个节点位置处的硫化程度均呈线性关系,但对各部位的影响程度不同,过热水循环时间对胎体层和带束层硫化程度的影响比对胎面胶硫化程度的影响大得多,这是因为在硫化过程中胎体层和带束层更靠近胶囊的缘故。随着硫化时间的延长,胶囊内过热水的作用越来越大,而胎体层和带束层因帘线的作用,其导热系数一般比橡胶大,因此,胎体层和带束层的硫化程度受过热水的影响较大。表1示出了不同过热水循环时间下相对于165℃时的等效硫化时间。从表1可以看出,过热水循环时间每增加1min,胎体层、带束层和胎面胶相应的等效硫化时间分别延长约2.1,2.0和1.2min。2.2蒸汽温度在硫化时间和过热水温度不变的情况下(过热水循环9min,过热水温度180℃,分别求出)蒸汽外温从155℃上升到175℃时的温度场,由所得温度场计算出相应的硫化程度。由图3可见,蒸汽温度对带束层硫化程度的影响基本呈线性关系,175℃时的硫化程度是155℃时的2倍;胎体层在外温高于160℃后其硫化程度随外温升高而迅速上升,175℃时的硫化程度约为155℃后的1.6倍;胎面胶硫化程度在外温高于165℃时随外温上升的速率加快,175℃时的硫化程度达到155℃时的2.1倍。表2示出了不同蒸汽温度下各部件胶料相对于165℃时的等效硫化时间。由表2可以得出,蒸汽温度每升高1℃,胎体层、带束层和胎面胶的等效硫化时间分别延长约0.225,0.280和.295min。对比表1数据可知,等效硫化时间延长1min,胎体层、带束层和胎面胶分别相当于过热水循环时间延长了0.476,0.500和0.870min,因此,如果外温向上波动1℃,对胎体层、带束层和胎面胶来说,过热水循环时间应分别缩短0.130,0.148,0.222min。为了使胎体层不欠硫,过热水循环时间缩短0.130min较合适。2.3过热水温度在热板温度保持165℃、过热水循环9min的条件下,分别求得胶囊内过热水温度为175～195℃时的硫化程度,如图4所示。由图4可见,提高过热水温度对靠近胶囊的胎体层和带束层的硫化程度影响非常显著,195℃时的硫化程度分别达到175℃时的2.33和2.20倍。由于胎面胶离胶囊较远,提高内温对其硫化程度影响很小。当然,这要视过热水循环时间长短而定,如果过热水循环时间足够长,则过热水温度对胎面胶硫化程度的影响不容忽视。表3示出了不同过热水温度下各部件胶料相对于165℃时的等效硫化时间。由表3可以看出,过热水温度每升高1℃,胎体层、带束层和胎面胶的等效硫化时间分别延长约0.53,0.39和0.07min,因此,胶囊内过热水温度向上波动1℃,对胎体层、带束层和胎面胶来说,过热水循环时间应分别缩短0.250,0.195和0.060min。为了使胎面胶不欠硫,过热水循环时间缩短0.060min较合适。3硫化工艺条件的优化由于目前轮胎硫化总的趋势是通过高温硫化来缩短硫化时间、提高生产效率和设备利用率,因此调整硫化条件的主要方法是缩短硫化时间[4]。综合考虑各部件胶料的过硫程度[2,3],将原硫化工艺中过热水循环时间由12.3min缩短为8min。硫化程度计算结果表明,调整硫化时间后,除气密层胶依然处于欠硫状态、胎侧胶和胎面基部胶处于过硫状态外,其它部件胶料均处在各自的最佳硫化范围之内。通过对各胶料的DSC曲线及硫化仪曲线的分析发现,胎侧胶、气密层胶和胎面基部胶的硫化特性与其它胶料明显不匹配。为了在相同的硫化工艺条件下使上述3种胶料也能达到最佳硫化,必须对其配方进行适当的调整。4结论利用计算机模拟轮胎硫化过程得到的温度场信息,可计算轮胎任意部位的硫化程度,为科学优化硫化工艺条件、智能控制轮胎的硫化过程奠定了基础。参考文献:[1]赵树高,张萍,邓涛,等.轮胎硫化过程的数值模拟[J].轮胎工业,2001,21(10):6172622.[2]苏秀平.轮胎硫化过程的数值模拟及硫化程度分析[D].青岛:青岛化工学院,2000.[3]杨清芝.现代橡胶工艺学[M].北京:中国石化出版社,1997.[4]王伟,邓涛,张萍,等.轮胎硫化程度的计算分析[J].合成橡胶工业,2005,28(3):1912194.