輪胎硫化研究概況

李昭 傅乃霽 王小娟 張建

摘要:介紹了輪胎硫化過程反應原理。綜述實驗法和有限元技術應用于輪胎硫化研究,詳細描述了兩種方法的應用案例,對比兩種方法的優勢和不足。研究中應該將它們結合起來,這對進行科學化和數字化輪胎設計以及改進輪胎硫化工藝和指導橡膠配方設計具有非常重要的實際意義。

關鍵詞:輪胎硫化綜述

中圖分類號:TQ336 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)06(b)-0082-01

輪胎硫化是輪胎生產過程中的最后一道工序,也是重要工序之一,對輪胎的質量、對生產效率、對節約能源有重要的影響。因此了解輪胎硫化原理,研究輪胎硫化過程是十分必要的。

1 輪胎硫化原理

硫化是具有一定塑性和黏性的膠料在一定外部條件下通過化學因素或物理因素的作用重新轉化為軟質彈性軟質彈性橡膠制品或硬質韌性橡膠制品,從而獲得使用性能的工藝過程。在這個硫化過程,線性橡膠分子交聯成為網狀結構的大分子,使橡膠制品獲得滿足使用要求的物理機械性能,即為交聯反應。

2 國內外輪胎硫化研究方法

對輪胎硫化研究主要采用實驗法和有限元分析兩種手段。實驗法一般是采取硫化測溫方法,獲取輪胎關鍵部位的內部溫度場,然后利用溫度值計算出關鍵部位的硫化程度,此種方法發展至今已經有了專門的硫化測溫儀,即可以通過測得的溫度數據,自動完成計算硫化程度場的功能。硫化仿真是利用計算機技術對硫化過程整個輪胎進行數值模擬。主要目的是為了使輪胎各部位均達到理想性能。輪胎硫化仿真通過有限元技術,獲得整個輪胎的硫化溫度場,并根據溫度場信息計算出硫化程度場或者直接根據硫化動力學模型計算出硫化程度場,生成溫度場云圖和硫化程度場云圖,因此有限元法具有全局性和直觀性。下面主要從實驗法和有限元分析兩個方面進行闡述。

2.1 實驗法

在輪胎硫化過程中,膠料的物理機械熱性能影響因素較多,且變化規律較為復雜。為此學者們開始探索各種因素的影響規律。譚德征[1]采用實驗法獲取輪胎關鍵部位的溫度場分布,并計算出硫化程度,以此來確定輪胎硫化時間,在此基礎上對輪胎各個部件的膠料配方調整后,使得整個輪胎在硫化過程中基本同時達到正硫化,從而獲得最優的硫化效果。

在輪胎硫化過程中,硫化溫度越高,硫化速度快,生產效率高,但過硫化現象也越嚴重,性能下降越明顯。硫化壓力過高,會加快網狀結構交聯分子的裂解,使內部膠料出現流動和骨架材料變形,降低輪胎的物理機械性能,使壽命縮短,還可使硫化機產生變形。如果硫化壓力過低,易產生氣飽,氣體不易排出,使胎體疏松,膠料與骨架材料之間的粘結力降低,輪胎不易充滿整個硫化模具中,造成制品表面缺膠或得不到清晰的花紋,輪胎的質量和性能低下[2]。

2.2 有限元分析

1991年,Toth[3]運用通用有限元然見ABAQUS軟件結合其用戶子程序HETVAL,建立輪胎傳熱-硫化耦合模型,可以得到硫化溫度場和硫化程度場,并分別模擬了等溫和變溫條件下的輪胎硫化溫度場時間歷程,數值模擬的結果與試驗數據吻合較好,在此基礎上模擬了輪胎的硫化過程并研究初始溫度對硫化的影響。

后來,Han[4]根據熱傳導方程和硫化動力學方程,開發的軟件求解系統方程,并且對從簡單的一維熱傳遞到模擬實際硫化過程的工況進行了大量的數值模擬和試驗測試,驗證了此系統的準確性和可靠性。在此基礎上建立了平板硫化機上的輪胎硫化的二維軸對稱模型,采用此求解系統,通過實驗仿真數據對比,驗證此方法的有效性。2006 年,Ghoreishy[5]建立三維非線性有限元模型來仿真輪胎硫化過程,其中硫化程度計算通過硫化動力學方程實現的。仿真結果表明由于胎面花紋在周向上幾何形狀的變化和胎面花紋比乘用車輪胎的花紋要厚很多,所以在周向的熱傳導反應是不能忽略。并運用ABAQUS軟件結合UMATHT用戶子程序研究了橡膠硫化過程若干關鍵問題,如導熱系數和比熱容與溫度和硫化程度的變化關系,建立了更加精確的硫化動力學模型,在冷卻階段加入了對流和輻射邊界,最后直接通過試驗驗證仿真結果。

在國內曾釗[6]等建立三維有限元模型模擬輪胎硫化過程,并對溫度實驗值和仿真值進行對比,驗證所采用方法的可靠性和有效性,在此基礎上研究初始硫化溫度對輪胎硫化溫度場及程度場的影響。研究表明預熱溫度較高時使輪胎各部位溫升均勻,不僅能縮短機內硫化時間,還可以改善輪胎硫化程度的均勻性,但預熱溫度不宜超過105℃。在此溫度以內,預熱溫度每升高10℃,輪胎機內硫化時間可縮短1.5min,硫化均勻性提高15%。目前,由于輪胎的膠料超彈性性能,使通用有限元軟件有ABAQUS、ANSYS在輪胎研究中得到廣泛應用的。這些軟件功能強大,但軟件應用也較為復雜,企業學習推廣使用有一定的難度。

3 結語

實驗法是分析輪胎硫化過程的一個基本研究方法。但是由于實驗測溫法耗時耗力并且也有一定的局限性,對硫化程度的測定也只能是依靠幾個關鍵部位的溫度值來計算,無法反應輪胎全局的硫化溫度場和硫化程度場分布。而且在輪胎中埋入熱電偶后,對硫化過程中輪胎溫度場分布也有一定的影響,這間接地降低計算的硫化程度的精度。并以硫化溫度和硫化程度作為硫化指標對硫化工藝進行參數的優化。

因此,應該結合實驗方法和有限元技術對輪胎硫化過程進行研究,有限元技術是對硫化過程模擬仿真,實驗用來驗證有限元技術的有效性和適用性。這樣對進行科學化和數字化輪胎設計以及優化輪胎硫化工藝和指導橡膠配方設計具有重大的實際意義。

參考文獻

[1] 譚德征.輪胎硫化工藝優選[J].輪胎工業.2008,12(1):50～58.

[2] 江楠,張海,岑漢釗.輪胎外胎變溫硫化研究[J].橡膠工業,2000,47(7):411～414.

[3] Toth.W.J, Chang.J.P and Zanichelli.C.. Finite element evaluation of the state of cure in a tire[J].Tire Science and Technology.1991,19(4):178～212.

[4] Han.L.S,Chung.C.B and Kim.J.H, et al. Dynamic simulation of the tire curing process[J]. Tire Science and Technology,1996,24(1):50～76.

[5] M.H.R.Ghoreichy. Three Dimensional Finite Element Modelling of Truck Tyre Curing Process in Mould [J].Tire Technology International.2006.

[6] 曾釗,江楠,李偉軍,張海.預熱溫度對硫化溫度場及程度場的影響[J].橡膠工業,2005,52(1):44～48.