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(yīng)原理。綜述實(shí)驗(yàn)法和有限元技術(shù)應(yīng)用于輪胎硫化研究,詳細(xì)描述了兩種方法的應(yīng)用案例,對(duì)比兩種方法的優(yōu)勢(shì)和不足。研究中應(yīng)該將它們結(jié)合起來,這對(duì)進(jìn)行科學(xué)化和數(shù)字化輪胎設(shè)計(jì)以及改進(jìn)輪胎硫化工藝和指導(dǎo)橡膠配方設(shè)計(jì)具有非常重要的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞:輪胎硫化綜述

中圖分類號(hào):TQ336 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2012)06(b)-0082-01

輪胎硫化是輪胎生產(chǎn)過程中的最后一道工序,也是重要工序之一,對(duì)輪胎的質(zhì)量、對(duì)生產(chǎn)效率、對(duì)節(jié)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(xué)因素或物理因素的作用重新轉(zhuǎn)化為軟質(zhì)彈性軟質(zhì)彈性橡膠制品或硬質(zhì)韌性橡膠制品,從而獲得使用性能的工藝過程。在這個(gè)硫化過程,線性橡膠分子交聯(lián)成為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大分子,使橡膠制品獲得滿足使用要求的物理機(jī)械性能,即為交聯(lián)反應(yīng)。

2 國(guó)內(nèi)外輪胎硫化研究方法

對(duì)輪胎硫化研究主要采用實(shí)驗(yàn)法和有限元分析兩種手段。實(shí)驗(yàn)法一般是采取硫化測(cè)溫方法,獲取輪胎關(guān)鍵部位的內(nèi)部溫度場(chǎng),然后利用溫度值計(jì)算出關(guān)鍵部位的硫化程度,此種方法發(fā)展至今已經(jīng)有了專門的硫化測(cè)溫儀,即可以通過測(cè)得的溫度數(shù)據(jù),自動(dòng)完成計(jì)算硫化程度場(chǎng)的功能。硫化仿真是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)硫化過程整個(gè)輪胎進(jìn)行數(shù)值模擬。主要目的是為了使輪胎各部位均達(dá)到理想性能。輪胎硫化仿真通過有限元技術(shù),獲得整個(gè)輪胎的硫化溫度場(chǎng),并根據(jù)溫度場(chǎng)信息計(jì)算出硫化程度場(chǎng)或者直接根據(jù)硫化動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出硫化程度場(chǎng),生成溫度場(chǎng)云圖和硫化程度場(chǎng)云圖,因此有限元法具有全局性和直觀性。下面主要從實(shí)驗(yàn)法和有限元分析兩個(gè)方面進(jìn)行闡述。

2.1 實(shí)驗(yàn)法

在輪胎硫化過程中,膠料的物理機(jī)械熱性能影響因素較多,且變化規(guī)律較為復(fù)雜。為此學(xué)者們開始探索各種因素的影響規(guī)律。譚德征[1]采用實(shí)驗(yàn)法獲取輪胎關(guān)鍵部位的溫度場(chǎng)分布,并計(jì)算出硫化程度,以此來確定輪胎硫化時(shí)間,在此基礎(chǔ)上對(duì)輪胎各個(gè)部件的膠料配方調(diào)整后,使得整個(gè)輪胎在硫化過程中基本同時(shí)達(dá)到正硫化,從而獲得最優(yōu)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(chǎn)效率高,但過硫化現(xiàn)象也越嚴(yán)重,性能下降越明顯。硫化壓力過高,會(huì)加快網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)交聯(lián)分子的裂解,使內(nèi)部膠料出現(xiàn)流動(dòng)和骨架材料變形,降低輪胎的物理機(jī)械性能,使壽命縮短,還可使硫化機(jī)產(chǎn)生變形。如果硫化壓力過低,易產(chǎn)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(jié)力降低,輪胎不易充滿整個(gè)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(zhì)量和性能低下[2]。

2.2 有限元分析

1991年,Toth[3]運(yùn)用通用有限元然見ABAQUS軟件結(jié)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(chǎng)和硫化程度場(chǎng),并分別模擬了等溫和變溫條件下的輪胎硫化溫度場(chǎng)時(shí)間歷程,數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好,在此基礎(chǔ)上模擬了輪胎的硫化過程并研究初始溫度對(duì)硫化的影響。

后來,Han[4]根據(jù)熱傳導(dǎo)方程和硫化動(dòng)力學(xué)方程,開發(fā)的軟件求解系統(tǒng)方程,并且對(duì)從簡(jiǎn)單的一維熱傳遞到模擬實(shí)際硫化過程的工況進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)試,驗(yàn)證了此系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。在此基礎(chǔ)上建立了平板硫化機(jī)上的輪胎硫化的二維軸對(duì)稱模型,采用此求解系統(tǒng),通過實(shí)驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)對(duì)比,驗(yàn)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(jì)算通過硫化動(dòng)力學(xué)方程實(shí)現(xiàn)的。仿真結(jié)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(dǎo)反應(yīng)是不能忽略。并運(yùn)用ABAQUS軟件結(jié)合UMATHT用戶子程序研究了橡膠硫化過程若干關(guān)鍵問題,如導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容與溫度和硫化程度的變化關(guān)系,建立了更加精確的硫化動(dòng)力學(xué)模型,在冷卻階段加入了對(duì)流和輻射邊界,最后直接通過試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果。

在國(guó)內(nèi)曾釗[6]等建立三維有限元模型模擬輪胎硫化過程,并對(duì)溫度實(shí)驗(yàn)值和仿真值進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證所采用方法的可靠性和有效性,在此基礎(chǔ)上研究初始硫化溫度對(duì)輪胎硫化溫度場(chǎng)及程度場(chǎng)的影響。研究表明預(yù)熱溫度較高時(shí)使輪胎各部位溫升均勻,不僅能縮短機(jī)內(nèi)硫化時(shí)間,還可以改善輪胎硫化程度的均勻性,但預(yù)熱溫度不宜超過105℃。在此溫度以內(nèi),預(yù)熱溫度每升高10℃,輪胎機(jī)內(nèi)硫化時(shí)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(yīng)用的。這些軟件功能強(qiáng)大,但軟件應(yīng)用也較為復(fù)雜,企業(yè)學(xué)習(xí)推廣使用有一定的難度。

3 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)法是分析輪胎硫化過程的一個(gè)基本研究方法。但是由于實(shí)驗(yàn)測(cè)溫法耗時(shí)耗力并且也有一定的局限性,對(duì)硫化程度的測(cè)定也只能是依靠幾個(gè)關(guān)鍵部位的溫度值來計(jì)算,無法反應(yīng)輪胎全局的硫化溫度場(chǎng)和硫化程度場(chǎng)分布。而且在輪胎中埋入熱電偶后,對(duì)硫化過程中輪胎溫度場(chǎng)分布也有一定的影響,這間接地降低計(jì)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(biāo)對(duì)硫化工藝進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化。

因此,應(yīng)該結(jié)合實(shí)驗(yàn)方法和有限元技術(shù)對(duì)輪胎硫化過程進(jìn)行研究,有限元技術(shù)是對(duì)硫化過程模擬仿真,實(shí)驗(yàn)用來驗(yàn)證有限元技術(shù)的有效性和適用性。這樣對(duì)進(jìn)行科學(xué)化和數(shù)字化輪胎設(shè)計(jì)以及優(yōu)化輪胎硫化工藝和指導(dǎo)橡膠配方設(shè)計(jì)具有重大的實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 譚德征.輪胎硫化工藝優(yōu)選[J].輪胎工業(yè).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(yè),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(yù)熱溫度對(duì)硫化溫度場(chǎng)及程度場(chǎng)的影響[J].橡膠工業(yè),2005,52(1):44～48.