硫化介質(zhì)溫度對(duì)輪胎硫化特性的影響

于廣山，陳紅

（海工英派爾工程有限公司，山東 青島 266101）

硫化介質(zhì)溫度對(duì)輪胎硫化特性的影響

于廣山，陳紅

（海工英派爾工程有限公司，山東 青島 266101）

在科技日益發(fā)展的今天，已經(jīng)明確硫化介質(zhì)溫度會(huì)給輪胎硫化特性帶來一定的影響。本文主要對(duì)11.00R25輪胎作為分析對(duì)象，將其硫化-傳熱耦合有限元模型通過多維模型與混合定律模型去模擬橡膠材料與橡膠簾線復(fù)合材料，利用Isayev焦燒模型、經(jīng)典內(nèi)生熱模型、混合動(dòng)力學(xué)模型將橡膠的硫化特性模擬出來。本文主要對(duì)硫化介質(zhì)溫度對(duì)輪胎硫化特性的影響展開深入的研究，通過研究明確輪胎硫化受到蒸汽溫度的影響程度，并且提出，通過分布區(qū)塊法能夠?qū)φ羝c過熱水的溫度進(jìn)行合理的匹配操作等。

硫化特性；硫化介質(zhì)溫度；輪胎；影響

眾所周知，在制造輪胎的過程中，硫化是其中的最后一道工序，其熱量傳入的過程中，主要由硫化介質(zhì)經(jīng)膠囊或者金屬模具等傳入到輪胎的內(nèi)部，在介質(zhì)不斷循環(huán)的作用之下，能夠確保其具有較高的溫度。實(shí)踐表明，在輪胎硫化期間，常常會(huì)受到蒸汽溫度的影響，如果不能把握好蒸汽溫度，則會(huì)降低輪胎制造的質(zhì)量。與此同時(shí)，所傳入的熱量能夠使得橡膠化合物發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，最終可以形成超彈性耐久材料，這樣才能夠確保輪胎性能方面的要求。因此，硫化介質(zhì)溫度在輪胎制造過程中，會(huì)給輪胎硫化產(chǎn)生極為重要的影響。

1 有限元建模分析

本文將11.00R25輪胎作為研究的案例，利用有限元法對(duì)硫化過程的數(shù)值展開相應(yīng)的模擬。在整個(gè)模擬過程中，需要將結(jié)構(gòu)與邊界的對(duì)稱性作為基礎(chǔ)，對(duì)二分之一的子午面展開輪胎硫化分析工作，圖一為輪胎硫化有限元模型圖，從圖1中可以看出，離散后的數(shù)值模型包括1 679個(gè)軸對(duì)稱傳熱單元，并且擁有較多的節(jié)點(diǎn)。

在金屬模具與金鋼圈應(yīng)用方面，可以將熱物性參數(shù)設(shè)定為一定的值；而膠囊材料的密度在此時(shí)也應(yīng)該設(shè)定為定值，伴隨溫度變化而變化的線性模型為熱導(dǎo)率。而墊膠、過渡膠、內(nèi)襯層等這些純橡膠材料，也需要將其密度設(shè)定為定值［1］，這與張建，王國林，傅乃霽等在《硫化介質(zhì)溫度對(duì)輪胎硫化特性的影響》一文中有著極為相似的觀點(diǎn)。機(jī)內(nèi)硫化期間，輪胎通過高壓過熱水在經(jīng)過膠囊壓緊以后，能夠完成硫化的整個(gè)過程操作。為此，在硫化期間可以不考慮輪胎金屬模具以及輪胎膠囊之間的熱阻。在整個(gè)過程中，需要應(yīng)用定律模型對(duì)其熱物性參數(shù)給予相應(yīng)的定義。

圖1　輪胎硫化有限元模型圖

實(shí)踐表明，在施加Dirichlet邊界過程中，需要滿足幾個(gè)方面的條件，即：

首先，需要確保膠囊的水溫在前5 min內(nèi)有所下降，下降的溫度范圍為180～170℃，在過后的47 min需要確保溫度處于不變的狀態(tài)之下。通常在前6 min需要確保其溫度在120℃，并且不能發(fā)生變化，之后的8 min，其溫度需要保持由120℃線性上升到151℃［2］。這與張建在《輪胎硫化特性及影響規(guī)律研究》一文中的觀點(diǎn)有著極為相似之處。

同時(shí)，在硫化模擬開始的時(shí)候，需要給定初始的溫度條件，通常硫化模具初始溫度為120℃，而輪胎的初始溫度應(yīng)為30℃，這些條件不僅是必備的條件，同時(shí)也是不可以出現(xiàn)差錯(cuò)的條件，有研究人員為了能夠更好的研究過熱水與蒸汽水給輪胎硫化特性帶來的影響，對(duì)過熱水的47 min恒定溫度與蒸汽的38 min的恒定溫度為170℃。在整個(gè)硫化過程中，所使用的軟件為商業(yè)CAE中的一些自定義程序，通過這些程序?qū)喬チ蚧^程的相應(yīng)數(shù)值展開求解。

2 結(jié)果分析

2.1硫化程度

在結(jié)果分析中，首先分析的是硫化程度。通過幾種工況計(jì)算，得出輪胎工程的正硫化時(shí)間和此時(shí)斷面上硫化程度的最小值所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)號(hào)。通過計(jì)算得出，在所有工況正常之下，輪胎中最難硫化的部位則在胎肩處的帶束層端部，其總體分布與膠囊一側(cè)的距離通常比較近，這表明蒸汽的溫度會(huì)給輪胎硫化帶來極大程度的影響，其原因在于，夾在過熱水和輪胎之間屬于低導(dǎo)熱性膠囊，同時(shí)具有較高導(dǎo)熱性的帶束層也與膠囊的一側(cè)較為靠近［3］。這與劉欣在《NR微波干燥的工藝優(yōu)化及其硫化特性的研究》一文中的觀點(diǎn)有著極為相似之處。在輪胎斷面靠近的中心部位，對(duì)角線以下的節(jié)點(diǎn)分布著，該區(qū)域的保溫性能較為良好，在保障胎肩能夠擁有充分的硫化過程有著積極的推動(dòng)意義。

另外，還有研究驗(yàn)證了該部分的結(jié)論。在角線以上的部分，往往胎冠區(qū)左側(cè)的橡膠交聯(lián)反應(yīng)存在著不夠充分的缺陷，那么在這些區(qū)域之內(nèi)便很難實(shí)現(xiàn)輪胎出模以后通過余熱來實(shí)現(xiàn)硫化目標(biāo)，但是在這期間極有可能給該區(qū)域內(nèi)的物理性能帶來較為嚴(yán)重的影響。在對(duì)角線以下的部分，交聯(lián)反應(yīng)不充分區(qū)域會(huì)在胎肩的內(nèi)部全部的表現(xiàn)出來，同時(shí)胎冠區(qū)左側(cè)的橡膠交聯(lián)反應(yīng)對(duì)比會(huì)表現(xiàn)得較為充分，通常在出模以后會(huì)達(dá)到0.9以上［4］。這與Ken Rogers，張學(xué)山，李紀(jì)新等在《世界輪胎硫化工藝及硫化機(jī)技術(shù)最新發(fā)展趨勢(shì)》一文中的觀點(diǎn)有著相似之處。為此，在出模以后能夠?qū)ζ溥M(jìn)行較好的余熱硫化；如果對(duì)有效提升輪胎硫化效率進(jìn)行充分的考慮，那么工程的正硫化時(shí)間最好在短時(shí)間內(nèi)完成，通常這需要硫化介質(zhì)擁有較高的溫度，但是在高溫硫化過程中，卻常常會(huì)出現(xiàn)較大能耗問題，并且會(huì)導(dǎo)致橡膠在硫化的后期產(chǎn)生物理性能的轉(zhuǎn)變，這需要相應(yīng)工作人員給予高度重視。

2.2硫化溫度

而在溫度場(chǎng)方面，如果已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工程正硫化時(shí)間的目標(biāo)，那么此時(shí)輪胎斷面最小溫度值和所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)號(hào)也會(huì)隨之被確定下來。由此可見，在所有工況明確的背景之下，那么輪胎的最低溫度點(diǎn)會(huì)分布在胎肩區(qū)的中分線兩側(cè)，這表明在膠囊較勁的一側(cè)會(huì)密集的分布，這也表明蒸汽溫度對(duì)于輪胎硫化所帶來的影響程度比較大。

另外，如果硫化介質(zhì)溫度不斷提升，，那么輪胎斷面的平均溫度也會(huì)隨之提升，此時(shí)的高溫區(qū)也會(huì)向高溫硫化介質(zhì)一側(cè)發(fā)生偏離，該分部規(guī)律也是判斷能否展開余熱硫化操作的重要依據(jù)所在［5］。這與范連翠在《輪胎在硫化過程中的傳熱特性研究》一文中的觀點(diǎn)相似。實(shí)際上，在輪胎制造硫化過程中，最難硫化的部位在胎肩部位的帶束層端部，從總體上看，其分部與膠囊一側(cè)較為接近，輪胎的最低溫度點(diǎn)也在胎肩區(qū)中線兩側(cè)分部，距離膠囊較近的一側(cè)分部的密度也較為密集，這表明輪胎硫化受到蒸汽溫度的影響程度比較大，因此在整個(gè)輪胎硫化期間，工作人員需要對(duì)蒸汽溫度給予高度重視，并要保證最大限度的降低其給輪胎硫化帶來的影響程度。

3 結(jié)論

通過上述分析可見，在輪胎硫化方面，可以應(yīng)用分布區(qū)塊的方式展開蒸汽、過熱水等硫化介質(zhì)溫度的設(shè)計(jì)。換言之，需要建立不同的硫化介質(zhì)溫度，并且在此條件之下，硫化程度、工程正硫化時(shí)間以及溫度分布區(qū)塊等各個(gè)方面的因素都會(huì)發(fā)生一定的改變，確保其能夠與蒸汽、過熱水的溫度相匹配。本文立足于兩個(gè)方面，第一方面分析了有限元建模，第二方面分析了硫化介質(zhì)溫度對(duì)輪胎硫化特性的影響研究結(jié)果。并且明確在整個(gè)硫化過程中，溫度是影響整個(gè)輪胎制造效果的關(guān)鍵因素，如果沒有給予嚴(yán)格的掌握，那么必將導(dǎo)致其質(zhì)量下降。為此，工作人員應(yīng)該給予高度的重視，最終實(shí)現(xiàn)保障輪胎質(zhì)量的目標(biāo)。

［1］ 張建，王國林，傅乃霽，等. 硫化介質(zhì)溫度對(duì)輪胎硫化特性的影響［J］. 橡膠工業(yè)，2014，61（6）:364～368.

［2］ 張建.輪胎硫化特性及影響規(guī)律研究［D］.江蘇大學(xué)，2014，（12）:23～45.

［3］ 劉欣. NR微波干燥的工藝優(yōu)化及其硫化特性的研究［D］. 海南大學(xué)，2010，（02）:8～9.

［4］ K e n R o g e r s，張學(xué)山，李紀(jì)新，等. 世界輪胎硫化工藝及硫化機(jī)技術(shù)最新發(fā)展趨勢(shì)［J］. 橡塑技術(shù)與裝備，2003，29（5）:19～21.

［5］ 范連翠.輪胎在硫化過程中的傳熱特性研究［D］.青島科技大學(xué)，2011，（56）:43～78.

（P-01）

Effect of sulfi de medium temperature on tire vulcanization characteristics

TQ336.1

1009-797X（2016）10-0087-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.034

于廣山（1979-），男，工程師，大學(xué)本科。

2016-04-22