高性能航空子午線輪胎對制造裝備的技術要求

王超群

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

航空輪胎是飛機上非常重要的起落部件，其特點為負荷大、速度高、變形大、充氣內壓高。因此要求航空輪胎必須耐沖擊、抗刺扎、耐溫升，能夠經受住飛機高速起飛產生的強大離心力和著陸接地瞬間的巨大沖擊力。除上述特點外，航空輪胎的產業集中度非常高，關鍵技術掌握在少數國際知名輪胎企業手中，市場容量不大，技術、安全要求非常高，市場準入門檻高。

航空輪胎分為斜交輪胎和子午線輪胎。航空子午線輪胎具有溫升慢、耐磨耗、輕量化、操作性能高等優勢。

航空輪胎歷來是戰略物資，全球僅有4個國家的5家企業掌握航空子午線輪胎技術并實現產業化。為了趕超國際輪胎企業先進技術水平，必須研發具有我國自主知識產權的航空子午線輪胎。

由于航空子午線輪胎與一般地面用車輛輪胎的制作過程有很大差異，且研制技術有較大難度和較高精度，因此需使用專用的制造裝備進行研制和生產。下面列舉航空子午線輪胎各類生產設備，并對設備性能進行分析，提出特種工藝條件下的設備性能技術要求。

1 煉膠設備

1.1 密煉機

隨著子午線輪胎，特別是航空子午線輪胎等特種輪胎的迅速發展，對使用的混煉膠料提出了越來越嚴格的質量要求，對混煉設備的性能要求也越來越高，同步轉子密煉機更適合航空輪胎膠料的塑煉和混煉。

同步轉子密煉機的轉子速比為1∶1，其優點如下。

（1）前后轉子轉速相同，混煉膠料溫度均勻性好，如門尼粘度等流變性能相近，從而膠料均勻性較好。

（2）在轉子非剪切區內的膠料流動有規律，其規律性取決于兩轉子之間起始相位角度，因此可以選擇最佳相位角度。兩轉子棱的相位安裝可以垂直（90°）也可以平行（0°或180°），根據工藝需要進行調整。同步轉子長短棱成對同側分布，且同步旋轉，膠料流動性好[1]。

1.2 開煉機

開煉機煉膠溫度低，對橡膠分子鏈氧化破壞作用減小。與密煉機高溫煉膠相比，開煉機的煉膠方式和質量控制更好，尤其是近年發展起來的低溫一次法煉膠工藝，充分利用了開煉機的優點，航空子午線輪胎用膠料更適合使用開煉機進行塑煉和混煉。

除低溫煉膠工藝應用，開煉機控制系統的安全、高效和智能化以及液壓技術在開煉機上的應用逐漸被重視。

智能化控制可實現開煉機與其他配套設備之間的通訊信息共享，可以根據生產線設備運行狀況控制啟停，出現異常可進行緊急制動，或者根據工藝過程控制調整輥筒轉速和輥距。

液壓技術在開煉機上的應用是一個重大突破，在開煉機系列產品中，液壓電動機已普遍作為開煉機的驅動裝置。其在性能上具有如下優點：結構簡單、直接將轉矩傳遞給兩個輥筒；同時安全性能好，可以實現輥筒的快速制動。

綜上所述，具有低溫煉膠工藝應用、智能化控制和先進驅動方式的開煉機是為航空子午線輪胎提供高質量膠料的設備保障。

2 擠出和壓延設備

2.1 螺桿擠出機

航空子午線輪胎的胎面、胎側和三角膠均使用螺桿擠出機擠出。

銷釘冷喂料擠出機使其對膠料的擠出量、塑化性能、擠出膠料的致密性提供了堅實的設備保障，而且排膠溫度低，可滿足航空子午線輪胎擠出多種膠料半成品的生產技術要求。

銷釘冷喂料擠出機近年來發展迅速，可替代開煉機用于熱煉供膠和目前各種航空輪胎膠部件的復合擠出，此外，還可替代壓延機直接擠出薄膠片，用于航空子午線輪胎氣密層膠片擠出，擠出的膠片氣密性好，而且生產工藝過程簡化。

銷釘復合擠出機主要用于航空子午線輪胎復合胎面的擠出，采用不同配方和性能的膠料，通過復合擠出機生產出多種性能需求的胎面半成品。

航空子午線輪胎需要許多形狀和性能各異的膠片和膠條，如氣密層膠片、上胎面、下胎面、胎側膠、過渡膠片、胎肩墊膠、胎圈補強膠、胎圈護膠和三角膠等，其中一部分通過直接擠出法獲取，其他通過擠出壓延法生產。在國際上開發設計專用型膠壓出裝備的同時，優點突出的銷釘冷喂料擠出機是主要選擇。

2.2 鋼絲圈擠出聯動裝置

航空子午線輪胎鋼絲圈用鍍銅鋼絲覆膠，牽引到直徑可調的纏繞盤卷成符合工藝要求層數的鋼絲圈。航空子午線輪胎鋼絲圈纏繞擠出生產線包括多工位鋼絲導開裝置、鋼絲清理裝置、覆膠擠出機、牽引存儲裝置、鋼絲纏繞裝置和操作臺。鋼絲纏繞裝置設有交流伺服電動機、纏繞主軸、纏繞盤，交流伺服電動機驅動纏繞主軸與纏繞盤運轉，可生產斷面形狀為六角形的鋼絲圈。

目前國內最迫切需要開發的航空子午線輪胎工裝設備為圓形截面鋼絲圈纏繞機[2]。該裝置主要包括繞絲盤驅動裝置、夾緊裝置、夾緊驅動裝置、鋼絲剪切裝置和纏繞機支架裝置。圓形鋼絲圈中心由一根相對粗的鋼絲對焊焊接，符合強度要求標準的、由相對細的鋼絲圍繞粗鋼絲螺旋纏繞而成，形狀如同鋼絲纜繩（如圖1—4所示）。圓形截面鋼絲圈受力均勻，強度較高，胎圈力學性能優越。國外高性能航空子午線輪胎已普遍采用圓形截面鋼絲圈。然而由于國內缺乏該種鋼絲圈制造裝備，只能采用性能不及圓形鋼絲圈的傳統六角形結構鋼絲圈替代。

圖1 鋼絲圈完成1個螺旋纏繞示意

圖2 鋼絲圈完成第1層纏繞截面示意

圖3 圓形截面航空輪胎鋼絲圈示意

圖4 鋼絲圈芯纏繞1周示意

2.3 三角膠貼合機

航空子午線輪胎胎圈成型使用三角膠貼合機，該設備為航空子午線輪胎鋼絲圈三角膠貼附和包布包裹的自動化生產線，由冷喂料擠出機、冷卻線、包布引出與定長裁斷裝置和包布包裹裝置等組成。

2.4 壓延機

航空子午線輪胎生產中需要采用覆膠纖維簾布作為胎體骨架材料，覆膠纖維簾布主要采用壓延機生產，小規格鋼絲簾布也可以采用擠出法生產。

常見的壓延機為Г型和S型壓延機，與Г型壓延機相比，S型壓延機具有如下優勢[3]，更適合航空子午線輪胎纖維簾布壓延。

（1）輥溫控制效果較好。S型壓延機輥筒采用中空鉆孔式結構（輥筒工作部分冷硬層內沿圓周縱向鉆有許多直孔，直孔通過輥筒徑向斜孔與中心鏜孔相通）。此種結構的輥筒傳熱面積增大，控溫介質離工作表面近，傳熱效果好，溫度升降平穩迅速，輥筒表面溫度均勻。Г型壓延機是中空輥筒，該種輥筒壁厚，導熱差，輥筒表面溫度升降較慢且不均勻。

（2）傳動形式先進。S型壓延機由組合減速器通過萬向聯軸節傳動。組合減速器油箱全密封，避免了Г型壓延機因齒輪磨損而引起輥筒竄動的缺陷。另外，S型壓延機輥筒通過控制電動機轉速調節速比，能更快更好地適應多種工藝技術壓延需求。Г型壓延機由驅動齒輪和速比齒輪直接傳動。齒輪的磨損會導致輥筒左右竄動增大，當竄動的幅度增加到5 mm時無法保證膠簾布的質量。

（3）張力對膠簾布質量影響減小。壓延張力是保障膠簾布質量的重要指標，壓延張力小，常因簾布邊緊而引起膠簾布出兜、平整性差以及中部被壓壞等質量問題。S型壓延機通過液壓張力控制儲布量，簾布的張力能保持均勻穩定，生產的膠簾布長度基本接近于原線長度，寬度超過了原線寬度，而Г型壓延機生產的膠簾布長度與原線相差較大，寬度也沒有達到原先的寬度，也就是說S型壓延機的出布率高于Г型壓延機。

（4）壓延速度高。S型壓延機輥筒的導熱性能好，即使壓延速度高達50 m·min-1時，也能夠及時將熱量導出，保證壓延的最佳溫度；采用夾套軸流式冷卻輥，冷卻效果顯著，能夠保證膠簾布的卷曲溫度，生產效率較高。Г型壓延機輥筒的導熱性差，壓延速度快時輥筒因摩擦而升溫快，難以控制最佳操作溫度，加之冷卻輥采用螺旋夾套式冷卻輥，冷卻效果一般，不能保證膠簾布卷曲溫度低于45 ℃，從而限制了其壓延速度（小于40 m·min-1）。

纖維簾布壓延機是生產航空子午線輪胎最關鍵的設備之一，在壓延生產過程中，衡量覆膠簾布質量的因素包括膠料在纖維簾布上的附著牢度和覆膠厚度的均勻性。這兩項指標在生產覆膠簾布時除受膠料配方、溫度、濕度等因素影響之外，還與纖維簾布覆膠時的張力大小、均勻性有關。因此，航空子午線輪胎所需纖維覆膠簾布的壓延選擇性能先進、高精密化、高質高效的S型壓延機是必然結果。

航空子午線輪胎覆膠纖維簾布還可使用擠出方式生產，由于擠出機及其機頭的寬度有限，一般用于帶束層簾布的生產時，簾布寬度在200 mm以下。采用擠出法生產線的優點是設備投資費用較低、生產過程中纖維簾布的覆膠、裁斷、接頭、包邊膠、X光檢查和卷曲可在一條生產線上完成。

航空子午線輪胎0°帶束層也可用擠出法生產線生產，這種帶束層的寬度更小，通常在60 mm以下，配用Φ90銷釘冷喂料擠出機在3～12 m·min-1速度下可同時生產兩條0°帶束層。

2.5 內襯層（氣密層）生產線

航空子午線輪胎內襯層（氣密層）生產有壓延法生產線和擠出壓延法生產線兩種，一般認為后者的生產質量優于前者。兩者之間的差異主要在于內襯層的出片設備和出片方式，其后的接取輸送、冷卻、卷曲以及貼合基本相似。兩種壓延方法對比如下。

（1）壓延法生產線。采用壓延法生產內襯層可利用S型四輥壓延機，將該設備4個輥筒分離成2組兩輥壓延機組成，根據航空子午線輪胎工藝條件，分別壓延2種不同膠料的膠片后進行貼合成為復合膠片。

（2）擠出壓延法生產線。根據航空子午線輪胎的生產工藝要求，擠出壓延法生產線可以生產單層、雙層、或3層結構的內襯層（氣密層），膠料先經擠出再經壓延，然后裁邊、冷卻和卷曲，或導開、復合定長裁斷和卷曲后備用。

由于航空子午線輪胎內襯層是沒有骨架材料的純膠片，因此在出片后的接取輸送、冷卻、貼合和卷曲過程中，都要確保各部分速度一致，避免內襯層因張力不均發生變形。

目前國內輪胎企業使用的內襯層生產線50%來源于進口，國產設備性能有待進一步提高。

3 裁斷設備

航空子午線輪胎膠簾布為纖維簾布，所用裁斷機按照裁斷用途、裁斷角度分為15°～70°簾布裁斷機、環帶簾布裁斷機、高臺纖維簾布裁斷機和自動接頭簾布裁斷機等，此類設備以德國FISCHER公司為代表，國內產品研發技術趨于成熟，但有待提高。此類設備與生產一般汽車用子午線輪胎裁斷機功能類似。

4 專用成型機組

4.1 航空子午線輪胎三鼓成型機

航空子午線輪胎成型是在專用成型機上將胎面膠、緩沖層、簾布筒、鋼絲圈按輪胎施工表依次貼合、壓實組成輪胎胎坯的工藝過程。

制約航空子午線輪胎自動化、批量化生產的關鍵設備為航空子午線輪胎成型機，其主要工藝特點為：胎體的貼合層數較多，通常采用二次法成型工藝技術；成型過程中應用正反包技術；采用冠帶條復雜曲線的纏繞技術。

由于航空子午線輪胎的胎體層數較多，在成型過程中會出現許多技術難點，如胎坯胎肩部位不易壓實、胎圈部位容易出褶等。同時，多層冠帶條復雜曲線纏繞技術是目前國際上高性能航空子午線輪胎最先進的成型制造技術。

針對航空子午線輪胎特殊工藝要求設計而成的航空子午線輪胎三鼓成型機，可以實現多種規格半成品部件的定位、貼合、纏繞和定型，最終完成輪胎胎坯的成型[4]。

航空子午線輪胎三鼓成型機分為3個功能區，右側為胎體組件貼合區，左側為冠帶、胎面組件貼合區，中間為成型區，轉臺裝置帶動成型鼓在右側胎體貼合區、左側胎面貼合區之間擺轉。

其工作過程如下。

（1）胎體組件貼合區。胎體貼合鼓傳動箱、胎體傳遞環可以分別沿右床身移動。通過胎體貼合鼓的移動實現不同位置氣密層、胎體簾布層的貼合；分別安裝于尾座箱體伸出軸與胎體鼓傳動箱主軸上的左右扣圈及反包裝置，可以實現左右扣圈的定位及胎體正包、反包；通過胎體滾壓裝置，實現胎體簾布筒的壓實及成型滾壓；胎體傳遞環實現胎體簾布筒的夾持與傳遞；當轉臺將成型鼓旋轉到胎體組件貼合區時，胎體傳遞環將其夾持的胎體簾布筒移送并精確定位到成型鼓上。

（2）冠帶、胎面組件貼合區。輔助鼓傳動箱與胎面傳遞環可以分別沿左床身移動。通過輔助鼓自身旋轉和冠帶纏繞機構的運動實現冠帶條的復雜曲線纏繞或者帶束層的貼合；胎面供料架實現胎面膠料的貼合；胎面壓輥滾壓胎面組件；胎面傳遞環實現胎面組件的夾持與傳遞；當轉臺將成型鼓轉到冠帶、胎面貼合區時，胎面傳遞環將胎冠組件傳遞并精確定位到成型鼓上。

（3）成型區。當成型鼓上接受了胎體簾布筒及胎面組件就可以進行胎坯的成型和滾壓。最后卸胎裝置進行自動卸胎。

航空子午線輪胎成型鼓一般為漲縮式成型鼓，而非通常汽車輪胎成型的直鼓。為滿足航空輪胎下沉量大、工作斷面大的要求，航空輪胎內口比同規格汽車輪胎小約20%。如果成型鼓采用直鼓，由于簾線的總伸張太大，胎坯簾線會出現劈縫，但采用漲縮式成型鼓必須解決簾布反包和正包打褶的問題。由于航空子午線輪胎負荷高、下沉量大，帶束層如采用普通的層貼結構，由于兩端存在裁斷切口，胎肩容易脫空。目前國外高性能航空子午線輪胎帶束層普遍采用簾布條連續纏繞結構，以避免層貼結構的弊端，但必須配備專用的簾布條連續纏繞成型裝置，同時必須解決簾布條在纏繞鼓上打滑的問題。

4.2 冠帶層纏繞裝置

國外高性能航空子午線輪胎的冠帶層已采用波形鋼絲或芳綸材料，可有效抗異物刺扎。0°冠帶層覆蓋在帶束層上，保證帶束層在高形變、高壓力下的整體性，從而降低航空子午線輪胎發生災難性破壞的危險。目前冠帶層纏繞工藝被越來越多的輪胎企業采用，需要在輪胎成型機上添加一套冠帶層纏繞裝置，將簾布（鋼絲或芳綸）沿輪胎周向纏繞到帶束層上，可保證帶束層的強度，消除帶束層爆裂的可能，纏繞式無接頭冠帶層輪胎在高速性能、耐久性能、均勻性和平衡性能具有優異表現。

冠帶層纏繞裝置由徑向移動機構、橫向移動機構和旋轉纏繞頭機構組成，三軸聯動實現復雜曲線運動軌跡纏繞，冠帶條的纏繞排布均勻，軌跡參數可根據工藝要求調整，滿足了航空子午線輪胎成型工藝要求。

冠帶條纏繞技術是高性能航空子午線輪胎最先進的成型制造方法，也是成型設備研制的難點。針對該技術，國內部分專業研究機構建立了航空子午線輪胎冠帶條纏繞理論分析的數學模型，研制了新的纏繞裝置，實現了多坐標復雜曲線擬合運動軌跡的自動控制技術，并對冠帶條纏繞過程中的張力進行穩定控制。

航空子午線輪胎專用成型機組是航空輪胎制造裝備中最復雜、最具關鍵技術和創新的重要設備，具備如下突出優勢。

（1）采用四坐標伺服驅動擬合運動軌跡自動控制新裝置，實現航空子午線輪胎冠帶條復雜曲線纏繞的特殊工藝要求，在結構上具有創新性。

（2）整體方案中采用轉臺結構與胎體傳遞環，通過成型鼓的擺轉實現航空輪胎現有二次法工藝技術中胎體簾布筒到成型鼓的自動傳遞及精確定位，設備自動化水平及輪胎成型質量高。

（3）改進設計的成型鼓結構便于胎體簾布筒的自動精確定位。

（4）采用左右扣圈盤、正反包裝置及胎體后壓輥，實現了航空輪胎特定成型工藝技術。

目前，國外有能力制造航空子午線輪胎的企業都對航空子午線輪胎成型機組的研發進行嚴密技術封鎖，國內幾家有實力的設備生產廠家在研發、試制上取得了一定的成就，并逐步將產品投放市場進行驗證。

5 液壓硫化機

航空輪胎橡膠材料的物理性能及耐老化性嚴重影響航空子午線輪胎的質量和壽命，這兩種性能又取決于橡膠的硫化工藝條件。在最佳硫化工藝條件下，使用專用硫化裝備硫化的橡膠件性能較好，具有較強的耐老化性，使用壽命較長。

世界上主要輪胎公司已逐步采用液壓式硫化機替代傳統的機械式硫化機。液壓硫化機機架結構緊湊，受力均勻，硫化輪胎均勻質優；上模只做直線運動，保證模具的重復精度和壽命。B型中心機構可保證上下模同軸度及重復精度；硫化及輔助時間短，提高了硫化效率。高等級航空子午線輪胎對液壓硫化機的精度提出了越來越高的要求，上下模對中度尤其是重復精度尤為重要。

254～406.4 mm（10～16英寸）航空子午線輪胎液壓硫化機的主要結構特點如下。

（1）液壓硫化機開合模動作采用油缸驅動的方式，通過液壓控制系統實現上鎖環座、上熱板、上托板和上模的上下運動，即開合模動作。

（2）主機左右機架采用框架結構，保證上模的運動為垂直升降式，同時保證上下模具的同軸度及重復精度。開合模采用直線導軌導向，該直線導軌安裝在主機框架兩側，開合模動作平穩快速，保證上下蒸鍋的平行度和上下模的同心度，活絡模的使用壽命高。

（3）鎖模機構利用上鎖環座和鎖環的整體齒面貼合實現鎖模，施加合模力時上下模受力均勻，此結構鎖環圓周方向受力，機架不受合模力，消除加壓時機架變形對精度的影響，硫化后的航空輪胎均勻性好。

（4）蒸汽室采用外鍋內膽結構，外鍋與鎖環連為一體，承受硫化機合模力，內膽作為受壓元件，起到密封蒸汽及承受外壓蒸汽壓力作用，無需承受合模力，變形小，密封可靠。

（5）加壓調模機構每邊由3個加壓缸組成，安裝在下座板上，硫化時，由3個加壓缸同時對蒸鍋內的輪胎模具加壓。同時，可以采用加壓缸直接調模，實現全自動調模，滿足不同規格的模型高度，調模速度快，換模效率高，采用加壓缸調模方式取代傳統的梯形螺紋調模結構，消除了螺紋配合間隙的影響，提高了輪胎均勻性。

（6）采用B型中心機構，上下環油缸驅動，上環采用內置式位移傳感器控制升降高度，實現定型高度自動控制。

（7）采用懸臂垂直升降旋轉式裝胎機構，轉動位有存胎位、蒸鍋位和后充氣位。該機構可以實現裝胎和卸胎功能。

（8）單工位存胎器用于裝載生胎，每個存胎器都有可調整的內外支撐板，可根據生胎直徑，調節內支撐板支撐好胎圈，外支撐板支撐胎側。

（9）配備單工位后充氣裝置，每次可以充氣冷卻一條航空輪胎。活動梁升降采用電動機驅動，直線導軌定位，運動平穩、精度高。手工調整輪輞距離，滿足不同規格航空輪胎冷卻工藝。

（10）采用比例泵液壓系統，液壓接頭采用Walform卡套形式（一種無焊接高壓管路連接方式），密封可靠。

（11）PLC（可編程控制器）預留以太網接口，用于聯網，具有自動和手動控制，完成裝胎、定型、硫化、卸胎、后充氣等工藝過程。控制柜面板和軟件界面可按要求配置。

（12）電氣控制系統平板電腦可存儲30天的溫度、壓力曲線數據和1周各班生產的工藝參數，如操作者代號、時間、班次、內溫、內壓、外溫、外壓等狀態信息，并能顯示硫化步驟、硫化狀態，設定工藝時間、工藝規格選擇等畫面；儲存多個輪胎工藝配方，并通過USB接口讀取和打印數據，也可把數據作為歷史記錄按時間歸檔。控制系統具備硫化結束提示、硫化機故障診斷等功能，利于故障查找和維修。

控制系統的智能化是液壓硫化機的核心，其包括3個方面：一是能自動調整硫化程度和硫化時間，使航空輪胎獲得最優硫化質量；二是對單機全自動監控，對多機實現群控，提高生產效率；三是具備全自動管理功能。

6 成品檢測設備

航空子午線輪胎在出廠前必須經過嚴格檢驗，其中包括高速試驗、耐久性試驗、均勻性試驗、X光檢測和動（靜）平衡試驗等。目前，此類設備幾乎完全依賴進口。

由于航空輪胎與一般車輛輪胎使用條件有巨大差異，因此其成品檢測要求也具有特殊性。其中，破壞性試驗包括爆破壓力、斷面分析，非破壞性試驗包括充氣外緣尺寸、質量、無內胎輪胎氣密性能、有內胎輪胎胎圈密合壓力、靜平衡差度、表面質量、內部缺陷無損檢測等，以上均為產品出廠時必須進行的批次檢驗項目，因此所用工裝設備需進行個性化、專業化設計。

7 結語

低斷面和無內胎結構是未來航空輪胎的技術發展趨勢，且子午化率繼續提高。制造裝備的配套性能已經成為制約高性能航空子午線輪胎發展的瓶頸，造成我國航空子午線輪胎研制和生產不能滿足新型戰機、大型客機配套的需要。

為支撐和保障國防建設和民用航空事業的發展需要，充分發揮高新技術產品航空子午線輪胎的作用，縮短與先進國家的差距，開發航空子午線輪胎專用設備是我國橡膠機械業的艱巨任務。設備廠商與航空輪胎生產廠商有待加強交流與合作，共同開發適用于航空子午線輪胎產品特點的專用制造裝備。