工程機械輪胎內冷卻硫化工藝研究

周 勇，姜在勝，劉 娟，張元贊，董秀玲

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

橡膠是熱的不良導體，對于工程機械輪胎這樣的橡膠厚制品，在硫化過程中會形成一定的溫度場。輪胎內部與模具及膠囊（或水胎）之間形成一定的溫度梯度，當輪胎表面達到正硫化時，硫化薄弱點仍處于欠硫狀態甚至剛開始發生交聯反應。而在實際生產過程中又必須保證輪胎硫化薄弱點達到正硫化，此時輪胎表面處于過硫狀態，性能下降。輪胎尺寸越大，薄弱點與輪胎表面的硫化程度相差越大，因此在保證輪胎硫化薄弱點硫化程度的基礎上，研究制定一種合適硫化工藝，降低輪胎表面過硫度，提高輪胎使用性能就變得尤為重要。

工程機械斜交輪胎傳統過熱水硫化工藝是在打內壓結束后向膠囊內部通入一定溫度的過熱水進行循環，由內部向輪胎傳熱，在蒸汽室通入一定溫度（壓力）的飽和蒸汽進行循環，加熱模具，由外部向輪胎傳熱。循環一定時間后排凈蒸汽室和膠囊內部介質，取出輪胎置于后充氣設備上，充入一定壓力的氣體，進行后充氣冷卻。

傳統過熱水硫化工藝的弊端是硫化排壓時輪胎硫化薄弱點硫化程度滿足要求，但輪胎表面過硫嚴重，硫化均勻性差，出罐時胎體簾線溫度較高，輪胎從開始排內壓到進行后充氣期間輪胎已發生一定程度的收縮，輪胎質量穩定性差。

內冷卻硫化工藝是在過熱水和外溫蒸汽循環一定時間后，將內溫過熱水循環切換為冷卻水循環，并提前關閉外溫蒸汽進汽閥門，冷卻一定時間后排凈蒸汽室和膠囊內部介質，取出輪胎進行后充氣。工程機械輪胎尺寸厚，冷卻效應傳遞慢，通入內冷卻水后相當長時間內輪胎肩部及冠部中心溫度仍處于升溫狀態，只是降低了輪胎胎體和輪胎外表面的溫度。這樣可以在保證薄弱點硫化程度的基礎上降低輪胎表面和胎體過硫度。同時通入內冷卻水降低了輪胎出罐時胎體溫度，從而減少輪胎從出罐到進行后充氣過程中的尺寸收縮，質量穩定性好。

為分析確定合適的內冷卻硫化工藝條件，本工作選取18.00－25 40PR TL510規格采用內冷卻硫化工藝條件進行硫化測溫試驗。

1 實驗

1.1 主要設備和儀器

WL-IV型微電腦硫化測溫儀，北京橡膠工業研究設計院產品；LB-85型單模定型硫化機，桂林橡膠塑料機械有限公司產品。WL-IV型微電腦硫化測溫儀可以同時測定24個測溫點不同時刻的溫度值，每10 s記錄一次數據，配備靈敏度高、復制性好的T型熱電偶。

1.2 熱電偶埋覆

為對比分析兩種不同硫化工藝下輪胎硫化狀況，成型兩條18.00－25規格試驗輪胎，分別進行內冷卻硫化工藝和傳統過熱水硫化工藝測溫試驗，在成型過程中熱電偶埋覆分布如圖1所示。

圖1 熱電偶埋覆位置

1.3 硫化

測溫硫化工藝條件見表1。

采用表1中硫化工藝條件分別硫化兩條試驗輪胎，使用WL-IV型微電腦硫化測溫儀收集硫化過程各測溫點數據。

表1 測溫硫化工藝條件

2 結果與討論

2.1 硫化溫度分布

為對比兩種硫化工藝下輪胎硫化升溫情況，選取具有代表性的測溫點數據作溫度曲線。胎圈及肩部測溫點中分別選取升溫速度較慢的測溫點，緩沖部位測溫點選取通入內冷水后降溫最快的測溫點。內冷卻硫化工藝測溫點溫度曲線如圖2所示。過熱水硫化工藝測溫點溫度曲線如圖3所示。

圖2 內冷卻硫化工藝測溫點溫度曲線

圖3 過熱水硫化工藝測溫點溫度曲線

從圖2和3可以看出，兩種工藝測溫時升溫最快的是氣密層中心、胎冠表面中心升溫速度高于胎側表面、胎冠中心升溫速度最慢。

內冷卻硫化工藝測溫后期胎冠表面中心及胎側表面溫度開始下降；通入冷卻水后氣密層中心、緩沖層中心、下模胎圈部位溫度下降明顯。

分析如下：

（1）兩種硫化工藝內溫過熱水溫度遠高于飽和蒸汽溫度，因此測定膠囊外表面的氣密層中心測溫點升溫最快；

（2）胎冠表面中心及胎側表面測溫點是測定模具內表面溫度的，模具冠部與蒸汽接觸較胎側部位充分，因此胎冠表面中心升溫速度快；

（3）該規格輪胎冠部與肩部尺寸相差較小，冠部花紋塊較大，受模具傳熱較肩部慢，因此胎冠中心升溫速度最慢；

（4）內冷卻硫化工藝外溫蒸汽循環關閉早，因此測定模具內表面溫度的胎冠表面中心及胎側表面測溫點在硫化后期溫度出現下降；

（5）內冷卻水溫度低，通入后硫化內溫迅速降低，在內冷卻效應的作用下，氣密層中心測溫點溫度迅速下降，因此受內溫影響大的緩沖層中心及胎圈部位溫度也明顯下降。

通入冷卻水后緩沖層中心溫度下降明顯，說明通入內冷水可以明顯降低胎體及緩沖層部位出罐時溫度，有利于降低簾線收縮。

2.2 測溫薄弱點升溫曲線對比

兩次測溫升溫速度最慢的均是胎冠中心，說明兩種硫化工藝下硫化薄弱點均在冠部。選取兩次測溫薄弱點數據作對比曲線如圖4所示。

圖4 兩種硫化工藝測溫薄弱點升溫曲線

從圖4可以看出，兩種硫化工藝測溫前期薄弱點升溫情況基本一致，測溫后期內冷卻硫化工藝薄弱點升溫速度降低，但硫化結束時仍呈升溫趨勢。

分析如下：

（1）測溫前期兩種硫化工藝下輪胎受內外溫影響基本一致，因此測溫薄弱點升溫情況一致；

（2）內冷卻硫化工藝測溫后期，外溫蒸汽提前關閉，內溫過熱水切換為冷卻水，因此薄弱點升溫速度降低；

（3）工程機械輪胎部件厚，過熱水切換為冷卻水后，冷卻效應傳遞至肩部及胎冠中心所需時間較長，且膠料交聯反應釋放熱量，因此硫化結束時測溫薄弱點溫度仍呈上升趨勢。

2.3 數據分析

兩次測溫最薄弱點均是胎冠中心，運用阿累尼烏斯方程對測溫數據進行計算：

式中，t為溫度為θ時的正硫化時間；t0為溫度為145℃時的正硫化時間；θ為實際測定溫度；θ0為基準溫度，145 ℃。

計算得到過熱水硫化工藝條件測溫排壓時薄弱點累計等效硫化程度為298.9%，內冷卻硫化工藝條件測溫排壓時薄弱點累計等效硫化程度為237.1%。可以看出采用內冷卻硫化工藝可降低輪胎過硫化程度。

2.4 數據處理

根據測溫數據可知，采用內冷卻硫化工藝條件可以降低排壓時薄弱點硫化程度，但仍偏高。為確定合適的硫化條件，對內冷卻硫化工藝測溫時薄弱點數據進行處理分析，如圖5所示。

圖5 內冷卻硫化工藝薄弱點數據處理曲線

內冷卻之前，輪胎受熱情況一致，認為冷卻之前升溫曲線相同。

運用阿累尼烏斯方程對處理后數據進行計算，在內冷卻提前30 min、硫化周期縮短20 min條件下排內壓時測溫薄弱點硫化程度為141.5%，考慮測溫薄弱點與實際薄弱點位置差異、膠料性能及硫化動力條件的波動，該硫化程度滿足要求。

采用內冷卻提前30 min、硫化周期縮短20 min內冷卻硫化工藝條件與過熱水硫化工藝條件相比，排壓時胎冠表面中心硫化程度從702.1%降低至415.3%，緩沖層中心硫化程度從1 023.5%降低至579.1%，過硫化程度明顯降低。

2.5 成品物理性能

對兩種硫化工藝測溫成品輪胎進行物理性能對比試驗，分析硫化工藝對輪胎性能的影響，成品輪胎物理性能對比如表2所示。

從表2可以看出，內冷卻硫化工藝輪胎物理性能較傳統硫化工藝好，說明采用內冷卻硫化工藝降低輪胎過硫程度后，輪胎性能提高。

表2 成品輪胎物理性能對比

3 結論

（1）在保證內冷卻壓力滿足要求的前提下，采用內冷卻硫化工藝可降低輪胎的過硫程度，改善輪胎硫化均勻性，提高輪胎質量。

（2）工程機械輪胎尺寸大，內冷卻效應傳遞至輪胎肩部及胎冠中心所需時間較長，通入內冷卻水后肩部及胎冠中心溫度仍處于升溫狀態。

（3）采用內冷卻硫化工藝可以降低出罐時胎體簾線溫度，從而減少輪胎出罐至上后充氣期間的簾線收縮，提高輪胎質量穩定性。

（4）采用內冷卻硫化工藝，提前關閉外溫蒸汽和過熱水循環可降低輪胎硫化能耗。