巨型工程機械子午線輪胎新型硫化工藝

姜在勝，孫寶興，張元贊

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

近年來，世界各國對煤炭、銅和鐵等礦產資源的需求迅速增長，拉動了采掘業對采掘機械及大型運輸車輛的需求，尤其是礦用自卸車用巨型工程機械子午線輪胎的市場需求激增，從而造成了全球大規格工程機械輪胎供不應求的局面。米其林、固特異和普利司通等國外輪胎巨頭對我國輪胎生產企業均采取技術保密措施，雖然我國有近10家輪胎生產企業實現了1 244.6 mm（49英寸）及以上巨型工程機械子午線輪胎的研發及生產，但由于巨型工程機械子午線輪胎體積大、部件構成復雜，使用環境惡劣，生產技術難度較大，因此與國外先進水平差距不小。

巨型工程機械子午線輪胎通常采用天然橡膠（NR），雖然NR具有優越的強度特性，但對于厚壁制品來說其硫化程度和硫化均勻性不容易控制。通常達到正硫化程度的橡膠制品具有最佳性能，但將厚壁橡膠制品均勻硫化至正硫化程度是不可能的。靠近模具或膠囊表面的橡膠會經受較長的熱履歷（過硫），而位于厚壁制品中央的橡膠在硫化周期結束后可能會欠硫，而過硫或硫化返原會引起交聯密度下降以及伴隨主鏈改變而導致性能下降。

本工作主要從硫化工藝相關理論、硫化工藝制定方法及實際應用情況三個方面對巨型工程機械子午線輪胎開展新型硫化工藝研究，即在原過熱水硫化工藝的基礎上增加內冷水硫化工藝，通過硫化測溫及氣泡點方法，在保障輪胎各部位皆硫化完全的基礎上，合理控制過熱水及內冷水持續硫化時間，提高巨型工程機械子午線輪胎整體硫化的均勻性，降低硫化過硫程度，提高輪胎的內在品質。

1 硫化工藝理論及硫化工藝條件制定準則

1.1 硫化工藝理論

輪胎硫化是輪胎制造過程中重要工序之一，對輪胎的質量、生產效率及節約能源有重要的影響。研究硫化工藝的目的是使輪胎各部位達到適當的硫化程度。由于輪胎結構為由若干層橡膠和橡膠基復合材料構成的非均質結構，而且橡膠和橡膠基復合材料均是熱的不良導體，因此輪胎特別是巨型工程機械子午線輪胎的硫化是在非等溫條件下進行的，通常很難實現輪胎硫化的均一性。

為了減少硫化返原，達到改善輪胎性能、提高生產效率的目的，通常可以進行以下兩方面的工作：（1）調整輪胎各部位膠料的硫化速度及匹配性，盡量做到各部位膠料同時達到正硫化；（2）利用硫化測溫的方法，合理調整硫化時間和溫度。目前比較成熟的子午線輪胎硫化工藝主要有過熱水硫化工藝、變溫硫化工藝及充氮硫化工藝。巨型工程機械子午線輪胎由于冠部非常厚，用以上的方法及硫化工藝硫化后硫化效應較大，輪胎過硫化程度較為嚴重。因此，在現有巨型工程機械子午線輪胎硫化管路上增設了一套內冷水循環管道，在巨型工程機械子午線輪胎硫化過程中胎肩部位最薄弱點達到一定硫化溫度后，由循環過熱水切換為循環內冷水，可以迅速降低輪胎表面的溫度，而輪胎內部的溫度上升一段時間后會逐步降低。該新型硫化工藝大幅降低了巨型工程機械子午線輪胎表面的過硫化程度，同時輪胎內部在足夠的循環內冷水壓力下繼續硫化，有效解決了巨型工程機械子午線輪胎由于肩部厚導致的硫化程度不均勻的問題。

1.2 硫化工藝條件制定標準

國內外常用熱電偶輪胎硫化測溫法（簡稱測溫法）、氣泡點法以及這兩種方法結合來確定硫化工藝條件。巨型工程機械子午線輪胎主要使用測溫法確定硫化工藝條件，然后用氣泡點法驗證，充分利用了兩種方法的優點，又避免了氣泡點需要多次反復硫化、解剖分析的缺點。以熱電偶作為溫度傳感器的熱電偶輪胎硫化技術實際上包括硫化測溫點埋線、硫化測溫和硫化計算三部分[1]。

硫化測溫的目的是實現輪胎硫化的均一性，即在巨型工程機械子午線輪胎胎冠和胎肩區域的胎面膠和基部膠不同深度處埋測溫點，在排內壓時這些測溫點的硫化效應（CEQ）應大于胎冠和胎肩區域標準CEQ；在胎冠中心的外表面和胎側區域最薄位置（靠近胎體的外表面）區域的測溫點總CEQ應小于各自區域標準CEQ。其中標準CEQ由輪胎廠家根據其輪胎配方及硫化經驗確定。

2 新型硫化工藝中內冷水設備改造

從動力站引出2條冷水進回主管道至巨型工程機械子午線輪胎硫化車間，并在管道末端增設內冷水小循環，內冷水進出硫化機與過熱水進出硫化機為同一管道。

內冷水動力供給如圖1所示。

圖1 內冷水硫化工藝動力供給示意

3 新型硫化工藝數據及分析

正常硫化工藝為過熱水循環硫化工藝，硫化過程中過熱水溫度、壓力保持不變，屬于恒溫硫化；新型硫化工藝是在過熱水硫化工藝的基礎上增加內冷水硫化工藝，在硫化后期輪胎硫化最薄弱點溫度達到一定溫度時通入高壓內冷水進行硫化，同時在通內冷水時關閉外壓，以降低輪胎表面及內部溫度，解決巨型工程機械子午線輪胎由于肩部厚導致的硫化程度分布不均勻的問題。

3.1 硫化曲線

為充分對比硫化工藝對輪胎升溫的影響，選擇肩部硫化最薄弱點、膠囊表面、胎側表面位置溫度進行分析。圖2—4示出了采用新型硫化工藝和正常硫化工藝輪胎肩部硫化最薄弱點、膠囊表面、胎側表面位置的硫化曲線對比。

圖2 肩部硫化最薄弱位置硫化曲線對比

圖3 膠囊表面位置硫化曲線對比

圖4 胎側表面位置硫化曲線對比

從圖2—4可以看出：與正常硫化工藝相比，采用新型硫化工藝后，輪胎各位置溫度前期升溫速度基本一致，肩部和胎側表面位置的最高溫度降低，膠囊表面位置的最高溫度基本一致；提前出現溫度降低現象，即采用正常硫化工藝硫化時，輪胎內部溫度在硫化結束后會先上升一段時間，再逐步降低，而且降溫速度緩慢，后硫化效應較大，而采用新型硫化工藝，輪胎表面及內部雖然在內冷水循環階段就開始出現溫度降低現象，但在足夠的循環內冷水壓力下可繼續硫化至完全，同時巨型工程機械子午線輪胎表面及內部溫度顯著降低，減少了輪胎的后硫化效應。

3.2 硫化程度

為便于對比不同硫化工藝下輪胎的硫化程度，選某規格巨型工程機械子午線輪胎胎肩硫化最薄弱點位置、最寬帶束層端點位置及胎體簾布反包端點位置進行對比分析，結果如表1所示。

表1 不同硫化工藝對輪胎各部位硫化程度的影響

從表1可以得出，對采用兩種硫化工藝輪胎硫化最薄弱處位置進行氣泡點切割發現兩者均無氣泡出現，說明兩種硫化工藝均可以使輪胎硫化完全。但兩種硫化工藝對輪胎硫化程度的影響截然不同，硫化工藝由正常硫化工藝調整為新型硫化工藝后，輪胎各位置的過硫化程度均明顯降低，胎肩硫化最薄弱點位置、最寬帶束層端點位置過硫化程度降低幅度最大，硫化程度可降低40%以上，明顯降低了巨型工程機械輪胎的后硫化效應，有效提高了輪胎整體硫化均勻性，避免巨胎后硫化效應較大引起輪胎過硫嚴重問題出現，利于提升輪胎的內在品質。

3.3 成品性能

分別采用新型硫化工藝及正常硫化工藝制造輪胎進行成品性能對比試驗。

3.3.1 物理性能

硫化工藝對成品輪胎物理性能的影響如表2所示。

表2 成品輪胎物理性能

從表2可以看出，與采用正常硫化工藝相比，采用新型硫化工藝后，成品輪胎的物理性能更接近大料試驗中膠料的物理性能，明顯高于采用正常硫化工藝的輪胎，說明采用新型硫化工藝硫化后成品輪胎膠料性能損失較小，輪胎的過硫化程度明顯降低，有效解決了正常硫化工藝易使輪胎過硫化嚴重，導致膠料硫化返原、性能下降的問題。

3.3.2 實際路試

采用新型硫化工藝批量試制巨型工程機械子午線輪胎，并在某礦山進行實際路試。結果表明，與正常硫化工藝輪胎相比，新型硫化工藝輪胎的使用壽命可以提高10%左右，達到了客戶的預期。

4 結論

在原過熱水硫化工藝的基礎上增加內冷水硫化工藝，即在輪胎硫化過程中胎肩部位最薄弱點達到一定的硫化溫度后，由循環過熱水切換為循環內冷水的新型硫化工藝更適合巨型工程機械子午線輪胎的硫化，可以有效提高輪胎的硫化均勻性，顯著降低輪胎的過硫化程度，輪胎使用壽命提高10%左右，有利于提升輪胎的內在品質。