4＋3×0.33ST鋼絲簾線在全鋼載重子午線輪胎帶束層中的應用及壓延工藝探討

王培濱，柯增光，郭念貴，趙年鵬，劉應軍，王愛萍

（1.三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200；2.江蘇興達鋼簾線股份有限公司，江蘇 泰州 225721）

交通運輸對全球氣候變暖影響巨大，溫室氣體排放的20%來自陸地運輸，其中20%～30%來自輪胎[1]。具有低燃油消耗、低滾動阻力、高安全性能、長使用壽命和可翻新性等突出特性的綠色輪胎已成為全球輪胎行業的發展趨勢[2-5]。隨著碳達峰、碳中和等相關政策的陸續出臺更刺激了輪胎企業對綠色輪胎的開發研究。

輪胎作為汽車與地面接觸的唯一部件，其質量對汽車的燃油消耗影響較大。載重子午線輪胎中鋼絲簾線的質量占比達到20%左右，其對輪胎的質量、安全性能、燃油消耗、使用壽命和可翻新性等方面起到重要的作用。更高強度的鋼絲簾線可以在滿足簾布強度的情況下，減小鋼絲簾線用量和簾布質量，進而減小輪胎質量和滾動阻力，實現減少燃油消耗和二氧化碳排放。使用更高強度的鋼絲簾線成為制造低滾動阻力和輕量化輪胎的首要考慮方法，也是實現輪胎產業升級的必由之路。

本工作研究4＋3×0.33ST鋼絲簾線替代傳統3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線在全鋼載重子午線輪胎帶束層中的應用，重點探討其壓延工藝。

1 實驗

1.1 主要原材料

4＋3×0.33ST和3×0.20＋6× 0.35HT鋼絲簾線，江蘇興達鋼簾線股份有限公司產品。

1.2 主要設備和儀器

CG4/610X1730-S型壓延機，意大利魯道夫公司產品；CM-G3800-5型裁斷機，德國Fisher公司產品；XLB-Q型平板硫化機、三輥彎曲疲勞試驗機和滲透檢測儀，江蘇興達鋼簾線股份有限公司自行研制；2000-C型體式顯微鏡，德國蔡司公司產品；150-E型雙向擺式V-5剛度儀，美國Taber公司產品；ZBC7550-2型塑料擺錘沖擊試驗儀，美特斯工業系統（中國）有限公司產品。

1.3 性能測試

鋼絲簾線性能按GB/T 11181—2016《子午線輪胎用鋼簾線》和企業標準進行測試。輪胎各項性能均按相應國家標準和企業標準進行測試。

2 結果與討論

2.1 鋼絲簾線性能

2.1.1 鋼絲簾線結構

4 ＋3×0.33ST 鋼絲簾線和3×0.20 ＋6×0.35HT鋼絲簾線的橫截面結構對比如圖1所示。

圖1 兩種鋼絲簾線的橫截面結構對比

從圖1可以看出:4＋3×0.33ST鋼絲簾線為不規則結構，外層3根鋼絲對內層鋼絲不完全包覆，為全滲膠型鋼絲簾線；3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線為規則結構，外層鋼絲圍繞芯股鋼絲編捻，3根芯線呈三角形結構，形成閉合型空腔。

2.1.2 基本性能

4 ＋3×0.33ST 鋼絲簾線和3×0.20 ＋6×0.35HT鋼絲簾線的基本性能對比如表1所示。

表1 兩種鋼絲簾線的基本性能對比

從表1可以看出，兩種鋼絲簾線的最小破斷力相同，但4＋3×0.33ST鋼絲簾線單位線密度最小破斷力比3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線提高了12.7%，在保證同等簾布強度下，可以減小材料用量，有利于輪胎輕量化。

2.1.3 滲膠性能

4 ＋3×0.33ST 鋼絲簾線和3×0.20 ＋6×0.35HT鋼絲簾線的滲膠率檢測結果如表2所示。

表2 兩種鋼絲簾線的滲膠率對比 %

從表2可以看出，4＋3×0.33ST鋼絲簾線的滲膠性能好于3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線。

2.1.4 彎曲剛度

4 ＋3×0.33ST 鋼絲簾線和3×0.20 ＋6×0.35HT鋼絲簾線的彎曲剛度檢測結果如表3所示。

表3 兩種鋼絲簾線的彎曲剛度對比 TSU

從表3可以看出，兩種鋼絲簾線彎曲剛度相當，但覆膠后4＋3×0.33ST鋼絲簾線彎曲剛度明顯提高，比3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線提高了43.3%。這可能是由于4＋3×0.33ST鋼絲簾線為半包覆、全滲膠型，便于橡膠對所有鋼絲簾線的完全包覆，使得覆膠后彎曲剛度提升。帶束層是輪胎的主要受力部位，對輪胎的接地面積和耐磨性能有很大影響，剛度的提升有利于減小輪胎的下沉量，改善輪胎的滾動阻力性能。

2.1.5 抗沖擊性能

4 ＋3×0.33ST 鋼絲簾線和3×0.20 ＋6×0.35HT鋼絲簾線的沖擊吸收能檢測結果如表4所示。

從表4可以看出，兩種鋼絲簾線的沖擊吸收能相當。

表4 兩種鋼絲簾線的沖擊吸收能對比 J

2.1.6 耐疲勞性能

在相同負荷（配重15 kg）下對比覆膠后兩種鋼絲簾線的耐交變應力疲勞性能。4＋3×0.33ST鋼絲簾線和3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線的耐疲勞性能檢測結果如圖2所示。

圖2 兩種鋼絲簾線的耐疲勞性能對比

從圖2可以看出，兩種鋼絲簾線的耐疲勞性能相當。

2.2 壓延工藝探討

4 ＋3×0.33ST 鋼絲簾線與3×0.20 ＋6×0.35HT鋼絲簾線的直徑相當，采用與3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾布相同壓延工藝進行壓延，壓延時頻繁出現跳線現象，如圖3所示。

圖3 工藝調整前4＋3×0.33ST鋼絲簾布的壓延狀況

壓延過程中跳線不僅影響生產效率，還會導致簾布中簾線排布不均勻，影響輪胎的質量。

2.2.1 鋼絲簾布壓延跳線原因分析

4＋3×0.33ST鋼絲簾線為不規則結構，對壓延工藝要求較高，壓力輥和整經輥槽徑與簾線直徑匹配度、錠子架至整經輥/壓力輥的距離以及鋼絲簾布進入壓力輥的角度均有可能導致壓延過程中出現跳線現象。

4＋3×0.33ST鋼絲簾線在同一橫截面上繞軸向旋轉不同角度檢測鋼絲簾線的直徑時存在較大差異，而3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線為規則結構，在同一橫截面上繞軸向旋轉不同角度檢測的直徑相差不大。隨機選取120根4＋3×0.33ST鋼絲簾線進行直徑檢測，在同一橫截面上繞軸向旋轉測得的簾線最大直徑和最小直徑結果如圖4所示。

圖4 4＋3×0.33ST鋼絲簾線的直徑檢測結果

從圖4可以看出，4＋3×0.33ST鋼絲簾線最大直徑與最小直徑存在較大差異，最大直徑均值達到1.137 mm，最小直徑均值為1.040 mm。

根據圖4對4＋3×0.33ST鋼絲簾線最大直徑分布進行統計發現，其最大直徑大部分處在1.11～1.17 mm之間。

由于4＋3×0.33ST鋼絲簾線為不規則結構，同一橫截面上不同角度的鋼絲簾線直徑存在差異，且鋼絲簾線存在扭轉，在壓延過程中會發生一定的旋轉，因此4＋3×0.33ST鋼絲簾線最大直徑和最小直徑在壓力輥和整經輥處出現的概率相同，由于4＋3×0.33ST鋼絲簾線最大直徑大部分處在1.11～1.17 mm之間，當壓力輥和整經輥槽徑小于大部分4＋3×0.33ST鋼絲簾線最大直徑時，簾線將會從整經輥槽中跳出，導致跳線。因此需要對壓力輥和整經輥槽徑進行重新設計，使絕大部分4＋3×0.33ST鋼絲簾線都能卡在槽內。通過對4＋3×0.33ST鋼絲簾線最大直徑進行統計可知，4＋3×0.33ST鋼絲簾線壓力輥和整經輥槽徑至少為1.15 mm才能保證絕大部分4＋3×0.33ST鋼絲簾線都能卡在槽內，避免鋼絲簾線出現跳線現象。

另外，應控制錠子架至整經輥/壓力輥的距離，一般在15 m左右，如果錠子架至整經輥/壓力輥的距離過長，會導致鋼絲簾線的張力波動，鋼絲簾線更容易出現跳動現象，在壓延過程中出現跳線風險增大。可以通過安裝壓托輥和梳線板來減少簾線晃動翻轉，穩定鋼絲簾線的張力，降低壓延過程中鋼絲簾線的跳線風險。

此外，鋼絲簾布進入壓力輥時應盡可能保持水平，如果鋼絲簾布進入壓力輥的角度較大，鋼絲簾線更容易從壓力輥槽中跳出。

2.2.2 壓延工藝調整

通過對壓力輥和整經輥槽徑進行重新設計，將壓力輥槽徑由原來的1.13 mm調整為1.15 mm，并在壓力輥前增加梳線板來穩定鋼絲簾線的張力，再次對4＋3×0.33ST鋼絲簾布進行壓延，整個壓延過程順暢，無跳線、稀并線情況發生，簾布表面正常，達到改善效果，壓延工藝調整后4＋3×0.33ST鋼絲簾布的壓延狀況如圖5所示。

圖5 工藝調整后4＋3×0.33ST鋼絲簾布的壓延狀況

雖然壓延過程順暢，但通過對4＋3×0.33ST鋼絲簾線最大直徑統計發現仍有部分處在1.15～1.17 mm之間，存在跳線風險。將壓力輥槽徑改為1.17 mm進行驗證，效果較好，但是在壓延速度提升至30 m·min-1以上時仍有跳線現象，溝槽直徑需設計為1.2 mm，并要有合適的角度。

2.3 成品輪胎性能

2.3.1 壓穿強度

采 用4 ＋3×0.33ST 鋼絲簾線生產的12R22.5，295/80R22.5和315/80R22.5輪胎的壓穿強度試驗結果分別為3 827.3，3 478.1和3 928.3 J，明顯高于國家標準要求，達到國家標準值1.4倍以上。

2.3.2 耐久性能

采用4＋3×0.33ST鋼絲簾線和3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線生產的12R22.5，295/80R22.5和315/80R22.5輪胎的耐久性能試驗結果對比如圖6所示。

圖6 2種鋼絲簾線成品輪胎的耐久性能試驗結果對比

從圖6可以看出，采用4＋3×0.33ST鋼絲簾線生產的3種規格輪胎的耐久性能均好于采用3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線生產的相同規格輪胎，耐久性能提升超過4%。

2.3.3 滾動阻力

采用4＋3×0.33ST鋼絲簾線和3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線生產的12R22.5，295/80R22.5和315/80R22.5輪胎的滾動阻力試驗結果對比如圖7所示。

從圖7可以看出，采用4＋3×0.33ST鋼絲簾線生產的3種規格輪胎的滾動阻力略低于采用3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線生產的相同規格輪胎，滾動阻力下降幅度不大。

圖7 2種鋼絲簾線成品輪胎的滾動阻力試驗結果

2.4 成本分析

采用簾布等強度替代原則，使用4 ＋3×0.33ST鋼絲簾線替代3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線時，鋼絲簾線及膠料用量對比如表5所示。

表5 兩種鋼絲簾線及膠料用量對比

從表5可以看出，采用4＋3×0.33ST鋼絲簾線等強度替代3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線進行簾布壓延時，鋼絲簾線質量和簾布質量分別減小11%和7%，有利于減小輪胎質量，降低輪胎制造成本，減少能源消耗。

3 結論

（1）4＋3×0.33ST鋼絲簾線外層鋼絲對內層鋼絲不完全包覆，滲膠性能優良，有利于提高輪胎的使用壽命，覆膠后4＋3×0.33ST鋼絲簾線彎曲剛度比3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線明顯提高，有利于減小輪胎的下沉量，改善輪胎的滾動阻力性能。

（2）由于4＋3×0.33ST鋼絲簾線為不規則結構，需要對壓力輥和整經輥槽徑進行重新設計，使絕大部分4＋3×0.33ST鋼絲簾線都能卡在槽內，并在壓力輥前增加梳線板來穩定鋼絲簾線的張力，避免鋼絲簾布壓延時出現跳線現象。

（3）采用4＋3×0.33ST鋼絲簾線等強度替代3×0.20＋6×0.35HT鋼絲簾線用于全鋼載重子午線輪胎帶束層，可以減小鋼絲簾線質量和簾布質量，實現輪胎輕量化，減少原材料和能源消耗，符合綠色輪胎的發展方向。