基于橡膠配方和工藝的輪胎產品經濟性分析

萬達淳，鄭聞運，陳 弩

[1.中創國宏（北京）設計咨詢有限公司，北京 100143；2.中策橡膠（泰國）有限公司，羅勇府 泰國 21140]

輪胎作為橡膠工業的主導產品，其設計及生產制造過程的經濟性直接影響企業的內生動力，即盈利能力[1]。本文從影響輪胎企業內生動力的基礎，即配方和工藝的局部特征分析影響企業經濟性的因素，揭示技術層面設計對企業經濟性的影響。

1 成本概念

橡膠工業的成本計算方法可采用：材料+在制品+產成品或配方成本[2-3]的計算方法。本文主要以配方成本的變化對生產成本的影響為出發點進行分析。

配方成本指單位質量原材料價格。在配方成本的概念中，應考慮以體積或質量為基礎，以體積為基準的應用包括成本-體積關系的概念和計算。

輪胎作為橡膠工業的主要產品，如何使用低成本的配方是企業管理者永遠關注的問題，但往往企業技術人員的關注點則集中在如何保證輪胎更高的性能。因此，在如何兼顧輪胎產品性能和配方成本上配方技術人員也應考量不能因減小昂貴的配合劑用量而損害產品質量，但過高的設計費用不僅造成浪費，而且會使產品失去競爭力。在完成嚴謹的性能評估及合理的成本計算后，選擇可替代的低成本原材料，將是企業內生動力的永恒課題。

2 配方成本計算方法

配方成本核算需要3個參數：每種組分的用量、每種組分的價格、每種組分的密度。密度與聚合物體系中經常使用的密度應保持一致，即保持產品體系的一致性。

2.1 密度

配方密度（ρf）計算公式如下。

式中，i代表每種組分，m為質量，ρ為密度。

2.2 單位成本

2.2.1 每千克成本

配方的每千克成本（Cf）計算公式如下。

式中，i代表每種組分，C為每千克成本。

當最終產品有固定尺寸時，例如一個特定輪胎的胎面、胎側、胎體，配方的固定體積成本是特別重要的。

2.2.2 每千克體積成本

每千克體積成本通常按照下式計算。

2.2.3 產成品成本

一個特定的橡膠制品的配方，實際成本需要根據該部件中膠料體積、每千克成本和密度計算，公式為：部件成本＝膠料體積×每千克體積成本×換算系數。

在比較兩種膠料的成本時，應當使用膠料的體積，而不是質量，這是應特別注意的。

3 計算產成品或在制品的換算系數

在計算產成品或在制品成本時，所有的計算應統一單位，這樣就可能需要使用換算系數。

本文的計算中，體積單位為cm3，質量單位為kg。當膠料體積使用每立方厘米成本和每千克成本時，換算系數為0.001。

如果僅針對相對成本，則無需使用換算系數，產品成本可以用一種組分對另一種組分的比例或百分比來表達。

4 密度測定

密度測定執行ASTM D1817。在橡膠材料密度的傳統測試方法中，可以把材料放在比重瓶中加入適當的液體測量其密度，計算時應考慮該材料的質量和液體的密度。

橡膠中存在間隙，如果將橡膠的斷面切開，放在顯微鏡下觀察，橡膠中的氣孔被放大后，可觀察到明顯的間隙。雖然傳統測試方法和ASTM D1817方法測試密度通常不會產生顯著的差異，但是對于具有高體積的材料來說，密度對配方成本的影響很重要。為了測定橡膠中一種組分的密度，在混煉膠中加入已知量的該組分材料并進行硫化，然后計算其密度并與基礎配方對比。顯然，某些材料不能大量地加入配方中，其會顯著影響終煉膠的成本，在這種情況下須使用較小用量。

密度測定的方法通常是：將硫化膠樣品在空氣中稱質量，然后將樣品浸泡在水中測定。計算時采用水在試驗溫度下的密度。這種測試必須使用硫化膠試樣。

5 成本計算實例

在確定測定密度的方法之后，研究實際應用中密度對配方成本的影響很重要。

5.1 全鋼載重子午線輪胎（TBR）胎面模擬配方

表1示出TBR胎面模擬配方的主要組分及成本計算。

由表1可以看出，當合成橡膠的用量增大到15份時，配方成本將降低2%。以年產100萬條TBR的生產能力計算，假設設計產品的胎面膠平均質量為20 kg，對年生產成本的影響將非?？捎^。

表1 TBR胎面模擬配方的主要組分及成本計算

通常情況下，設計工程師會出于安全考慮，采用安全系數較大的設計。雖然設計產品必要的安全系數非常重要，但也須從實際出發，采用過高但不切實際的安全系數限制了材料的選用、裝備功能的發揮、工藝技術的提升，也會帶來較高的成本。如輪胎產品的設計使用壽命應滿足10 000 h，而設計產品的理論使用壽命為100 000 h，這就毫無意義。

對于若失效將導致嚴重的經濟損失或潛在的人員傷亡的產品，應確保其零失效。例如，一個系統由于其中一個部件的失效將導致設備坍塌、生產能力下降、性能大幅降低和檢修設備的勞動成本增加，則增大部件安全系數就是非常敏感的。

5.2 硫化效率

硫化是輪胎生產過程中的關鍵環節，硫化所涉及的硫化溫度和硫化時間相互依賴又相互制約。通常情況下，硫化溫度越高，硫化速度越快，硫化時間越短。

根據范特霍夫法則，硫化溫度和時間的關系可以用下式表示[4]。

式中，t1為溫度為T1時的正硫化時間；t2為溫度為T2時的正硫化時間；K為硫化溫度因數（1.8～2.5，通常K取2）。

該公式表明硫化溫度與正硫化時間互為指數關系。硫化溫度升高10 ℃，正硫化時間縮短50%，溫度降低10 ℃，正硫化時間延長1倍。

從上述結果不難發現，升高硫化溫度，可有效縮短正硫化時間，提高硫化機的使用效率。以年產100萬條TBR為例，硫化溫度變化對硫化效率的影響見表2。

從表2可以看出，硫化溫度對硫化效率的影響非常明顯。硫化時間的確定屬于一個系統工程，在時間、溫度、壓力等因素固定的條件下，硫化速度將直接影響生產效率。為提高生產效率，輪胎企業使用的方法各有不同，如增加硫化促進劑、提高硫化介質的溫度、采用優化硫化工藝。本文僅以硫化溫度變化作為因子進行了舉例，無論采用哪種方法，在保證產品性能的基礎上，綜合成本考量是規模化生產必須兼顧的。

表2 硫化溫度變化對硫化效率的影響

6 結語

通過材料替代以節約成本和提高硫化效率的操作實例，闡述在配方中使用具有成本優勢的材料進行替代并采用技術創新的工藝方案等的重要性，其直接影響企業產品效益的最大化。以任何形式開展的配方替代、工藝技術創新、設備效率提升工作均需對所生產的輪胎產品進行全面的測試，以保證在設計、配方或工藝上的調整不影響輪胎產品的性能。