硫化介質(zhì)溫度對(duì)輪胎硫化特性的影響

于廣山，陳紅

（海工英派爾工程有限公司，山東 青島 266101）

硫化介質(zhì)溫度對(duì)輪胎硫化特性的影響

于廣山，陳紅

（海工英派爾工程有限公司，山東 青島 266101）

在科技日益發(fā)展的今天，已經(jīng)明確硫化介質(zhì)溫度會(huì)給輪胎硫化特性帶來(lái)一定的影響。本文主要對(duì)11.00R25輪胎作為分析對(duì)象，將其硫化-傳熱耦合有限元模型通過(guò)多維模型與混合定律模型去模擬橡膠材料與橡膠簾線復(fù)合材料，利用Isayev焦燒模型、經(jīng)典內(nèi)生熱模型、混合動(dòng)力學(xué)模型將橡膠的硫化特性模擬出來(lái)。本文主要對(duì)硫化介質(zhì)溫度對(duì)輪胎硫化特性的影響展開(kāi)深入的研究，通過(guò)研究明確輪胎硫化受到蒸汽溫度的影響程度，并且提出，通過(guò)分布區(qū)塊法能夠?qū)φ羝c過(guò)熱水的溫度進(jìn)行合理的匹配操作等。

硫化特性；硫化介質(zhì)溫度；輪胎；影響

眾所周知，在制造輪胎的過(guò)程中，硫化是其中的最后一道工序，其熱量傳入的過(guò)程中，主要由硫化介質(zhì)經(jīng)膠囊或者金屬模具等傳入到輪胎的內(nèi)部，在介質(zhì)不斷循環(huán)的作用之下，能夠確保其具有較高的溫度。實(shí)踐表明，在輪胎硫化期間，常常會(huì)受到蒸汽溫度的影響，如果不能把握好蒸汽溫度，則會(huì)降低輪胎制造的質(zhì)量。與此同時(shí)，所傳入的熱量能夠使得橡膠化合物發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，最終可以形成超彈性耐久材料，這樣才能夠確保輪胎性能方面的要求。因此，硫化介質(zhì)溫度在輪胎制造過(guò)程中，會(huì)給輪胎硫化產(chǎn)生極為重要的影響。

1 有限元建模分析

本文將11.00R25輪胎作為研究的案例，利用有限元法對(duì)硫化過(guò)程的數(shù)值展開(kāi)相應(yīng)的模擬。在整個(gè)模擬過(guò)程中，需要將結(jié)構(gòu)與邊界的對(duì)稱性作為基礎(chǔ)，對(duì)二分之一的子午面展開(kāi)輪胎硫化分析工作，圖一為輪胎硫化有限元模型圖，從圖1中可以看出，離散后的數(shù)值模型包括1 679個(gè)軸對(duì)稱傳熱單元，并且擁有較多的節(jié)點(diǎn)。

在金屬模具與金鋼圈應(yīng)用方面，可以將熱物性參數(shù)設(shè)定為一定的值；而膠囊材料的密度在此時(shí)也應(yīng)該設(shè)定為定值，伴隨溫度變化而變化的線性模型為熱導(dǎo)率。而墊膠、過(guò)渡膠、內(nèi)襯層等這些純橡膠材料，也需要將其密度設(shè)定為定值［1］，這與張建，王國(guó)林，傅乃霽等在《硫化介質(zhì)溫度對(duì)輪胎硫化特性的影響》一文中有著極為相似的觀點(diǎn)。機(jī)內(nèi)硫化期間，輪胎通過(guò)高壓過(guò)熱水在經(jīng)過(guò)膠囊壓緊以后，能夠完成硫化的整個(gè)過(guò)程操作。為此，在硫化期間可以不考慮輪胎金屬模具以及輪胎膠囊之間的熱阻。在整個(gè)過(guò)程中，需要應(yīng)用定律模型對(duì)其熱物性參數(shù)給予相應(yīng)的定義。

圖1　輪胎硫化有限元模型圖

實(shí)踐表明，在施加Dirichlet邊界過(guò)程中，需要滿足幾個(gè)方面的條件，即：

首先，需要確保膠囊的水溫在前5 min內(nèi)有所下降，下降的溫度范圍為180～170℃，在過(guò)后的47 min需要確保溫度處于不變的狀態(tài)之下。通常在前6 min需要確保其溫度在120℃，并且不能發(fā)生變化，之后的8 min，其溫度需要保持由120℃線性上升到151℃［2］。這與張建在《輪胎硫化特性及影響規(guī)律研究》一文中的觀點(diǎn)有著極為相似之處。

同時(shí)，在硫化模擬開(kāi)始的時(shí)候，需要給定初始的溫度條件，通常硫化模具初始溫度為120℃，而輪胎的初始溫度應(yīng)為30℃，這些條件不僅是必備的條件，同時(shí)也是不可以出現(xiàn)差錯(cuò)的條件，有研究人員為了能夠更好的研究過(guò)熱水與蒸汽水給輪胎硫化特性帶來(lái)的影響，對(duì)過(guò)熱水的47 min恒定溫度與蒸汽的38 min的恒定溫度為170℃。在整個(gè)硫化過(guò)程中，所使用的軟件為商業(yè)CAE中的一些自定義程序，通過(guò)這些程序?qū)喬チ蚧^(guò)程的相應(yīng)數(shù)值展開(kāi)求解。

2 結(jié)果分析

2.1硫化程度

在結(jié)果分析中，首先分析的是硫化程度。通過(guò)幾種工況計(jì)算，得出輪胎工程的正硫化時(shí)間和此時(shí)斷面上硫化程度的最小值所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)號(hào)。通過(guò)計(jì)算得出，在所有工況正常之下，輪胎中最難硫化的部位則在胎肩處的帶束層端部，其總體分布與膠囊一側(cè)的距離通常比較近，這表明蒸汽的溫度會(huì)給輪胎硫化帶來(lái)極大程度的影響，其原因在于，夾在過(guò)熱水和輪胎之間屬于低導(dǎo)熱性膠囊，同時(shí)具有較高導(dǎo)熱性的帶束層也與膠囊的一側(cè)較為靠近［3］。這與劉欣在《NR微波干燥的工藝優(yōu)化及其硫化特性的研究》一文中的觀點(diǎn)有著極為相似之處。在輪胎斷面靠近的中心部位，對(duì)角線以下的節(jié)點(diǎn)分布著，該區(qū)域的保溫性能較為良好，在保障胎肩能夠擁有充分的硫化過(guò)程有著積極的推動(dòng)意義。

另外，還有研究驗(yàn)證了該部分的結(jié)論。在角線以上的部分，往往胎冠區(qū)左側(cè)的橡膠交聯(lián)反應(yīng)存在著不夠充分的缺陷，那么在這些區(qū)域之內(nèi)便很難實(shí)現(xiàn)輪胎出模以后通過(guò)余熱來(lái)實(shí)現(xiàn)硫化目標(biāo)，但是在這期間極有可能給該區(qū)域內(nèi)的物理性能帶來(lái)較為嚴(yán)重的影響。在對(duì)角線以下的部分，交聯(lián)反應(yīng)不充分區(qū)域會(huì)在胎肩的內(nèi)部全部的表現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)胎冠區(qū)左側(cè)的橡膠交聯(lián)反應(yīng)對(duì)比會(huì)表現(xiàn)得較為充分，通常在出模以后會(huì)達(dá)到0.9以上［4］。這與Ken Rogers，張學(xué)山，李紀(jì)新等在《世界輪胎硫化工藝及硫化機(jī)技術(shù)最新發(fā)展趨勢(shì)》一文中的觀點(diǎn)有著相似之處。為此，在出模以后能夠?qū)ζ溥M(jìn)行較好的余熱硫化；如果對(duì)有效提升輪胎硫化效率進(jìn)行充分的考慮，那么工程的正硫化時(shí)間最好在短時(shí)間內(nèi)完成，通常這需要硫化介質(zhì)擁有較高的溫度，但是在高溫硫化過(guò)程中，卻常常會(huì)出現(xiàn)較大能耗問(wèn)題，并且會(huì)導(dǎo)致橡膠在硫化的后期產(chǎn)生物理性能的轉(zhuǎn)變，這需要相應(yīng)工作人員給予高度重視。

2.2硫化溫度

而在溫度場(chǎng)方面，如果已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工程正硫化時(shí)間的目標(biāo)，那么此時(shí)輪胎斷面最小溫度值和所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)號(hào)也會(huì)隨之被確定下來(lái)。由此可見(jiàn)，在所有工況明確的背景之下，那么輪胎的最低溫度點(diǎn)會(huì)分布在胎肩區(qū)的中分線兩側(cè)，這表明在膠囊較勁的一側(cè)會(huì)密集的分布，這也表明蒸汽溫度對(duì)于輪胎硫化所帶來(lái)的影響程度比較大。

另外，如果硫化介質(zhì)溫度不斷提升，，那么輪胎斷面的平均溫度也會(huì)隨之提升，此時(shí)的高溫區(qū)也會(huì)向高溫硫化介質(zhì)一側(cè)發(fā)生偏離，該分部規(guī)律也是判斷能否展開(kāi)余熱硫化操作的重要依據(jù)所在［5］。這與范連翠在《輪胎在硫化過(guò)程中的傳熱特性研究》一文中的觀點(diǎn)相似。實(shí)際上，在輪胎制造硫化過(guò)程中，最難硫化的部位在胎肩部位的帶束層端部，從總體上看，其分部與膠囊一側(cè)較為接近，輪胎的最低溫度點(diǎn)也在胎肩區(qū)中線兩側(cè)分部，距離膠囊較近的一側(cè)分部的密度也較為密集，這表明輪胎硫化受到蒸汽溫度的影響程度比較大，因此在整個(gè)輪胎硫化期間，工作人員需要對(duì)蒸汽溫度給予高度重視，并要保證最大限度的降低其給輪胎硫化帶來(lái)的影響程度。

3 結(jié)論

通過(guò)上述分析可見(jiàn)，在輪胎硫化方面，可以應(yīng)用分布區(qū)塊的方式展開(kāi)蒸汽、過(guò)熱水等硫化介質(zhì)溫度的設(shè)計(jì)。換言之，需要建立不同的硫化介質(zhì)溫度，并且在此條件之下，硫化程度、工程正硫化時(shí)間以及溫度分布區(qū)塊等各個(gè)方面的因素都會(huì)發(fā)生一定的改變，確保其能夠與蒸汽、過(guò)熱水的溫度相匹配。本文立足于兩個(gè)方面，第一方面分析了有限元建模，第二方面分析了硫化介質(zhì)溫度對(duì)輪胎硫化特性的影響研究結(jié)果。并且明確在整個(gè)硫化過(guò)程中，溫度是影響整個(gè)輪胎制造效果的關(guān)鍵因素，如果沒(méi)有給予嚴(yán)格的掌握，那么必將導(dǎo)致其質(zhì)量下降。為此，工作人員應(yīng)該給予高度的重視，最終實(shí)現(xiàn)保障輪胎質(zhì)量的目標(biāo)。

［1］ 張建，王國(guó)林，傅乃霽，等. 硫化介質(zhì)溫度對(duì)輪胎硫化特性的影響［J］. 橡膠工業(yè)，2014，61（6）:364～368.

［2］ 張建.輪胎硫化特性及影響規(guī)律研究［D］.江蘇大學(xué)，2014，（12）:23～45.

［3］ 劉欣. NR微波干燥的工藝優(yōu)化及其硫化特性的研究［D］. 海南大學(xué)，2010，（02）:8～9.

［4］ K e n R o g e r s，張學(xué)山，李紀(jì)新，等. 世界輪胎硫化工藝及硫化機(jī)技術(shù)最新發(fā)展趨勢(shì)［J］. 橡塑技術(shù)與裝備，2003，29（5）:19～21.

［5］ 范連翠.輪胎在硫化過(guò)程中的傳熱特性研究［D］.青島科技大學(xué)，2011，（56）:43～78.

（P-01）

Effect of sulfi de medium temperature on tire vulcanization characteristics

TQ336.1

1009-797X（2016）10-0087-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.034

于廣山（1979-），男，工程師，大學(xué)本科。

2016-04-22