全鋼子午胎一次法成型鼓的結(jié)構(gòu)使用性能分析

張脈永

(雙錢(qián)集團(tuán)（安徽）回力輪胎有限公司,安徽 蕪湖 238312)

20世紀(jì)80年代中期我國(guó)批準(zhǔn)7家輪胎廠從國(guó)外引進(jìn)全鋼子午線輪胎制造技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備，大部分引進(jìn)項(xiàng)目全鋼成型采用一次法成型工藝并在此后新建和擴(kuò)建得以推廣使用。鑒于當(dāng)時(shí)全鋼子午胎生產(chǎn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化能力，分別引進(jìn)不同國(guó)家全鋼子午胎成型機(jī)。國(guó)內(nèi)的全鋼載重子午胎成型機(jī)始于北京航空制造工程研究所1992年首次研制成功LCZ-3型兩鼓成型機(jī)。至90年代末天津賽象和青島軟控相繼開(kāi)發(fā)成功，通過(guò)多年發(fā)展，國(guó)內(nèi)的全鋼載重子午胎成型機(jī)從兩鼓發(fā)展成為三鼓、四鼓，由手動(dòng)裁斷供料架到全自動(dòng)定長(zhǎng)自動(dòng)裁斷自動(dòng)貼合的供料架，由膠囊鼓發(fā)展到機(jī)械鼓成型，為國(guó)內(nèi)全鋼子午線輪胎快步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1 一次法全鋼子午線輪胎成型工藝描述

典型的全鋼子午胎一次法成型就是將準(zhǔn)備好的內(nèi)襯層、胎體簾布、鋼絲圈、子口包布、胎肩墊膠、胎冠、胎側(cè)、帶束層等各種半成品部件在成型機(jī)上按施工表要求組合成胎坯。成型工藝是保證輪胎質(zhì)量的非常關(guān)鍵的工藝。具體工藝步驟如圖1所示。

從圖1所示成型工藝步驟看，經(jīng)過(guò)部件貼合、傳遞、定位、定型、壓合、卸胎等動(dòng)作完成胎坯成型。其中在成型鼓上完成的鋼圈鎖緊定位、胎體定型和胎冠壓合三個(gè)工藝步驟非常重要。詳細(xì)過(guò)程如下：胎體簾布組合件從平鋪形狀逐漸變形到接近成品的胎坯形狀。這個(gè)過(guò)程中，兩個(gè)胎圈之間的距離逐漸減小，胎坯內(nèi)的空氣壓力逐漸增加，胎坯中心逐漸隆起，直到兩胎圈之間距離接近成品相應(yīng)寬度，胎體冠部與帶束層接觸。其中預(yù)定型是胎坯定型的準(zhǔn)備階段；定型是進(jìn)一步促進(jìn)胎體膨脹階段；超定型是為了鋼圈進(jìn)一步靠近，使胎體胎肩部位和帶束層更緊密結(jié)觸，不留空隙不產(chǎn)生氣泡（見(jiàn)圖2胎體定型示意圖）。

圖1 全鋼子午胎一次成型工藝流程

圖2 胎體定型示意圖

胎體充氣過(guò)程的充氣壓力要求逐漸增加，如0.03→0.05→0.08 MPa，不可過(guò)快過(guò)高，避免胎體簾線的密度改變不均，最終充氣壓力0.1 MPa左右。胎圈收縮要對(duì)稱(chēng)收縮，做到胎體中心線兩側(cè)寬度均等簾線勻稱(chēng)。胎體變形要均勻，不可塌陷扭曲而導(dǎo)致異常變形造成簾線稀密不均。定型過(guò)程中充氣、胎圈距離收縮和胎體膨脹要同步進(jìn)行。胎體的中心線與胎面的中心線對(duì)正，公差1 mm。再經(jīng)過(guò)后壓輥裝置分別完成胎冠和胎側(cè)的壓合，最終形成所需胎坯形狀。成型后的胎坯要保持良好形狀，避免擠壓變形，用托盤(pán)水平存放。實(shí)際全鋼一次法成型因胎側(cè)反包動(dòng)作先后于胎冠壓合動(dòng)作有側(cè)包冠和冠包側(cè)之分。

2 成型過(guò)程中胎坯受力分析

胎坯在定型和壓合過(guò)程中受到充氣內(nèi)壓力和后壓裝置壓輥外壓力兩個(gè)力的作用，下面按照實(shí)際生產(chǎn)295/80R22.5規(guī)格計(jì)算內(nèi)外壓力的數(shù)值。

2.1 建立胎坯內(nèi)壓受力模型（圖3）

圖3 胎坯內(nèi)壓受力

定型壓力為：P=6.86～8.82 N，則：

F水平=π×(473×473/100-290×290/100)P=4 384.35P

=30 077～38 670 N

則胎坯周向簾線拉力F拉=F水平/cos61.65°=63 462～81 594 N。

2.2 后壓輥對(duì)胎坯壓力計(jì)算

如圖4所示，設(shè)定氣缸壓力為P，氣缸直徑為8 cm，所以氣缸推力 ：F總=π×4×4P=50.24P。單個(gè)后壓輥對(duì)胎坯的水平壓合力F=F總×188/279=50.24P×188/279=33.85P，設(shè)定后壓輥氣壓P=9.8 N→29.4 N→39.2 N→89 N→58.8 N，則單個(gè)后壓輥低對(duì)胎體壓力分別為：低壓時(shí)：F=331.73～1 061.5 N；中壓時(shí)：F=995.2～1 326.9 N；高壓時(shí)：F=1 658.7～1 989.4 N。

從上述胎坯成型過(guò)程中兩部分作用力要求成型鼓具備良好的精度和強(qiáng)度剛性以保證胎坯工藝精度。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)工藝選擇不同結(jié)構(gòu)成型鼓十分必要。

圖4 后壓輥壓合力

3 膠囊反包成型鼓結(jié)構(gòu)使用性能分析。

膠囊成型鼓在全鋼一次法成型機(jī)中應(yīng)用最為廣泛，經(jīng)過(guò)80年代技術(shù)引進(jìn)和消化吸收，國(guó)產(chǎn)膠囊成型鼓逐步形成系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。典型的膠囊反包成型鼓有以下幾種。

3.1 意大利皮列里技術(shù)的膠囊成型鼓

80年代中期國(guó)內(nèi)數(shù)家輪胎廠引進(jìn)意大利皮列里全鋼子午胎制造技術(shù)并引進(jìn)相關(guān)設(shè)備，同期開(kāi)展進(jìn)口設(shè)備國(guó)產(chǎn)化。圖5即為國(guó)產(chǎn)化后的膠囊成型鼓。該鼓繼承了原版意大利成型鼓的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，成型鼓由兩個(gè)側(cè)鼓和一個(gè)三件套中鼓組成，安裝在帶有氣路密封圈的成型機(jī)主軸上，所有成型鼓胎圈鎖緊、定型充氣、反包膠囊和助推膠囊充氣通過(guò)主軸內(nèi)部氣路提供。該鼓對(duì)氣路密封和機(jī)械安裝精度要求較高，成型鼓維修困難且影響輪胎產(chǎn)能，限制了該結(jié)構(gòu)成型鼓的推廣使用，國(guó)內(nèi)只有小部分廠家保留使用此類(lèi)成型鼓。

圖5 皮列里膠囊成型鼓

3.2 日本三菱膠囊成型鼓

20世紀(jì) 90年代隨著Firestone全鋼子午線輪胎制造技術(shù)引進(jìn)，國(guó)內(nèi)有數(shù)家輪胎廠進(jìn)口日本三菱重工開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的兩鼓式一次法子午線輪胎成型機(jī)，其所配備的都是充氣式膠囊鼓，膠囊成型鼓的結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由空芯主軸、絲桿、助推膠囊、反包膠囊和鼓肩膠囊等部份組成。由于膠囊鼓結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、更換膠囊時(shí)間短、反包后胎側(cè)表面平整等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在仍有不少一次法子午線載重胎成型機(jī)還在使用充氣式膠囊鼓。該成型鼓的缺點(diǎn)是胎圈鎖塊包裹性差，成型鼓主軸直徑小、剛性差、撓度過(guò)大，影響胎坯成型工藝精度。

圖6 日本三菱膠囊成型鼓

3.3 國(guó)產(chǎn)膠囊成型鼓

90年代末期隨著全鋼子午線輪胎迅速發(fā)展，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)全鋼子午線輪胎生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)。國(guó)內(nèi)設(shè)備制造商結(jié)合早期引進(jìn)全鋼子午線輪胎制造技術(shù)特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出國(guó)產(chǎn)膠囊成型鼓如圖7所示，該鼓主要由以下幾個(gè)部分組成：帶充氣法蘭的主軸，兩個(gè)配反包膠囊和助推膠囊的側(cè)鼓，一個(gè)鋼制薄壁三件套中鼓。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：成型鼓主軸直徑加大保證剛性減少成型鼓的撓度，撐塊結(jié)構(gòu)參照皮列里側(cè)鼓形式設(shè)計(jì)增加子口鎖緊度，用剛性薄壁三件套中鼓替代鼓肩膠囊，氣路系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。隨著該成型鼓不斷優(yōu)化，在國(guó)內(nèi)眾多輪胎公司兩鼓和三鼓成型機(jī)上使用。

圖7 國(guó)產(chǎn)膠囊成型鼓

3.4 BS膠囊成型鼓

BS膠囊成型鼓如圖8所示，主要結(jié)構(gòu)區(qū)別于三菱成型鼓之處是兩個(gè)側(cè)鼓的結(jié)構(gòu)不同，鋼圈鎖塊位于反包膠囊內(nèi)側(cè)下端但不被反包膠囊包裹，可根據(jù)不同工藝需要快速更換鋼圈鎖塊形狀，滿(mǎn)足子口部位反包精度要求。側(cè)鼓表面安裝助推膠囊和反包膠囊，安裝膠囊較國(guó)產(chǎn)膠囊鼓方便。該鼓特點(diǎn)是反包膠囊使用壽命長(zhǎng)，可適用于側(cè)包冠或冠包側(cè)工藝，主要在三鼓成型機(jī)上使用。

3.5 東洋膠囊成型鼓

東洋膠囊成型鼓結(jié)構(gòu)如圖9所示，主要由兩個(gè)對(duì)稱(chēng)側(cè)鼓組成并安裝于成型機(jī)主軸，側(cè)鼓表面僅安裝一個(gè)反包膠囊，而助推膠囊則采用機(jī)械助推桿代替。該鼓的特點(diǎn)是成型機(jī)主軸剛性大幾無(wú)撓度，保證兩個(gè)胎圈之間的平行度，使胎體定型時(shí)膨脹均勻?qū)ΨQ(chēng)。另外每個(gè)側(cè)鼓只有一個(gè)反包膠囊，維修工作量減少。缺點(diǎn)是兩個(gè)側(cè)鼓安裝在成型機(jī)主軸上，頻繁更換則影響裝配精度和氣路密封。該成型鼓既可滿(mǎn)足冠包側(cè)工藝也可滿(mǎn)足側(cè)包冠工藝。

圖8 BS膠囊成型鼓

圖9 東洋膠囊成型鼓

3.6 住友膠囊成型鼓

住友膠囊成型鼓結(jié)構(gòu)如圖10所示，于1995年在美國(guó)申請(qǐng)專(zhuān)利。該鼓結(jié)構(gòu)與皮列里膠囊成型鼓類(lèi)似，兩個(gè)膠囊側(cè)鼓安裝于成型機(jī)主軸上。區(qū)別在于側(cè)鼓鋼圈鎖塊采用矩形槽結(jié)構(gòu)，槽內(nèi)安裝3個(gè)環(huán)形膠環(huán)，最上層膠環(huán)帶斜面造型，包裹在反包膠囊內(nèi)側(cè)，上膠環(huán)的斜面利于子口部位膠部件反包結(jié)合減少簾布上抽。另外該鼓取消助推膠囊采用鼓外液壓機(jī)械助推機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了成型鼓結(jié)構(gòu)。該成型鼓主要用于兩鼓成型機(jī)，缺點(diǎn)與皮列里膠囊成型鼓類(lèi)似。

圖10 住友膠囊成型鼓

4 機(jī)械反包成型鼓結(jié)構(gòu)使用性能分析。

2000年之后隨著全鋼子午線輪胎在高速公路優(yōu)異使用性能被列入國(guó)家發(fā)改委推廣項(xiàng)目，國(guó)內(nèi)有數(shù)十家企業(yè)加入全鋼子午線輪胎項(xiàng)目建設(shè)。極大促進(jìn)了全鋼子午線輪胎成型機(jī)的發(fā)展，通過(guò)工程技術(shù)人員的努力在借鑒VMI公司和MATADOR公司等進(jìn)口設(shè)備的基礎(chǔ)上先后開(kāi)發(fā)了單排反包成型鼓和雙排反包桿成型鼓，并在國(guó)內(nèi)大部分輪胎廠使用。機(jī)械反包成型鼓結(jié)構(gòu)如圖11和圖12所示。

機(jī)械反包成型鼓主要結(jié)構(gòu)包括：帶法蘭空心主軸，軸內(nèi)配側(cè)鼓驅(qū)動(dòng)絲桿和充氣管路，兩個(gè)帶有反包推桿的側(cè)鼓對(duì)稱(chēng)安裝在主軸上，兩套胎圈鎖緊塊安裝在側(cè)鼓內(nèi)側(cè)，機(jī)械反包桿依靠側(cè)鼓內(nèi)反作用氣缸驅(qū)動(dòng)完成胎側(cè)反包。該成型鼓優(yōu)點(diǎn)是采用一體化機(jī)械設(shè)計(jì)，取消了反包膠囊和助推膠囊，減少成型鼓維護(hù)時(shí)間，極大提高生產(chǎn)效率，得到全鋼子午線輪胎生產(chǎn)廠家的歡迎。該成型鼓缺點(diǎn)是采用輻射狀機(jī)械反包桿進(jìn)行胎側(cè)反包，且國(guó)內(nèi)大部分輪胎生產(chǎn)廠家采用側(cè)包冠成型工藝，在壓合完成胎冠和三角膠芯后再進(jìn)行胎側(cè)反包，造成胎體簾線在定型內(nèi)壓力和外部機(jī)械反包桿滾輪局部壓力作用下形成簾線局部變形，硫化后成品胎充氣后胎側(cè)形成明顯輻射狀印痕，影響外觀質(zhì)量，一度造成機(jī)械反包成型鼓限制使用。不過(guò)隨著機(jī)械反包成型鼓伺服同步反包桿等新技術(shù)的使用，以及成型工藝技術(shù)的改進(jìn)，使得機(jī)械反包成型鼓應(yīng)用不斷進(jìn)步。

圖11 單排反包桿機(jī)械成型鼓

圖12 雙排反包桿機(jī)械成型鼓

5 成型鼓的使用和管理

通過(guò)以上幾個(gè)典型成型鼓結(jié)構(gòu)性能分析，在選擇和使用成型鼓時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

（1）主軸的剛性。成型鼓在鎖圈、定型、壓合承受較大力的作用，因此成型鼓主軸的制造必須保證長(zhǎng)時(shí)間使用不變形。

（2）胎圈鎖塊的形狀尺寸。確定胎圈鎖塊形狀尺寸一定要工藝技術(shù)人員參與，根據(jù)胎腳各種膠部件組合尺寸計(jì)算和實(shí)際胎腳尺寸測(cè)量來(lái)確定鎖塊最佳尺寸，以減少子口膠部件在定型和壓合時(shí)的位移。

（3）膠囊的結(jié)構(gòu)尺寸。對(duì)膠囊成型鼓來(lái)說(shuō)，反包膠囊和助推膠囊的質(zhì)量直接影響胎坯成型質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在確定膠囊結(jié)構(gòu)尺寸后應(yīng)著重提高膠囊使用壽命。

（4）成型鼓工藝參數(shù)的優(yōu)化。每個(gè)規(guī)格胎坯成型過(guò)程中涉及成型鼓的設(shè)定參數(shù)有十幾個(gè)，通過(guò)測(cè)量成型胎坯精度不斷優(yōu)化成型鼓控制參數(shù)，必要時(shí)可進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，例如后壓輥對(duì)胎冠的壓力可通過(guò)壓力傳感器測(cè)量后調(diào)整壓力參數(shù)，從而保證生產(chǎn)的每個(gè)胎坯質(zhì)量一致性。

（5）成型鼓精度檢驗(yàn)。成型鼓作為成型機(jī)受力部件，在使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)精度下降，例如胎圈鎖塊不同步，因此需要建立成型鼓的精度標(biāo)準(zhǔn)，并定期校驗(yàn)和加以維護(hù)。

成型鼓作為成型機(jī)的核心工具，其結(jié)構(gòu)性能的好壞直接影響全鋼子午線輪胎產(chǎn)品性能，例如輪胎的不圓度和均勻性。近幾年國(guó)內(nèi)越來(lái)越多全鋼子午線輪胎生產(chǎn)廠家的不斷重視成型鼓改進(jìn)和管理。據(jù)了解有許多廠家借鑒外資企業(yè)做法成立專(zhuān)門(mén)工裝車(chē)間，專(zhuān)門(mén)對(duì)成型鼓等工裝進(jìn)行專(zhuān)業(yè)維護(hù)和改進(jìn)，取得了良好的效果。

[1]時(shí)震濤，董巍，韓玉平.HD成型機(jī)成型鼓技術(shù)改造.工藝與裝備，2007(06):53～55.

[2]王麗英，李福成.子午胎成型機(jī)成型鼓的設(shè)計(jì)和研究.工藝與裝備，2006(06):41.

[3]鄭捍東，芮建華. LCZ-PB新型兩鼓全鋼載重子午線輪胎成型機(jī).橡塑技術(shù)與裝備，2006(03):40～43.