全鋼子午胎鋼絲冠帶條纏繞貼合生產(chǎn)線技術(shù)探討

楊瑞林

(中國(guó)化學(xué)工業(yè)桂林工程有限公司, 廣西 桂林 541004)

子午線輪胎胎體的簾線排列與外胎斷面接近平行，緩沖層采用接近周向排列的簾線層，與胎體簾線角度成 90°相交，形成一條幾乎不能伸張的剛性環(huán)形帶，把整個(gè)輪胎固定，限制輪胎的周向變形。這個(gè)緩沖層承受整個(gè)輪胎 60%～70%的內(nèi)應(yīng)力，成為子午線輪胎的主要受力部件，故緩沖層亦稱之為子午線輪胎的帶束層。子午線輪胎帶束層的設(shè)計(jì)很重要，必須具有良好的剛性，可采用多層大角度，高強(qiáng)度而且不易拉伸的材料，如鋼絲或者高強(qiáng)度纖維等。子午線輪胎的優(yōu)點(diǎn)主要在于胎冠較厚且有堅(jiān)硬的帶束層，不易刺穿；行駛時(shí)變形小，滾動(dòng)阻力小，較斜交胎可降低油耗 3%～8%。載重子午線輪胎因?yàn)楹煵紝訑?shù)少，胎側(cè)薄，徑向彈性大，緩沖性能好，負(fù)荷能力較大，使用壽命長(zhǎng)。

載重子午線輪胎帶束層貼合工藝一般采用3層或4層帶束層加0°帶束層結(jié)構(gòu)。對(duì)于3層或4層帶束層加0°結(jié)構(gòu)，目前現(xiàn)有的工藝方式是通過0°帶束層擠出生產(chǎn)線根據(jù)工藝要求壓出30 mm左右寬度的0°帶束層，在成型機(jī)上貼合2層，然后裁斷搭接。由于存在0°接頭搭接問題，其負(fù)面影響有：搭頭部位增加了剛度的不平坦點(diǎn)，影響輪胎的均勻性，容易導(dǎo)致輪胎接地壓力分布的不連續(xù)，這對(duì)輪胎磨耗的均勻性產(chǎn)生一定的影響。目前的0°帶束層一般是采用十幾根高伸長(zhǎng)鋼絲簾線擠出覆膠，由于多根鋼絲的壓延張力控制比較困難，易出現(xiàn)0°帶束層鋼絲之間的張力不均勻，導(dǎo)致輪胎印痕、高速、耐久等性能不穩(wěn)定。0°接頭搭接處的厚度增加，引起輪胎在翻新、胎面打磨或花紋再刻時(shí)，經(jīng)常碰到0°接頭搭接處的簾線，導(dǎo)致輪胎壽命下降。

為了克服0°帶束層在生產(chǎn)和實(shí)際使用過程中對(duì)輪胎性能的不利影響，我公司與一些輪胎公司近幾年合作研制了多款采用 1～3 條鋼絲簾線擠出覆膠后在線螺旋纏繞貼合到輪胎冠帶層的成型生產(chǎn)新工藝來代替0°帶束層的成型方法。比起傳統(tǒng)貼合0°帶束層方式，無搭接接頭，且印痕、接地壓力分布和磨耗相對(duì)均勻，使鋼絲簾線張力控制相對(duì)均勻，既提高了輪胎的穩(wěn)定性，也保證了輪胎翻新及花紋再刻的可行性。

我們?cè)谌摴こ套游缇€輪胎、摩托子午線輪胎方面也成功開發(fā)出鋼絲冠帶條纏繞貼合生產(chǎn)線，為特種輪胎的工藝創(chuàng)新進(jìn)行了有益探索。

1 設(shè)備組成及關(guān)鍵技術(shù)探討

1.1 鋼絲冠帶條纏繞貼合生產(chǎn)線系統(tǒng)構(gòu)成

以一種全鋼子午胎鋼絲冠帶條纏繞貼合生產(chǎn)線為例，見圖 1。

圖1中，鋼絲從錠子架導(dǎo)開→經(jīng)過錠子開口整形→進(jìn)入電磁加熱器加熱→再到擠出機(jī)機(jī)頭覆膠→覆膠后的冠帶條在軸交叉的雙冷卻鼓面纏繞 4 圈（上冷卻鼓為主動(dòng)輥由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，起鋼絲牽引作用；下冷卻鼓為被動(dòng)輥由覆膠鋼絲摩擦拉動(dòng)）→冠帶條再進(jìn)入緩存裝置（每個(gè)存儲(chǔ)架有上、下 12 對(duì)儲(chǔ)線輪，最多可儲(chǔ)線約 60 m，上組為浮動(dòng)輪由配重塊向上拉升，下組為固定輪）→每個(gè)緩存裝置配有恒張力牽引變頻電機(jī)導(dǎo)出冠帶條→冠帶條再經(jīng)過恒張力浮動(dòng)輪機(jī)構(gòu)（此處冠帶條張力應(yīng)精確設(shè)定，以保證0°帶束層纏繞貼合質(zhì)量）→冠帶條最終到達(dá)纏繞貼合裝置（冠帶條由成型機(jī)帶束鼓旋轉(zhuǎn)牽引，纏繞貼合壓輪按程序設(shè)定運(yùn)行軌跡完成0°帶束層螺旋纏繞貼合）。電氣控制系統(tǒng)由 PLC、觸摸屏、伺服控制、變頻調(diào)速、激光測(cè)距、壓力溫度傳感器等組成。

圖 1 全鋼子午胎鋼絲冠帶條纏繞貼合生產(chǎn)線系統(tǒng)圖

1.2 鋼絲錠子架

錠子架可使用 B40 或 B80 鋼絲錠子類型。每個(gè)錠子均有張力控制裝置，采用氣動(dòng)式，簾線鋼絲工字輪固定在帶磨擦輪主軸上，由張力輪上導(dǎo)出，在薄膜氣缸充氣后，通過冷卻牽引裝置拉動(dòng)鋼絲運(yùn)行，帶動(dòng)張力臂，在氣缸摩擦輪及摩擦片架調(diào)節(jié)作用下，使經(jīng)過張力輪的鋼絲達(dá)到恒張力導(dǎo)開。錠子架上安裝鋼絲計(jì)長(zhǎng)裝置，以便準(zhǔn)確提供鋼簾線余量信息。當(dāng)鋼簾線快用盡時(shí)（鋼絲余量不足單條胎用量或設(shè)定值），需要報(bào)警提示操作工更換鋼簾線錠子。還有鋼絲斷線自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警功能。

1.3 鋼絲智能電磁加熱器

配備電磁加熱器將進(jìn)入擠出機(jī)覆膠前的鋼絲加熱到合適的溫度（實(shí)測(cè)鋼絲 70～80℃覆膠效果最佳）、去除水份，可有效提高覆膠效果。

電磁加熱器在各行各業(yè)的應(yīng)用已很普及，但要對(duì)高速運(yùn)行中直徑約1 mm 的細(xì)簾線鋼絲加熱且溫度可控，還是一個(gè)不小的難題。為此我們進(jìn)行了反復(fù)深入研究。電磁加熱器采用電磁感應(yīng)原理，首先，通過內(nèi)部整流濾波電路將市電（50 Hz/220 V/380 V）的交流電變成直流電，再經(jīng)過 PWM（技術(shù)核心）控制電路將直流電轉(zhuǎn)換成頻率為20～50 kHz 的高頻脈沖電流，高速變化的電流通過加熱線圈會(huì)產(chǎn)生高速變化的磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)內(nèi)的磁力線通過被加熱金屬物體（導(dǎo)磁導(dǎo)電物體）時(shí)，會(huì)在被加熱金屬物體內(nèi)產(chǎn)生無數(shù)的小渦流，從而使被加熱金屬物體本身高速發(fā)熱。

我們的鋼絲電磁加熱器加熱線圈尺寸：直徑 60 mm×長(zhǎng)600 mm, 采用絕緣高溫電線繞制在聚四氟乙烯(PTFE)圓管上,電磁線圈本身不發(fā)熱、不老化。根據(jù)鋼絲參數(shù)范圍計(jì)算加熱線圈電感量，使電磁能直接在鋼絲上轉(zhuǎn)變成熱能，熱效率達(dá) 95%以上。經(jīng)過對(duì)電磁加熱器控制電路及單片計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化，具有負(fù)載（鋼絲參數(shù)）自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)匹配、變頻輸出、脈寬調(diào)制功率等多項(xiàng)新技術(shù)；與生產(chǎn)線 PLC 控制器（含人機(jī)界面觸摸屏）有友好的接口，具有 4～20 mA、0～10 V 或者 RS-485通訊方式及開關(guān)量接口。根據(jù)生產(chǎn)線觸摸屏輸入生產(chǎn)配方可設(shè)定鋼絲參數(shù)、生產(chǎn)線速度，實(shí)時(shí)給定鋼絲加熱輸出功率,即功率的大小根據(jù) PLC 輸出信號(hào)的大小進(jìn)行比例輸出。用鋼絲運(yùn)行線速度實(shí)時(shí)控制加熱功率，這樣就保證了鋼絲加熱溫度的精準(zhǔn)，避免了鋼絲加減速啟停過程或急停時(shí)電磁加熱器對(duì)加熱線圈內(nèi)的部分鋼絲過度加熱變黑燒壞的現(xiàn)象出現(xiàn)。

按照參數(shù)測(cè)算，1～6 根簾線鋼絲可選擇最大功率5 kW 的電磁加熱器，3 根鋼絲覆膠生產(chǎn)線高速運(yùn)行（100 m/min）時(shí)加熱器實(shí)際輸出功率＜1 kW，非常節(jié)能。鋼絲電磁加熱器在輪胎工廠的鋼絲圈生產(chǎn)線、0°束層擠出生產(chǎn)線等設(shè)備的節(jié)能改造方面也將有廣泛的應(yīng)用前景。

1.4 擠出機(jī)覆膠口型

根據(jù)生產(chǎn)效率和覆膠鋼絲參數(shù)測(cè)算選擇直徑50或60 mm 的冷喂料擠出機(jī)，由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶有 3 段溫控單元分別控制螺桿、機(jī)筒和機(jī)頭溫度，擠出機(jī)帶PFC 自控系統(tǒng)，運(yùn)行時(shí)使用壓力傳感器檢測(cè)機(jī)頭膠料壓力，擠出機(jī)螺桿速度可自動(dòng)調(diào)整以保證實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)壓力。簾線鋼絲與膠料在擠出機(jī)“E”型機(jī)頭口型(見圖 2)內(nèi)復(fù)合，更換不同規(guī)格尺寸冠帶條時(shí)可用頂出螺栓打開機(jī)頭，更換不同規(guī)格的機(jī)頭插件及口型塊即可。

圖 2 鋼絲覆膠機(jī)頭

載重子午線輪胎冠帶層一般選用鋼絲簾線代號(hào)：3×7×0.20HE，直徑 ：（1.38±0.07） mm，單根鋼絲覆膠后直徑：（2.0±0.1）mm，3根鋼絲覆膠后的冠帶條斷面 為 矩 形 ：（2.0±0.1）mm×（6.0±0.1）mm。 考 慮將來可能使用的規(guī)格，機(jī)頭口型可適配：鋼絲直徑范圍 （1.2～1.6±0.1）mm，單鋼絲覆膠冠帶條外徑（1.6～2.2±0.1）mm。

為了保證1～3根鋼絲數(shù)量及不同速度狀態(tài)下鋼絲冠帶條的覆膠質(zhì)量，膠料的塑化效果、流動(dòng)性和機(jī)頭壓力控制對(duì)覆膠質(zhì)量攸關(guān)重要。鋼絲運(yùn)行速度越高壓力設(shè)定越高，擠出機(jī)轉(zhuǎn)速越高；當(dāng)鋼絲暫停運(yùn)行時(shí)，機(jī)頭壓力應(yīng)該及時(shí)釋放，否則膠料會(huì)繼續(xù)壓出，堆積在鋼絲出口處，對(duì)冠帶條后續(xù)運(yùn)行和纏繞貼合會(huì)造成跳線及材料報(bào)廢損失。為此我們?cè)O(shè)計(jì)橡膠溢流口，可人工開合大小，配套旋轉(zhuǎn)氣缸還可自動(dòng)開合。

1.5 纏繞貼合裝置

纏繞裝置由張力單元、排線單元和裁斷（氣動(dòng)鋼絲鉗）單元組合而成。

載重子午線輪胎兩鼓成型機(jī)的冠帶條纏繞貼合裝置，一般安裝在成型機(jī)帶束鼓（輔鼓）后方，簾布供料架下方。纏繞冠帶條時(shí)，供料架擺臂抬起，貼合機(jī)頭橫移（氣缸推動(dòng)）到帶束鼓處氣動(dòng)鎖緊定位，然后貼合壓輪自動(dòng)運(yùn)行到起纏點(diǎn)。纏繞貼合輪采用兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)冠帶條沿輔助鼓鼓面螺旋纏繞的工藝要求。

高品質(zhì)寬斷面摩托子午胎，新成型工藝采用了單鋼絲覆膠冠帶條纏繞冠帶層。一段成型好的胎坯裝入二段成型機(jī)可漲縮的半圓弧面的成型鼓上，纏繞貼合輪垂直壓在鼓面上將單鋼絲覆膠冠帶條無間隙平行排列螺旋纏繞在胎坯圓弧面上。這個(gè)纏繞貼合機(jī)頭需要在軸向平移滑臺(tái)上安裝擺轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。擺轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括擺轉(zhuǎn)伺服電機(jī)、減速器和擺轉(zhuǎn)支架，纏繞頭安裝在擺轉(zhuǎn)支架上，并由減速器的輸出軸通過擺轉(zhuǎn)支架帶動(dòng)其擺轉(zhuǎn)，纏繞頭壓輪安裝在纏繞頭上隨其一同擺轉(zhuǎn)。通過纏繞頭的左右平移、左右擺轉(zhuǎn)和成型鼓的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來擬合復(fù)雜的纏繞軌跡。實(shí)現(xiàn)了冠帶條與輪胎橫截面中心線成角度纏繞，通過三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)可擬合出含傾角的直線段纏繞軌跡和圓弧纏繞軌跡。

1.6 電氣控制系統(tǒng)

全線由擠出、 牽引、 儲(chǔ)料升降變頻調(diào)速系統(tǒng)， 擠出機(jī)頭壓力控制、浮動(dòng)輥張力控制，纏繞貼合機(jī)頭 2軸或 3 軸伺服調(diào)速系統(tǒng)，PLC及人機(jī)界面（HMI）控制系統(tǒng)等組成。

電控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)是纏繞張力控制和2軸（或 3軸）伺服復(fù)合運(yùn)動(dòng)控制。張力控制穩(wěn)定使冠帶條纏繞排列整齊，才能保證輪胎性能的穩(wěn)定性。

冠帶條張力不均主要由帶束鼓的啟停加減速過程和浮動(dòng)輥上下波動(dòng)造成。為了使帶束鼓（輔助鼓）在纏繞過程中恒速連續(xù)旋轉(zhuǎn)，需要使用恒速控制方法。

冠帶條的上鼓張力主要由浮動(dòng)張力調(diào)節(jié)輥（比例閥調(diào)節(jié)氣缸壓力）設(shè)定，由冠帶條的儲(chǔ)料出線速度與帶束鼓的線速度差值控制比例閥，通過 PLC 檢測(cè)張力單元的浮動(dòng)輥上下位置（激光測(cè)距傳感器檢測(cè)）反饋信息來調(diào)整控制儲(chǔ)料架出線變頻電機(jī)的速度，以控制整個(gè)纏繞過程中冠帶條的張力基本恒定。帶束鼓的啟停是加減速過程，以免浮動(dòng)輥張力波動(dòng)過大；連續(xù)纏繞時(shí)帶束鼓速度恒定（最高速可設(shè)定纏繞線速度 200 m/min，實(shí)際速度視每條輪胎冠帶條纏繞長(zhǎng)度、儲(chǔ)料架儲(chǔ)線長(zhǎng)度和擠出覆膠牽引速度計(jì)算得出），最后一級(jí)儲(chǔ)料架（存儲(chǔ) 2）出線速度由浮動(dòng)輥設(shè)定位置 PID 調(diào)節(jié)跟隨帶束鼓速度；前級(jí)儲(chǔ)料架（存儲(chǔ)1）出線速度由前后儲(chǔ)料浮動(dòng)輪組高度差值 PID 調(diào)節(jié)出線速度，同時(shí)還要兼顧牽引冷卻鼓速度（加減速啟停，連續(xù)運(yùn)行時(shí)速度恒定，最高速可設(shè)定 60 m/min），保證儲(chǔ)料浮動(dòng)輪組平穩(wěn)下降放線，整個(gè)過程智能化程序控制。

載重子午線輪胎如要求冠帶條在輔助鼓上按設(shè)定的纏繞間距進(jìn)行2層纏繞時(shí)，纏繞方式以 s 型纏繞為主。即纏繞貼合機(jī)頭從輔助鼓中心點(diǎn)向左纏繞到左邊緣，然后反向纏繞到輔助鼓的另一端右邊緣，再反向纏繞到輔助鼓中心。一般要求冠帶條并排纏繞，即冠帶條之間既不允許搭接也不允許有間隙，并且對(duì)纏繞過程中的冠帶張力有比較嚴(yán)格的要求。貼合機(jī)頭到邊緣時(shí)存在伺服電機(jī)減速→?！鷵Q向加速啟動(dòng)的過程，要求與成型機(jī)輔助鼓伺服電機(jī)考慮采用同步變速控制。纏繞貼合機(jī)頭平移時(shí)輔助鼓以一個(gè)恒定的速度運(yùn)行，在換向過程中單獨(dú)設(shè)定較小的加減速度時(shí)間，保證換向過程時(shí)間較短，以確保纏繞精度。由于同步啟動(dòng)幾個(gè)伺服程序后，各個(gè)伺服程序?qū)嶋H是互相獨(dú)立的，因此各軸的速度匹配、加速時(shí)間及加速曲線等問題需要自行匹配，通過合理的加速時(shí)間和加速曲線的設(shè)定，保證兩根軸在任何時(shí)間點(diǎn)的速度相匹配。速度的匹配需要考慮加速段的速度匹配問題，伺服系統(tǒng)的加速時(shí)間是指從開始加速到速度限制值的時(shí)間，而不是加速到實(shí)際轉(zhuǎn)速值的時(shí)間，因此要保證2根軸任意時(shí)刻速度匹配，需要保證2軸加速時(shí)間的比例和最高轉(zhuǎn)速限制的比例相同，并且保證所選的加速曲線平滑率相同。加速曲線平滑率越大，啟動(dòng)越平滑，但是平滑率過大容易造成啟動(dòng)緩慢，從而產(chǎn)生部件反應(yīng)遲鈍的感覺，因此應(yīng)按實(shí)際情況在滿足要求的情況下選擇加速曲線平滑率相對(duì)較小的較為合適。同步啟動(dòng)控制在程序啟動(dòng)后，2個(gè)獨(dú)立的程序按照各自設(shè)定的參數(shù)啟動(dòng)運(yùn)行。輔助鼓采用一軸的定位控制，冠帶平移采用一軸的恒速控制。為達(dá)到快速反向的目的，中間反向過程中的加減速時(shí)間設(shè)置較小，與開始啟動(dòng)和正常纏繞結(jié)束的加減速度不同，因此在纏繞過程中若出現(xiàn)暫停，不能用簡(jiǎn)單的再啟動(dòng)命令，由于2根軸以不同的減速度減速，會(huì)導(dǎo)致停止位置的偏差。對(duì)于中間暫停的處理要實(shí)行統(tǒng)一快速停止指令，以保證加減速度匹配，停止位置精確。

2 結(jié)束語(yǔ)

以上是以一種全鋼子午胎鋼絲冠帶條纏繞貼合生產(chǎn)線為例，屬于在線式鋼絲覆膠纏繞貼合方式?？紤]到生產(chǎn)效率，還有一種離線方式，即簾線鋼絲經(jīng)過擠出覆膠、冷卻牽引、緩存、卷取，用往復(fù)螺旋纏繞的方式將冠帶條收卷在工字輪上，中間墊 PE 紙隔離；然后將冠帶條工字輪運(yùn)到成型機(jī)，冠帶條導(dǎo)開后纏繞貼合到胎坯上，同時(shí)將 PE 墊紙卷取回收利用。

全鋼子午胎1～3根鋼絲窄冠帶條纏繞貼合新工藝比傳統(tǒng)貼合0°帶束層提高了輪胎的穩(wěn)定性，但增加了設(shè)備成本，延長(zhǎng)了成型時(shí)間。品質(zhì)和效率是一對(duì)矛盾體，同時(shí)又是衡量設(shè)備性能的2個(gè)同樣重要的因素。如何在保證纏繞質(zhì)量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高纏繞的速度是我們下一步的研究目標(biāo)。