硫化鋼圈夾具對全鋼輪胎硫化膠囊使用壽命的影響

王婷婷，薛金堂，叢明輝

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

硫化膠囊是輪胎硫化的重要工具，硫化介質(zhì)通過硫化膠囊提供胎坯硫化所需的能量及輪胎花紋成型所需的壓力。硫化膠囊內(nèi)的硫化介質(zhì)為高溫高壓的過熱水或蒸汽及高壓氮氣等，硫化膠囊在使用過程中不斷受到硫化介質(zhì)的沖擊及胎坯定型時的拉伸作用，硫化膠囊使用壽命成為硫化工程技術(shù)人員關(guān)注的重點[1]。

影響硫化膠囊使用壽命的因素很多，例如在硫化膠囊生產(chǎn)過程中，工藝不同可能造成厚度不一，配方設(shè)計不同可能導(dǎo)致性能差異，結(jié)構(gòu)設(shè)計不匹配造成與輪胎接觸不充分等；在使用過程中，還會造成硫化膠囊裂口、啃傷、脫層和重皮等質(zhì)量問題。除此之外，硫化鋼圈夾具的結(jié)構(gòu)形式也直接關(guān)系到硫化膠囊的使用壽命。本工作主要通過力學(xué)仿真方法研究硫化鋼圈夾具對全鋼輪胎硫化膠囊使用壽命的影響。

1 全鋼輪胎硫化過程中硫化膠囊的狀態(tài)

傳統(tǒng)輪胎硫化基本為手動裝卸胎，輪胎硫化結(jié)束開模時，為保證輪胎順利從模具上脫離，硫化膠囊充氣定型，當(dāng)輪胎脫離模具后，硫化膠囊抽真空；隨后硫化膠囊升起、內(nèi)充氣；硫化膠囊從輪胎中出來后二次抽真空。

現(xiàn)代輪胎硫化已基本實現(xiàn)自動裝卸胎[2]，輪胎硫化結(jié)束開模后，硫化膠囊已經(jīng)處于抽真空狀態(tài)；硫化膠囊升起過程伴隨抽真空。全鋼輪胎硫化自動卸胎過程中硫化膠囊的狀態(tài)變化如圖1所示。

圖1 全鋼輪胎硫化自動卸胎過程中硫化膠囊狀態(tài)變化示意

2 全鋼輪胎硫化過程中硫化膠囊的受力分析

全鋼輪胎硫化膠囊在輪胎制造過程中經(jīng)歷定型充氣、硫化介質(zhì)填充、拉伸抽真空過程，通過力學(xué)仿真模擬輪胎生產(chǎn)過程中硫化膠囊的受力情況。通過力學(xué)模擬可以得出：硫化膠囊同一部位自胎坯定型開始至硫化后卸胎硫化膠囊升到最高點結(jié)束，剪應(yīng)變從12%～30%提升至70%～90%，最大剪應(yīng)變接近100%，見圖2。

圖2 輪胎生產(chǎn)過程中硫化膠囊的受力情況

硫化膠囊在輪胎合模硫化過程充氣狀態(tài)（硫化膠囊內(nèi)壓力不大于2.5 MPa）下，剪應(yīng)變?yōu)?0%左右，見圖3。

圖3 硫化膠囊在充氣狀態(tài)下的剪應(yīng)變

硫化膠囊在最大拉伸高度抽真空狀態(tài)（硫化膠囊內(nèi)壓力不大于－0.02 MPa）下，剪應(yīng)變可高達(dá)96%，見圖4。

圖4 硫化膠囊在抽真空狀態(tài)下的剪應(yīng)變

在全鋼輪胎硫化膠囊使用過程中，因裂口問題造成的硫化膠囊更換比例高達(dá)20%～30%。結(jié)合力學(xué)模擬分析可知，剪應(yīng)變是造成硫化膠囊裂口的主要原因（裂口缺陷位置見圖5），因此應(yīng)當(dāng)重點考慮減小硫化膠囊使用過程中的剪切變形，進(jìn)而延長硫化膠囊使用壽命[3-6]。

圖5 硫化膠囊裂口缺陷位置示意

經(jīng)過分析，可從以下兩方面減小硫化膠囊使用過程中的剪應(yīng)變：（1）優(yōu)化鋼圈夾具與硫化膠囊的接觸面形狀；（2）優(yōu)化硫化膠囊根部區(qū)域厚度及形狀（設(shè)計新硫化膠囊時重點考慮）。

3 硫化鋼圈夾具優(yōu)化力學(xué)仿真分析

輪胎硫化過程中，硫化膠囊會在高溫狀態(tài)下重復(fù)拉伸、抽真空、膨脹，因此硫化膠囊必須具備耐高溫、耐屈撓等性能，同時硫化膠囊在變形過程中與鋼圈夾具接觸面的結(jié)構(gòu)設(shè)計也直接影響硫化膠囊的使用壽命，本工作主要研究鋼圈夾具接觸面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對硫化膠囊使用壽命的力學(xué)分析及實際使用情況的影響。

3.1 硫化膠囊不同狀態(tài)下的應(yīng)變分布

硫化膠囊在拉伸抽真空狀態(tài)（受到0.02 MPa負(fù)壓）下應(yīng)變最大，最大應(yīng)變分布在與鋼圈夾具的接觸面附近且應(yīng)變值（LE.Max.Principal）接近30%～34%，如圖6所示。

硫化膠囊在輪胎合模硫化過程中充氣壓力為2.5 MPa時應(yīng)變最大，最大應(yīng)變值達(dá)32.7%，如圖7所示。

圖7 輪胎合模硫化過程中硫化膠囊的應(yīng)變分布

3.2 硫 化鋼圈夾具接觸面弧度對硫化膠囊應(yīng)力的影響

硫化鋼圈夾具裝配如圖8所示。

圖8 硫化鋼圈夾具裝配示意

從圖8可以直觀地看出，鋼圈夾具與硫化膠囊接觸過程中應(yīng)力最大的位置對應(yīng)于R7處。將R7位置由R1和R2共同來表示，通過調(diào)整鋼圈夾具的R1和R2，設(shè)計不同的方案，并模擬硫化膠囊的應(yīng)變情況，結(jié)果如表1所示。

表1 不同方案的應(yīng)變分析結(jié)果

從表1可以看出，夾緣尺寸對硫化膠囊剪應(yīng)變有很大影響，通過調(diào)整R1和R2，最大應(yīng)變值減小5.8%～13.9%。

基準(zhǔn)方案和剪應(yīng)變降幅較大的方案2，3，4的有限元分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同方案的硫化膠囊應(yīng)變有限元分析結(jié)果

3.3 實際驗證對比

綜上所述，按方案2進(jìn)行硫化鋼圈夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計，將新鋼圈夾具應(yīng)用于實際硫化工序中，并與正常硫化進(jìn)行應(yīng)用對比。試驗過程中使用相同規(guī)格輪胎（10.00R20 18PR），指定4臺雙模硫化機（編號為F1—F4）進(jìn)行驗證，硫化機一側(cè)為正常鋼圈夾具，另一側(cè)為優(yōu)化鋼圈夾具，同時更換新硫化膠囊，跟蹤進(jìn)行硫化膠囊使用壽命及損壞位置分析，結(jié)果如表2所示。

表2 不同硫化機臺硫化膠囊的使用壽命

從表2可以看出，使用改造后鋼圈夾具，硫化膠囊壽命可延長15%～19%。

4 結(jié)語

對全鋼輪胎硫化鋼圈夾具進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，硫化膠囊使用壽命延長15%～19%，輪胎在制造過程中因硫化膠囊問題產(chǎn)生的廢次品減少，在簡化生產(chǎn)工藝的同時可降低生產(chǎn)成本，大大提升了輪胎外觀質(zhì)量，減少了更換硫化膠囊的頻次，減輕了勞動強度。