轮胎硫化研究概况

李昭 傅乃霁 王小娟 张建

摘要:介绍了轮胎硫化过程反应原理。综述实验法和有限元技术应用于轮胎硫化研究,详细描述了两种方法的应用案例,对比两种方法的优势和不足。研究中应该将它们结合起来,这对进行科学化和数字化轮胎设计以及改进轮胎硫化工艺和指导橡胶配方设计具有非常重要的实际意义。

关键词:轮胎硫化综述

中图分类号:TQ336 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)06(b)-0082-01

轮胎硫化是轮胎生产过程中的最后一道工序,也是重要工序之一,对轮胎的质量、对生产效率、对节约能源有重要的影响。因此了解轮胎硫化原理,研究轮胎硫化过程是十分必要的。

1 轮胎硫化原理

硫化是具有一定塑性和黏性的胶料在一定外部条件下通过化学因素或物理因素的作用重新转化为软质弹性软质弹性橡胶制品或硬质韧性橡胶制品,从而获得使用性能的工艺过程。在这个硫化过程,线性橡胶分子交联成为网状结构的大分子,使橡胶制品获得满足使用要求的物理机械性能,即为交联反应。

2 国内外轮胎硫化研究方法

对轮胎硫化研究主要采用实验法和有限元分析两种手段。实验法一般是采取硫化测温方法,获取轮胎关键部位的内部温度场,然后利用温度值计算出关键部位的硫化程度,此种方法发展至今已经有了专门的硫化测温仪,即可以通过测得的温度数据,自动完成计算硫化程度场的功能。硫化仿真是利用计算机技术对硫化过程整个轮胎进行数值模拟。主要目的是为了使轮胎各部位均达到理想性能。轮胎硫化仿真通过有限元技术,获得整个轮胎的硫化温度场,并根据温度场信息计算出硫化程度场或者直接根据硫化动力学模型计算出硫化程度场,生成温度场云图和硫化程度场云图,因此有限元法具有全局性和直观性。下面主要从实验法和有限元分析两个方面进行阐述。

2.1 实验法

在轮胎硫化过程中,胶料的物理机械热性能影响因素较多,且变化规律较为复杂。为此学者们开始探索各种因素的影响规律。谭德征[1]采用实验法获取輪胎关键部位的温度场分布,并计算出硫化程度,以此来确定轮胎硫化时间,在此基础上对轮胎各个部件的胶料配方调整后,使得整个轮胎在硫化过程中基本同时达到正硫化,从而获得最优的硫化效果。

在轮胎硫化过程中,硫化温度越高,硫化速度快,生产效率高,但过硫化现象也越严重,性能下降越明显。硫化压力过高,会加快网状结构交联分子的裂解,使内部胶料出现流动和骨架材料变形,降低轮胎的物理机械性能,使寿命缩短,还可使硫化机产生变形。如果硫化压力过低,易产生气饱,气体不易排出,使胎体疏松,胶料与骨架材料之间的粘结力降低,轮胎不易充满整个硫化模具中,造成制品表面缺胶或得不到清晰的花纹,轮胎的质量和性能低下[2]。

2.2 有限元分析

1991年,Toth[3]运用通用有限元然见ABAQUS软件结合其用户子程序HETVAL,建立轮胎传热-硫化耦合模型,可以得到硫化温度场和硫化程度场,并分别模拟了等温和变温条件下的轮胎硫化温度场时间历程,数值模拟的结果与试验数据吻合较好,在此基础上模拟了轮胎的硫化过程并研究初始温度对硫化的影响。

后来,Han[4]根据热传导方程和硫化动力学方程,开发的软件求解系统方程,并且对从简单的一维热传递到模拟实际硫化过程的工况进行了大量的数值模拟和试验测试,验证了此系统的准确性和可靠性。在此基础上建立了平板硫化机上的轮胎硫化的二维轴对称模型,采用此求解系统,通过实验仿真数据对比,验证此方法的有效性。2006 年,Ghoreishy[5]建立三维非线性有限元模型来仿真轮胎硫化过程,其中硫化程度计算通过硫化动力学方程实现的。仿真结果表明由于胎面花纹在周向上几何形状的变化和胎面花纹比乘用车轮胎的花纹要厚很多,所以在周向的热传导反应是不能忽略。并运用ABAQUS软件结合UMATHT用户子程序研究了橡胶硫化过程若干关键问题,如导热系数和比热容与温度和硫化程度的变化关系,建立了更加精确的硫化动力学模型,在冷却阶段加入了对流和辐射边界,最后直接通过试验验证仿真结果。

在国内曾钊[6]等建立三维有限元模型模拟轮胎硫化过程,并对温度实验值和仿真值进行对比,验证所采用方法的可靠性和有效性,在此基础上研究初始硫化温度对轮胎硫化温度场及程度场的影响。研究表明预热温度较高时使轮胎各部位温升均匀,不仅能缩短机内硫化时间,还可以改善轮胎硫化程度的均匀性,但预热温度不宜超过105℃。在此温度以内,预热温度每升高10℃,轮胎机内硫化时间可缩短1.5min,硫化均匀性提高15%。目前,由于轮胎的胶料超弹性性能,使通用有限元软件有ABAQUS、ANSYS在轮胎研究中得到广泛应用的。这些软件功能强大,但软件应用也较为复杂,企业学习推广使用有一定的难度。

3 结语

实验法是分析轮胎硫化过程的一个基本研究方法。但是由于实验测温法耗时耗力并且也有一定的局限性,对硫化程度的测定也只能是依靠几个关键部位的温度值来计算,无法反应轮胎全局的硫化温度场和硫化程度场分布。而且在轮胎中埋入热电偶后,对硫化过程中轮胎温度场分布也有一定的影响,这间接地降低计算的硫化程度的精度。并以硫化温度和硫化程度作为硫化指标对硫化工艺进行参数的优化。

因此,应该结合实验方法和有限元技术对轮胎硫化过程进行研究,有限元技术是对硫化过程模拟仿真,实验用来验证有限元技术的有效性和适用性。这样对进行科学化和数字化轮胎设计以及优化轮胎硫化工艺和指导橡胶配方设计具有重大的实际意义。

参考文献

[1] 谭德征.轮胎硫化工艺优选[J].轮胎工业.2008,12(1):50～58.

[2] 江楠,张海,岑汉钊.轮胎外胎变温硫化研究[J].橡胶工业,2000,47(7):411～414.

[3] Toth.W.J, Chang.J.P and Zanichelli.C.. Finite element evaluation of the state of cure in a tire[J].Tire Science and Technology.1991,19(4):178～212.

[4] Han.L.S,Chung.C.B and Kim.J.H, et al. Dynamic simulation of the tire curing process[J]. Tire Science and Technology,1996,24(1):50～76.

[5] M.H.R.Ghoreichy. Three Dimensional Finite Element Modelling of Truck Tyre Curing Process in Mould [J].Tire Technology International.2006.

[6] 曾钊,江楠,李伟军,张海.预热温度对硫化温度场及程度场的影响[J].橡胶工业,2005,52(1):44～48.