高性能航空子午线轮胎对制造装备的技术要求

王超群

（三角轮胎股份有限公司，山东 威海 264200）

航空轮胎是飞机上非常重要的起落部件，其特点为负荷大、速度高、变形大、充气内压高。因此要求航空轮胎必须耐冲击、抗刺扎、耐温升，能够经受住飞机高速起飞产生的强大离心力和着陆接地瞬间的巨大冲击力。除上述特点外，航空轮胎的产业集中度非常高，关键技术掌握在少数国际知名轮胎企业手中，市场容量不大，技术、安全要求非常高，市场准入门槛高。

航空轮胎分为斜交轮胎和子午线轮胎。航空子午线轮胎具有温升慢、耐磨耗、轻量化、操作性能高等优势。

航空轮胎历来是战略物资，全球仅有4个国家的5家企业掌握航空子午线轮胎技术并实现产业化。为了赶超国际轮胎企业先进技术水平，必须研发具有我国自主知识产权的航空子午线轮胎。

由于航空子午线轮胎与一般地面用车辆轮胎的制作过程有很大差异，且研制技术有较大难度和较高精度，因此需使用专用的制造装备进行研制和生产。下面列举航空子午线轮胎各类生产设备，并对设备性能进行分析，提出特种工艺条件下的设备性能技术要求。

1 炼胶设备

1.1 密炼机

随着子午线轮胎，特别是航空子午线轮胎等特种轮胎的迅速发展，对使用的混炼胶料提出了越来越严格的质量要求，对混炼设备的性能要求也越来越高，同步转子密炼机更适合航空轮胎胶料的塑炼和混炼。

同步转子密炼机的转子速比为1∶1，其优点如下。

（1）前后转子转速相同，混炼胶料温度均匀性好，如门尼粘度等流变性能相近，从而胶料均匀性较好。

（2）在转子非剪切区内的胶料流动有规律，其规律性取决于两转子之间起始相位角度，因此可以选择最佳相位角度。两转子棱的相位安装可以垂直（90°）也可以平行（0°或180°），根据工艺需要进行调整。同步转子长短棱成对同侧分布，且同步旋转，胶料流动性好[1]。

1.2 开炼机

开炼机炼胶温度低，对橡胶分子链氧化破坏作用减小。与密炼机高温炼胶相比，开炼机的炼胶方式和质量控制更好，尤其是近年发展起来的低温一次法炼胶工艺，充分利用了开炼机的优点，航空子午线轮胎用胶料更适合使用开炼机进行塑炼和混炼。

除低温炼胶工艺应用，开炼机控制系统的安全、高效和智能化以及液压技术在开炼机上的应用逐渐被重视。

智能化控制可实现开炼机与其他配套设备之间的通讯信息共享，可以根据生产线设备运行状况控制启停，出现异常可进行紧急制动，或者根据工艺过程控制调整辊筒转速和辊距。

液压技术在开炼机上的应用是一个重大突破，在开炼机系列产品中，液压电动机已普遍作为开炼机的驱动装置。其在性能上具有如下优点：结构简单、直接将转矩传递给两个辊筒；同时安全性能好，可以实现辊筒的快速制动。

综上所述，具有低温炼胶工艺应用、智能化控制和先进驱动方式的开炼机是为航空子午线轮胎提供高质量胶料的设备保障。

2 挤出和压延设备

2.1 螺杆挤出机

航空子午线轮胎的胎面、胎侧和三角胶均使用螺杆挤出机挤出。

销钉冷喂料挤出机使其对胶料的挤出量、塑化性能、挤出胶料的致密性提供了坚实的设备保障，而且排胶温度低，可满足航空子午线轮胎挤出多种胶料半成品的生产技术要求。

销钉冷喂料挤出机近年来发展迅速，可替代开炼机用于热炼供胶和目前各种航空轮胎胶部件的复合挤出，此外，还可替代压延机直接挤出薄胶片，用于航空子午线轮胎气密层胶片挤出，挤出的胶片气密性好，而且生产工艺过程简化。

销钉复合挤出机主要用于航空子午线轮胎复合胎面的挤出，采用不同配方和性能的胶料，通过复合挤出机生产出多种性能需求的胎面半成品。

航空子午线轮胎需要许多形状和性能各异的胶片和胶条，如气密层胶片、上胎面、下胎面、胎侧胶、过渡胶片、胎肩垫胶、胎圈补强胶、胎圈护胶和三角胶等，其中一部分通过直接挤出法获取，其他通过挤出压延法生产。在国际上开发设计专用型胶压出装备的同时，优点突出的销钉冷喂料挤出机是主要选择。

2.2 钢丝圈挤出联动装置

航空子午线轮胎钢丝圈用镀铜钢丝覆胶，牵引到直径可调的缠绕盘卷成符合工艺要求层数的钢丝圈。航空子午线轮胎钢丝圈缠绕挤出生产线包括多工位钢丝导开装置、钢丝清理装置、覆胶挤出机、牵引存储装置、钢丝缠绕装置和操作台。钢丝缠绕装置设有交流伺服电动机、缠绕主轴、缠绕盘，交流伺服电动机驱动缠绕主轴与缠绕盘运转，可生产断面形状为六角形的钢丝圈。

目前国内最迫切需要开发的航空子午线轮胎工装设备为圆形截面钢丝圈缠绕机[2]。该装置主要包括绕丝盘驱动装置、夹紧装置、夹紧驱动装置、钢丝剪切装置和缠绕机支架装置。圆形钢丝圈中心由一根相对粗的钢丝对焊焊接，符合强度要求标准的、由相对细的钢丝围绕粗钢丝螺旋缠绕而成，形状如同钢丝缆绳（如图1—4所示）。圆形截面钢丝圈受力均匀，强度较高，胎圈力学性能优越。国外高性能航空子午线轮胎已普遍采用圆形截面钢丝圈。然而由于国内缺乏该种钢丝圈制造装备，只能采用性能不及圆形钢丝圈的传统六角形结构钢丝圈替代。

图1 钢丝圈完成1个螺旋缠绕示意

图2 钢丝圈完成第1层缠绕截面示意

图3 圆形截面航空轮胎钢丝圈示意

图4 钢丝圈芯缠绕1周示意

2.3 三角胶贴合机

航空子午线轮胎胎圈成型使用三角胶贴合机，该设备为航空子午线轮胎钢丝圈三角胶贴附和包布包裹的自动化生产线，由冷喂料挤出机、冷却线、包布引出与定长裁断装置和包布包裹装置等组成。

2.4 压延机

航空子午线轮胎生产中需要采用覆胶纤维帘布作为胎体骨架材料，覆胶纤维帘布主要采用压延机生产，小规格钢丝帘布也可以采用挤出法生产。

常见的压延机为Г型和S型压延机，与Г型压延机相比，S型压延机具有如下优势[3]，更适合航空子午线轮胎纤维帘布压延。

（1）辊温控制效果较好。S型压延机辊筒采用中空钻孔式结构（辊筒工作部分冷硬层内沿圆周纵向钻有许多直孔，直孔通过辊筒径向斜孔与中心镗孔相通）。此种结构的辊筒传热面积增大，控温介质离工作表面近，传热效果好，温度升降平稳迅速，辊筒表面温度均匀。Г型压延机是中空辊筒，该种辊筒壁厚，导热差，辊筒表面温度升降较慢且不均匀。

（2）传动形式先进。S型压延机由组合减速器通过万向联轴节传动。组合减速器油箱全密封，避免了Г型压延机因齿轮磨损而引起辊筒窜动的缺陷。另外，S型压延机辊筒通过控制电动机转速调节速比，能更快更好地适应多种工艺技术压延需求。Г型压延机由驱动齿轮和速比齿轮直接传动。齿轮的磨损会导致辊筒左右窜动增大，当窜动的幅度增加到5 mm时无法保证胶帘布的质量。

（3）张力对胶帘布质量影响减小。压延张力是保障胶帘布质量的重要指标，压延张力小，常因帘布边紧而引起胶帘布出兜、平整性差以及中部被压坏等质量问题。S型压延机通过液压张力控制储布量，帘布的张力能保持均匀稳定，生产的胶帘布长度基本接近于原线长度，宽度超过了原线宽度，而Г型压延机生产的胶帘布长度与原线相差较大，宽度也没有达到原先的宽度，也就是说S型压延机的出布率高于Г型压延机。

（4）压延速度高。S型压延机辊筒的导热性能好，即使压延速度高达50 m·min-1时，也能够及时将热量导出，保证压延的最佳温度；采用夹套轴流式冷却辊，冷却效果显著，能够保证胶帘布的卷曲温度，生产效率较高。Г型压延机辊筒的导热性差，压延速度快时辊筒因摩擦而升温快，难以控制最佳操作温度，加之冷却辊采用螺旋夹套式冷却辊，冷却效果一般，不能保证胶帘布卷曲温度低于45 ℃，从而限制了其压延速度（小于40 m·min-1）。

纤维帘布压延机是生产航空子午线轮胎最关键的设备之一，在压延生产过程中，衡量覆胶帘布质量的因素包括胶料在纤维帘布上的附着牢度和覆胶厚度的均匀性。这两项指标在生产覆胶帘布时除受胶料配方、温度、湿度等因素影响之外，还与纤维帘布覆胶时的张力大小、均匀性有关。因此，航空子午线轮胎所需纤维覆胶帘布的压延选择性能先进、高精密化、高质高效的S型压延机是必然结果。

航空子午线轮胎覆胶纤维帘布还可使用挤出方式生产，由于挤出机及其机头的宽度有限，一般用于带束层帘布的生产时，帘布宽度在200 mm以下。采用挤出法生产线的优点是设备投资费用较低、生产过程中纤维帘布的覆胶、裁断、接头、包边胶、X光检查和卷曲可在一条生产线上完成。

航空子午线轮胎0°带束层也可用挤出法生产线生产，这种带束层的宽度更小，通常在60 mm以下，配用Φ90销钉冷喂料挤出机在3～12 m·min-1速度下可同时生产两条0°带束层。

2.5 内衬层（气密层）生产线

航空子午线轮胎内衬层（气密层）生产有压延法生产线和挤出压延法生产线两种，一般认为后者的生产质量优于前者。两者之间的差异主要在于内衬层的出片设备和出片方式，其后的接取输送、冷却、卷曲以及贴合基本相似。两种压延方法对比如下。

（1）压延法生产线。采用压延法生产内衬层可利用S型四辊压延机，将该设备4个辊筒分离成2组两辊压延机组成，根据航空子午线轮胎工艺条件，分别压延2种不同胶料的胶片后进行贴合成为复合胶片。

（2）挤出压延法生产线。根据航空子午线轮胎的生产工艺要求，挤出压延法生产线可以生产单层、双层、或3层结构的内衬层（气密层），胶料先经挤出再经压延，然后裁边、冷却和卷曲，或导开、复合定长裁断和卷曲后备用。

由于航空子午线轮胎内衬层是没有骨架材料的纯胶片，因此在出片后的接取输送、冷却、贴合和卷曲过程中，都要确保各部分速度一致，避免内衬层因张力不均发生变形。

目前国内轮胎企业使用的内衬层生产线50%来源于进口，国产设备性能有待进一步提高。

3 裁断设备

航空子午线轮胎胶帘布为纤维帘布，所用裁断机按照裁断用途、裁断角度分为15°～70°帘布裁断机、环带帘布裁断机、高台纤维帘布裁断机和自动接头帘布裁断机等，此类设备以德国FISCHER公司为代表，国内产品研发技术趋于成熟，但有待提高。此类设备与生产一般汽车用子午线轮胎裁断机功能类似。

4 专用成型机组

4.1 航空子午线轮胎三鼓成型机

航空子午线轮胎成型是在专用成型机上将胎面胶、缓冲层、帘布筒、钢丝圈按轮胎施工表依次贴合、压实组成轮胎胎坯的工艺过程。

制约航空子午线轮胎自动化、批量化生产的关键设备为航空子午线轮胎成型机，其主要工艺特点为：胎体的贴合层数较多，通常采用二次法成型工艺技术；成型过程中应用正反包技术；采用冠带条复杂曲线的缠绕技术。

由于航空子午线轮胎的胎体层数较多，在成型过程中会出现许多技术难点，如胎坯胎肩部位不易压实、胎圈部位容易出褶等。同时，多层冠带条复杂曲线缠绕技术是目前国际上高性能航空子午线轮胎最先进的成型制造技术。

针对航空子午线轮胎特殊工艺要求设计而成的航空子午线轮胎三鼓成型机，可以实现多种规格半成品部件的定位、贴合、缠绕和定型，最终完成轮胎胎坯的成型[4]。

航空子午线轮胎三鼓成型机分为3个功能区，右侧为胎体组件贴合区，左侧为冠带、胎面组件贴合区，中间为成型区，转台装置带动成型鼓在右侧胎体贴合区、左侧胎面贴合区之间摆转。

其工作过程如下。

（1）胎体组件贴合区。胎体贴合鼓传动箱、胎体传递环可以分别沿右床身移动。通过胎体贴合鼓的移动实现不同位置气密层、胎体帘布层的贴合；分别安装于尾座箱体伸出轴与胎体鼓传动箱主轴上的左右扣圈及反包装置，可以实现左右扣圈的定位及胎体正包、反包；通过胎体滚压装置，实现胎体帘布筒的压实及成型滚压；胎体传递环实现胎体帘布筒的夹持与传递；当转台将成型鼓旋转到胎体组件贴合区时，胎体传递环将其夹持的胎体帘布筒移送并精确定位到成型鼓上。

（2）冠带、胎面组件贴合区。辅助鼓传动箱与胎面传递环可以分别沿左床身移动。通过辅助鼓自身旋转和冠带缠绕机构的运动实现冠带条的复杂曲线缠绕或者带束层的贴合；胎面供料架实现胎面胶料的贴合；胎面压辊滚压胎面组件；胎面传递环实现胎面组件的夹持与传递；当转台将成型鼓转到冠带、胎面贴合区时，胎面传递环将胎冠组件传递并精确定位到成型鼓上。

（3）成型区。当成型鼓上接受了胎体帘布筒及胎面组件就可以进行胎坯的成型和滚压。最后卸胎装置进行自动卸胎。

航空子午线轮胎成型鼓一般为涨缩式成型鼓，而非通常汽车轮胎成型的直鼓。为满足航空轮胎下沉量大、工作断面大的要求，航空轮胎内口比同规格汽车轮胎小约20%。如果成型鼓采用直鼓，由于帘线的总伸张太大，胎坯帘线会出现劈缝，但采用涨缩式成型鼓必须解决帘布反包和正包打褶的问题。由于航空子午线轮胎负荷高、下沉量大，带束层如采用普通的层贴结构，由于两端存在裁断切口，胎肩容易脱空。目前国外高性能航空子午线轮胎带束层普遍采用帘布条连续缠绕结构，以避免层贴结构的弊端，但必须配备专用的帘布条连续缠绕成型装置，同时必须解决帘布条在缠绕鼓上打滑的问题。

4.2 冠带层缠绕装置

国外高性能航空子午线轮胎的冠带层已采用波形钢丝或芳纶材料，可有效抗异物刺扎。0°冠带层覆盖在带束层上，保证带束层在高形变、高压力下的整体性，从而降低航空子午线轮胎发生灾难性破坏的危险。目前冠带层缠绕工艺被越来越多的轮胎企业采用，需要在轮胎成型机上添加一套冠带层缠绕装置，将帘布（钢丝或芳纶）沿轮胎周向缠绕到带束层上，可保证带束层的强度，消除带束层爆裂的可能，缠绕式无接头冠带层轮胎在高速性能、耐久性能、均匀性和平衡性能具有优异表现。

冠带层缠绕装置由径向移动机构、横向移动机构和旋转缠绕头机构组成，三轴联动实现复杂曲线运动轨迹缠绕，冠带条的缠绕排布均匀，轨迹参数可根据工艺要求调整，满足了航空子午线轮胎成型工艺要求。

冠带条缠绕技术是高性能航空子午线轮胎最先进的成型制造方法，也是成型设备研制的难点。针对该技术，国内部分专业研究机构建立了航空子午线轮胎冠带条缠绕理论分析的数学模型，研制了新的缠绕装置，实现了多坐标复杂曲线拟合运动轨迹的自动控制技术，并对冠带条缠绕过程中的张力进行稳定控制。

航空子午线轮胎专用成型机组是航空轮胎制造装备中最复杂、最具关键技术和创新的重要设备，具备如下突出优势。

（1）采用四坐标伺服驱动拟合运动轨迹自动控制新装置，实现航空子午线轮胎冠带条复杂曲线缠绕的特殊工艺要求，在结构上具有创新性。

（2）整体方案中采用转台结构与胎体传递环，通过成型鼓的摆转实现航空轮胎现有二次法工艺技术中胎体帘布筒到成型鼓的自动传递及精确定位，设备自动化水平及轮胎成型质量高。

（3）改进设计的成型鼓结构便于胎体帘布筒的自动精确定位。

（4）采用左右扣圈盘、正反包装置及胎体后压辊，实现了航空轮胎特定成型工艺技术。

目前，国外有能力制造航空子午线轮胎的企业都对航空子午线轮胎成型机组的研发进行严密技术封锁，国内几家有实力的设备生产厂家在研发、试制上取得了一定的成就，并逐步将产品投放市场进行验证。

5 液压硫化机

航空轮胎橡胶材料的物理性能及耐老化性严重影响航空子午线轮胎的质量和寿命，这两种性能又取决于橡胶的硫化工艺条件。在最佳硫化工艺条件下，使用专用硫化装备硫化的橡胶件性能较好，具有较强的耐老化性，使用寿命较长。

世界上主要轮胎公司已逐步采用液压式硫化机替代传统的机械式硫化机。液压硫化机机架结构紧凑，受力均匀，硫化轮胎均匀质优；上模只做直线运动，保证模具的重复精度和寿命。B型中心机构可保证上下模同轴度及重复精度；硫化及辅助时间短，提高了硫化效率。高等级航空子午线轮胎对液压硫化机的精度提出了越来越高的要求，上下模对中度尤其是重复精度尤为重要。

254～406.4 mm（10～16英寸）航空子午线轮胎液压硫化机的主要结构特点如下。

（1）液压硫化机开合模动作采用油缸驱动的方式，通过液压控制系统实现上锁环座、上热板、上托板和上模的上下运动，即开合模动作。

（2）主机左右机架采用框架结构，保证上模的运动为垂直升降式，同时保证上下模具的同轴度及重复精度。开合模采用直线导轨导向，该直线导轨安装在主机框架两侧，开合模动作平稳快速，保证上下蒸锅的平行度和上下模的同心度，活络模的使用寿命高。

（3）锁模机构利用上锁环座和锁环的整体齿面贴合实现锁模，施加合模力时上下模受力均匀，此结构锁环圆周方向受力，机架不受合模力，消除加压时机架变形对精度的影响，硫化后的航空轮胎均匀性好。

（4）蒸汽室采用外锅内胆结构，外锅与锁环连为一体，承受硫化机合模力，内胆作为受压元件，起到密封蒸汽及承受外压蒸汽压力作用，无需承受合模力，变形小，密封可靠。

（5）加压调模机构每边由3个加压缸组成，安装在下座板上，硫化时，由3个加压缸同时对蒸锅内的轮胎模具加压。同时，可以采用加压缸直接调模，实现全自动调模，满足不同规格的模型高度，调模速度快，换模效率高，采用加压缸调模方式取代传统的梯形螺纹调模结构，消除了螺纹配合间隙的影响，提高了轮胎均匀性。

（6）采用B型中心机构，上下环油缸驱动，上环采用内置式位移传感器控制升降高度，实现定型高度自动控制。

（7）采用悬臂垂直升降旋转式装胎机构，转动位有存胎位、蒸锅位和后充气位。该机构可以实现装胎和卸胎功能。

（8）单工位存胎器用于装载生胎，每个存胎器都有可调整的内外支撑板，可根据生胎直径，调节内支撑板支撑好胎圈，外支撑板支撑胎侧。

（9）配备单工位后充气装置，每次可以充气冷却一条航空轮胎。活动梁升降采用电动机驱动，直线导轨定位，运动平稳、精度高。手工调整轮辋距离，满足不同规格航空轮胎冷却工艺。

（10）采用比例泵液压系统，液压接头采用Walform卡套形式（一种无焊接高压管路连接方式），密封可靠。

（11）PLC（可编程控制器）预留以太网接口，用于联网，具有自动和手动控制，完成装胎、定型、硫化、卸胎、后充气等工艺过程。控制柜面板和软件界面可按要求配置。

（12）电气控制系统平板电脑可存储30天的温度、压力曲线数据和1周各班生产的工艺参数，如操作者代号、时间、班次、内温、内压、外温、外压等状态信息，并能显示硫化步骤、硫化状态，设定工艺时间、工艺规格选择等画面；储存多个轮胎工艺配方，并通过USB接口读取和打印数据，也可把数据作为历史记录按时间归档。控制系统具备硫化结束提示、硫化机故障诊断等功能，利于故障查找和维修。

控制系统的智能化是液压硫化机的核心，其包括3个方面：一是能自动调整硫化程度和硫化时间，使航空轮胎获得最优硫化质量；二是对单机全自动监控，对多机实现群控，提高生产效率；三是具备全自动管理功能。

6 成品检测设备

航空子午线轮胎在出厂前必须经过严格检验，其中包括高速试验、耐久性试验、均匀性试验、X光检测和动（静）平衡试验等。目前，此类设备几乎完全依赖进口。

由于航空轮胎与一般车辆轮胎使用条件有巨大差异，因此其成品检测要求也具有特殊性。其中，破坏性试验包括爆破压力、断面分析，非破坏性试验包括充气外缘尺寸、质量、无内胎轮胎气密性能、有内胎轮胎胎圈密合压力、静平衡差度、表面质量、内部缺陷无损检测等，以上均为产品出厂时必须进行的批次检验项目，因此所用工装设备需进行个性化、专业化设计。

7 结语

低断面和无内胎结构是未来航空轮胎的技术发展趋势，且子午化率继续提高。制造装备的配套性能已经成为制约高性能航空子午线轮胎发展的瓶颈，造成我国航空子午线轮胎研制和生产不能满足新型战机、大型客机配套的需要。

为支撑和保障国防建设和民用航空事业的发展需要，充分发挥高新技术产品航空子午线轮胎的作用，缩短与先进国家的差距，开发航空子午线轮胎专用设备是我国橡胶机械业的艰巨任务。设备厂商与航空轮胎生产厂商有待加强交流与合作，共同开发适用于航空子午线轮胎产品特点的专用制造装备。