工程機械輪胎內(nèi)冷卻硫化工藝研究

周 勇，姜在勝，劉 娟，張元贊，董秀玲

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

橡膠是熱的不良導(dǎo)體，對于工程機械輪胎這樣的橡膠厚制品，在硫化過程中會形成一定的溫度場。輪胎內(nèi)部與模具及膠囊（或水胎）之間形成一定的溫度梯度，當(dāng)輪胎表面達到正硫化時，硫化薄弱點仍處于欠硫狀態(tài)甚至剛開始發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。而在實際生產(chǎn)過程中又必須保證輪胎硫化薄弱點達到正硫化，此時輪胎表面處于過硫狀態(tài)，性能下降。輪胎尺寸越大，薄弱點與輪胎表面的硫化程度相差越大，因此在保證輪胎硫化薄弱點硫化程度的基礎(chǔ)上，研究制定一種合適硫化工藝，降低輪胎表面過硫度，提高輪胎使用性能就變得尤為重要。

工程機械斜交輪胎傳統(tǒng)過熱水硫化工藝是在打內(nèi)壓結(jié)束后向膠囊內(nèi)部通入一定溫度的過熱水進行循環(huán)，由內(nèi)部向輪胎傳熱，在蒸汽室通入一定溫度（壓力）的飽和蒸汽進行循環(huán)，加熱模具，由外部向輪胎傳熱。循環(huán)一定時間后排凈蒸汽室和膠囊內(nèi)部介質(zhì)，取出輪胎置于后充氣設(shè)備上，充入一定壓力的氣體，進行后充氣冷卻。

傳統(tǒng)過熱水硫化工藝的弊端是硫化排壓時輪胎硫化薄弱點硫化程度滿足要求，但輪胎表面過硫嚴(yán)重，硫化均勻性差，出罐時胎體簾線溫度較高，輪胎從開始排內(nèi)壓到進行后充氣期間輪胎已發(fā)生一定程度的收縮，輪胎質(zhì)量穩(wěn)定性差。

內(nèi)冷卻硫化工藝是在過熱水和外溫蒸汽循環(huán)一定時間后，將內(nèi)溫過熱水循環(huán)切換為冷卻水循環(huán)，并提前關(guān)閉外溫蒸汽進汽閥門，冷卻一定時間后排凈蒸汽室和膠囊內(nèi)部介質(zhì)，取出輪胎進行后充氣。工程機械輪胎尺寸厚，冷卻效應(yīng)傳遞慢，通入內(nèi)冷卻水后相當(dāng)長時間內(nèi)輪胎肩部及冠部中心溫度仍處于升溫狀態(tài)，只是降低了輪胎胎體和輪胎外表面的溫度。這樣可以在保證薄弱點硫化程度的基礎(chǔ)上降低輪胎表面和胎體過硫度。同時通入內(nèi)冷卻水降低了輪胎出罐時胎體溫度，從而減少輪胎從出罐到進行后充氣過程中的尺寸收縮，質(zhì)量穩(wěn)定性好。

為分析確定合適的內(nèi)冷卻硫化工藝條件，本工作選取18.00－25 40PR TL510規(guī)格采用內(nèi)冷卻硫化工藝條件進行硫化測溫試驗。

1 實驗

1.1 主要設(shè)備和儀器

WL-IV型微電腦硫化測溫儀，北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計院產(chǎn)品；LB-85型單模定型硫化機，桂林橡膠塑料機械有限公司產(chǎn)品。WL-IV型微電腦硫化測溫儀可以同時測定24個測溫點不同時刻的溫度值，每10 s記錄一次數(shù)據(jù)，配備靈敏度高、復(fù)制性好的T型熱電偶。

1.2 熱電偶埋覆

為對比分析兩種不同硫化工藝下輪胎硫化狀況，成型兩條18.00－25規(guī)格試驗輪胎，分別進行內(nèi)冷卻硫化工藝和傳統(tǒng)過熱水硫化工藝測溫試驗，在成型過程中熱電偶埋覆分布如圖1所示。

圖1 熱電偶埋覆位置

1.3 硫化

測溫硫化工藝條件見表1。

采用表1中硫化工藝條件分別硫化兩條試驗輪胎，使用WL-IV型微電腦硫化測溫儀收集硫化過程各測溫點數(shù)據(jù)。

表1 測溫硫化工藝條件

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化溫度分布

為對比兩種硫化工藝下輪胎硫化升溫情況，選取具有代表性的測溫點數(shù)據(jù)作溫度曲線。胎圈及肩部測溫點中分別選取升溫速度較慢的測溫點，緩沖部位測溫點選取通入內(nèi)冷水后降溫最快的測溫點。內(nèi)冷卻硫化工藝測溫點溫度曲線如圖2所示。過熱水硫化工藝測溫點溫度曲線如圖3所示。

圖2 內(nèi)冷卻硫化工藝測溫點溫度曲線

圖3 過熱水硫化工藝測溫點溫度曲線

從圖2和3可以看出，兩種工藝測溫時升溫最快的是氣密層中心、胎冠表面中心升溫速度高于胎側(cè)表面、胎冠中心升溫速度最慢。

內(nèi)冷卻硫化工藝測溫后期胎冠表面中心及胎側(cè)表面溫度開始下降；通入冷卻水后氣密層中心、緩沖層中心、下模胎圈部位溫度下降明顯。

分析如下：

（1）兩種硫化工藝內(nèi)溫過熱水溫度遠(yuǎn)高于飽和蒸汽溫度，因此測定膠囊外表面的氣密層中心測溫點升溫最快；

（2）胎冠表面中心及胎側(cè)表面測溫點是測定模具內(nèi)表面溫度的，模具冠部與蒸汽接觸較胎側(cè)部位充分，因此胎冠表面中心升溫速度快；

（3）該規(guī)格輪胎冠部與肩部尺寸相差較小，冠部花紋塊較大，受模具傳熱較肩部慢，因此胎冠中心升溫速度最慢；

（4）內(nèi)冷卻硫化工藝外溫蒸汽循環(huán)關(guān)閉早，因此測定模具內(nèi)表面溫度的胎冠表面中心及胎側(cè)表面測溫點在硫化后期溫度出現(xiàn)下降；

（5）內(nèi)冷卻水溫度低，通入后硫化內(nèi)溫迅速降低，在內(nèi)冷卻效應(yīng)的作用下，氣密層中心測溫點溫度迅速下降，因此受內(nèi)溫影響大的緩沖層中心及胎圈部位溫度也明顯下降。

通入冷卻水后緩沖層中心溫度下降明顯，說明通入內(nèi)冷水可以明顯降低胎體及緩沖層部位出罐時溫度，有利于降低簾線收縮。

2.2 測溫薄弱點升溫曲線對比

兩次測溫升溫速度最慢的均是胎冠中心，說明兩種硫化工藝下硫化薄弱點均在冠部。選取兩次測溫薄弱點數(shù)據(jù)作對比曲線如圖4所示。

圖4 兩種硫化工藝測溫薄弱點升溫曲線

從圖4可以看出，兩種硫化工藝測溫前期薄弱點升溫情況基本一致，測溫后期內(nèi)冷卻硫化工藝薄弱點升溫速度降低，但硫化結(jié)束時仍呈升溫趨勢。

分析如下：

（1）測溫前期兩種硫化工藝下輪胎受內(nèi)外溫影響基本一致，因此測溫薄弱點升溫情況一致；

（2）內(nèi)冷卻硫化工藝測溫后期，外溫蒸汽提前關(guān)閉，內(nèi)溫過熱水切換為冷卻水，因此薄弱點升溫速度降低；

（3）工程機械輪胎部件厚，過熱水切換為冷卻水后，冷卻效應(yīng)傳遞至肩部及胎冠中心所需時間較長，且膠料交聯(lián)反應(yīng)釋放熱量，因此硫化結(jié)束時測溫薄弱點溫度仍呈上升趨勢。

2.3 數(shù)據(jù)分析

兩次測溫最薄弱點均是胎冠中心，運用阿累尼烏斯方程對測溫數(shù)據(jù)進行計算：

式中，t為溫度為θ時的正硫化時間；t0為溫度為145℃時的正硫化時間；θ為實際測定溫度；θ0為基準(zhǔn)溫度，145 ℃。

計算得到過熱水硫化工藝條件測溫排壓時薄弱點累計等效硫化程度為298.9%，內(nèi)冷卻硫化工藝條件測溫排壓時薄弱點累計等效硫化程度為237.1%?？梢钥闯霾捎脙?nèi)冷卻硫化工藝可降低輪胎過硫化程度。

2.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)測溫數(shù)據(jù)可知，采用內(nèi)冷卻硫化工藝條件可以降低排壓時薄弱點硫化程度，但仍偏高。為確定合適的硫化條件，對內(nèi)冷卻硫化工藝測溫時薄弱點數(shù)據(jù)進行處理分析，如圖5所示。

圖5 內(nèi)冷卻硫化工藝薄弱點數(shù)據(jù)處理曲線

內(nèi)冷卻之前，輪胎受熱情況一致，認(rèn)為冷卻之前升溫曲線相同。

運用阿累尼烏斯方程對處理后數(shù)據(jù)進行計算，在內(nèi)冷卻提前30 min、硫化周期縮短20 min條件下排內(nèi)壓時測溫薄弱點硫化程度為141.5%，考慮測溫薄弱點與實際薄弱點位置差異、膠料性能及硫化動力條件的波動，該硫化程度滿足要求。

采用內(nèi)冷卻提前30 min、硫化周期縮短20 min內(nèi)冷卻硫化工藝條件與過熱水硫化工藝條件相比，排壓時胎冠表面中心硫化程度從702.1%降低至415.3%，緩沖層中心硫化程度從1 023.5%降低至579.1%，過硫化程度明顯降低。

2.5 成品物理性能

對兩種硫化工藝測溫成品輪胎進行物理性能對比試驗，分析硫化工藝對輪胎性能的影響，成品輪胎物理性能對比如表2所示。

從表2可以看出，內(nèi)冷卻硫化工藝輪胎物理性能較傳統(tǒng)硫化工藝好，說明采用內(nèi)冷卻硫化工藝降低輪胎過硫程度后，輪胎性能提高。

表2 成品輪胎物理性能對比

3 結(jié)論

（1）在保證內(nèi)冷卻壓力滿足要求的前提下，采用內(nèi)冷卻硫化工藝可降低輪胎的過硫程度，改善輪胎硫化均勻性，提高輪胎質(zhì)量。

（2）工程機械輪胎尺寸大，內(nèi)冷卻效應(yīng)傳遞至輪胎肩部及胎冠中心所需時間較長，通入內(nèi)冷卻水后肩部及胎冠中心溫度仍處于升溫狀態(tài)。

（3）采用內(nèi)冷卻硫化工藝可以降低出罐時胎體簾線溫度，從而減少輪胎出罐至上后充氣期間的簾線收縮，提高輪胎質(zhì)量穩(wěn)定性。

（4）采用內(nèi)冷卻硫化工藝，提前關(guān)閉外溫蒸汽和過熱水循環(huán)可降低輪胎硫化能耗。