有限元模擬技術(shù)在橡膠厚制品硫化時間確定中的應用

張波，曾凡偉，張曉鵬，劉志坡

(中國中車 青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

有限元模擬技術(shù)在橡膠厚制品硫化時間確定中的應用

Application of fi nite element simulation technology for rubber thick goods vulcanization time determine

張波，曾凡偉，張曉鵬，劉志坡

(中國中車 青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

采用有限元軟件，建模分析了一產(chǎn)品硫化時的溫度場隨時間的變化，并計算了產(chǎn)品受熱歷史最低部位膠料的等效硫化時間，從而確定了該產(chǎn)品的氣泡點時間，實驗結(jié)果驗證了該預測結(jié)果的正確性。

橡膠厚制品；硫化時間；有限元模擬；氣泡點

橡膠厚制品不同部位的硫化程度以及厚制品硫化時間的確定，一直以來都是各生產(chǎn)企業(yè)關(guān)心的事情。由于橡膠屬于熱的不良導體，隨著橡膠制品厚度的增加，各處膠料不能均勻、同步受熱，其內(nèi)外溫度梯度也隨橡膠層厚度的增加而增大，在一定硫化時間內(nèi)，造成了在相同硫化時間下，內(nèi)外部膠料硫化程度的顯著不同[1]。制定硫化工藝時，首先要確保各部位膠料硫化充分，即：內(nèi)部不欠硫、外部不過硫。在這個前提下，還要確定最短的硫化時間，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時盡量提高生產(chǎn)效率，通常溫度梯度低谷處的膠料在硫化過程中最晚達到正硫化，且其硫化屬于典型的變溫硫化，很難通過簡單的方法得知其硫化程度。然而在確定硫化時間時，最重要的考量要素就是確保溫度低谷部位膠料硫化充分。

橡膠厚制品硫化工藝參數(shù)制定時，硫化三要素中的溫度和壓力根據(jù)技術(shù)人員的經(jīng)驗可以很容易確定下來，最難確定的是硫化時間，目前能夠用于確定厚制品硫化時間的方法有多種，最早為大家所熟知的經(jīng)驗公式法已經(jīng)逐漸被淘汰，該方法的最大缺陷在于沒有考慮膠料的初始溫度以及骨架材料的影響，隨著硫化生產(chǎn)裝備的進步，目前已經(jīng)有多種手段提高膠料和骨架材料的初始溫度，從而達到縮短硫化時間的目的，應用經(jīng)驗公式得出的結(jié)果與實際相差甚遠，該方法的應用范圍越來越小。

后來出現(xiàn)了熱電偶測溫技術(shù)，硫化測溫需要將多套熱電偶預先埋置在產(chǎn)品不同部位中，通過自動記錄裝置記錄每個熱電偶的溫度及對應的時間，再根據(jù)阿累尼烏斯方程，將硫化測溫結(jié)果推算出等效硫化時間，計算結(jié)果與實際吻合較好，但熱電偶法測試操作和計算過程復雜，目前比較適用于壓制成型的產(chǎn)品，很難對注射成型及壓鑄成型的產(chǎn)品測溫，應用范圍亦有限。比如圖1中所示的空氣彈簧橡膠堆為典型的橡膠厚制品，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜，骨架將膠料分成了孤立的3個空間（圖1中編號1、2、3），并采用注射成型，無法對該產(chǎn)品各膠層的各部位實施測溫。

圖1 產(chǎn)品及模具結(jié)構(gòu)示意圖

通過對厚層橡膠制品不同部位試樣的拉伸強度等力學性能的測試，來確定硫化時間的長短對橡膠厚制品不同部位硫化程度的影響，從而確定最佳硫化時間的方法亦被大家所采用。該方法理論上可靠性較高，但實際操作時難度較大，工作量也較大，尤其是用剝片機在產(chǎn)品上獲取拉伸試樣的均勻性難以控制，造成測試誤差較大，性能測試結(jié)果變化規(guī)律不明顯就難以準確地確定硫化時間。

目前判別厚制品內(nèi)部膠料硫化程度的最簡單方法是氣泡點法，氣泡點法的基本原理是：對于特定的實驗品，分別按不同的時間硫化，每次硫化后均從產(chǎn)品不同厚度處剖開產(chǎn)品，觀察產(chǎn)品各部位內(nèi)部的硫化狀態(tài)，確定氣泡出現(xiàn)的時間點，在此時間上適當增加一硫化安全因子即可作為該產(chǎn)品的硫化時間。氣泡點法操作方法簡單、試驗結(jié)果直觀可靠，但是需要做大量的重復性試驗，以確定產(chǎn)品的氣泡點硫化時間，對于大型厚制品而言試驗成本較高。

1 實驗部分

1.1 原材料

天然橡膠（NR），RSS NO.1，海南天然橡膠產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司產(chǎn)品；炭黑（N330、N774），青島德固賽化學有限公司產(chǎn)品；加工助劑、防老劑以及硫化劑均為萊茵化學（青島）有限公司產(chǎn)品；其他配合劑均為市售工業(yè)級產(chǎn)品。

1.2 實驗配方

NR，100（質(zhì)量份，下同）；活化劑（氧化鋅、硬脂酸）：2～5；加工助劑（萊茵蠟Antilux 654、分散劑Atflow L-18），2～5；防老劑（N-(1,3-二甲基丁基)-N’-苯基對苯二胺、2,2,4-三甲基-1,2-二氫化喹啉聚合物）1～10；炭黑（N330、N774），10～70；硫化劑（二硫化二苯并噻唑、N-環(huán)己基-2-苯并噻唑次磺酰胺、硫黃），1～5。

1.3 主要儀器和設(shè)備

無轉(zhuǎn)子硫化儀，GT-M2000-A，臺灣高鐵科技股份有限公司生產(chǎn)；密煉機，GK190E，德國克虜伯公司生產(chǎn)；600 t注射機，HYZ-600E，衡陽華意機械有限公司生產(chǎn)。

1.4 試樣制備方法

將密煉機混煉的膠料停放3天后，切長條供注射機用，采用注射機硫化該產(chǎn)品。

2 有限元模擬技術(shù)在橡膠厚制品硫化時間確定中的應用

2.1 應用方法簡介

有限元模擬技術(shù)可以模擬產(chǎn)品在整個硫化過程中各個部位硫化溫度隨時間的變化規(guī)律，可以定性的分析出產(chǎn)品受熱歷史最多和最少的部位；并可以定量的獲得各個部位溫度隨時間變化的數(shù)值曲線。對此，我們可以非常方便的得到產(chǎn)品受熱歷史最低的部位，并獲取該部位的溫度變化數(shù)值曲線，根據(jù)該曲線我們就可以快速計算出該部位膠料的等效硫化時間[2]，根據(jù)類似產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)驗，我們就能迅速確定產(chǎn)品出現(xiàn)氣泡點的時間，只通過一次或兩次試驗就能找出產(chǎn)品的氣泡點時間，從而確定產(chǎn)品的硫化時間[3]，大大縮短了產(chǎn)品的工藝試驗次數(shù)和時間，極大地提高產(chǎn)品的開發(fā)效率，并節(jié)約開發(fā)成本。

圖2 有限元軟件模擬的產(chǎn)品在模具中硫化時溫度場隨時間的變化

2.2 有限元軟件對溫度場的模擬

采用有限元軟件，對硫化過程中圖1中所示產(chǎn)品及模具進行了的溫度場隨時間變化的模擬，結(jié)果如圖2所示，對比各部位橡膠的受熱歷史，我們可以確定該產(chǎn)品受熱歷史最低的部位在圖1產(chǎn)品中數(shù)字“1”處。

上述模型中應用的基本工藝參數(shù)為：骨架溫度90℃；橡膠溫度120 ℃；模具溫度150 ℃。根據(jù)模擬結(jié)果，我們可以清晰的看出：裝模完成后，膠料溫度高于骨架溫度，骨架升溫需要吸收大量的熱，骨架與模具熱板接觸面積較小，且與橡膠接觸面積較大，因此骨架首先吸收了橡膠的熱量，使其溫度下降，當兩者溫度相同時，由于骨架傳熱快，溫度上升加快，其溫度超過了橡膠溫度，又開始向橡膠傳熱，使得橡膠的溫度上升。其中，溫度的下降幅度與骨架大小有關(guān)系。

圖3 膠料的硫化曲線圖

2.3 等效硫化時間的計算

根據(jù)膠料的硫化特性曲線，如圖3所示，我們可以看出該膠料在150 ℃的正硫化時間為1 200 s。根據(jù)類似產(chǎn)品及該膠料的特性，應用該膠料生產(chǎn)類似結(jié)構(gòu)產(chǎn)品時，當產(chǎn)品受熱歷史最低的部位處膠料的硫化程度達到最佳硫化程度的40%～50%時，可以作為該產(chǎn)品的氣泡點時間。

根據(jù)上述模擬結(jié)果，我們獲取了圖1產(chǎn)品中數(shù)字“1”部位的溫度變化曲線，如圖4（a）所示，并根據(jù)該曲線計算得出了該部位膠料的等效硫化時間，如圖4（b）所示，并確定了產(chǎn)品的氣泡點時間。該產(chǎn)品在150 ℃的硫化溫度下，當硫化時間達到2 100 s時，產(chǎn)品受熱歷史最低的部位處膠料的硫化程度達到最佳硫化程度的44%，理論上產(chǎn)品在該部位會有小范圍泡孔，硫化時間延長5 min后，泡孔會消失。

2.4 實物驗證

圖4 根據(jù)有限元軟件模擬得到的產(chǎn)品“1”位置的溫度變化曲線及該部位的等效硫化時間

根據(jù)上述計算結(jié)果制定硫化工藝，分別在150 ℃×2 100 s和150 ℃×2 400 s的條件下，生產(chǎn)了一件產(chǎn)品以驗證該氣泡點時間的正確性，所得產(chǎn)品的橫截面狀態(tài)如圖5所示，該產(chǎn)品實物出現(xiàn)的氣泡點與模擬得出的氣泡點位置及出現(xiàn)的時間均相符，驗證了該有限元模型的準確性和可靠性。

圖5 產(chǎn)品不同硫化時間下的橫截面狀態(tài)

3 結(jié)論

綜上分析可知，在橡膠厚制品硫化時間制定時，采用有限元軟件建模預測得出的結(jié)論具有較高的參考價值和指導意義。在橡膠制品硫化時間的制定中，應用有限元模擬技術(shù)，具有高效快捷的突出優(yōu)勢，并可預測實驗結(jié)果，對進一步的試驗方向有極強的指導意義。由于這些特點，省去了傳統(tǒng)方法中大量的重復試驗，和由于實驗結(jié)果不確定性造成的浪費。

[1] 李強，杜華.橡塑技術(shù)實戰(zhàn)指南[M].北京：化學工業(yè)出版社，2014: 306～326.

[2] 曾凡偉，房棟，孫冬冬，等.橡膠厚制品等效硫化時間的計算與硫化時間的確定[J].世界橡膠工業(yè)，2015，43（9）:7～13.

[3] 宋紅光，曾凡偉，劉志坡，等.橡膠厚制品不同部位硫化程度的研究[J].世界橡膠工業(yè)，2015，43（9）:14～19.

住友集團旗下2016年推出四款新輪胎

日本住友集團旗下Falken飛勁輪胎擬于2016年第一季度推出四款新輪胎。

第一款是Wildpeak M/T輪胎，這是一款越野輪胎，“專為最惡劣的地形條件而造”，按飛勁輪胎制造商的說法，它適合從15～20 in系列的25種輕型高行駛性能規(guī)格輪胎。該輪胎最常用的配套車型有吉普牧馬人（Jeep Wrangler）、雪佛蘭西爾維拉多（Chevrolet Silverado）、福特F系列（Ford F-Series）、尼桑泰坦（Nissan Titan）和豐田坦途（Toyota Tundra）。

第二款是Wildpeak A/T3W輪胎，它是一款全地形越野輪胎，被設(shè)計為“任何天氣、任何時間都敢冒險”的輪胎。它適用于從15～20 in系列的54 種LT規(guī)格和P-metric規(guī)格的輕型載重車胎/SUV輪胎。飛勁輪胎號稱這款輪胎覆蓋了其目標市場的70%。

第三款是Sincera SN250 A/S輪胎，它是一款高行駛里程、全天候高性能跑車胎。

第四款是Azenis FK450 A/S輪胎，這是一款全天候超高性能輪胎，胎面磨耗壽命為50 000英里。它適合于從16～20 in系列的48種規(guī)格輪胎。

謝立供稿

橫濱輪胎入選日本超級方程式賽車胎

橫濱橡膠有限公司宣布，其ADVAN賽車胎最近被選中作為2016日本超級方程式冠軍系列賽的唯一標準輪胎。

提供給此項系列賽事的輪胎有兩種，一種是用于干路面的ADVAN A005型輪胎，另一種是用于濕路面的ADVAN A006型輪胎。兩種輪胎都使用了橫濱公司的專利橙油復合膠料技術(shù)，以確保具有優(yōu)秀的抓地性能同時，也具有出色的環(huán)境保護性能。該標準賽車胎的規(guī)格為：前胎是250/620 R13，后胎是360/620 R13。

日本的超級方程式冠軍系列賽是亞洲最高級別的方程式汽車系列賽，是最純粹的賽車形式。

橫濱公司于1987年開始參與全日本F3000冠軍賽；1996年參加了最早的方程式日本系列賽，但1997年由另一家輪胎制造商開始提供該賽事標準輪胎。時隔20年之后，2016年日本的頂級方程式汽車系列賽將啟用橫濱賽車胎。

橫濱公司稱其已為日本和海外的許多頂級汽車系列賽作為官方輪胎供應商提供過服務(wù)，例如在海外，該公司從2006年開始連續(xù)10年成為國際汽車聯(lián)盟（FIA）世界跑車冠軍賽的官方輪胎供應商；連續(xù)33年澳門格蘭披治大賽車（Grand Prix）方程式3比賽的官方輪胎供應商；還有國際汽車聯(lián)盟方程式2冠軍賽；德國方程式3冠軍賽。在日本，橫濱作為官方輪胎供應商參與的汽車系列賽較為廣泛，包括日本的方程式3冠軍賽，超級耐久房車系列賽，超級FJ賽，JAF初級卡丁車冠軍賽的FP初級類賽事。

橫濱公司稱，選擇橫濱作為日本超級方程式冠軍系列賽標準輪胎的獨家供應商，是基于如下考慮：不僅因為ADVAN輪胎是高性能輪胎，而且因為對橫濱公司綜合能力的高度評價，包括在賽車場上更換輪胎服務(wù)和高性能輪胎的穩(wěn)定生產(chǎn)能力。

謝立供稿

TQ330.67

1009-797X(2016)05-0061-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.05.014

張波（1978-），男，工程師，畢業(yè)于青島科技大學，目前任中國中車青島四方車輛研究所有限公司減振事業(yè)本部總經(jīng)理。

2015-09-25