基于橡膠配方和工藝的輪胎產(chǎn)品經(jīng)濟性分析

萬達淳，鄭聞運，陳 弩

[1.中創(chuàng)國宏（北京）設(shè)計咨詢有限公司，北京 100143；2.中策橡膠（泰國）有限公司，羅勇府 泰國 21140]

輪胎作為橡膠工業(yè)的主導產(chǎn)品，其設(shè)計及生產(chǎn)制造過程的經(jīng)濟性直接影響企業(yè)的內(nèi)生動力，即盈利能力[1]。本文從影響輪胎企業(yè)內(nèi)生動力的基礎(chǔ)，即配方和工藝的局部特征分析影響企業(yè)經(jīng)濟性的因素，揭示技術(shù)層面設(shè)計對企業(yè)經(jīng)濟性的影響。

1 成本概念

橡膠工業(yè)的成本計算方法可采用：材料+在制品+產(chǎn)成品或配方成本[2-3]的計算方法。本文主要以配方成本的變化對生產(chǎn)成本的影響為出發(fā)點進行分析。

配方成本指單位質(zhì)量原材料價格。在配方成本的概念中，應考慮以體積或質(zhì)量為基礎(chǔ)，以體積為基準的應用包括成本-體積關(guān)系的概念和計算。

輪胎作為橡膠工業(yè)的主要產(chǎn)品，如何使用低成本的配方是企業(yè)管理者永遠關(guān)注的問題，但往往企業(yè)技術(shù)人員的關(guān)注點則集中在如何保證輪胎更高的性能。因此，在如何兼顧輪胎產(chǎn)品性能和配方成本上配方技術(shù)人員也應考量不能因減小昂貴的配合劑用量而損害產(chǎn)品質(zhì)量，但過高的設(shè)計費用不僅造成浪費，而且會使產(chǎn)品失去競爭力。在完成嚴謹?shù)男阅茉u估及合理的成本計算后，選擇可替代的低成本原材料，將是企業(yè)內(nèi)生動力的永恒課題。

2 配方成本計算方法

配方成本核算需要3個參數(shù)：每種組分的用量、每種組分的價格、每種組分的密度。密度與聚合物體系中經(jīng)常使用的密度應保持一致，即保持產(chǎn)品體系的一致性。

2.1 密度

配方密度（ρf）計算公式如下。

式中，i代表每種組分，m為質(zhì)量，ρ為密度。

2.2 單位成本

2.2.1 每千克成本

配方的每千克成本（Cf）計算公式如下。

式中，i代表每種組分，C為每千克成本。

當最終產(chǎn)品有固定尺寸時，例如一個特定輪胎的胎面、胎側(cè)、胎體，配方的固定體積成本是特別重要的。

2.2.2 每千克體積成本

每千克體積成本通常按照下式計算。

2.2.3 產(chǎn)成品成本

一個特定的橡膠制品的配方，實際成本需要根據(jù)該部件中膠料體積、每千克成本和密度計算，公式為：部件成本＝膠料體積×每千克體積成本×換算系數(shù)。

在比較兩種膠料的成本時，應當使用膠料的體積，而不是質(zhì)量，這是應特別注意的。

3 計算產(chǎn)成品或在制品的換算系數(shù)

在計算產(chǎn)成品或在制品成本時，所有的計算應統(tǒng)一單位，這樣就可能需要使用換算系數(shù)。

本文的計算中，體積單位為cm3，質(zhì)量單位為kg。當膠料體積使用每立方厘米成本和每千克成本時，換算系數(shù)為0.001。

如果僅針對相對成本，則無需使用換算系數(shù)，產(chǎn)品成本可以用一種組分對另一種組分的比例或百分比來表達。

4 密度測定

密度測定執(zhí)行ASTM D1817。在橡膠材料密度的傳統(tǒng)測試方法中，可以把材料放在比重瓶中加入適當?shù)囊后w測量其密度，計算時應考慮該材料的質(zhì)量和液體的密度。

橡膠中存在間隙，如果將橡膠的斷面切開，放在顯微鏡下觀察，橡膠中的氣孔被放大后，可觀察到明顯的間隙。雖然傳統(tǒng)測試方法和ASTM D1817方法測試密度通常不會產(chǎn)生顯著的差異，但是對于具有高體積的材料來說，密度對配方成本的影響很重要。為了測定橡膠中一種組分的密度，在混煉膠中加入已知量的該組分材料并進行硫化，然后計算其密度并與基礎(chǔ)配方對比。顯然，某些材料不能大量地加入配方中，其會顯著影響終煉膠的成本，在這種情況下須使用較小用量。

密度測定的方法通常是：將硫化膠樣品在空氣中稱質(zhì)量，然后將樣品浸泡在水中測定。計算時采用水在試驗溫度下的密度。這種測試必須使用硫化膠試樣。

5 成本計算實例

在確定測定密度的方法之后，研究實際應用中密度對配方成本的影響很重要。

5.1 全鋼載重子午線輪胎（TBR）胎面模擬配方

表1示出TBR胎面模擬配方的主要組分及成本計算。

由表1可以看出，當合成橡膠的用量增大到15份時，配方成本將降低2%。以年產(chǎn)100萬條TBR的生產(chǎn)能力計算，假設(shè)設(shè)計產(chǎn)品的胎面膠平均質(zhì)量為20 kg，對年生產(chǎn)成本的影響將非?？捎^。

表1 TBR胎面模擬配方的主要組分及成本計算

通常情況下，設(shè)計工程師會出于安全考慮，采用安全系數(shù)較大的設(shè)計。雖然設(shè)計產(chǎn)品必要的安全系數(shù)非常重要，但也須從實際出發(fā)，采用過高但不切實際的安全系數(shù)限制了材料的選用、裝備功能的發(fā)揮、工藝技術(shù)的提升，也會帶來較高的成本。如輪胎產(chǎn)品的設(shè)計使用壽命應滿足10 000 h，而設(shè)計產(chǎn)品的理論使用壽命為100 000 h，這就毫無意義。

對于若失效將導致嚴重的經(jīng)濟損失或潛在的人員傷亡的產(chǎn)品，應確保其零失效。例如，一個系統(tǒng)由于其中一個部件的失效將導致設(shè)備坍塌、生產(chǎn)能力下降、性能大幅降低和檢修設(shè)備的勞動成本增加，則增大部件安全系數(shù)就是非常敏感的。

5.2 硫化效率

硫化是輪胎生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，硫化所涉及的硫化溫度和硫化時間相互依賴又相互制約。通常情況下，硫化溫度越高，硫化速度越快，硫化時間越短。

根據(jù)范特霍夫法則，硫化溫度和時間的關(guān)系可以用下式表示[4]。

式中，t1為溫度為T1時的正硫化時間；t2為溫度為T2時的正硫化時間；K為硫化溫度因數(shù)（1.8～2.5，通常K取2）。

該公式表明硫化溫度與正硫化時間互為指數(shù)關(guān)系。硫化溫度升高10 ℃，正硫化時間縮短50%，溫度降低10 ℃，正硫化時間延長1倍。

從上述結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，升高硫化溫度，可有效縮短正硫化時間，提高硫化機的使用效率。以年產(chǎn)100萬條TBR為例，硫化溫度變化對硫化效率的影響見表2。

從表2可以看出，硫化溫度對硫化效率的影響非常明顯。硫化時間的確定屬于一個系統(tǒng)工程，在時間、溫度、壓力等因素固定的條件下，硫化速度將直接影響生產(chǎn)效率。為提高生產(chǎn)效率，輪胎企業(yè)使用的方法各有不同，如增加硫化促進劑、提高硫化介質(zhì)的溫度、采用優(yōu)化硫化工藝。本文僅以硫化溫度變化作為因子進行了舉例，無論采用哪種方法，在保證產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上，綜合成本考量是規(guī)?；a(chǎn)必須兼顧的。

表2 硫化溫度變化對硫化效率的影響

6 結(jié)語

通過材料替代以節(jié)約成本和提高硫化效率的操作實例，闡述在配方中使用具有成本優(yōu)勢的材料進行替代并采用技術(shù)創(chuàng)新的工藝方案等的重要性，其直接影響企業(yè)產(chǎn)品效益的最大化。以任何形式開展的配方替代、工藝技術(shù)創(chuàng)新、設(shè)備效率提升工作均需對所生產(chǎn)的輪胎產(chǎn)品進行全面的測試，以保證在設(shè)計、配方或工藝上的調(diào)整不影響輪胎產(chǎn)品的性能。