輪胎活絡(luò)模具傳熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其在輪胎硫化中的應(yīng)用研究

0 引 言

活絡(luò)模具是輪胎制造過程中關(guān)鍵的工藝裝備，模具的導(dǎo)熱性對(duì)輪胎成型質(zhì)量、使用壽命、行駛安全性及舒適性等性能指標(biāo)均有重要影響。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，卡車、客車等車型不斷升級(jí)，全鋼子午胎的規(guī)格種類也越來越多樣化，其需求量與日俱增

，各輪胎生產(chǎn)廠家對(duì)于節(jié)能減排、綠色制造的追求越來越迫切。

繼續(xù)加大對(duì)臨床科研工作的支持力度，不斷加強(qiáng)將科研成果轉(zhuǎn)化為臨床診療新技術(shù)的扶持力度。通過協(xié)同創(chuàng)新，以科學(xué)研究反哺技術(shù)創(chuàng)新，不斷提升醫(yī)院的整體醫(yī)療技術(shù)水平。

目前，活絡(luò)模具傳熱性能的優(yōu)化研究多采用仿真分析的方法進(jìn)行，缺少相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。劉迎等

對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高了溫度均勻性；劉志蘭等

通過有限元分析方法提高了輪胎模具傳熱效率；崔龍

對(duì)輪胎活絡(luò)模具進(jìn)行溫度仿真分析，優(yōu)化了模具結(jié)構(gòu)；李淑華等

對(duì)活絡(luò)模具升溫過程進(jìn)行數(shù)值模擬以改善其傳熱性能。

為提高新產(chǎn)品開發(fā)效率，獲得高導(dǎo)熱性能的輪胎模具，采用仿真分析的方法進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。為驗(yàn)證實(shí)際優(yōu)化效果，對(duì)優(yōu)化前、后模具升溫改善效果進(jìn)行檢測分析，同時(shí)觀察成型輪胎在硫化過程中的溫度變化，對(duì)比分析成型輪胎的硫化效果差距。仿真與試驗(yàn)相結(jié)合，從理論分析和實(shí)踐檢驗(yàn)中獲得可靠的數(shù)據(jù)支撐，對(duì)后續(xù)模具優(yōu)化設(shè)計(jì)和輪胎成型工藝優(yōu)化提供參考。

安永會(huì)計(jì)師事務(wù)所的貿(mào)易問題專家哈姆斯表示：“大型在線服務(wù)提供商正在穩(wěn)步擴(kuò)大其市場力量，并且以不惜損害實(shí)體零售貿(mào)易的手段來確保自己獲得越來越大的蛋糕?！睆睦麧欂S厚的圣誕節(jié)生意中就可以看出這一點(diǎn)。根據(jù)安永會(huì)計(jì)師事務(wù)所的調(diào)查，每五個(gè)德國人中就有一人喜歡在網(wǎng)上購買圣誕禮物。而在一年前，德國的電子商務(wù)用戶數(shù)量只是目前的一半。

1 活絡(luò)模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 活絡(luò)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)傳熱理論，提高傳熱效率的有效方法有增大傳熱接觸面積、更換高導(dǎo)熱性能材料、縮減模具質(zhì)量，減小熱損失等。基于這些方法對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)如下：模套滑板面積提高50%；模套壁厚減薄，縮短熱量傳遞路徑，材料使用量減少15%；滑塊材料由導(dǎo)熱性能較差的QT600更改為40Cr。優(yōu)化前、后模具結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 模具傳熱性能有限元分析

隨著計(jì)算機(jī)性能的提高及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助工程的應(yīng)用越來越廣泛，利用有限元分析可有效減少模具設(shè)計(jì)缺陷，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。為提高活絡(luò)模具傳熱效率，達(dá)到節(jié)能減排、綠色制造的目的，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真分析軟件workbench對(duì)模具升溫過程進(jìn)行模擬分析

。

②工程在運(yùn)行初期的供水價(jià)格應(yīng)充分體現(xiàn)工程的公益性，主要滿足工程正常運(yùn)行維護(hù)以及償還工程貸款的要求，并減免征收營業(yè)稅及其附加。在工程運(yùn)行初期，除計(jì)提工程正常運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用外，固定資產(chǎn)折舊按照還貸要求計(jì)提；固定資產(chǎn)折舊滿足還貸需求，將不計(jì)提利潤；如果固定資產(chǎn)折舊不足以償還貸款本金，按照滿足歸還貸款本金需要計(jì)提利潤，但上限不能超過《水利工程供水價(jià)格管理辦法》規(guī)定的上限。

由圖2可知，優(yōu)化后模具升溫速率明顯提高，預(yù)熱40～60 min比優(yōu)化前模具高15℃。優(yōu)化后模具的上側(cè)板升溫速率略高于優(yōu)化前模具，預(yù)熱40～60 min最大溫差為6.5℃，下側(cè)板升溫速率差距較小，最大溫差為4.5℃。

圖3所示為預(yù)熱3 h后型腔溫度分布云圖，優(yōu)化后模具的花紋塊溫度高于優(yōu)化前模具約0.5℃，上、下側(cè)板溫度基本一致，型腔溫度均勻性方面優(yōu)化后模具較好。

2 活絡(luò)模具測溫試驗(yàn)

為驗(yàn)證優(yōu)化后模具的實(shí)際傳熱性能提升效果，對(duì)優(yōu)化前、后模具模型進(jìn)行實(shí)體加工，通過測溫儀對(duì)優(yōu)化前、后模具預(yù)熱及硫化過程的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對(duì)比分析實(shí)際優(yōu)化效果。

3.2.2 輪胎各部位硫化程度

2.1 測試條件

為便于收集模具溫升數(shù)據(jù)，優(yōu)化前、后模具加工時(shí)分別設(shè)置測溫點(diǎn)，測點(diǎn)分別位于在FRONT線左、右72°位置，左、右位置各9個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)18個(gè)測點(diǎn)。2副模具測點(diǎn)位置一致，分別位于上側(cè)板、下側(cè)板和花紋塊，側(cè)板測點(diǎn)位于外圓處、中間位置及鋼圈處，花紋塊測點(diǎn)沿上、中、下位置分布，如圖4所示。

采用硫化機(jī)對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱開始前先將硫化機(jī)停機(jī)，待溫度降至室溫后將優(yōu)化前、后模具分別安裝在硫化機(jī)左、右工位，以便保證模具自室溫開始進(jìn)行預(yù)熱過程升溫?cái)?shù)據(jù)的采集。安裝完畢后同時(shí)打開蒸汽管道進(jìn)行蒸汽預(yù)熱。預(yù)熱溫度設(shè)置170℃，80 min后調(diào)節(jié)蒸汽溫度至150℃裝胎坯進(jìn)行輪胎生產(chǎn)。自裝模結(jié)束，通過測溫儀對(duì)模具預(yù)置的測溫點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到預(yù)熱過程及預(yù)熱完成后模具的溫度變化趨勢。

考慮模具整體為圓周對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為提高計(jì)算效率，采用1/9模型進(jìn)行模具預(yù)熱過程仿真分析。硫化機(jī)上、下熱板及模套汽室溫度均設(shè)置為170℃，預(yù)熱80 min，隨后溫度更改為150℃繼續(xù)預(yù)熱，優(yōu)化前、后模具升溫速率差異分析結(jié)果如圖2所示。

2.2 輪胎模具測溫結(jié)果分析

圖5所示為模具測溫現(xiàn)場，圖6所示為優(yōu)化前、后模具的花紋塊實(shí)際升溫曲線。優(yōu)化后模具的花紋塊升溫速率明顯高于優(yōu)化前模具，在預(yù)熱階段，優(yōu)化前、后模具升溫60～80 min時(shí)溫差達(dá)到17～23℃。進(jìn)入穩(wěn)定生產(chǎn)階段，優(yōu)化前、后模具溫差穩(wěn)定在4℃左右。由圖6可知，優(yōu)化后模具的花紋塊在升溫速率及保溫上均具有明顯優(yōu)勢。

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，蘋果主要貯藏病害是在果園或采收、分級(jí)、運(yùn)輸?shù)冗^程中感染的，在貯藏期間遇到適宜條件就會(huì)發(fā)病。因此，蘋果苦痘病、蘋果霉心病、蘋果虎皮病等主要貯藏病害的防治須采取綜合措施，部分措施要在蘋果生長期實(shí)施。同時(shí)要盡量減少病原體，加強(qiáng)果園管理，防止機(jī)械損傷，創(chuàng)造適宜的貯藏環(huán)境，確保貯藏質(zhì)量。

輪胎按照之前的硫化工藝進(jìn)行硫化，優(yōu)化前、后模具生產(chǎn)初期胎胚各部位的硫化程度對(duì)比如表1所示。

由實(shí)測模具升溫速率對(duì)比結(jié)果可得，優(yōu)化后模具升溫效率大幅提高，傳熱性能改善明顯。優(yōu)化前模具花紋塊預(yù)熱80 min升溫至120～130℃，而優(yōu)化后模具升溫至該溫度僅需60 min。優(yōu)化前模具上側(cè)板預(yù)熱80 min升溫至110℃，而優(yōu)化后模具用時(shí)僅56 min。優(yōu)化前模具下側(cè)板預(yù)熱80 min升溫至145℃，而優(yōu)化后模具用時(shí)僅70 min?？紤]硫化機(jī)左、右機(jī)臺(tái)熱板溫度分布可能存在差異，對(duì)優(yōu)化后模具的傳熱效率提高量進(jìn)行保守預(yù)估，可以縮短預(yù)熱時(shí)間10～15 min。

3 胎坯測溫試驗(yàn)及硫化程度對(duì)比

3.1 測試條件

為對(duì)比分析優(yōu)化前、后模具對(duì)成型輪胎的硫化質(zhì)量影響，分別對(duì)其所生產(chǎn)的輪胎進(jìn)行測溫及氣泡點(diǎn)測試。首先在胎坯上預(yù)先設(shè)置多個(gè)測溫點(diǎn)，用于收集胎坯的升溫?cái)?shù)據(jù)。胎胚測溫點(diǎn)分布于胎頂、胎肩、胎側(cè)等部位，如圖8所示。

3.2 生產(chǎn)初期輪胎硫化質(zhì)量對(duì)比

灌漿套筒連接件由鋼筋、套筒和灌漿料三部分構(gòu)成。套筒一般采用球墨鑄鐵或機(jī)械加工制造而成，連接鋼筋插入帶有凸肋的套筒內(nèi)，通過套筒底部的注漿孔注入微膨脹高強(qiáng)度灌漿料，鋼筋和套筒借助硬化后的灌漿料牢固粘合形成一體，利用套筒內(nèi)側(cè)的凸肋和鋼筋螺紋之間的灌漿料進(jìn)行傳力。為深入研究灌漿套筒的受力性能，文中采用有限元軟件ABAQUS對(duì)10個(gè)灌漿套筒連接件進(jìn)行了力學(xué)性能模擬，并與試驗(yàn)值進(jìn)行了對(duì)比分析，通過研究其破壞過程、破壞形態(tài)、荷載-位移曲線、筒壁荷載-應(yīng)變等性能，得出鋼筋直徑、鋼筋偏移與鋼筋強(qiáng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響。

由表1可知，預(yù)熱結(jié)束后優(yōu)化前模具首缸輪胎硫化程度符合正常生產(chǎn)要求，關(guān)鍵部位硫化程度在合理范圍內(nèi)，但是位于合理范圍的下限。優(yōu)化后模具硫化程度高于正常需要的硫化程度，輪胎過硫較多，表明原硫化工藝對(duì)于優(yōu)化后模具不再適用。為獲得合格的輪胎，可以通過調(diào)整硫化時(shí)間，縮短輪胎成型周期，提高輪胎生產(chǎn)效率。

日本內(nèi)閣2018年7月3日批準(zhǔn)第五份基礎(chǔ)能源規(guī)劃，設(shè)定了到2030年的電力結(jié)構(gòu)發(fā)展目標(biāo)。根據(jù)規(guī)劃，核電仍將是一種重要能源，核發(fā)電量到2030年將占全國總發(fā)電量的20%～22%。

3.2.1 輪胎測溫結(jié)果

圖7所示為優(yōu)化前、后模具的上、下側(cè)板升溫曲線，優(yōu)化后模具上側(cè)板升溫速率明顯高于優(yōu)化前模具，預(yù)熱60～80 min時(shí)溫差較大，外圓處溫差最大為22℃，鋼圈處最大溫差為19℃，而下側(cè)板溫差較小，預(yù)熱60～80 min時(shí)溫差最大為6～7℃。進(jìn)入穩(wěn)定生產(chǎn)階段后，優(yōu)化前、后模具上側(cè)板溫度基本一致，溫差僅1～2℃，下側(cè)板無明顯溫差。由圖7可知，優(yōu)化后模具上側(cè)板的升溫速率及溫度保持優(yōu)于優(yōu)化前模具，而下側(cè)板傳熱性能無改善。

在對(duì)照組治療方案的基礎(chǔ)上，再予硫酸氫氯吡格雷片（規(guī)格為75 mg/片）75 mg，1次/d口服。治療7 d為1個(gè)療程，共2個(gè)療程。

圖9所示為輪胎測溫過程，圖10所示為生產(chǎn)初期成型輪胎升溫曲線。由圖10可得，優(yōu)化后模具成型的輪胎升溫速率高于優(yōu)化前模具，其中胎面部位溫度高10～15℃，0°端點(diǎn)處溫度高10℃，上胎側(cè)處溫度高4～5℃，但下胎側(cè)溫度與優(yōu)化前模具基本一致。

3.2.3 輪胎硫化后割泡測試

為進(jìn)一步對(duì)比優(yōu)化前、后模具輪胎硫化程度的差異，對(duì)輪胎進(jìn)行割泡測試，主要查看上、下胎肩，上、下子口及胎冠中部位有無氣泡點(diǎn)存在，割泡測試時(shí)間分別為硫化33 min和36 min。

割泡測試結(jié)果如表2、表3所示，優(yōu)化后模具硫化33 min后成型的輪胎中上、下胎肩氣泡個(gè)數(shù)少于優(yōu)化前模具，而胎冠中部和子口部位硫化程度無明顯差異；硫化36 min時(shí)，優(yōu)化前、后模具成型的輪胎均無氣泡點(diǎn)存在。根據(jù)測試結(jié)果推測優(yōu)化前、后模具硫化程度時(shí)存在約1～1.5 min的差距。

3.3 穩(wěn)定生產(chǎn)階段輪胎硫化程度對(duì)比

3.3.1 輪胎各部位硫化程度

模具硫化多個(gè)輪胎后進(jìn)入穩(wěn)定生產(chǎn)階段，為對(duì)比該階段成型輪胎的硫化質(zhì)量，硫化程度測試結(jié)果如表4所示。優(yōu)化前、后模具成型的輪胎胎側(cè)部位硫化程度相差不大，上胎側(cè)新模具硫化程度提高0.9 min，下胎側(cè)硫化程度提高2.8 min。優(yōu)化后模具對(duì)胎面硫化程度影響較大，成型輪胎胎面硫化程度提高5.4 min。

3.3.2 輪胎硫化后割泡測試

(3) 若μ,ν為偽對(duì)偶測度框架, 則SμSν為Rd上正定算子, 則由廣義Cauchy-Swcharz不等式: ?Rd(不妨x≠0),

為進(jìn)一步對(duì)比硫化程度差異，對(duì)所生產(chǎn)的輪胎進(jìn)行割泡測試，割泡測試時(shí)間分別為硫化36 min和34.5 min，結(jié)果如表5和表6所示，成型輪胎均無氣泡點(diǎn)出現(xiàn)，質(zhì)量合格。

4 結(jié)束語

通過傳熱有限元仿真分析方法對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了導(dǎo)熱性能優(yōu)異的模具結(jié)構(gòu)。對(duì)優(yōu)化前、后模具實(shí)際升溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行檢測，優(yōu)化后模具的傳熱性能明顯優(yōu)于優(yōu)化前模具，尤其是花紋塊升溫速率明顯提高，花紋塊預(yù)熱時(shí)間節(jié)約30 min，上側(cè)板節(jié)約20 min。對(duì)優(yōu)化前、后模具所成型的輪胎的硫化質(zhì)量進(jìn)行測試，在生產(chǎn)初始階段，優(yōu)化后模具的成型輪胎上胎側(cè)、下胎側(cè)、胎面及0°端點(diǎn)處硫化程度均明顯提高；穩(wěn)定生產(chǎn)階段，優(yōu)化后模具在輪胎胎面的硫化程度提升效果明顯，可減少蒸汽能源浪費(fèi)，節(jié)約生產(chǎn)成本，滿足節(jié)能減排、綠色制造的生產(chǎn)目標(biāo)。

[1]朱華健,牛金坡,李凡朱,等.新型輪胎結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].高分子通報(bào),2019(11):1-4.

[2]劉 迎,趙永瑞,潘 川.輪胎模具合體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬[J].模具工業(yè),2017,43(7):20-24.

[3]劉志蘭,張 偉,趙 陽,等.輪胎模具預(yù)熱溫度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].模具工業(yè),2017,43(9):27-30.

[4]崔 龍.基于ANSYS Workbench輪胎活絡(luò)模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化及傳熱-應(yīng)力模擬分析[D].青島:青島科技大學(xué),2015:27-42.

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