智能工廠全自動胎坯立體庫中胎坯托盤對輪胎性能的影響分析及優(yōu)化

苗程成，李 超，聶本梁，張則高，周鵬程

（三角輪胎股份有限公司，山東 威海 264200）

全自動胎坯立體庫作為智能輪胎工廠中成型與硫化工序之間胎坯的中轉(zhuǎn)暫存系統(tǒng)，具有空間利用率和自動化程度高等優(yōu)點，可以極大地節(jié)省人員和空間成本，提高胎坯中轉(zhuǎn)效率，減少運輸和存儲過程中對胎坯的碰撞[1-4]。

胎坯托盤作為胎坯的承載裝置是全自動胎坯立體庫的重要組成部分，為方便堆垛機十字叉轉(zhuǎn)運胎坯，胎坯托盤等比例分為4塊。載重子午線輪胎胎坯體積和質(zhì)量大，在4等分胎坯托盤上存放易產(chǎn)生變形和較深壓痕，通過現(xiàn)場跟蹤試驗發(fā)現(xiàn)胎坯托盤的尺寸、表面材質(zhì)、胎坯存儲條件等對輪胎性能影響較大。

本工作從全自動胎坯立體庫中胎坯存儲環(huán)境溫度和時間、胎坯托盤表面材質(zhì)和尺寸4個方面研究其對載重子午線輪胎性能的影響，采用多種方案進行優(yōu)化，在保證運轉(zhuǎn)效率的同時，選取最優(yōu)方案改善輪胎的性能。

1 胎坯托盤對輪胎性能的影響

（1）胎坯作為橡膠制品，放在托盤上時會與托盤或多或少發(fā)生粘連。胎坯在托盤上放置一段時間后在胎肩和胎側(cè)位置有較深的壓痕。胎坯上若有明顯凹槽和溝壑，在硫化時膠料為填補空隙會大幅流動，硫化后的成品輪胎在該位置可能會發(fā)生缺膠[5]。

（2）胎坯托盤安裝不正或胎坯擺放不正時，壓痕加深易造成鋼絲變形，而胎坯在轉(zhuǎn)運時發(fā)生碰撞或存放時發(fā)生變形會破壞鋼絲的排列，在X光檢測時會出現(xiàn)鋼絲稀線、變形。因此在胎坯存放時應盡可能減小變形，在胎坯轉(zhuǎn)運過程中盡量避免碰撞。

（3）胎坯在存放時如果變形較大也會降低成品輪胎的動平衡性能，輪胎在車輛行駛過程中可能會發(fā)生方向盤抖動、車輛跳動等現(xiàn)象，且車速越快越明顯，直接影響駕駛舒適性和操控穩(wěn)定性[6]。輪胎動平衡性能要求輪胎各處質(zhì)量均勻分布，其中胎坯在存放過程中不發(fā)生變形是重要一環(huán)，良好的胎坯托盤可以使輪胎在成型后到硫化前的存放過程中不發(fā)生較大變形和材料位移[7]。

2 實驗

2.1 試驗方案

2.1.1 使用條件篩選

為考察胎坯托盤對輪胎性能的影響，選用不同輪輞直徑（444.5，495.3，571.5和622.3 mm）的胎坯，使用同種類型托盤，分別采用不同托盤表面材質(zhì)（纖維簾子布、塑料、木質(zhì)、鐵質(zhì)）、極限胎坯存放時間（24和48 h）、胎坯存放溫度（24和30 ℃），通過搬動判斷胎坯與托盤的粘連程度，觀察胎坯胎里變形情況和胎外壓痕深度，篩選最優(yōu)存放時間、溫度、表面材質(zhì)。

在極限胎坯存放時間、最優(yōu)存放溫度條件下使用不同尺寸胎坯托盤（見表1），判斷托盤尺寸對胎坯胎里變形情況和胎外壓痕深度的影響，篩選最優(yōu)胎坯托盤尺寸。

表1 不同胎坯托盤的尺寸

2.1.2 小批量驗證

在最優(yōu)胎坯托盤表面材質(zhì)、胎坯存放時間和溫度、托盤尺寸條件下，挑選在產(chǎn)規(guī)格不同輪輞直徑（444.5，508.0和571.5 mm）的輪胎胎坯進行小批量驗證，胎坯入庫和出庫采用堆垛機貨叉搬運，胎坯庫位置在成型與硫化車間之間，每種胎坯取2條存放24 h，檢測合格進行后續(xù)驗證，取10條存放4 h，取100條正常流轉(zhuǎn)，存放規(guī)定時間后觀察胎坯壓痕和變形情況，正常硫化后檢驗外觀、X光圖像、動平衡性能。

2.2 性能檢測

通過搬動胎坯難易程度判斷胎坯與托盤的粘連程度；胎坯存放規(guī)定時間后使用輪胎花紋數(shù)顯深度尺測量壓痕深度；輪胎硫化完成后由專業(yè)質(zhì)檢人員對輪胎的外觀進行檢測；使用X光機檢測觀察輪胎X光圖像；通過動平衡檢測機測試輪胎的動平衡性能。

3 結果與討論

3.1 胎坯存放時間和溫度

成型在恒溫車間，常年溫度為24 ℃左右。硫化車間常年溫度為30～40 ℃。通過試驗發(fā)現(xiàn)胎坯在托盤上存放時間越長，存放環(huán)境溫度越高，胎坯粘托盤現(xiàn)象越嚴重，胎坯表面壓痕越深。其中215/75R17.5和245/70R19.5胎坯在30 ℃下存放24 h，出現(xiàn)胎圈翹邊、圈空現(xiàn)象，用手輕按出現(xiàn)下陷，這兩種小胎坯胎圈處懸空（即胎圈處無托盤支撐）；在24 ℃下存放24 h時未出現(xiàn)上述現(xiàn)象，因此胎坯存放溫度不能過高，存放時間不宜過長，初步確定胎坯存放溫度為24 ℃，存放時間不長于24 h。

3.2 胎坯托盤表面材質(zhì)

胎坯分別在材質(zhì)為纖維簾子布、塑料、木質(zhì)、鐵質(zhì)的托盤上存放24 h后，搬動胎坯時都會粘托盤。在權衡性價比后托盤表面材質(zhì)選擇塑料，因為塑料易于注塑加工，且質(zhì)量小，可以加工成空心結構，易于安裝和拆卸。

3.3 胎坯托盤尺寸

為考察胎坯托盤尺寸對輪胎性能的影響，選用不同輪輞直徑的胎坯（每種規(guī)格選取2個）在不同尺寸的胎坯托盤上存放24 h，存放溫度為24 ℃，觀察胎坯底部是否沉降，是否粘托盤，觀察壓痕位置，測量壓痕深度，正常硫化后檢驗輪胎外觀、X光圖像、動平衡性能。

不同托盤尺寸胎坯的試驗結果如表2所示。

表2 不同托盤尺寸胎坯的試驗結果

從表2可以看出，所有胎坯存放24 h后底部都有沉降，出現(xiàn)不同程度粘托盤的現(xiàn)象，其中1#和2#托盤試驗有輪胎外觀缺膠和X光檢測鋼絲變形現(xiàn)象，3#，4#和5#托盤試驗中輪胎外觀、X光圖像、動平衡性能均合格。

不同托盤尺寸胎坯的壓痕深度見圖1。

圖1 不同托盤尺寸胎坯的壓痕深度

從圖1可以看出，4種規(guī)格胎坯在5#托盤上的壓痕較淺。

不同托盤尺寸輪胎的較優(yōu)動平衡數(shù)據(jù)占比見圖2。

從圖2可以看出，5#托盤試驗輪胎的較優(yōu)動平衡數(shù)據(jù)占比為55%，大于其他托盤試驗輪胎。

綜合而言，5#托盤胎坯的整體壓痕深度較小，且輪胎外觀、X光圖像合格，動平衡性能較好。

分析原因如下。

第一，通過對比5種尺寸托盤的俯視圖和側(cè)視圖（見圖3和4）發(fā)現(xiàn)，胎坯托盤的內(nèi)、外直徑應與胎坯內(nèi)、外直徑匹配，這樣才能保證使用同一尺寸托盤時小的胎坯不掉落，大的胎坯能放上，且托盤承載胎坯的面積更大。依據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況統(tǒng)計胎坯的最小、最大內(nèi)直徑，最小、最大外直徑（見表3），依此推導合適的托盤內(nèi)、外直徑。5#托盤的內(nèi)直徑為510 mm，該值在無內(nèi)胎輪胎最小與最大胎坯內(nèi)直徑之間，外直徑為1100 mm，可保證小胎坯不掉落，大胎坯能放上。

圖3 5種規(guī)格胎坯托盤的俯視圖

表3 有/無內(nèi)胎載重子午線輪胎胎坯的內(nèi)、外直徑

第二，胎坯托盤傾角應與胎坯傾角相匹配，如果托盤傾角遠大于胎坯傾角則胎肩受力大，胎肩壓痕深；如果托盤傾角遠小于胎坯傾角則下胎側(cè)和胎圈處受力大，胎側(cè)和胎圈壓痕深?，F(xiàn)場生產(chǎn)胎坯傾角均值為28.2°。5#托盤傾角為27°，與胎坯傾角均值相近，可以使胎坯與托盤接觸部分受力均勻，從而減小壓痕深度。

第三，平面托盤（1#和2#托盤）與胎坯是線接觸，接觸面積小，單位面積受力大，壓痕深；弧面托盤（3#—5#托盤）貼合胎坯外輪廓，與胎坯是面接觸，接觸面積大，單位面積受力小，壓痕淺。5#托盤為弧面設計，胎坯與托盤接觸面積增大，單位面積受力減小，托盤邊緣倒大圓角，光滑平緩過渡，所以胎坯壓痕淺。

3.4 優(yōu)化后小批量驗證

通過不同尺寸胎坯托盤試驗，發(fā)現(xiàn)5#托盤使用效果最優(yōu)，因此在5#托盤的基礎上進行優(yōu)化?？紤]壓痕主要在胎側(cè)部位，所以把托盤傾角由27°調(diào)為30°，讓胎肩承擔一部分力，從而降低胎側(cè)受力，同時根據(jù)胎坯尺寸和立體庫設計優(yōu)化了托盤內(nèi)、外直徑，對托盤邊緣倒大圓角，優(yōu)化后的托盤（記為6#托盤）尺寸為傾角 30°，內(nèi)直徑 500 mm，外直徑1070 mm，表面外觀 弧面。使用6#托盤進行小批量驗證試驗，結果如表4所示。

表4 6#托盤小批量驗證試驗結果

從表4可以看出，胎坯粘托盤現(xiàn)象仍存在，大部分規(guī)格胎坯底部無沉降，只有大規(guī)格胎坯底部有輕微沉降，硫化后輪胎外觀、X光圖像、動平衡性能均合格。

小批量胎坯在6#托盤存放24 h后的壓痕深度如圖5所示。

圖5 小批量胎坯在6#托盤存放24 h后的壓痕深度

試驗結果表明，壓痕基本都在胎肩位置，胎側(cè)壓痕基本看不出來。這是因為不同胎坯傾斜角度不同，托盤設計時為分散胎坯受力選取托盤傾角30°以使胎側(cè)、胎肩都受力，11R22.5胎坯因胎側(cè)傾角小于托盤傾角，且質(zhì)量較大，所以胎肩受力大，壓痕深度最大（達到1.8 mm）。

針對11R22.5胎坯胎肩壓痕較深問題，可調(diào)整托盤傾角，托盤采用兩段傾角（如圖6所示），1段傾角為30°，2段傾角為28°～29°，降低11R22.5胎坯胎肩受力，經(jīng)試驗驗證合格后方可使用。

圖6 兩段傾角胎坯托盤示意

小批量胎坯在6#托盤存放24 h后的胎里和胎側(cè)變形情況如圖7所示。

圖7 小批量胎坯在6#托盤存放24 h后的胎里和胎側(cè)變形情況

從圖7可以看出，胎坯胎里輕微變形，胎側(cè)有壓痕，主要壓痕在胎肩和胎側(cè)位置，壓痕很淺。

使用立體庫胎坯托盤與正常托盤的輪胎動平衡性能對比如表5所示。

表5 使用立體庫胎坯托盤與正常胎坯托盤的輪胎的動平衡性能對比

從表5可以看出，使用立體庫胎坯托盤的輪胎的動平衡各項數(shù)據(jù)均合格，動平衡數(shù)據(jù)均值與使用正常托盤的輪胎大體持平。

試驗時需人工搬運胎坯到存胎位后使用堆垛機十字叉運到相應托盤，取胎時，堆垛機十字叉從立體庫取出胎坯放到取胎位，人工搬運至硫化車間，多次人工搬運對輪胎的動平衡性能也存在影響，若立體庫全部正常運轉(zhuǎn)后，減少人工搬運次數(shù)，預計輪胎動平衡性能會進一步提升。

4 結論

通過研究全自動胎坯立體庫中胎坯存放時間和溫度、胎坯托盤的表面材質(zhì)和尺寸對輪胎性能的影響，采用多種方案進行優(yōu)化后，得出以下結論：胎坯存放時間盡量縮短，應小于24 h；存放溫度宜在24 ℃左右；胎坯托盤傾角應與胎坯傾角相近，托盤內(nèi)、外直徑應與胎坯內(nèi)、外直徑相匹配，托盤邊緣采用倒圓角，托盤表面采用塑料材質(zhì)且加工成弧面；優(yōu)化后胎坯的壓痕深度較小，輪胎的外觀、X光檢測合格，動平衡性能變化不大。