（化工过程机械专业论文）子午线轮胎变温硫化研究及工艺优化.pdf

摘要 摘要 硫化是轮胎制造过程的最后一道工序，是一个极其重要的阶段。目前我国载 重轮胎存在内部硫化程度严重不均匀的现象，它严重影响了轮胎的使用性能，同 时造成了能量、人工及设备的极大浪费。所以准确模拟轮胎硫化时的内部温度场， 探求轮胎各部位在硫化过程中的温度变化规律并以此改进、优化硫化工艺，将 有助于提高轮胎硫化程度的均匀性和质量、缩短硫化时间。 本文用a n s y s 软件的热分析模块对工厂所提供的1 0 0 0 r 2 0 型号子午线轮胎 建立了三维有限元分析模型。在这个模型中考虑了轮胎是一个多层结构的橡胶制 品，对胶料、钢丝圈及带束层采用了不同的物性参数及网格划分，与张术宽所做 模型相比，该模型与实际更为接近，精度更高。用该模型进行模拟计算，所得到 的计算数据与相同工艺条件和初始条件下的工厂实验数据非常吻合。本文还用该 模型模拟了不同变温硫化工艺条件下轮胎各关键点的温度一时间历程，并由此制定 出在工厂所做的子午线轮胎变外温硫化实验方案。实验结果证明，该有限元模型能 较好地预测轮胎硫化过程中的温度场和程度场，对工厂硫化工艺的制定有一定的 指导意义。 本文将变温硫化运用到子午线轮胎的硫化工艺上。与广州某橡胶轮胎厂合作， 利用有限元分析和实验研究了变外温硫化工艺的优化效果，对该厂的变外温、恒 温硫化实验的各部位测温数据进行了计算分析，并对该厂几次实验中不同硫化工 艺的硫化效果进行了比较，从硫化时间和硫化程度均匀性两方面来说明了变外温 硫化以及后硫化效应对子午线轮胎硫化工艺的影响。分析了实验中出现的一些问 题及其对测温结果造成的影响，对生产实际有一定的参考价值。 本文还用有限元模型研究了预热、变内温等硫化工艺对子午线轮胎硫化效果 的影响。( 1 ) 得出预热温度越高，轮胎的机内硫化时间越短，硫化均匀程度越高： 但为了不使轮胎发生早期硫化的危险，其预热温度以不超过1 0 5 0 c 为宜。( 2 ) 恰 当的变内温硫化工艺能显著缩短硫化时间，同时对轮胎硫化程度的均匀性也略有 提高。( 3 ) 比较了变内温与变外温对轮胎硫化的不同影响效果，认为在目前的温 度控制条件下，变内温的优化效果要比变外温好。( 4 ) 在以上的研究基础上，进 一步研究了各种优化方案的综合应用。这些研究将对工厂子午线轮胎硫化新工艺 的制订、改进有一定的参考价值。 关键字子午线轮胎：轮胎硫化；有限元；变温硫化；优化 m 华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t v u l c a n i z a t i o n ( o rc u r e ) i st h el a s ta n dm o s ti m p o r t a n tp r o c e s so f t i r em a n u f a c t u r e c u r r e n t l y , t h ev u l c a n i z a t i o nd e g r e eo ft h el o a d i n gt i r e i no u rc o u n t r yi s e x t r e m e l y d i f f e r e n t ，w h i c hi n f l u e n c e s t os o m ed e g r e et h et i r e q u a l i t y , a n dc a u s e s w a s t ei n e n e r g y 、m a n p o w e ra n de q u i p m e n t s o t h es i m u l a t i o no fi n t e r n a lt e m p e r a t u r ef i e l di n r e a l p r o c e s s e s o f c u r i n g ，s e a r c h i n g t h e t e m p e r a t u r ec h a n g i n g r u l eo fd i f f e r e n t p o s i t i o n s o ft i r ei nt i r e c u r i n g a n di m p r o v i n gc u r i n gc r a f t sw i l l h e l p t o i m p r o v e e q u a l i t yo f t i r eo f c u r i n gd e g r e ea n dq u a l i t ya n d s h o r t e nc u r i n gt i m e t h i s s t u d y u s e st h et h e r m a l a n a l y s i s m o d u l ei nt h ea n s y ss o f t w a r et o e s t a b l i s h e da3 - df e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) m o d e lf o r1 0 0 0 r 2 0m e r i d i a nt i r e p r o v i d e db y a f a c t o r y i n t h i s m o d e l ，h a v i n g c o n s i d e r e dt h ef a c tt h a tt i r ei sa m u l t i l a y e r c o n s t r u c t i o nc o n s i s t e do fd i f f e r e n tm a t e r i a l ，w eu s ed i f f e r e n tt h e r m a l p h y s i c a lp a r a m e t e ra n dd i f f e r e n tm e s h e df i e l di nd i f f e r e n tl a y e ro ft i r e ( r u b b e r ，s t e e l w i r ec i r c l ea n ds t r a pb u n d l eo fs t e e l ) c o m p a r e dt o z h a n gs h u k u a n g m o d e l ，t h e e l e m e n t sc o n s i d e r e di nt h i sm o d e la r em o r ep r a c t i c a la n da c c u r a t e t h ed a t ag a i n e d u s i n gi nt h i sm o d e lc o n f o r m st oag r e a t e rd e g r e et ot h o s eg a i n e di nt h ef a c t o r yu n d e r t h es a m ei n i t i a lc o n d i t i o na n dt h es a m ec r a f t sc o n d i t i o n t h i sm o d e ls i m u l a t e s t e m p e r a t u r e t i m eh i s t o r y o fk e y p o i n t s o ft i r eu n d e rt h en o n i s o t h e r m a l c u r i n g c o n d i t i o n i tt h u sd e s i g n st h en o n - i s o t h e r m a lc u r i n g ( e x t e r n a lt e m p e r a t u r ec h a n g i n g ) e x p e r i m e n ts c h e m eo ft h em e r i d i a nt i r em a d ei nf a c t o r y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h i s m o d e li ss u i t a b l ef o rt h ef o r e c a s to ft h et i r e c u r i n gs c h e m e ，w h i c h i so fg r e a t i m p o r t a n c et ot h ee s t a b l i s h e do fc u r i n gc r a f t s t h i ss t u d ya p p l i e sn o n i s o t h e r m a lc u r i n gt ot h ec u r i n gc r a f t so fm e r i d i a nt i r e c o o p e r a t i n gw i t har u b b e r t i r ef a c t o r yi ng u a n g z h o u t h et e m p e r a t u r e m e a s u r i n g d a t ao fd i f f e r e n t p a r t s o ft h et i r ea r e c o m p u t e da n da n a l y z e di n i s o t h e r m a la n d n o n i s o t h e r m a lc u r i n ge x p e r i m e n t t h er e f i n i n ge f f e c to fn o n i s o t h e r m a l c u r i n g i s s t u d i e db ya p p l y i n gf e aa n de x p e r i m e n t t h e s t u d ya n a l y z et h ec h a n g e so ft h e c u r i n gc r a f t s i nf i v e e x p e r i m e n t si nt h ef a c t o r y t h es t u d yi l l u s t r a t e st h ee f f e c t so f n o n i s o t h e r m a lc u r i n g ( e x t e r n a lt e m p e r a t u r ec h a n g i n g ) a n d p o s t c u r i n go nt h ec u r i n g c r a f t so ft h em e r i d i a nt i r ei nt h ea s p e c t so f c u r i n gt i m ea n dc u r i n ge q u a l i t y i ta n a l y z e s s o m ec a u s e so ft h e p r o b l e m s i nt h e e x p e r i m e n t s a n ds o m e n e g a t i v e e f f e c t t h e y p r o d u c e ，w h i c hp r o v i d es o m eg u i d a n c et ot i r em a n u f a c t u r i n g t h i s s t u d ya n a l y z e s t h ee f f e c t so f p r e h e a t i n g a n d n o n i s o t h e r m a l ( i n t e r n a l a b s t r a c t t e m p e r a t u r ec h a n g i n g ) c u r i n gc r a f t s e t c a n dt h e i rc o m b i n e de f f e c t so nt h ec u r i n go f m e r i d i a nt i r e t h er e s u l t ss h o wt h a t ( 1 ) t h eh i g h e rt h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e ，t h e s h o r t e rc u r i n gt i m eo ft i r ei n c u r i n gm a c h i n ea n dt h eg r e a t e rd e g r e eo fe q u a l i t yo f t i r e c u r i n g i ft h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ei sb l o w1 0 5o c ，i ti ss c a r c e l yp o s s i b l ef o rt h e c u r i n g t o h a p p e n i nt h e p r e h e a t i n gs t a g e ( 2 ) n o n i s o t h e r m a lc u r i n gb yi n t e r n a l t e m p e r a t u r ec h a n g i n gc a ne v i d e n t l ys h o r t e nc u r i n gt i m eo f t i r ei nc u r i n gm a c h i n ea n d i m p r o v e t os o m ee x t e n tt h ed e g r e eo f e q u a l i t yo ft i r e c u r i n g ( 3 ) t h er e f i n i n ge f f e c to f n o n i s o t h e r m a l c u r i n gb y i n t e r n a l t e m p e r a t u r ec h a n g i n g i s s t r o n g e r t h a nt h a to f n o n i s o t h e r m a lc u r i n gb ye x t e r n a lt e m p e r a t u r e c h a n g i n gu n d e r t h ec u r r e n t t e m p e r a t u r e c o n t r o lc o n d i t i o n b yc o m p a r i n g t h ed i f f e r e n ti n f l u e n c eo fi n t e r n a l a n de x t e r n a l t e m p e r a t u r ec h a n g i n g o n t i r e - c u r i n g ( 4 ) a f u r t h e rc o m b i n a t i o no ft h ea b o v e m e n t i o n e dr e f i n i n gs c h e m e sc a np r o v i d es o m eu s e f u lg u i d a n c et ot h ee s t a b l i s h m e n t a n di m p r o v e m e n to fn e w c u r i n gc r a f t so fm e r i d i a nt i r ei nf a c t o r y k e yw o r d sm e r i d i a nt i r e ：t i r ev u l c a n i z a t i o nf i n i t ee l e m e n t n o n - i s o t h e r m a lc u r i n g o p t i m i z e v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：落妯 日期：溯弓年舌月9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密卿。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 铖 i7 坳 日期：知d 弓年6 ) 月9 日 日期：m ；年6 月夕日 华南理工大学工学硕士学位论文 物理名称及符号表 c p 一物体的比热容，j k g 。k 。 e _ 硫化反应活化能，k j m o l e 一制品中某部位胶料的实际硫化效应 r 某点的热流密度，w m 2 尺一气体常数，r = 8 3 1 4 3 x 1 0 4 k j ( m o l k ) s 一等效硫化时间 f 一硫化经历的时间 f 。一硫化结束时的时间 乃一流体介质的温度，o c 乃一基准硫化温度，一般为半成品进行硫化时的试验温度，k 卜试验温度，k r 在试验温度r 时，对应于温度时的硫化强度或硫化速率。 v 广不同时刻的相对硫化强度，i = d ，j ，2 ，m v 广该胶料在试验温度为t o c 时的硫化强度。 ud o v 一轮胎各部位的平均硫化程度 od o v 一轮胎总体的硫化均匀程度 a 一是材料的导热系数，w ( m k ) 。 p 一物体的密度，k g m 3 g t 一称为导温系数或热扩散系数，是物质的物性参数，m 2 s 妒( 工，y ，z ) 一已知函数，表示物体初温是不均匀的，o c 。 f 一读数的时间隔 a 1 一温度梯度，即该点温度变化率最大值，方向为该点等温面的法向，k m v i 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 轮胎在汽车各部件中占有十分重要的地位，这是因为( 1 ) 轮胎在汽车中使用 量大：( 2 ) 轮胎约占每辆汽车能源消耗的2 0 ；( 3 ) 制造轮胎需要橡胶、石油等 重要资源；( 4 ) 轮胎对汽车各项行驶性能的影响极大。而轮胎又是比较容易发生 故障的部件。据报道，高速公路上6 0 的交通事故是由轮胎引起，有的高速公 路投入使用初期，9 0 的事故是由于轮胎发生的 2 1 ：1 9 9 7 年广深高速公路上4 0 的交通事故的原因在于轮胎问题【3 】。汽车制造和汽车运输的迅速增长，促进了轮 胎工业的高速发展。目前各国轮胎和研究中心都在大力从事改进轮胎质量的研究 工作。这是因为汽车工业为了增加汽车的载重量和提高行驶速度，对轮胎提出了 更高的要求h l 。 硫化是轮胎加工的主要工艺过程之一，在轮胎的生产中，硫化是最后的一个 加工工序，是一个极其重要的阶段。这一过程赋予了橡胶各种宝贵的物理性能， 使其成为一种具有一定强度同时具有非常好的弹性及耐磨性的材料，从而满足各 种工程上的应用 5 1 。 恰如其分的硫化程度是橡胶制品获得最佳使用性能的基本保障。要做到这一 点，就必须洞察橡胶制品真实的硫化历程，科学地制定相应的硫化条件并通过有 效的技术措施加以实施。由于橡胶是热的不良导体，轮胎又是一类几何结构和材 料组成的十分复杂的厚制品，硫化期间各个部位的温度( t ) 不仅是空间( x y , z ) 的函数，也是时间( t ) 的函数，即t = f ( x ，y , z ，t ) 。显然在这样一种非稳态过程中， 轮胎这种橡胶厚制品各部位受热历程必会出现较大差别，这种差别常常导致轮胎 整体的硫化不均而对最终产品的质量造成重大损害。目前橡胶工程领域主要依据 硫化仪测定的硫化历程并结合实际经验来制定产品的硫化条件，有时辅以硫化过 程中的多点测温加以校正。这种方法着眼于局部橡胶材料的硫化特性而难以准确 反映制品整体的平衡硫化规律，对于像轮胎这样的复杂厚制品则显然偏差太大。 为实现轮胎的平衡硫化，人们曾在橡胶配方设计和硫化工艺各个方面做出了不懈 的努力，但至今尚未有重大突破。近年来，计算机技术的发展为深入探测和分析 橡胶制品的硫化规律奠定了良好的基础【6 1 。 子午线轮胎是一种新型结构的轮胎，其胎体帘线排列约为0 0 ，缓冲层为钢丝 线，排列与胎体帘线接近正交，犹如地球的“予午”线分布，故名为“子午胎”。 子午胎与普通斜交胎比较，具有节能，耐磨，耐穿刺，缓冲性能、通过性能好和 节胶，行驶综合里程高，乘坐舒适等一系列突出的优点7 1 。子午胎的市场前景极 兰童堡三奎兰三兰堡圭兰篁丝兰 为广阔，从世界范围来看，乘用子午线轮胎占乘用轮胎总量的8 0 以上，载重予 午线轮胎为载重轮胎的6 0 左右【引。世界发达国家如法国、英国、西德、美国、 和同本等国早已大力发展。我国六十年代初开始研制子午胎，进展极其缓慢，目 前我国子午胎硫化设备及硫化工艺大多是引进国外的，国内对其进行的优化研究 寥寥无几。 综上所述，通过准确模拟轮胎制品硫化过程中内部的温度场，掌握其规律， 对子午线轮胎进行硫化工艺的改进及优化，是橡胶硫化应用技术中一个至关重要 的问题。对其深入研究有益于提高轮胎硫化程度的均匀性和缩短硫化时间，对提 高轮胎质量及生产率、降低能耗都将有重大的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 用有限元方法模拟硫化温度场 如何确定轮胎制品硫化过程中内部的温度分布，是橡胶硫化应用技术中一个 至关重要的问题，各种规格的轮胎制品因使用要求不同而使其内部结构、配方类 型和硫化工艺条件产生变化。因此在硫化时制品内部必然产生相应的硫化温度 场及程度场，该场的均匀程度直接影响轮胎制品的使用性能【9 】。由于轮胎外形复 杂，内部结构是由不同材料组成，在硫化过程中边界条件也是难以精确确定，因 此很难用微分方程求出轮胎硫化温度场的精确解析解。而有限元法等数值方法则 可以有效地解决以上问题。随着计算机科学和数值计算技术的飞速发展，有限元 分析技术在复杂工程中的应用越来越显示出巨大的作用。轮胎的分析方法也从简 易的模型分析向数值模拟发展。 文献 1 0 ，1 1 】与文献 1 2 1 4 】已经分别成功地将有限元分析技术应用于轮胎结构 分析以及轮胎结构的参数优化；文献【9 】分别用有限差分法和有限元法计算了轮胎 的硫化温度场以及硫化程度；文献【1 5 】中将有限元分析技术应用于轮胎硫化过程 的数值仿真；文献【1 6 】中用作者开发的称为k t i c s 的有限元软件模拟硫化过程中 轮胎、钢模和胶囊组合体的温度场变化。将硫化步骤转化为随时间变化的边界条 件，轮胎模型由多于1 5 种胶料组成，考虑到胶料特性与温度和硫化程度的关系。 计算结果与热电偶测量数据进行比较显示两者吻合很好。作者将该软件作为优化 硫化工艺的工具，旨在找到一种能强化传热又不影响轮胎质量的工艺方法【3 1 。 随着有限元技术的不断成熟，许多优秀的有限元分析软件的也相继涌现。而 a n s y s 是目前世界内增长最快的c a e 软件，具有强大而广泛的分析功能和一体 化的处理技术，能够对特定产品进行性能分析、预测和优化。文献【3 ，1 7 】中的有限 元分析部分便是用该软件完成的。此外北京空间飞行器总体设计部和北京理工大 学车辆工程学院在研究实心橡胶轮胎瞬态温度场时也运用a n s y s 软件进行数值 第一章绪论 计算求解温度场：河北理工学院冶金系闰小林【埔1 等应用a n s y s 分析连铸热过程， 取得很好的数值模拟效果i j j 。 1 2 2 轮胎硫化工艺的优化 轮胎外胎属于橡胶厚制品，由于橡胶是热的不良导体，温升传热慢，通常内 部达到正硫化时，外部往往早已过硫。而这种硫化的不均匀又直接影响着轮胎的 质量。因此在传统的硫化工艺下，要想获得较高的质量，就只能采用低温长时间 硫化，但这样却降低了工厂的生产率。相反，如果要提高生产率，则只能采用高 温硫化，丽这样必然会增加轮胎硫化的不均匀程度。因此，轮胎硫化工艺的优化 就是确定轮胎制品的最优硫化周期并且进而减少硫化过程中所需要的能量，提高 生产率。“最优化”这个词意味着在缩短硫化周期的同时，不会因此降低轮胎的 硫化质量，即使轮胎过硫或者造成因热传导程度不够而引起的部分位置欠硫。 近年来国内外的专家学者在这方面做了大量的工作，并取得了如下进展： 1 )采用预热技术【3 4 】：通过高频交流、微波等预热技术使未硫化制品在放入 模型之前，短时间内获得一个较高的均匀温度场能够提高制品的硫化均匀程度， 同时又大大缩短硫化时间，降低制造成本。 2 )优化配方体系【1 乳2 2 】：通过合理地制订配方，使得轮胎各层材料的热物理 特性有所差异，可使橡胶厚制品各部位胶料的硫化速度相匹配，达到或接近同步 硫化，从而在一定程度上弥补这种由温差引起的硫化程度差异，改善硫化结构的 均匀性5 1 ； 3 )充分利用后硫化效应1 5 2 3 。2 5 】：在轮胎硫化时间的选取上，目前我国大多 数轮胎厂没有考虑后硫化效应。橡胶是热的不良导体。轮胎内部胶料在启模后降 温缓慢，存在相当大的后硫化效应。就轮胎受热最低部位一内层和胎圈来说，后 硫化效应在约占硫化总效应的3 0 左右 矧。随胶料配方、轮胎规格及硫化工艺的 不同，后硫化效应所占比例也不同。轮胎总硫化程度应为机内硫化程度与后硫化 程度之和。因此，将后硫化效应计入总的等效硫化时间对于降低轮胎的过硫程度 和提高硫化均匀性非常重要； 4 ) 进行硫化测温2 7 3 3 1 ：就是测量轮胎各部位的实际温度，按等效硫化理论 计算硫化程度，选择各部位均已达到正硫化的时间为生产规程中某一温度条件下 轮胎硫化所需的最短时间，效果较2 ) 、3 ) 好，在许多大型轮胎生产厂家得到了推 广应用，目前国内外大型厂家已把硫化测温作为日常硫化质量监测与管理的手段。 通过硫化测温可获得轮胎是否达到正硫化和硫化是否同步等方面的信息，从而验 证现有硫化配方和工艺的合理性。但硫化测温只能在试验条件下进行，实际生产 中并不能掌握轮胎内部的真实温度【引。 5 ) 采用变温硫化工艺：目前我国轮胎硫化普遍采用“等温硫化”技术，由 华南理工大学工学硕士学位论文 于轮胎是一个( 变厚度的) 厚橡胶制品，橡胶材料是热的不良导体，橡胶制品内 部的硫化实际上是不等温硫化，在任何特定的时刻，都存在橡胶制品内部的温度 分布曲线，导致各处的硫化程度不同。文献【2 】提出了变温硫化的思想，即在硫化 前期提高硫化温度而强化传热，在硫化后期降低硫化温度从而达到缩短硫化时间， 提高硫化均匀性的目的。 1 3 本论文研究的背景和意义 随着汽车工业、高速公路的不断发展以及工业、生活等方面对汽车需求量的 不断增加，汽车工业日益成为国家的支柱产业之一。而轮胎质量的不稳定却一直 是各轮胎企业最头疼的问题。 硫化是轮胎加工的最后一道工艺，也是一个极其重要的阶段。硫化效果的好 坏直接影响到轮胎的使用性能。由于轮胎是橡胶厚制品，橡胶材料又是热的不良 导体，使得目前我国轮胎( 特别是载重轮胎) 存在内部硫化程度严重不均的现象， 它严重影响了轮胎的使用性能，同时造成了能量、人工及设备的极大浪费【2 7 1 。 这是因为目前我国轮胎的硫化普遍采用“等温”硫化技术，由于轮胎是一个 ( 变厚度的) 厚橡胶制品，在橡胶制品的内部的硫化实际上是复杂的不等温硫化过 程【”1 。因此如果能够精确了解轮胎在硫化过程中各部位温度的变化规律，将有助 于我们改进、优化硫化工艺，缩短硫化时间、提高轮胎质量。 本文是国家自然科学基金项目橡胶厚制品交联反应中热效应和反应动力学 的研究的部分研究。针对以上的问题，本文将利用a n s y s 软件建立精度较高 的子午线轮胎三维有限元分析模型，并利用该模型仿真轮胎的硫化温度场，研究 预热、变外温、变内温等硫化工艺对子午线轮胎的优化效果。 本课题组在之前已进行过十多条轮胎的变温加热硫化实验，但都是在斜胶胎 上进行。而这些实验方案在子午胎上效果又如何呢? 为此本课题组又与广州某橡 胶轮胎厂合作，进行了子午线轮胎的变外温硫化实验，并且用本文建立的有限元 模型的预测数据来指导实验方案的确定，取得了良好的效果。 当前测试设备，计算工具和计算方法等方面的巨大成就都为本研究提供了坚 实的理论基础和物质基础。 7 0 年代初，轮胎硫化测温采用人工平衡的电位差计测量热电势；换算温度和 计算等效硫化效应没有计算器和求积仪，完全靠人工。随着计算机技术的发展， 测温设备也愈发先进和智能化。即从采用手动电位差计( 手工计算) 发展到采用 多点自动平衡记录的电位差计和活化能- 等效硫化时间图方法，单板机测温仪，以 及最近开发出的新一代微机测温仪。如华南理工大学研制的2 0 点测温仪，可以同 时测出2 0 个测温点在不同时间下( 每隔3 0 s 显示一次) 的温度值34 1 。该测温仪 采用进口的先进数据采集器、手提电脑、交流和直流两用电源，基于w i n d o w s 使 4 第一章绪论 用可靠方便 3 3 1 。 6 0 年代以后，随着计算机的飞速发展，有限元法( 有限单元法) 逐步在工程 分析及设计中得以广泛应用，虽然这种方法较多的成功应用是在结构分析问题上， 但作为一种行之有效的数值计算方法，也逐渐被引入应用到温度场的等其它领域 3 1 。本论文所采用的有限元软件是a n s y s ，该软件是集结构、热、流体、电磁、 声学于一体的通用有限元分析软件。文献【1 8 ，3 5 记录了它在温度场分析方面的 成功应用。 据调查，某一中型企业用户因轮胎质量问题而索赔的金额达3 千万人民币1 3 6 ； 又如某轮胎厂与华南理工大学合作，开展了缩短定型硫化机外胎硫化时间的试验 研究工作，使各种规格轮胎正硫化时间缩短了1 0 1 5 分钟，由此产生的总经济效 益每年达几千万元f 3 7 】。由此可见本研究有着重大的现实意义。 1 4 本论文的研究内容和目标 本论文研究项目由国家自然科学基金资助。本文将在前人已有的研究成果基 础上，重点研究如何对子午线轮胎的硫化工艺进行优化。所作的工作主要有： 1 ) 运用a n s y s 软件建立子午线轮胎的三维硫化传热模型，该模型在前人的基 础上考虑了更多的实际因素( 例如：考虑到轮胎各层材料的不同热物理特性；对 轮胎硫化时的三维温度场进行真实模拟，而不是简化成二维情况等等) ，从而使得 模型的精度有所提高。可用该模型进行大规模数值模拟，通过求得的温度场来科 学地描述轮胎硫化过程的整体变化规律，为进一步探讨优化轮胎硫化工艺、提高 产品质量、降低能耗、提高生产效率，最终实现轮胎硫化过程智能化奠定基础。 2 ) 与h 厂合作，对该厂提供的1 0 0 0 r 2 01 6 p rs - 3 0 1 0 全钢子午线轮胎的硫化 工艺做了试探性的变( 外) 温试验。通过分析实验数据，研究了变外温以及后硫 化对载重子午轮胎硫化效果的影响。 3 ) 利用已经建立的有限元模型研究了变内温、预热等新技术对轮胎硫化温度、 程度场的影响。并且在此基础上进一步讨论了变内温，变外温，预热等硫化新工 艺以及当它们综合应用时对轮胎硫化的影响，提出了轮胎硫化工艺的综合优化方 案。 华南理丁大学工学硕士学位论文 第二章轮胎硫化过程的有限元仿真 轮胎是由橡胶材料和橡胶基复合材料构成的非均质结构体，各种材料的传热 特性一般都不相同，尤其是橡胶基复合材料传热性能的各向异性、轮胎硫化时橡 胶材料伴有的反应生热以及轮胎结构复杂的形状导致难以准确地确定轮胎各部位 的硫化程度。目前国内一般通过在轮胎不同部位埋置热电耦来进行轮胎硫化过程 中若干时间点的温度测量，得到一个大致的温度一时间曲线来估算各部位的硫化 程度 2 7 , 3 8 】。这样做费时费力，成本高而且实验结果的稳定性会受到多种因素的影 响d 5 。 随着计算机科学和数值计算技术的飞速发展，有限元分析技术在复杂工程结 构中的应用越来越显示出巨大的作用。轮胎的分析方法也从简易的模型分析向数 值模拟发展。本章将主要研究将有限元技术应用于轮胎硫化过程的数值仿真。 橡胶制品的硫化主要存在两个基本的问题：硫化真实过程的仿真和新产品硫 化周期的预测。这两个问题都是为了最优化硫化周期并且进而减少硫化过程中所 需要的能量，这是长期以来橡胶工业的工程师们的目标。“最优化”这个词意味着 在缩短硫化周期的同时不会因此降低轮胎的硫化质量。从另一方面来说，正如 v e n d o r e n 所指出的，没有人能够精确地确定出一个最好的硫化周期的时间或者做 大量的真实实验来建立最优的硫化周期时间，这在经济上也是不现实的 3 9 1 。对于 技术产品，最优通常用一些因产品而不同的技术标准来定义，有时最优标准是强 调纯经济利益。对于这些产品来说，一个好的仿真模型就能够节省大量的成本。 很明显，要优化轮胎的硫化工艺，足够了解轮胎的温度分布历程是相当重要的。 a c c e t t a 和v e r g n a u d 4 “4 2 】通过使用清晰简单的有限差分的数值方法解决了橡胶薄 制品的一维方向上的问题。s c h l a n g e r 43 】描述了轮胎硫化的一维数值模型的发展与 应用。h u b b a r d 和s i m p s o n 4 4 】试图用有限单元法解决在二维方向上的相同问题， 但是他们没有考虑橡胶制品在它们的冷却阶段从模内取出并且与空气相接触时的 硫化。正如在本论文即将要说明的，所谓的“后硫化效应”应该被考虑到整个硫 化过程中。p r e n t i c e 和w i l l i a m s i 卑5 】用有限差分法计算了在硫化轮胎中的时变温度 分布。但是他们假设轮胎是由同一种材料制成的。 实际上，为了解决轮胎真实硫化过程仿真的问题，以下几个因素必须被考虑： ( 1 ) 轮胎这种橡胶厚制品是一种由多种不同材料组成的多层结构。( 2 ) 轮胎的热 物理特性随着温度和位置的不同而变化。( 3 ) 由于硫化反应时所产生的内部反应 热以及当时的硫化状态都应该被考虑。( 4 ) 轮胎的几何形状是不规则的。( 5 ) 边 界条件通常随着时间变化，并且有两个完全不同的阶段：加热和冷却。在本文目 前所建的有限元模型中，除了因素( 3 ) 暂时被忽略外，其余的因素均被考虑了进 6 第二章轮胎硫化过程的有限元仿真 去。 2 1 轮胎的硫化反应 2 1 1 硫化阶段 从硫化时间影响胶料定伸强度的过程来看，硫化是由几个反应阶段组成的： 焦烧或硫化起步、欠硫、正硫和过硫。 欠硫：硫化起步与正硫化之间的阶段。如果制品有轻微的欠硫时，抗张强度、 弹性和抗张应力仍不理想。因此即使轮胎只有轻微的欠硫，也是没有什么工业价 值的。 正硫化：在这一阶段，硫化胶的综合性能均达到或接近于最佳值。制品达到 正硫化程度的时间就称为正硫化时间。 过硫：天然胶在过硫阶段往往有“返原”的特点，这种返原现象会使硫化制 品的机械性能受到损害。而合成橡胶在过硫阶段的物理性能变化不大。 轮胎属于合成橡胶厚制品，因此由以上各阶段的特点可以看出，欠硫对轮胎 质量的影响比过硫大的多。因此工厂在实际的生产工艺中为保证轮胎的质量，一 般采用“宁过勿欠”的原则。即在轮胎硫化结束时，各部位的硫化程度都达到或 者稍微超过正硫化。 2 1 2 硫化程度的计算 1 )硫化强度和硫化效应 硫化强度表示胶料在一定温度下，单位时间所达到的硫化程度，或胶料在一 定温度下的硫化速度。硫化强度取决于胶料的硫化温度系数和硫化温度，即： v = e 6 r ( 1 r o 一1 7 7 ) f 2 - 11 式中：乃一基准硫化温度，一般为半成品进行硫化时的试验温度，k ； 卜一试验温度，k ： r 一气体常数，r = 8 3 1 4 3 x 1 0 3 k j ( t o o l k ) ： e 一硫化反应活化能，i o m o l 。 v 一在试验温度丁时，对应于温度乃时的硫化强度或硫化速率。 硫化效应是硫化强度与硫化时问的乘积。其表达式为： e ，2 v t ( 2 - 2 ) 式中：日一制品中某部位胶料的实际硫化效应。 f 一硫化经历的时间。 2 )厚制品( 轮胎) 正硫化时间的确定 由于轮胎属于橡胶厚制品，而厚制品在硫化中各层温度不同，硫化时间和硫 华南理工大学工学硕士学位论文 化温度是相互制约的，故在不同的硫化时间内，各部位的硫化程度不一样，这就 有必要将各部位的硫化效应换算成等效硫化时间，然后从中选出处于各层胶料最 大与最小硫化效应范围内的硫化时间，作为工艺控制的正硫化时间【5 】。 在实际实验中，通常采用热电偶测温的方法。该方法是在轮胎硫化成型时， 在需测定的各部位分别埋上热电偶，然后汇集( 各导线间是绝缘的) 由胎圈导出。 在硫化时，每隔一定的时间间隔血读一次温度读数。并做出硫化时间一硫化强度 曲线，见图2 1 。其曲线所包围的面积是相应部位硫化过程的硫化效应。硫化效 应的面积可用数学方程式表示： e ，= v d t = , e e r ( v f o - l r ) d t ( 2 3 ) 式中：f 。一硫化结束时的时间。 其积分值也可用近似法计算求得： e v = 【v l + v 2 + + v 。一l + ( v o + v m ) 2 a t ( 2 - 4 ) 式中：”f 一不同时刻的相对硫化强度，i = o ，j ，2 ，m ： 纽一读数的时间隔。 图2 - 1 硫化程度的计算 f i g u r e2 - 1 c a l c u l a t i o no ft h ed e g r e eo fv u l c a n i z a t i o n 3 )等效硫化时间 为了便于与试片硫化条件相比较，检验轮胎各部位是否达到正硫化，需要换 算成等效硫化时间，它是胶料在实际生产的硫化效应与该胶料在试验条件下的硫 化强度之比。其表达式如下： s = e ”v t ( 2 5 ) 式中： s 一等效硫化时间： 第二章轮胎硫化过程的有限元仿真 e 。一制品中某部位胶料的实际硫化效应： v ，一该胶料在试验温度为t o c 时的硫化强度。 这里引入硫化程度d o v ( d e g r e eo f v u l c a n i z a t i o n ) 的概念，如果取基准温 度为，某种胶料在该温度下的工艺正硫化时间为t 9 。，而轮胎某部位的实际等效 硫化时间为s ，则它们的比值即为d o v ： d o v = s ( 2 6 ) d o v 用来衡量胶料经过一定的硫化历程后所获得的相对硫化程度，用以比较轮胎 不同部位的硫化程度。 2 1 3 硫化均匀程度的衡量 硫化均匀程度是衡量轮胎质量的重要标准，如果硫化程度不均匀造成轮胎表 面过硫程度增加，会使硫化质量下降。本文中为了衡量轮胎这种厚制品的硫化均 匀程度引入了数理统计中标准差。的概念，它在数理统计中表示一组数据偏离其 平均值的离散程度，其定义式如下。 x i 总体平均值 = 旦一 ( 2 7 ) 总体标准差 盯= ( 2 8 ) 式中：n 一该组数据中的数据个数： i 一该组数据中的第几个数据： x f 一该数据中第i 个数据的值。 若使f 表示轮胎的各测温点，令而的值等于测温点i 的硫化程度d o v ，则根据 式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 计算得出的0 就表示了轮胎各测温点硫化程度的离散程度。 该值越大就表示该次测温中轮胎各部位硫化程度的离散程度越大，也即硫化均匀 程度越小；反之则硫化均匀程度越大。为了方便起见本文中令x 。= d o v 。，并且用以 下的专用符号来表示轮胎各部位的硫化均匀程度。 平均硫化程度, u o o v 2y d d v 扣l 9 ( 2 9 ) 华南理工人学工学硕士学位论文 硫化不均匀度盯d d r 2 式( 2 - - 1 0 ) 中的od o v 值显示轮胎各部位硫化不均匀程度的大小。 2 2 轮胎硫化中的传热过程 ( 2 1 0 ) 2 2 1 热传递的基本理论 轮胎内热量的传递主要是热传导，硫化时轮胎内部形成温度场，产生温度梯 度，热量从高温向低温方向传递，单位时间内通过某截面的热量服从傅立叶定律： 口：一a 塑( 2 1 1 ) d x 式中：口一某点的热流密度，w m 2 ； 坚一温度梯度，即该点温度变化率最大值，方向为该点等温面的法向， k mo a 一是材料的导热系数，w ( m k ) 。 负号表示热流方向与温度降低的方向一致。导热系数反应了材料导热能力的 大小。在热量传递过程中即试样中任意一点的温度不随时间变化时，已知导热系 数和温度梯度就可以求出热流密度的大小。在研究热量传递非稳态过程时还要考 虑能量守恒定律，即服从连续性方程： 皇；脚娶 ( 2 1 2 ) 式中： p 一物体的密度，k g m 4 c p 一物体的比热容，j k g 。1 k 1 轮胎是一个轴对称的回转体，在轮胎的硫化过程中三维温度场的时变历程可 以用圆柱坐标系下的导热微分方程来表示： ；昙c r 争吉窘+ 窘，丢詈 协 i 瓦( r 石) + 7 矿+ 矿4 ：百 2 1 3 式中：= a p c ，称为导温系数或热扩散系数，是物质的物性参数，m 2 s 。 2 2 2 热传递过程中的边界条件 要对以上微分方程求解，尚须确定传热过程的边界条件和初始条件，即微分 方程的定解条件。通常工程中遇到的边界条件有三类，在本文硫化过程的热传递 1 0 第二章轮胎硫化过程的有限元仿真 分析中只考虑饱和蒸汽与钢模之间、过热水与胶囊之间的对流边界条件，即第三 类边界条件。 第三类边界条件是指与物体相接触的流体介质的温度弓和对流换热系数口为 已知，用公式表示为： 一2 詈1 r 2 a ( t t ，) 1r ( 2 - 1 4 ) 式中：n 和a 可以是常数，也可以是某种随时间和位置而变化的函数。 初始条件是过程开始时所研究区域中所有物体的温度值，可用公式表示为： 丁h 。t