輪胎直壓硫化工藝的有限元仿真

唐 霞，賀建蕓，張金云，薛梓晨，焦志偉*

（1.北京化工大學 機電工程學院，北京 100029；2.輪胎設計與制造工藝國家工程實驗室，北京 100029）

隨著汽車工業的發展，人們對輪胎安全性和舒適性的要求也越來越高。輪胎不僅應在結構設計方面有所突破，在硫化工藝方面也不宜沿用過去的觀念。

輪胎的結構和組分比較復雜，在硫化過程中各部位的硫化程度不同，因此研究輪胎各部位的硫化過程對優化硫化工藝有重要意義。要實現低碳節能的目標，就必須通過改進輪胎結構、材料和硫化工藝，用最低的熱量使輪胎獲得最佳的力學性能。在實際生產中，工廠一般通過測量輪胎硫化溫度計算硫化程度。相比計算機模擬，實際測量的方法耗時耗力，并且沒有考慮后硫化對硫化程度的影響。橡膠硫化是輪胎生產過程中耗能最多的環節，利用計算機模擬輪胎的實際硫化歷程并計算各部位的硫化程度，確定合理的硫化條件，可從整體上提高輪胎性能[1]。

本工作以255/30R22輪胎為例，用Abaqus軟件建立有限元模型，并進行蒸汽加熱工藝和直壓硫化工藝的模擬，將兩次模擬得出的溫度場與實際蒸汽硫化工藝采集的溫度數據進行對比。模擬時考慮硫化反應熱和后硫化效應，用子程序HETVAL加載硫化反應熱，得到兩次模擬的溫度場，由子程序UVARM編寫的阿累尼烏斯方程式得到硫化程度場[2]。

1 有限元仿真

1.1 改進型結構介紹

與蒸汽硫化工藝相比，直壓硫化工藝是針對熱板式硫化機提出的新工藝。與工藝相匹配的電磁加熱裝置和專用內模是硫化機的改進之處。傳統硫化機采用蒸汽室傳熱，蒸汽的大部分熱量在管路循環時耗散，造成了能源的浪費。要從根本上解決能源浪費問題就必須采用新的加熱方式。電磁加熱所用的內模由8組大小鼓瓦組成，內模可傘狀撐開，與帶有壓力的蒸汽一樣起脹開輪胎的作用，同時鼓瓦上的電磁加熱線圈使鼓瓦快速升溫。由于鼓瓦與輪胎直接接觸，因此直壓硫化工藝的傳熱效率比蒸汽高[3]。電磁加熱的特點是生熱快、局部溫度可控。與加熱裝置配套的輪胎硫化測溫設備一般由溫度檢測儀、熱電偶和存儲顯示裝置組成[4]。試驗中鼓瓦的溫度分布并不均勻，肩部的溫度平均值為180 ℃，中部的溫度平均值為178 ℃。本研究按照實測值加載鼓瓦熱邊界條件。直壓硫化工藝中的成型鼓模型如圖1所示。

圖1 直壓硫化工藝中的成型鼓模型

1.2 有限元模型建立

一般來說，復合材料力學性能是各向異性的，其熱學性能也是各向異性的[5]。本研究建立二維軸對稱模型，去除骨架材料只保留膠料，認為復合材料熱力學性能是各向同性的。研究255/30R22輪胎的溫度場和硫化程度場。模型盡可能接近實際情況。模型包括6 126個單元。輪胎硫化機的有限元模型如圖2所示。

圖2 輪胎硫化機的有限元模型

1.3 硫化模擬參數及工藝的確定

雖然每種膠料的比熱容和熱導率相差不大，為了確保精度，仍然考慮了每種膠料的熱物理參數隨溫度的變化情況[6]。根據試驗的現場環境和實際工況，設定輪胎的初始溫度為20 ℃，模具的溫度為150 ℃。硫化工藝分為兩個階段，總時間為1 540 s，每個階段的邊界條件如下。

第1階段輪胎在模具中。上下熱板通180 ℃的過熱蒸汽，熱邊界條件為空氣與熱板的對流傳熱，該過程持續780 s。實際測量時，鼓瓦肩部溫度比其他區域溫度高，根據電磁加熱鼓瓦的實測值，設定鼓瓦肩部的溫度為180 ℃，其他區域的溫度為178 ℃。

第2階段輪胎從模具中取出。該過程持續760 s。整個輪胎暴露在空氣中，主要的散熱方式為輻射，輻射因子為0.94。

1.4 硫化程度計算

計算硫化程度的子程序UVARM的理論基礎是阿累尼烏斯方程式[7]，用于描述硫化溫度和時間的關系。根據阿累尼烏斯方程式可以算出等效硫化時間te。

為了直觀地顯示硫化反應進行程度，定義硫化程度（D）：

若D＞1，為過硫化狀態；D＜1，為欠硫化狀態；D＝1，為正硫化狀態。

輪胎各部位的膠料活化能是不一樣的，圖3所示為輪胎測量點。1#測量點位于上模氣密層與胎體簾線間，2#測量點位于上模三角膠芯處，3#測量點位于胎側膠與胎體簾線間，4#測量點位于上模胎面膠與冠帶條中間，5#測量點位于胎面膠與冠帶條中間。1#～5#測量點的活化能實測值分別為88.1，94.6，92.6，76.0和85.1 kJ·（mol·K）-1。

圖3 溫度測量點示意

2 仿真結果與分析

2.1 溫度曲線

各測量點蒸汽加熱、電磁加熱和實測的溫度曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，采用蒸汽加熱時，5個測量點的溫度模擬值和實測值較為接近，說明加入反應熱的模擬方法是接近真實情況的。采用電磁加熱時，每個測量點溫度曲線的峰值與蒸汽加熱溫度曲線的峰值接近，電磁加熱工藝中開模部分的溫度曲線與蒸汽加熱相應時間段的曲線段基本重合。不同的是，輪胎在模具中硫化階段，電磁加熱的方式使輪胎溫度上升很快，尤其是與鼓瓦接觸的1#，2#和3#點，其在200 s內溫度接近最大值，之后曲線幾乎處于平坦狀。4#和5#測量點溫度達到穩定階段所需的時間比其他點稍長。與蒸汽加熱相比，電磁加熱的傳熱速度提高。由于電磁加熱的方式提高了傳熱效率，在模具加熱硫化階段電磁加熱的各個測量點的溫度都比蒸汽加熱的溫度高，這將直接導致膠料的硫化程度增高。

圖4 各測量點蒸汽加熱、電磁加熱和實測的溫度曲線

2.2 硫化程度場分析

圖5所示為各測量點蒸汽加熱和電磁加熱的硫化程度曲線。從圖5可以看出，除三角膠芯處外，電磁加熱的高效傳熱使其余各部位的硫化程度提高了約1/3。由于三角膠芯膠料薄，靠近熱源，傳熱容易，因此加熱方式改變對其影響不大。

圖5 各測量點蒸汽加熱、電磁加熱硫化程度曲線

3 結論

本研究以255/30R22輪胎為例，用Abaqus軟件建立有限元模型，進行蒸汽加熱工藝和直壓硫化工藝的模擬，將兩次模擬得出的溫度場與實際蒸汽硫化工藝采集的溫度數據進行對比，將由溫度的模擬值算出的硫化程度與相應膠料的最佳硫化程度進行對比。分析云圖和曲線圖得出以下結論：電磁加熱工藝為輪胎提供了穩定的熱源并且使模具的溫度具有可控性；傳熱方式由空氣對流傳熱變成直接接觸傳熱，因此在電磁加熱硫化階段輪胎的溫度比蒸汽加熱的溫度高；除三角膠芯處外，電磁加熱的高效傳熱使其余各部位的硫化程度提高了約1/3。