淺述無內胎巨型全鋼工程子午線輪胎成型機組的開發

張曉辰，牛犖

(天津賽象科技股份有限公司，天津 300384)

1 一次法成型機組開發簡介

2006年以前國內需求的無內胎巨型全鋼工程子午線輪胎（39"～63"）一直依賴進口。國外企業只提供輪胎成品，不向中國提供該系列輪胎的生產技術及裝備。

在這種形勢下，國內各輪胎企業急于為國家開發該系列輪胎產品，國內各輪胎機械企業也積極投入對應裝備的開發工作。而制造合乎國際質量標準無內胎巨型全鋼工程子午線輪胎有三個要素：合理的輪胎結構設計、合理的輪胎制造工藝設計、準確實現輪胎制造工藝的裝備。而其中最為關鍵的設備是巨型全鋼工程子午線輪胎成型機組。

2006年，賽象公司和長期合作的輪胎企業展開了全鋼工程子午線巨型輪胎制造項目的深入研討，確定：輪胎結構設計由輪胎企業獨立完成，輪胎制造工藝設計尤其成型工藝雙方研討確定，對應裝備尤其成型機組由賽象公司獨立完成研制。在討論輪胎成型工藝過程中，輪胎企業傾向于兩次成型法。但是其中有一個難以逾越的工藝難點——如何保證在制件在傳輸過程中的精度，最后輪胎企業為越過這一個工藝難點接受了賽象公司推出的一次成型法的工藝方案。

在設計生產過程中我們嚴格按照以下幾點進行：

（1）整個機組各部件邏輯關系必須精確實現雙方確定的工藝流程要求。

（2）整個機組各部套件的結構設計（含氣動、液壓、電力拖動和控制）采用較先進的分析、設計方法，但采用相對較保守的設計方案以盡可能減小風險系數。

（3）整機設計全面貫徹通用化、系列化、標準化和模塊化的設計思想。由于該設備屬重型設備，設計、試制、檢驗中嚴格執行國家重型機械行業標準。

該機組試制過程實行嚴格的全面質量控制，得以保證設計意圖準確實現。部件調試及整機綜合調試機械、液壓、氣控、電力拖動及控制系統均達到設計預期。整機運行完全符合與客戶約定的工藝要求。

2008年初，該機組一次性成功試制下線33.00R51胎坯。其后賽象公司陸續接到國內外輪胎企業的一次法巨胎成型機組的訂單，賽象公司在巨胎成型機組項目形成連續的制造能力。并且在兩年時間內向國內外輪胎企業提供了7臺一次法工藝巨胎成型機組。

2 二次法機組設計

但是在后來的輪胎使用過程中發現，由于工程輪胎的特質，尤其是巨型工程輪胎，要求的第一要素是強度和壽命，對于精度的要求是第二位的。這就使兩次成型法比一次成型法工藝有著一定的優越性。因為兩次成型法的胎體筒直徑要大于鋼絲圈的內徑；而一次成型法的胎體筒直徑要小于鋼絲圈的內徑。這就使得兩次成型法的輪胎比一次成型法的輪胎鋼絲簾線密度要高出4%～7%，從而提高輪胎的強度。而且國外三大輪胎企業也都采用兩次成型法成型工藝制造巨型全鋼工程子午線輪胎。此時又有國內的輪胎企業再次提出了開發兩次成型法成型工藝機組的要求。于是，我們又開始了兩次成型法成型工藝機組的研發工作。

截至2015年賽象公司已經陸續向國內外輪胎公司提供了5臺兩次成型法成型工藝機組。這里重點介紹兩次法57"～63"成型機組。

巨型工程輪胎兩次成型法成型工藝優勢是鋼絲簾線密度相對高，從而相對提高輪胎強度，但對于成型機組要保證橡膠制件在胎體鼓、成型鼓、定型鼓以及帶束鼓之間傳輸過程中的定位精度是一個重要的技術難點。

研發過程中首先確定該機組的物流、能量流、信息流總體要求。

2.1 物流

機外物流：主要是整體機組和車間運輸通道之間的關系。制作胎坯的所有原材料（中間在制品）從車間的運輸通道通向機組供料系統的輸送通道、成型的胎坯下機組通向車間的輸送通道。這是需要和客戶共同確定的問題。

機內物流：各供料架物料上鼓方式、幾何精度、速度控制模式。各個鼓之間在制件的傳輸精度保障。

2.2 能量

機外能量供給：維持機組正常工作需求外界供應的電能、壓縮空氣、真空源、冷卻軟化水供應點在機組中的位置坐標及功率。

機組內部的能量形式有電力拖動系統、液壓系統、氣動系統能量轉化等在各個部套的設計過程中進行量化分析確定。

2.3 信息流

由于該機組是一組半自動化設備，操作系統必須有一個良好的人機交互界面。系統中需要大量的邏輯控制，也需要許多伺服控制，需要設計成分層系統。

其次確定該機組的造型風格。一次法機組采用的是箱體式結構。由于兩次法機組過于龐大，箱體式結構的加工過于繁雜。最后確定兩次法機組采用框架式構造，為統一整機的造型風格，機組的基礎部件、機箱、輸運機構的結構件均采用國家標準的型鋼材焊接而成。在保證整機的強度、剛度的前提下極大地簡化了機組組件的加工工藝。

3 兩次成型法成型工藝機組方案技術說明

3.1 一段工藝目的

成型簾布胎體筒、完成正包工藝、裝鋼絲圈、完成反包工藝、纏繞胎側膠。完成一段胎體筒復合件在制件制作。

（1）簾布胎體筒貼合。其部件布局為胎體鼓后有簾布、內襯層及子口膠供料架；胎體鼓下有簾布筒滾壓裝置；后有操作平臺。

胎體鼓機箱可在一段底座運行軌道沿胎體鼓軸線方向運行，以把成型的簾布胎體筒送至胎體筒傳遞環。

（2）一段底座運行軌道另一端有對應63"成型鼓及機箱，并置有指形正包器、扣圈盤、膠囊反包鼓，在63"成型鼓右側置有胎側膠三維纏繞系統，左側置有三維后壓輥機構。

在一段底座運行軌道的中間置有正交平臺。正交平臺上置有簾布胎體筒傳遞環，與簾布胎體筒傳遞環并行有63"尾機箱及相應的指形正包器、扣圈盤、膠囊反包鼓。

（3）一段主體工藝流程

在胎體鼓上成型簾布胎體筒。

內襯層、貼合層、胎體簾布原材料從主供料架在供料控制系統與胎體鼓同步線速度在胎體鼓上貼合成簾布胎體筒、滾壓。

胎體鼓攜成型簾布胎體筒插入送至胎體筒傳遞環，定位釋放后退回原位。

徑縮式成型鼓收縮插入胎體筒傳遞環夾持的簾布胎體筒，成型鼓膨脹接取環簾布胎體筒后退回原位。

正交平臺移動，尾機箱及對應的指形正包器、扣圈盤、膠囊反包鼓移動，對正成型鼓，尾機箱與成型鼓機箱底部的封閉力環連接桿連接。進而完成正包、裝鋼絲圈、反包、滾壓、纏繞胎側膠。

尾機箱及對應的指形正包器、扣圈盤、膠囊反包鼓釋放連接封閉力環連接桿，退回。

正交平臺移動，保形傳遞環運行至其軸線與成型鼓軸線重合位置，成型鼓機箱移動，成型鼓攜一段胎體筒復合件插入保形傳遞環，傳遞環夾持胎體筒復合件，成型鼓收縮。保形傳遞環完成接取胎體筒復合件。

3.2 二段工藝目的

帶束層復合件成型，定型鼓接取一段成型復合件，充氣接取帶束層復合件，充氣定型、滾壓、纏繞胎冠膠，完成胎坯制作、卸胎。

（1）由帶束層供料架供料，在帶束鼓上貼合、滾壓后成型帶束層復合件，帶束鼓前移至帶束層復合件傳遞環，由傳遞環接取復合件后帶束鼓退回原位置。

（2）保形傳遞環攜運行至成型鼓位置（帶束層復合件傳遞環讓出）。

（3）定型鼓插入，接取一段成型復合件，保形傳遞環移位，帶束層復合件傳遞環回原位置，成型鼓插入，對一段成型復合件充氣，接取帶束層復合件，充氣定型。

（4）定型鼓回原位置，滾壓、纏繞胎冠膠。

（5）卸胎環運行至定型鼓中心線位，定型鼓攜胎坯插入、卸胎環接取成型好的胎坯。

（6）卸胎環運行卸胎位置，旋轉90°，胎坯釋放到胎坯置放器，然后由拖車拖離機組至吊裝位置。

3.3 各部件核心技術及技術分層

兩次法57"～63"成型機組占地面積達2 000 m2（32 m×65 m）。這次設計對整臺機組各個機構進行全面優化。按照技術協議重新定義整機、各個部套以及各機構的核心功能，剔除過剩功能，合并重復功能，并對各個部套核心功能以及技術等級進行分層。

該機組的核心技術功能是在成型鼓上對簾布胎體筒完成正包、扣圈、反包工藝流程，這是整個機組的第一層級技術，其成敗決定著整個機組的命運。

第二個層級技術是胎體筒的貼合成型，最后的胎坯定型。胎體貼合鼓、成型鼓、定型鼓及對應的動力、控制和支撐系統（主機箱結構）。

第三個層級技術是在制件的輸運系統。

第四個層級技術是主、副供料系統、卸胎系統。

該機組的創新技術是120 m/min線速度的纏繞系統。

3.3.1 第一技術層級

首先第一個層級技術即機組的核心技術是成型鼓上正包、扣圈、反包功能。該系統包含有成型鼓、反包側鼓、指型正包機構、主機箱、尾機箱、基座等部套件。

工程子午線輪胎兩次法成型工藝的最大特征是在直徑大于鋼絲圈直徑的胎體鼓上貼合成型簾布胎體筒，而后再在成型鼓上完成正包、扣圈、反包工藝流程。此工藝流程使得輪胎的鋼絲簾線密度遠大于一次成型法制造的輪胎。

正包工藝流程分析：63"兩次法成型工藝胎體筒外徑已達到Φ1 700 mm，而鋼絲圈內徑僅為Φ1 600 mm。胎體筒外徑遠遠大于鋼絲圈的內徑。這樣正包工藝就要求對簾布胎體筒進行徑向壓縮（也是對簾布胎體筒的周向壓縮）。簾布胎體筒外徑徑向壓縮至鋼絲圈內徑（Φ1 600 mm）減去指型片2倍厚度再減去鋼絲圈支撐結構兩倍厚度，還要減去運動部件運行所需要的間隙（共54 mm）。這時，簾布層的鋼絲簾線就要靠近，鋼絲簾線之間的膠料就要向鋼絲簾線的兩側流動。這是一個黏彈性體的流變過程。而這一流變過程就是建立分析正包工藝的力學、數學模型的基礎；橡膠材料的流變系數就是分析、計算、設計整個正包系統的基礎參數。由于正包過程指型片對簾布胎體筒進行徑向壓縮、鋼絲簾線間距被壓縮，為保證鋼絲簾線在周向仍然均勻分布，防止鋼絲簾線扭曲，在簾布胎體筒的內側必須有一個剛性支撐——反包側鼓的支撐環。

扣圈工藝流程：液壓扣圈機構將帶三角膠的鋼絲圈扣壓在完成正包工藝后的簾布胎體筒外側。扣圈軸向壓力 20 t。反包側鼓的支撐環徑向擴張。

反包工藝流程：這是一個正包工藝流程的逆向流程。動力學分析與正包工藝流程相似，故不重復敘述。

該機組的第二個層級技術是簾布胎體筒的貼合成型，最后的胎坯定型。胎體貼合鼓、成型鼓、定型鼓及對應的動力、控制和支撐系統。該系統包含有胎體貼合鼓、定型鼓、帶束鼓、主機箱、帶束鼓機箱及對應的底座。

3.3.2 第二技術層級

第二個層級技術的核心是主機箱的優化設計。兩次法的胎體貼合鼓、成型鼓、定型鼓動力機箱是相同的設計，差異僅僅是控制氣路多少不同，亦即是分氣環多少不同。按照價值分析的觀點對主機箱進行以下4部分優化設計后，僅僅機箱部分就使采購成本下降了180萬元。

（1）主軸系內外軸即時監測機構優化

由2個編碼器取代一個編碼器加差速器。內外軸即時監測機構優化保持原核心功能，即時監測內外軸運動狀態，不同工藝狀態下的內外軸的轉角、角速度、內外軸差動特性。

（2）主軸尾部分氣環的修改設計

主軸尾部分氣環核心功能是通過主軸向成型鼓輸送并控制壓縮空氣（含邏輯控制及其伺服控制）。

傳統設計分氣環支撐在主機箱的外軸上，密封環內徑 Φ550 mm，原機組膠條纏繞線速度60 mm/min，現在纏繞線速度提高到120 mm/min，密封環摩擦線速度提高一倍。一次法機組僅需密封環20組，兩次法成型機組需用68組密封環，Φ550 mm密封環采購價格偏高。無論對成型機廠家或輪胎廠都是很大負擔。

在保持分氣環所有功能前提下，修改分氣環結構設計。分氣環支撐在芯軸上，降低密封環內徑，由Φ550 mm至Φ320 mm。摩擦線速度下降40%，采購成本降至原來的1/4。

（3）主機箱主傳動系統修改設計

主機箱主傳動系統核心功能：向機箱主軸的外軸和芯軸傳輸確定的運動（轉角、角速度、角加速度）和扭矩，并按照輪胎成型工藝要求實現確定的同步旋轉角速度或差動旋轉角速度。

傳統設計：主伺服電機-無測隙減速機-差動傳動軸-鏈傳動，分別拖動外軸、芯軸。芯軸尾部配有保護離合器。該傳動系統配有2個軸向作用離合器、1個徑向作用離合器。其中軸向作用離合器采用國外產品采購價格高供貨周期長，徑向作用離合器采購價格僅為軸向作用離合器1/10。對于兩次法成型機組需3個機箱，若少用或不用軸向作用離合器就極大降低了成本。

為此修改傳動鏈設計，使用2個徑向作用離合器取代原2個軸向作用離合器和1個徑向作用離合器。從而使采購成本極大下降。

（4）主軸支撐（主軸承）修改設計

核心功能：主軸軸承組向主軸提供支反力（軸向、徑向），并同時保證主軸的旋轉精度。

原一次法機箱，主軸前端軸承組為2個推力軸承，其軸向額定動載荷1 400 N，2個徑向圓柱滾子軸承，徑向額定動載荷2 230 N，支撐成型鼓重量產生的徑向力，支撐液壓推盤油缸軸向推力100 t。而兩次法成型機組，液壓推盤油缸軸向推力50 t，故主軸前端軸承組修改為2個單列圓錐滾子軸承，額定動載荷2 315 N，軸向723 N。尾部支撐軸承不變。

3.3.3 第三技術層級

該機組的第三個層級技術是在制件的輸運系統。

輸運系統包含有整機底座、胎體筒傳遞環、保形傳遞環、帶束層復合件傳遞環和卸胎環。

輸運系統的核心功能是機組內部在制件按照工藝流程的輸運，關鍵是在胎體鼓上貼合好的簾布胎體筒到胎體筒傳遞環，從胎體筒傳遞環到成型鼓、完成正包扣圈反包的復合件從成型鼓到保形傳遞環，再從保形傳遞環到定型鼓的精確定位。以及帶束層復合件從帶束鼓到帶束層復合件傳遞環，再從帶束層復合件傳遞環到定型鼓，理論上講，要保證胎體鼓、胎體筒傳遞環、成型鼓、保形傳遞環、定型鼓，以及帶束鼓、帶束層復合件、帶束層復合件傳遞環、定型鼓，所有這些工裝部件、橡膠在制件三維方向中心線的重合精度。但是這些中心線簇是一個虛擬的設計基準，實體結構中是不存在、不可直接測量的。這是一個典型的設計基準與測量基準不重合的系統。所以在保證各個結構件的軸向剛度前提下，在實體結構上獨立設計測量、定位基準結構，使的在制件在傳遞構成中重復定位精度不大于0.1 mm。

另外，技術協議中帶束層復合件傳遞環和卸胎環是2個部件。帶束層復合件傳遞環的功能是接取在帶束鼓上成型的帶束層復合件，然后放置到在定型鼓充氣定型的胎坯上。卸胎環的功能是接取在定型鼓上已經完成胎面膠纏繞的胎坯，然后旋轉 90°放置到置胎器上。2個部件的工作徑向尺寸接近，僅僅瓦塊形狀不同。我們重新對2個部套件進行數學力學分析，取消帶束層復合件傳遞環，修改卸胎環設計，由一個卸胎環完成2個部件的功能。另外也減少了一個輸運平臺。這使得機組的成本極大下降。

3.3.4 第四技術層級

第四個層級技術是主、副供料系統、卸胎系統。

主、副供料系統的核心功能是把成型胎坯的材料按照規定的幾何位置和速度準確的輸送到貼合鼓上。因這是成熟結構故不累述。

3.3.5 創新技術

全新纏繞系統，是這臺機組的創新技術。

賽象公司2007年原設計的胎面纏繞系統按照當時的客戶要求線速度為60 m/min。但隨著市場對巨型工程子午線輪胎需求的增加，對成型機組的效率提出了新的要求——提高纏繞線速度。但原纏繞系統的主機機架是采用的框架結構，雖然自重小、響應速度高，但自身固有頻率低。現場測試時，當線速度提高到85 m/min時機架就產生激振。所以，該結構系統不能適應現在兩次法57"～63"機組對纏繞線速度提出的120 m/min要求（國內纏繞機最高線速度指標）。為實現該指標，我們采取了以下措施：①提高主機箱主軸角速度使之在最小纏繞半徑時適應120 m/min的纏繞線速度；②纏繞系統的主機機架由原來的框架結構改為箱體式結構，以提高機架的固有頻率；③纏繞機主機所有運動副均采用高精系列，并游隙可調以防止非線性激振的產生；④重新分析自控系統傳遞函數，對系統響應速度作適當的調整。

由于原纏繞系統主機是圓柱坐標系，而新設計的主機是直角坐標系。所以整個纏繞系統的控制軟件需重新設計，工作量較大。按照這一新的設計方案重新設計、試制。該系統經過現場運行測試，兩次法57"～63"成型機組的2套纏繞系統（胎側纏繞和胎面纏繞）均已經順利達到120 m/min纏繞線速度的技術指標，這是當時國內纏繞機組的最高技術指標。這樣就使該機組纏繞工藝流程效率提高了1倍。該臺兩次法57"～63"成型機組已于2015年交付客戶，現已投入正常運行。

4 結語

通過無內胎巨型全鋼工程子午線輪胎成型機的開發，賽象公司深深的認識到，一個企業欲把某個產品成功推向市場，必須具備2個基本要素：①嫻熟的市場運作；②堅實的技術底蘊。嫻熟的市場運作可以使企業成功的拿到首次訂單，但只有堅實的技術底蘊才可以保證訂單的順利交付及持續穩定的市場占有率。整個事件的核心是雄厚的技術實力，堅實的技術底蘊才是企業持久的支撐。

賽象公司憑借在業界積累的良好聲譽拿到了國內外子午線工程輪胎成型機組訂單，依靠公司堅實的技術底蘊占領了國際市場，在隨后的發展中，尤其是45"以上工程輪胎成型機組幾乎壟斷了國內市場，為該類機型的國產化做出了貢獻。