全鋼子午胎一次法成型鼓的結構使用性能分析

張脈永

(雙錢集團（安徽）回力輪胎有限公司,安徽 蕪湖 238312)

20世紀80年代中期我國批準7家輪胎廠從國外引進全鋼子午線輪胎制造技術和關鍵設備，大部分引進項目全鋼成型采用一次法成型工藝并在此后新建和擴建得以推廣使用。鑒于當時全鋼子午胎生產設備國產化能力，分別引進不同國家全鋼子午胎成型機。國內的全鋼載重子午胎成型機始于北京航空制造工程研究所1992年首次研制成功LCZ-3型兩鼓成型機。至90年代末天津賽象和青島軟控相繼開發成功，通過多年發展，國內的全鋼載重子午胎成型機從兩鼓發展成為三鼓、四鼓，由手動裁斷供料架到全自動定長自動裁斷自動貼合的供料架，由膠囊鼓發展到機械鼓成型，為國內全鋼子午線輪胎快步發展奠定了基礎。

1 一次法全鋼子午線輪胎成型工藝描述

典型的全鋼子午胎一次法成型就是將準備好的內襯層、胎體簾布、鋼絲圈、子口包布、胎肩墊膠、胎冠、胎側、帶束層等各種半成品部件在成型機上按施工表要求組合成胎坯。成型工藝是保證輪胎質量的非常關鍵的工藝。具體工藝步驟如圖1所示。

從圖1所示成型工藝步驟看，經過部件貼合、傳遞、定位、定型、壓合、卸胎等動作完成胎坯成型。其中在成型鼓上完成的鋼圈鎖緊定位、胎體定型和胎冠壓合三個工藝步驟非常重要。詳細過程如下：胎體簾布組合件從平鋪形狀逐漸變形到接近成品的胎坯形狀。這個過程中，兩個胎圈之間的距離逐漸減小，胎坯內的空氣壓力逐漸增加，胎坯中心逐漸隆起，直到兩胎圈之間距離接近成品相應寬度，胎體冠部與帶束層接觸。其中預定型是胎坯定型的準備階段；定型是進一步促進胎體膨脹階段；超定型是為了鋼圈進一步靠近，使胎體胎肩部位和帶束層更緊密結觸，不留空隙不產生氣泡（見圖2胎體定型示意圖）。

圖1 全鋼子午胎一次成型工藝流程

圖2 胎體定型示意圖

胎體充氣過程的充氣壓力要求逐漸增加，如0.03→0.05→0.08 MPa，不可過快過高，避免胎體簾線的密度改變不均，最終充氣壓力0.1 MPa左右。胎圈收縮要對稱收縮，做到胎體中心線兩側寬度均等簾線勻稱。胎體變形要均勻，不可塌陷扭曲而導致異常變形造成簾線稀密不均。定型過程中充氣、胎圈距離收縮和胎體膨脹要同步進行。胎體的中心線與胎面的中心線對正，公差1 mm。再經過后壓輥裝置分別完成胎冠和胎側的壓合，最終形成所需胎坯形狀。成型后的胎坯要保持良好形狀，避免擠壓變形，用托盤水平存放。實際全鋼一次法成型因胎側反包動作先后于胎冠壓合動作有側包冠和冠包側之分。

2 成型過程中胎坯受力分析

胎坯在定型和壓合過程中受到充氣內壓力和后壓裝置壓輥外壓力兩個力的作用，下面按照實際生產295/80R22.5規格計算內外壓力的數值。

2.1 建立胎坯內壓受力模型（圖3）

圖3 胎坯內壓受力

定型壓力為：P=6.86～8.82 N，則：

F水平=π×(473×473/100-290×290/100)P=4 384.35P

=30 077～38 670 N

則胎坯周向簾線拉力F拉=F水平/cos61.65°=63 462～81 594 N。

2.2 后壓輥對胎坯壓力計算

如圖4所示，設定氣缸壓力為P，氣缸直徑為8 cm，所以氣缸推力 ：F總=π×4×4P=50.24P。單個后壓輥對胎坯的水平壓合力F=F總×188/279=50.24P×188/279=33.85P，設定后壓輥氣壓P=9.8 N→29.4 N→39.2 N→89 N→58.8 N，則單個后壓輥低對胎體壓力分別為：低壓時：F=331.73～1 061.5 N；中壓時：F=995.2～1 326.9 N；高壓時：F=1 658.7～1 989.4 N。

從上述胎坯成型過程中兩部分作用力要求成型鼓具備良好的精度和強度剛性以保證胎坯工藝精度。結合實際生產工藝選擇不同結構成型鼓十分必要。

圖4 后壓輥壓合力

3 膠囊反包成型鼓結構使用性能分析。

膠囊成型鼓在全鋼一次法成型機中應用最為廣泛，經過80年代技術引進和消化吸收，國產膠囊成型鼓逐步形成系列化和標準化。典型的膠囊反包成型鼓有以下幾種。

3.1 意大利皮列里技術的膠囊成型鼓

80年代中期國內數家輪胎廠引進意大利皮列里全鋼子午胎制造技術并引進相關設備，同期開展進口設備國產化。圖5即為國產化后的膠囊成型鼓。該鼓繼承了原版意大利成型鼓的主要結構特點，成型鼓由兩個側鼓和一個三件套中鼓組成，安裝在帶有氣路密封圈的成型機主軸上，所有成型鼓胎圈鎖緊、定型充氣、反包膠囊和助推膠囊充氣通過主軸內部氣路提供。該鼓對氣路密封和機械安裝精度要求較高，成型鼓維修困難且影響輪胎產能，限制了該結構成型鼓的推廣使用，國內只有小部分廠家保留使用此類成型鼓。

圖5 皮列里膠囊成型鼓

3.2 日本三菱膠囊成型鼓

20世紀 90年代隨著Firestone全鋼子午線輪胎制造技術引進，國內有數家輪胎廠進口日本三菱重工開發生產的兩鼓式一次法子午線輪胎成型機，其所配備的都是充氣式膠囊鼓，膠囊成型鼓的結構如圖6所示，主要由空芯主軸、絲桿、助推膠囊、反包膠囊和鼓肩膠囊等部份組成。由于膠囊鼓結構簡單、成本較低、更換膠囊時間短、反包后胎側表面平整等優點，現在仍有不少一次法子午線載重胎成型機還在使用充氣式膠囊鼓。該成型鼓的缺點是胎圈鎖塊包裹性差，成型鼓主軸直徑小、剛性差、撓度過大，影響胎坯成型工藝精度。

圖6 日本三菱膠囊成型鼓

3.3 國產膠囊成型鼓

90年代末期隨著全鋼子午線輪胎迅速發展，促進了國內全鋼子午線輪胎生產設備的研發。國內設備制造商結合早期引進全鋼子午線輪胎制造技術特點，開發出國產膠囊成型鼓如圖7所示，該鼓主要由以下幾個部分組成：帶充氣法蘭的主軸，兩個配反包膠囊和助推膠囊的側鼓，一個鋼制薄壁三件套中鼓。結構特點：成型鼓主軸直徑加大保證剛性減少成型鼓的撓度，撐塊結構參照皮列里側鼓形式設計增加子口鎖緊度，用剛性薄壁三件套中鼓替代鼓肩膠囊，氣路系統進行優化設計。隨著該成型鼓不斷優化，在國內眾多輪胎公司兩鼓和三鼓成型機上使用。

圖7 國產膠囊成型鼓

3.4 BS膠囊成型鼓

BS膠囊成型鼓如圖8所示，主要結構區別于三菱成型鼓之處是兩個側鼓的結構不同，鋼圈鎖塊位于反包膠囊內側下端但不被反包膠囊包裹，可根據不同工藝需要快速更換鋼圈鎖塊形狀，滿足子口部位反包精度要求。側鼓表面安裝助推膠囊和反包膠囊，安裝膠囊較國產膠囊鼓方便。該鼓特點是反包膠囊使用壽命長，可適用于側包冠或冠包側工藝，主要在三鼓成型機上使用。

3.5 東洋膠囊成型鼓

東洋膠囊成型鼓結構如圖9所示，主要由兩個對稱側鼓組成并安裝于成型機主軸，側鼓表面僅安裝一個反包膠囊，而助推膠囊則采用機械助推桿代替。該鼓的特點是成型機主軸剛性大幾無撓度，保證兩個胎圈之間的平行度，使胎體定型時膨脹均勻對稱。另外每個側鼓只有一個反包膠囊，維修工作量減少。缺點是兩個側鼓安裝在成型機主軸上，頻繁更換則影響裝配精度和氣路密封。該成型鼓既可滿足冠包側工藝也可滿足側包冠工藝。

圖8 BS膠囊成型鼓

圖9 東洋膠囊成型鼓

3.6 住友膠囊成型鼓

住友膠囊成型鼓結構如圖10所示，于1995年在美國申請專利。該鼓結構與皮列里膠囊成型鼓類似，兩個膠囊側鼓安裝于成型機主軸上。區別在于側鼓鋼圈鎖塊采用矩形槽結構，槽內安裝3個環形膠環，最上層膠環帶斜面造型，包裹在反包膠囊內側，上膠環的斜面利于子口部位膠部件反包結合減少簾布上抽。另外該鼓取消助推膠囊采用鼓外液壓機械助推機構，簡化了成型鼓結構。該成型鼓主要用于兩鼓成型機，缺點與皮列里膠囊成型鼓類似。

圖10 住友膠囊成型鼓

4 機械反包成型鼓結構使用性能分析。

2000年之后隨著全鋼子午線輪胎在高速公路優異使用性能被列入國家發改委推廣項目，國內有數十家企業加入全鋼子午線輪胎項目建設。極大促進了全鋼子午線輪胎成型機的發展，通過工程技術人員的努力在借鑒VMI公司和MATADOR公司等進口設備的基礎上先后開發了單排反包成型鼓和雙排反包桿成型鼓，并在國內大部分輪胎廠使用。機械反包成型鼓結構如圖11和圖12所示。

機械反包成型鼓主要結構包括：帶法蘭空心主軸，軸內配側鼓驅動絲桿和充氣管路，兩個帶有反包推桿的側鼓對稱安裝在主軸上，兩套胎圈鎖緊塊安裝在側鼓內側，機械反包桿依靠側鼓內反作用氣缸驅動完成胎側反包。該成型鼓優點是采用一體化機械設計，取消了反包膠囊和助推膠囊，減少成型鼓維護時間，極大提高生產效率，得到全鋼子午線輪胎生產廠家的歡迎。該成型鼓缺點是采用輻射狀機械反包桿進行胎側反包，且國內大部分輪胎生產廠家采用側包冠成型工藝，在壓合完成胎冠和三角膠芯后再進行胎側反包，造成胎體簾線在定型內壓力和外部機械反包桿滾輪局部壓力作用下形成簾線局部變形，硫化后成品胎充氣后胎側形成明顯輻射狀印痕，影響外觀質量，一度造成機械反包成型鼓限制使用。不過隨著機械反包成型鼓伺服同步反包桿等新技術的使用，以及成型工藝技術的改進，使得機械反包成型鼓應用不斷進步。

圖11 單排反包桿機械成型鼓

圖12 雙排反包桿機械成型鼓

5 成型鼓的使用和管理

通過以上幾個典型成型鼓結構性能分析，在選擇和使用成型鼓時應考慮以下幾點：

（1）主軸的剛性。成型鼓在鎖圈、定型、壓合承受較大力的作用，因此成型鼓主軸的制造必須保證長時間使用不變形。

（2）胎圈鎖塊的形狀尺寸。確定胎圈鎖塊形狀尺寸一定要工藝技術人員參與，根據胎腳各種膠部件組合尺寸計算和實際胎腳尺寸測量來確定鎖塊最佳尺寸，以減少子口膠部件在定型和壓合時的位移。

（3）膠囊的結構尺寸。對膠囊成型鼓來說，反包膠囊和助推膠囊的質量直接影響胎坯成型質量和生產效率。在確定膠囊結構尺寸后應著重提高膠囊使用壽命。

（4）成型鼓工藝參數的優化。每個規格胎坯成型過程中涉及成型鼓的設定參數有十幾個，通過測量成型胎坯精度不斷優化成型鼓控制參數，必要時可進行數據測量，例如后壓輥對胎冠的壓力可通過壓力傳感器測量后調整壓力參數，從而保證生產的每個胎坯質量一致性。

（5）成型鼓精度檢驗。成型鼓作為成型機受力部件，在使用一段時間后會出現精度下降，例如胎圈鎖塊不同步，因此需要建立成型鼓的精度標準，并定期校驗和加以維護。

成型鼓作為成型機的核心工具，其結構性能的好壞直接影響全鋼子午線輪胎產品性能，例如輪胎的不圓度和均勻性。近幾年國內越來越多全鋼子午線輪胎生產廠家的不斷重視成型鼓改進和管理。據了解有許多廠家借鑒外資企業做法成立專門工裝車間，專門對成型鼓等工裝進行專業維護和改進，取得了良好的效果。

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