全鋼子午胎鋼絲冠帶條纏繞貼合生產線技術探討

楊瑞林

(中國化學工業桂林工程有限公司, 廣西 桂林 541004)

子午線輪胎胎體的簾線排列與外胎斷面接近平行，緩沖層采用接近周向排列的簾線層，與胎體簾線角度成 90°相交，形成一條幾乎不能伸張的剛性環形帶，把整個輪胎固定，限制輪胎的周向變形。這個緩沖層承受整個輪胎 60%～70%的內應力，成為子午線輪胎的主要受力部件，故緩沖層亦稱之為子午線輪胎的帶束層。子午線輪胎帶束層的設計很重要，必須具有良好的剛性，可采用多層大角度，高強度而且不易拉伸的材料，如鋼絲或者高強度纖維等。子午線輪胎的優點主要在于胎冠較厚且有堅硬的帶束層，不易刺穿；行駛時變形小，滾動阻力小，較斜交胎可降低油耗 3%～8%。載重子午線輪胎因為簾布層數少，胎側薄，徑向彈性大，緩沖性能好，負荷能力較大，使用壽命長。

載重子午線輪胎帶束層貼合工藝一般采用3層或4層帶束層加0°帶束層結構。對于3層或4層帶束層加0°結構，目前現有的工藝方式是通過0°帶束層擠出生產線根據工藝要求壓出30 mm左右寬度的0°帶束層，在成型機上貼合2層，然后裁斷搭接。由于存在0°接頭搭接問題，其負面影響有：搭頭部位增加了剛度的不平坦點，影響輪胎的均勻性，容易導致輪胎接地壓力分布的不連續，這對輪胎磨耗的均勻性產生一定的影響。目前的0°帶束層一般是采用十幾根高伸長鋼絲簾線擠出覆膠，由于多根鋼絲的壓延張力控制比較困難，易出現0°帶束層鋼絲之間的張力不均勻，導致輪胎印痕、高速、耐久等性能不穩定。0°接頭搭接處的厚度增加，引起輪胎在翻新、胎面打磨或花紋再刻時，經常碰到0°接頭搭接處的簾線，導致輪胎壽命下降。

為了克服0°帶束層在生產和實際使用過程中對輪胎性能的不利影響，我公司與一些輪胎公司近幾年合作研制了多款采用 1～3 條鋼絲簾線擠出覆膠后在線螺旋纏繞貼合到輪胎冠帶層的成型生產新工藝來代替0°帶束層的成型方法。比起傳統貼合0°帶束層方式，無搭接接頭，且印痕、接地壓力分布和磨耗相對均勻，使鋼絲簾線張力控制相對均勻，既提高了輪胎的穩定性，也保證了輪胎翻新及花紋再刻的可行性。

我們在全鋼工程子午線輪胎、摩托子午線輪胎方面也成功開發出鋼絲冠帶條纏繞貼合生產線，為特種輪胎的工藝創新進行了有益探索。

1 設備組成及關鍵技術探討

1.1 鋼絲冠帶條纏繞貼合生產線系統構成

以一種全鋼子午胎鋼絲冠帶條纏繞貼合生產線為例，見圖 1。

圖1中，鋼絲從錠子架導開→經過錠子開口整形→進入電磁加熱器加熱→再到擠出機機頭覆膠→覆膠后的冠帶條在軸交叉的雙冷卻鼓面纏繞 4 圈（上冷卻鼓為主動輥由變頻電機驅動，起鋼絲牽引作用；下冷卻鼓為被動輥由覆膠鋼絲摩擦拉動）→冠帶條再進入緩存裝置（每個存儲架有上、下 12 對儲線輪，最多可儲線約 60 m，上組為浮動輪由配重塊向上拉升，下組為固定輪）→每個緩存裝置配有恒張力牽引變頻電機導出冠帶條→冠帶條再經過恒張力浮動輪機構（此處冠帶條張力應精確設定，以保證0°帶束層纏繞貼合質量）→冠帶條最終到達纏繞貼合裝置（冠帶條由成型機帶束鼓旋轉牽引，纏繞貼合壓輪按程序設定運行軌跡完成0°帶束層螺旋纏繞貼合）。電氣控制系統由 PLC、觸摸屏、伺服控制、變頻調速、激光測距、壓力溫度傳感器等組成。

圖 1 全鋼子午胎鋼絲冠帶條纏繞貼合生產線系統圖

1.2 鋼絲錠子架

錠子架可使用 B40 或 B80 鋼絲錠子類型。每個錠子均有張力控制裝置，采用氣動式，簾線鋼絲工字輪固定在帶磨擦輪主軸上，由張力輪上導出，在薄膜氣缸充氣后，通過冷卻牽引裝置拉動鋼絲運行，帶動張力臂，在氣缸摩擦輪及摩擦片架調節作用下，使經過張力輪的鋼絲達到恒張力導開。錠子架上安裝鋼絲計長裝置，以便準確提供鋼簾線余量信息。當鋼簾線快用盡時（鋼絲余量不足單條胎用量或設定值），需要報警提示操作工更換鋼簾線錠子。還有鋼絲斷線自動檢測報警功能。

1.3 鋼絲智能電磁加熱器

配備電磁加熱器將進入擠出機覆膠前的鋼絲加熱到合適的溫度（實測鋼絲 70～80℃覆膠效果最佳）、去除水份，可有效提高覆膠效果。

電磁加熱器在各行各業的應用已很普及，但要對高速運行中直徑約1 mm 的細簾線鋼絲加熱且溫度可控，還是一個不小的難題。為此我們進行了反復深入研究。電磁加熱器采用電磁感應原理，首先，通過內部整流濾波電路將市電（50 Hz/220 V/380 V）的交流電變成直流電，再經過 PWM（技術核心）控制電路將直流電轉換成頻率為20～50 kHz 的高頻脈沖電流，高速變化的電流通過加熱線圈會產生高速變化的磁場，當磁場內的磁力線通過被加熱金屬物體（導磁導電物體）時，會在被加熱金屬物體內產生無數的小渦流，從而使被加熱金屬物體本身高速發熱。

我們的鋼絲電磁加熱器加熱線圈尺寸：直徑 60 mm×長600 mm, 采用絕緣高溫電線繞制在聚四氟乙烯(PTFE)圓管上,電磁線圈本身不發熱、不老化。根據鋼絲參數范圍計算加熱線圈電感量，使電磁能直接在鋼絲上轉變成熱能，熱效率達 95%以上。經過對電磁加熱器控制電路及單片計算機程序進行反復優化，具有負載（鋼絲參數）自動檢測、自動匹配、變頻輸出、脈寬調制功率等多項新技術；與生產線 PLC 控制器（含人機界面觸摸屏）有友好的接口，具有 4～20 mA、0～10 V 或者 RS-485通訊方式及開關量接口。根據生產線觸摸屏輸入生產配方可設定鋼絲參數、生產線速度，實時給定鋼絲加熱輸出功率,即功率的大小根據 PLC 輸出信號的大小進行比例輸出。用鋼絲運行線速度實時控制加熱功率，這樣就保證了鋼絲加熱溫度的精準，避免了鋼絲加減速啟停過程或急停時電磁加熱器對加熱線圈內的部分鋼絲過度加熱變黑燒壞的現象出現。

按照參數測算，1～6 根簾線鋼絲可選擇最大功率5 kW 的電磁加熱器，3 根鋼絲覆膠生產線高速運行（100 m/min）時加熱器實際輸出功率＜1 kW，非常節能。鋼絲電磁加熱器在輪胎工廠的鋼絲圈生產線、0°束層擠出生產線等設備的節能改造方面也將有廣泛的應用前景。

1.4 擠出機覆膠口型

根據生產效率和覆膠鋼絲參數測算選擇直徑50或60 mm 的冷喂料擠出機，由變頻電機驅動，帶有 3 段溫控單元分別控制螺桿、機筒和機頭溫度，擠出機帶PFC 自控系統，運行時使用壓力傳感器檢測機頭膠料壓力，擠出機螺桿速度可自動調整以保證實現預設壓力。簾線鋼絲與膠料在擠出機“E”型機頭口型(見圖 2)內復合，更換不同規格尺寸冠帶條時可用頂出螺栓打開機頭，更換不同規格的機頭插件及口型塊即可。

圖 2 鋼絲覆膠機頭

載重子午線輪胎冠帶層一般選用鋼絲簾線代號：3×7×0.20HE，直徑 ：（1.38±0.07） mm，單根鋼絲覆膠后直徑：（2.0±0.1）mm，3根鋼絲覆膠后的冠帶條斷面 為 矩 形 ：（2.0±0.1）mm×（6.0±0.1）mm。 考 慮將來可能使用的規格，機頭口型可適配：鋼絲直徑范圍 （1.2～1.6±0.1）mm，單鋼絲覆膠冠帶條外徑（1.6～2.2±0.1）mm。

為了保證1～3根鋼絲數量及不同速度狀態下鋼絲冠帶條的覆膠質量，膠料的塑化效果、流動性和機頭壓力控制對覆膠質量攸關重要。鋼絲運行速度越高壓力設定越高，擠出機轉速越高；當鋼絲暫停運行時，機頭壓力應該及時釋放，否則膠料會繼續壓出，堆積在鋼絲出口處，對冠帶條后續運行和纏繞貼合會造成跳線及材料報廢損失。為此我們設計橡膠溢流口，可人工開合大小，配套旋轉氣缸還可自動開合。

1.5 纏繞貼合裝置

纏繞裝置由張力單元、排線單元和裁斷（氣動鋼絲鉗）單元組合而成。

載重子午線輪胎兩鼓成型機的冠帶條纏繞貼合裝置，一般安裝在成型機帶束鼓（輔鼓）后方，簾布供料架下方。纏繞冠帶條時，供料架擺臂抬起，貼合機頭橫移（氣缸推動）到帶束鼓處氣動鎖緊定位，然后貼合壓輪自動運行到起纏點。纏繞貼合輪采用兩坐標聯動方式，實現冠帶條沿輔助鼓鼓面螺旋纏繞的工藝要求。

高品質寬斷面摩托子午胎，新成型工藝采用了單鋼絲覆膠冠帶條纏繞冠帶層。一段成型好的胎坯裝入二段成型機可漲縮的半圓弧面的成型鼓上，纏繞貼合輪垂直壓在鼓面上將單鋼絲覆膠冠帶條無間隙平行排列螺旋纏繞在胎坯圓弧面上。這個纏繞貼合機頭需要在軸向平移滑臺上安裝擺轉機構。擺轉機構包括擺轉伺服電機、減速器和擺轉支架，纏繞頭安裝在擺轉支架上，并由減速器的輸出軸通過擺轉支架帶動其擺轉，纏繞頭壓輪安裝在纏繞頭上隨其一同擺轉。通過纏繞頭的左右平移、左右擺轉和成型鼓的旋轉運動來擬合復雜的纏繞軌跡。實現了冠帶條與輪胎橫截面中心線成角度纏繞，通過三坐標聯動可擬合出含傾角的直線段纏繞軌跡和圓弧纏繞軌跡。

1.6 電氣控制系統

全線由擠出、 牽引、 儲料升降變頻調速系統， 擠出機頭壓力控制、浮動輥張力控制，纏繞貼合機頭 2軸或 3 軸伺服調速系統，PLC及人機界面（HMI）控制系統等組成。

電控系統關鍵技術是纏繞張力控制和2軸（或 3軸）伺服復合運動控制。張力控制穩定使冠帶條纏繞排列整齊，才能保證輪胎性能的穩定性。

冠帶條張力不均主要由帶束鼓的啟停加減速過程和浮動輥上下波動造成。為了使帶束鼓（輔助鼓）在纏繞過程中恒速連續旋轉，需要使用恒速控制方法。

冠帶條的上鼓張力主要由浮動張力調節輥（比例閥調節氣缸壓力）設定，由冠帶條的儲料出線速度與帶束鼓的線速度差值控制比例閥，通過 PLC 檢測張力單元的浮動輥上下位置（激光測距傳感器檢測）反饋信息來調整控制儲料架出線變頻電機的速度，以控制整個纏繞過程中冠帶條的張力基本恒定。帶束鼓的啟停是加減速過程，以免浮動輥張力波動過大；連續纏繞時帶束鼓速度恒定（最高速可設定纏繞線速度 200 m/min，實際速度視每條輪胎冠帶條纏繞長度、儲料架儲線長度和擠出覆膠牽引速度計算得出），最后一級儲料架（存儲 2）出線速度由浮動輥設定位置 PID 調節跟隨帶束鼓速度；前級儲料架（存儲1）出線速度由前后儲料浮動輪組高度差值 PID 調節出線速度，同時還要兼顧牽引冷卻鼓速度（加減速啟停，連續運行時速度恒定，最高速可設定 60 m/min），保證儲料浮動輪組平穩下降放線，整個過程智能化程序控制。

載重子午線輪胎如要求冠帶條在輔助鼓上按設定的纏繞間距進行2層纏繞時，纏繞方式以 s 型纏繞為主。即纏繞貼合機頭從輔助鼓中心點向左纏繞到左邊緣，然后反向纏繞到輔助鼓的另一端右邊緣，再反向纏繞到輔助鼓中心。一般要求冠帶條并排纏繞，即冠帶條之間既不允許搭接也不允許有間隙，并且對纏繞過程中的冠帶張力有比較嚴格的要求。貼合機頭到邊緣時存在伺服電機減速→停→換向加速啟動的過程，要求與成型機輔助鼓伺服電機考慮采用同步變速控制。纏繞貼合機頭平移時輔助鼓以一個恒定的速度運行，在換向過程中單獨設定較小的加減速度時間，保證換向過程時間較短，以確保纏繞精度。由于同步啟動幾個伺服程序后，各個伺服程序實際是互相獨立的，因此各軸的速度匹配、加速時間及加速曲線等問題需要自行匹配，通過合理的加速時間和加速曲線的設定，保證兩根軸在任何時間點的速度相匹配。速度的匹配需要考慮加速段的速度匹配問題，伺服系統的加速時間是指從開始加速到速度限制值的時間，而不是加速到實際轉速值的時間，因此要保證2根軸任意時刻速度匹配，需要保證2軸加速時間的比例和最高轉速限制的比例相同，并且保證所選的加速曲線平滑率相同。加速曲線平滑率越大，啟動越平滑，但是平滑率過大容易造成啟動緩慢，從而產生部件反應遲鈍的感覺，因此應按實際情況在滿足要求的情況下選擇加速曲線平滑率相對較小的較為合適。同步啟動控制在程序啟動后，2個獨立的程序按照各自設定的參數啟動運行。輔助鼓采用一軸的定位控制，冠帶平移采用一軸的恒速控制。為達到快速反向的目的，中間反向過程中的加減速時間設置較小，與開始啟動和正常纏繞結束的加減速度不同，因此在纏繞過程中若出現暫停，不能用簡單的再啟動命令，由于2根軸以不同的減速度減速，會導致停止位置的偏差。對于中間暫停的處理要實行統一快速停止指令，以保證加減速度匹配，停止位置精確。

2 結束語

以上是以一種全鋼子午胎鋼絲冠帶條纏繞貼合生產線為例，屬于在線式鋼絲覆膠纏繞貼合方式。考慮到生產效率，還有一種離線方式，即簾線鋼絲經過擠出覆膠、冷卻牽引、緩存、卷取，用往復螺旋纏繞的方式將冠帶條收卷在工字輪上，中間墊 PE 紙隔離；然后將冠帶條工字輪運到成型機，冠帶條導開后纏繞貼合到胎坯上，同時將 PE 墊紙卷取回收利用。

全鋼子午胎1～3根鋼絲窄冠帶條纏繞貼合新工藝比傳統貼合0°帶束層提高了輪胎的穩定性，但增加了設備成本，延長了成型時間。品質和效率是一對矛盾體，同時又是衡量設備性能的2個同樣重要的因素。如何在保證纏繞質量的基礎上，進一步提高纏繞的速度是我們下一步的研究目標。