呂柏源 等·橡膠加工技術(shù)及設(shè)備的研究

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3.1 課題的來源與積累

從 1820 年代最早出現(xiàn)開煉機以后，橡膠工業(yè)一直采用開煉機煉膠。由于開煉機煉膠時粉塵飛揚，不但工

作條件惡劣，而且效率低，勞動強度大，在經(jīng)過一個世紀于 1916 年美國人（Banbury）本伯里發(fā)明設(shè)計了具有

壓砣和卸料門的橢圓型轉(zhuǎn)子密煉機以來，在激烈的市場競爭中，煉膠設(shè)備向著“高質(zhì)、高效、低耗、低成本”

方向發(fā)展。煉膠設(shè)備的功率從幾十千瓦發(fā)展到 3300KW，容量從幾升發(fā)展到 800 多升，轉(zhuǎn)速從 20rpm 發(fā)展到

80rpm 以上 ；為了提高煉膠設(shè)備的生產(chǎn)效率，進一步改善工作條件，密煉機從原始的裸機發(fā)展到下輔機、上輔

機。密煉機經(jīng)過 100 多年的發(fā)展，幾乎達到極限的水平，但至今尚未突破間歇工作問題。在這過程中，許多

中外專業(yè)科研工作者、科研機構(gòu)和大型橡膠企業(yè)投入大量人力、物力和財力進行連續(xù)混煉技術(shù)的研究，雖然

尚未突破連續(xù)混煉技術(shù)問題，但中外專業(yè)科研工作者對連續(xù)混煉都有以下的共識 ：①從間歇混煉轉(zhuǎn)變成連續(xù)

混煉能有效保證煉膠質(zhì)量的穩(wěn)定性以及提高煉膠效率 ；②能節(jié)省大量的能源，據(jù)有關(guān)資料介紹連續(xù)混煉可節(jié)

省能源 50% ；③能改變間歇混煉設(shè)備復(fù)雜的空間布局實現(xiàn)平面布局的聯(lián)動生產(chǎn)線，能有效節(jié)省占地面積和建

筑空間 ；④密煉機在加料后，尤其是超微粉粒的炭黑，在上頂栓加壓時，混煉室體積急劇減小，瞬間形成高

壓導(dǎo)致炭黑等物料從間隙中外逸，造成工作環(huán)境的污染，而在連續(xù)混煉中物料是均勻連續(xù)進入密閉的系統(tǒng)中，

沒有物料外逸的污染問題 ；⑤在相同截面的純膠制品中或純膠的單件橡膠制品中，可以通過連續(xù)硫化配套設(shè)

備或一步法注射設(shè)備實現(xiàn)從原材料到生產(chǎn)制品一次連續(xù)完成，奠定了無人化工廠的技術(shù)基礎(chǔ) ；⑥連續(xù)混煉設(shè)

備易于實現(xiàn)聯(lián)動化、自動化和智能化，能有效的促進橡膠工業(yè)實現(xiàn) 4.0 的目標(biāo)。因此，橡膠工業(yè)迫切要求連

續(xù)混煉技術(shù)的研究和突破。

筆者在大學(xué)的畢業(yè)設(shè)計的題目是“單螺桿橡膠連續(xù)混煉機設(shè)計”，當(dāng)時 1965 年在畢業(yè)設(shè)計時做了粉料的

定量輸送實驗，然后就按普通單螺桿與定量輸送裝置，簡單組成了“橡膠連續(xù)混煉機”，雖然是假題假做，但

橡膠連續(xù)混煉技術(shù)卻一直深藏在我的思維中。隨后，在 1971 年的“單螺桿橡膠連續(xù)塑煉機三結(jié)合設(shè)計小組”（沈

陽橡機廠、青島橡膠二廠、青島化工學(xué)院），我成為三結(jié)合設(shè)計小組的一員，同時負責(zé)設(shè)計塑煉擠出機的螺桿。

通過前期河南風(fēng)神輪胎廠使用的螺桿塑煉機塑煉膠料的對比，觀察到新設(shè)計較小規(guī)格和較大長徑比的塑煉擠

出機，其塑煉效果較好，“夾生”的膠料有較大的改善，這促使我對連續(xù)混煉技術(shù)的成功增強了信心，并認識

到螺桿構(gòu)型是連續(xù)混煉關(guān)鍵部件 ；在隨后指導(dǎo)研究生的選題也著重連續(xù)混煉螺桿構(gòu)型和相關(guān)技術(shù)的研究。如

強制喂料技術(shù)、多組份定量喂料技術(shù)、復(fù)合螺桿構(gòu)型對混煉的影響等。在 2006 年開始把復(fù)合螺桿構(gòu)型的原理

應(yīng)用在“廢舊輪胎連續(xù)復(fù)合脫硫”的中試樣機上，取得了明顯的脫硫效果，首次實現(xiàn)了在脫硫過程中生產(chǎn)出

高強度、高伸長率的絮狀再生膠，其實此脫硫過程的機理基本就是連續(xù)混煉過程的機理，只要適當(dāng)調(diào)整脫硫

溫度和螺桿構(gòu)型，就可以獲得質(zhì)地均勻與致密的膠料。通過對脫硫螺桿構(gòu)型的分析，升華到脫硫過程的四個

機理。

3.2 連續(xù)混煉技術(shù)機理的突破

（1）自強制喂料機理

原先的連續(xù)脫硫機是采用了螺旋強制喂料技術(shù)，是一種正位移的喂料技術(shù)。但通過使用，對粉料的喂料

效果不明顯，而且容易產(chǎn)生設(shè)備故障，生產(chǎn)能力在額定轉(zhuǎn)速下也只能接近 300kg/h，生產(chǎn)效率太低了。最終

高機研究了一種自強制喂料技術(shù)的機理，在放棄螺旋嚙合喂料裝置后，設(shè)置了自強制喂料裝置，這種裝置可

以對物料運動自動產(chǎn)生推進物料作快速的輸送運動，從而有效地提高吃料能力達到了大幅度提高產(chǎn)能的目的，

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場驗證，原來產(chǎn)能不到 300kg/h，現(xiàn)在可以穩(wěn)定達到 700kg/h，甚至達到 860kg/h。

（2）傳熱強度與傳熱總量機理

每一單元的物料要達到脫硫或混煉的目的，其自身的溫度必須達到其自身需要的溫度，因此，在混煉系

統(tǒng)中，必須對物料產(chǎn)生足夠的傳熱強度和足夠的總熱量，否則物料就得不到有效的脫硫或混煉。我們根據(jù)物

料在整個連續(xù)脫硫或混煉過程中，所需傳熱強度與傳熱總量的機理，設(shè)計最快速度的傳熱和獲得傳熱總量關(guān)

鍵件的構(gòu)型和配件。根據(jù)這一機理，我們設(shè)計出由動態(tài)脫硫需 2 ～ 3h 傳熱時間，我們縮短為 13 ～ 17min ；同

時由多螺旋的總長度的 30m，縮短到長度 7m。

（3）剪切強度與剪切總量機理

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每一單元的物料要達到脫硫或混煉的目的，其除了獲得足夠的傳熱強度與傳熱總量外，仍需獲得對物料

足夠的剪切強度與剪切總量，不同的物料所需的剪切強度與剪切總量是不同的，在思考和研究混煉過程中，

往往忽視了對物料的剪切強度與剪切總量的作用，我們可以看到，在小規(guī)格擠出機和小規(guī)格密煉機對物料的

混煉效果比大規(guī)格型擠出機和相同類型的大型密煉機，由 可以看出 ：螺桿和轉(zhuǎn)子在相同線速度條件下，

明顯可以得出大規(guī)格的擠出機或密煉機剪切強度和剪切總量要小得多。高分材料其分子量小的十多萬分子量，

大的幾十萬上百萬，要打斷高分子鏈必需要有足夠的剪切強度 ；同時，高分子具有強烈的記憶效應(yīng)，要削弱

其記憶效應(yīng)必須要對物料要有足夠的剪切總量。

（4）單元體的混合機理

在連續(xù)混煉過程中物料為了獲得足夠的分布度，使物料各組份在宏觀上均勻分布，各單元體之間必須得

到均勻的混合。在關(guān)鍵件設(shè)計過程中必須構(gòu)建單元體之間均勻的混合機理。

3.3 連續(xù)混煉技術(shù)的實驗研究

根據(jù)上述是四個連續(xù)混煉技術(shù)機理，設(shè)計和制作了 Φ150 連續(xù)混煉擠出機物理樣機，如圖 9 所示。

圖 9 單螺桿連續(xù)混煉物理樣機

混煉膠組合單元混合分布度與分散度的效果是檢測連續(xù)混煉有效的綜合指標(biāo)。在本實驗研究中是通過混

煉膠獲得的物理性能作為綜合指標(biāo)的，其工藝過程如下 ：將脫硫后的絮狀再生膠與配合劑（氧化鋅 + 促進劑

CN+ 硬脂酸 + 硫磺）按標(biāo)準配比用手工拌勻（不是用攪拌設(shè)備），然后將連續(xù)混煉設(shè)備設(shè)置各區(qū)段溫度。在設(shè)

備溫度恒定后，將上述混合物喂入連續(xù)混煉機，物料在經(jīng)歷連續(xù)混煉機混合的熱過程和剪切過程獲得了混煉

物料 ；將混煉物料按照標(biāo)準的煉膠工藝和硫化工藝，并制備試片，經(jīng)拉伸試驗機，檢測出如表 1 的物理性能。

表 1 連續(xù)混煉物料檢測的物理性能

序號 塑煉門尼

ML100℃ (1+4)

混煉門尼

ML100℃ (1+4) 拉伸強度 /Mpa 斷裂伸長率 /%

4291# 81 53 10.50 335

4292# 74 58 10.35 359

4293# 72 54 9.80 329

平均 76 56 10.20 341

最大誤差 +6.6%

-5.3%

+3.5%

-5.4%

+1.5%

-3.9%

+5.3%

-3.8%

平均誤差 ±6％ ±4.5％ ±2.7％ ±4.6％

從表 1 可以觀察到 ：除塑煉門尼 ±6％誤差略為大于試驗允許誤差外，其余混煉門尼、拉伸強度和斷裂伸

呂柏源 等·橡膠加工技術(shù)及設(shè)備的研究

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長率平均小于 ±5％的允許實驗誤差，說明連續(xù)混煉對物料各組份混合、混煉是均勻的，達到了連續(xù)混煉所要

求的分布度和分散度的效果，也說明連續(xù)混煉技術(shù)運用“傳熱強度和傳熱總量”、“剪切強度和剪切總量”和“混

合機理”設(shè)計的連續(xù)混煉設(shè)備是成功的。

3.4 連續(xù)混煉技術(shù)的應(yīng)用前景

由于連續(xù)的混煉技術(shù)具有高生產(chǎn)能力、可控的傳熱強度與傳熱總量、具有足夠的剪切強度與剪切總量的

精煉功能，同時具有強力的混合功能，由此保證了連續(xù)混煉過程高質(zhì)量的分布度和分散度，因此橡膠連續(xù)技

術(shù)在橡膠加工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

（1）橡膠連續(xù)混煉

這里橡膠連續(xù)混煉指的是傳統(tǒng)的干膠連續(xù)混煉，所謂連續(xù)混煉是指有別于傳統(tǒng)間歇操作的密煉機混煉。

橡膠連續(xù)混煉工藝過程原理如圖 10 所示。

圖 10 橡膠連續(xù)混煉工藝過程原理圖

（2）濕法連續(xù)混煉

濕法煉膠是現(xiàn)代出現(xiàn)的先進煉膠技術(shù)，它具有節(jié)省能源，簡化橡

濕法連續(xù)煉膠系統(tǒng)原理如圖 11 所示。

圖 11 濕法連續(xù)煉膠系統(tǒng)原理圖

膠加工過程，其混煉膠具有（比傳統(tǒng)干法煉膠）更加優(yōu)良物理性能和使用性能。因此，近年來國內(nèi)外掀

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起了濕法煉膠的研究熱潮。由于濕法煉膠對干法煉膠更具挑戰(zhàn)性 ：各種組份原材料需快速而均勻的連續(xù)混合 ；

大量廢水和廢氣需快速連續(xù)清除 ；物料需快速的連續(xù)干燥 ；母煉時各種物料的定量和連續(xù)混煉以及低溫加硫

連續(xù)混煉等等。

（3）連續(xù)或直接生產(chǎn)橡膠制品

煉膠工序是橡膠企業(yè)必備的工序，混煉膠是橡膠企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的基本材料。在中小型橡膠企業(yè)中，要獨

自承擔(dān)煉膠任務(wù)，不但要投資煉膠設(shè)備（密煉機）和廠房的建造，而且還在消除污染問題造成困難。因此，

在中小型橡膠企業(yè)采用投資小、生產(chǎn)設(shè)備簡約和環(huán)保型的連續(xù)混煉組實現(xiàn)連續(xù)或直接生產(chǎn)橡膠制品技術(shù)是一

種客觀要求和趨勢。連續(xù)或直接生產(chǎn)橡膠制品工藝原理如圖 12 所示。

圖 12 連續(xù)或直接生產(chǎn)橡膠制品工藝原理圖

在條件成熟時，連續(xù)或直接生產(chǎn)橡膠制品工藝也可應(yīng)用到輪胎企業(yè)。

連續(xù)混煉技術(shù)在自強制喂料機理、傳熱強度與傳熱總量機理、剪切強度與剪切總量機理以及循環(huán)混合機

理的支撐下，可以廣泛應(yīng)用在橡膠、塑料加工技術(shù)中，還可應(yīng)用在化學(xué)工業(yè)連續(xù)操作的生產(chǎn)中。

4 鎖模力自動補償硫化設(shè)備技術(shù)的研究與應(yīng)用前景

4.1 鎖模力自動補償硫化設(shè)備技術(shù)研究的動力

筆者在 20 世紀 70 年代初承接了編寫《輪胎定型硫化機》教材，跑遍了有關(guān)輪胎定型硫化機設(shè)計單位、

制造單位和使用單位，并收集了有關(guān)圖紙和國內(nèi)外資料 ；同時在 1976 年承接了編寫橡膠工業(yè)手冊的《輪胎定

型硫化機》篇，為探索和編寫鎖模力理論，“高機”組織了《輪胎定型硫化機》赴上海測試研究小組，對進口

輪胎定型硫化機機進行了動力測試和力學(xué)性能測試和性能測試，并獲得了許多輪胎定型硫化機的第一手資料。

通過這一系列的調(diào)查研究和實踐，有兩個最深刻的印象 ：一是輪胎定型硫化機大笨重了，耗費鋼材大多，一

臺定型硫化機就達到了 60t，相當(dāng)一臺重型坦克 ；二是結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，機構(gòu)過多，加工量太大。自此以后筆者下

決心專攻克《輪胎定型硫化機》這道難關(guān)，這成了筆者以后幾十年的追求和動力。

呂柏源 等·橡膠加工技術(shù)及設(shè)備的研究

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4.2 輪胎定型硫化機技術(shù)的研究

（1）42 ＂電動螺旋輪胎定型硫化機裸機的研究

通過多年的構(gòu)想和理論研究，于 2000 年設(shè)計并研制了 42 ＂電動螺旋輪胎定型硫化機裸機及其硫化輪胎，

如圖 13 所示。整機重量約為 8t，鎖模功率 11kw，鎖模力 300t，螺旋直徑 120，腹板厚度 30mm，與曲柄連桿

輪胎定型硫化機重量相比減少 50%，加工量也減少了 50%，機構(gòu)顯著簡化。通過輪胎定型的硫化實驗，生產(chǎn)

出來的輪胎經(jīng)法定檢測單位檢測，各項指標(biāo)符合標(biāo)準。

圖 13 42”螺旋輪胎定型硫化機及其硫化輪胎

（2）63 1/2 ＂電動螺旋輪胎定型硫化機研制

在 42”定型硫化研究上，“高機”設(shè)計研制了《63 1/2 ＂電動螺旋輪胎定型硫化機》，如圖 14 所示，含主機、

裝胎機構(gòu)、卸胎機構(gòu)，重量約 26t。螺旋直徑 180，鎖模功率 13KW，鎖模力 500t，腹板厚度 50mm, 與曲柄連

桿輪胎定型硫化機重量相比減少 50%，加工量也減少了 50%，機構(gòu)顯著簡化。

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2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術(shù)、裝備與市場高峰論壇

圖 14 63 1/2 ＂電動螺旋輪胎定型硫化機

通過生產(chǎn)輪胎實驗，送檢的條輪胎均符合標(biāo)準要求。

（3）電動螺旋輪胎定型硫化機研制結(jié)果與反思

1）電動螺旋輪胎定型硫化機作為硫化用的壓機無疑是成功的，通過膠囊注射使用的電動硫化的成功使用

也證明了這一點。

2）但作為產(chǎn)業(yè)化的硫化設(shè)備還要解決以下問題 ：

①鎖模機構(gòu)還是比較復(fù)雜，而且只能作為專機專用 ；

②螺旋速度受到限制，因為快速鎖模時，閉環(huán)的受力封閉系統(tǒng)有滯后現(xiàn)，傳感的速度跟不上數(shù)字顯示的

速度，導(dǎo)致鎖模力的誤差太大。

4.3 鎖模力自動補償硫化機技術(shù)的形成

通過 42 ＂和 63 1/2 ＂電動螺旋輪胎定型硫化機的實踐、研究和分析，其仍存在如下問題 ：①結(jié)構(gòu)還是

比較復(fù)雜 ；②升降速度比較慢 ；③受力的封閉系統(tǒng)龐大，雖比傳統(tǒng)曲柄連桿及簡化，但與液壓機基本相同 ；

④缺乏模塊化結(jié)構(gòu)，很難簡化整體結(jié)構(gòu)等。為了克服上述的技術(shù)問題，必須尋找一種新的鎖模型式的工作原理，

在定型硫化機中有三種鎖模原理是值得參考的 ：一是氣動或液動錯齒鎖環(huán)鎖模技術(shù)，二是不銹鋼合金波紋板

鎖模技術(shù)，三是橡膠波紋板鎖模技術(shù)。錯齒鎖環(huán)鎖模技術(shù)曾在北京輪胎廠的硫化機組使用過，工作過程穩(wěn)定

性較差，尤其很難適用較大型輪胎 ；不銹鋼合金波紋板鎖模技術(shù)因造價高壽命短而放棄 ；橡膠波紋板也因工

作壽命短而放棄。這些技術(shù)雖然以失敗告終，但它們的工作原理的構(gòu)思是有特色的，如果能解決工作穩(wěn)定型、

可靠性、通用性以及工作壽命問題將是有生命力的。筆者為了解決這技術(shù)難題分別定了兩步工作，第一步在

電動螺旋硫化機的基礎(chǔ)上將電動螺旋鎖模結(jié)構(gòu)演變“鎖模力自動補償鎖模”結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖 15 所示 ；第二

步，取消電動螺旋升降機構(gòu)，改成模塊化獨立單元的升降裝置，而模具系統(tǒng)由鎖環(huán) / 鎖座構(gòu)成力的封閉系統(tǒng)，

在工作過程中升降機構(gòu)不承受鎖模力，實現(xiàn)輪胎定型硫化機結(jié)構(gòu)極大簡化。

呂柏源 等·橡膠加工技術(shù)及設(shè)備的研究

83

圖 15 鎖模力自動補償輪胎定型硫化機

4.4 鎖模力自動補償硫化技術(shù)的應(yīng)用前景

（1）由于鎖模力自動補償硫化技術(shù)實現(xiàn)了模塊化硫化機技術(shù)、模具系統(tǒng)模塊技術(shù)、鎖模力自動補償模塊

技術(shù)、鎖環(huán) / 鎖座模塊技術(shù)、升降機構(gòu)模塊技術(shù)以及輔助獨立模塊。由此能極大地簡化制造過程，極大地節(jié)

省鋼材，降低維護保養(yǎng)工作量和降低運行成本等 ；

（2）由于模具和自動補償系統(tǒng)構(gòu)成了一對獨立的硫化單元，其余的升降機構(gòu)，機器人卸胎奠定了基礎(chǔ) ；

裝胎機構(gòu)均可作為公用系統(tǒng)使用，實現(xiàn)工廠無人化硫化操作。

（3）鎖模力自動補償硫化技術(shù)可應(yīng)用到橡膠工業(yè)使用的硫化機，注射技術(shù)的硫化機以及塑料工業(yè)領(lǐng)域的

注塑機和模壓機。

5 單螺桿連續(xù)復(fù)合脫硫制備再生膠技術(shù)與全套設(shè)備的研究與產(chǎn)業(yè)化

5.1 “脫硫”的提出

在 20 世紀 80 年代我國借鑒了德國“高溫高壓動態(tài)脫硫生產(chǎn)再生膠技術(shù)”后，在國內(nèi)掀起了一股生產(chǎn)廢

舊輪胎再生膠的熱潮，接著在本世紀初期又掀起了一股采用“常壓螺旋脫硫生產(chǎn)再生膠技術(shù)”的熱潮。然而，

通過多年的使用和實踐，發(fā)現(xiàn)“高溫高壓動態(tài)脫硫技術(shù)”對水和氣的二次污染嚴重，而且工藝繁瑣、能耗高，

同時具有安全隱患。對于“常壓螺旋脫硫技術(shù)”雖然解決了動態(tài)脫硫的污染問題，但生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量低，性

能不穩(wěn)定，設(shè)備不但繁瑣而且可靠性低，同時設(shè)備維護保養(yǎng)困難等。在這種情況下，客觀要求研制一種克服

上述兩種技術(shù)缺陷的新技術(shù)就應(yīng)運而生。

84

2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術(shù)、裝備與市場高峰論壇

5.2 單螺桿連續(xù)復(fù)合脫硫技術(shù)的研究

（1）實驗設(shè)備的研究

筆者在 20 世紀 60 年代末期就開始研究單螺桿冷喂料擠出工藝技術(shù)，結(jié)合脫硫的溶脹降鍵能機理和物料

降門尼機理，設(shè)計研制出“單螺桿連續(xù)復(fù)合脫硫”制備再生膠的實驗室試驗設(shè)備，如圖 16 所示。

圖 16 單螺桿連續(xù)復(fù)合脫硫?qū)嶒炘O(shè)備

通過實驗得到如下結(jié)果與結(jié)論 ：

① 實驗設(shè)備獲得了脫硫效果，可以獲得 8~10MPa 的再生膠 ；

② 說明連續(xù)復(fù)合脫硫原理是可行的 ；

③ 探索了連續(xù)復(fù)合脫硫的工藝條件和工藝過程 ；

④ 獲得了連續(xù)復(fù)合脫硫配套技術(shù)要求。

通過實驗獲得了需要改進的問題 ：

① 再生膠物理性能有待提高，與動態(tài)脫硫仍有較大差距 ；

② 在脫硫過程中尚缺乏后處理技術(shù)，有焦燒現(xiàn)象 ；

③ 在原材料配合工序配套尚不完善。

但有重要的一點，連續(xù)復(fù)合脫硫設(shè)計技術(shù)設(shè)計是成功的。

（2）工業(yè)中試設(shè)備技術(shù)的研究

根據(jù)實驗設(shè)備的實驗研究，進行了工業(yè)中試設(shè)備技術(shù)的設(shè)計與研究，工業(yè)中試設(shè)備如圖 17 所示。

圖 17 單螺桿連續(xù)復(fù)合脫硫工業(yè)中試設(shè)備

通過工業(yè)中試設(shè)備的實驗研究得到如下結(jié)果與結(jié)論 ：

呂柏源 等·橡膠加工技術(shù)及設(shè)備的研究

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①生產(chǎn)的再生膠物理性能有所提高，其拉伸強度達到了 10-12MPa，伸長率達到 320-380% ；

②解決了再生膠后處理的焦燒問題 ；

③從原材料配合、脫硫與后處理，和冷卻打包基本完成了聯(lián)動工作。

通過工業(yè)中試設(shè)備實驗研究獲得了需要改進的問題 ：

①脫硫主機與后處理輔機輸送量不匹配，容易產(chǎn)生掃鏜現(xiàn)象 ；

②軟化劑的定量輸送有波動現(xiàn)象。

（3）工業(yè)化設(shè)備技術(shù)的研制

根據(jù)工業(yè)中試設(shè)備的研究獲得的結(jié)果，進行了工業(yè)化設(shè)備的研制，工業(yè)化設(shè)備如圖 18 所示。

圖 18 單螺桿連續(xù)復(fù)合脫硫設(shè)備

通過工業(yè)化設(shè)備使用，獲得了如下的結(jié)果與結(jié)論 ：

①主機、輔機及前置、后置設(shè)備的配套實現(xiàn)了聯(lián)動化、自動化操作 ；

②工作可靠，能正常投入工業(yè)生產(chǎn)使用。

通過工業(yè)化設(shè)備使用考核仍有如下問題還需改正 ：

生產(chǎn)能力雖達到 2000kt/y，但生產(chǎn)要求要達到 3000kt/y。

（4）產(chǎn)業(yè)化設(shè)備技術(shù)的研制

根據(jù)工業(yè)化設(shè)備考核，在生產(chǎn)能力方面需要下功夫解決，“高機”設(shè)計研制了自強制喂料技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化設(shè)備，

如圖 19 所示。

圖 19 單螺桿連續(xù)復(fù)合脫硫產(chǎn)業(yè)化設(shè)備

86

2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術(shù)、裝備與市場高峰論壇

通過產(chǎn)業(yè)化設(shè)備在廣東、泰安等六條生產(chǎn)線的使用獲得結(jié)果如下 ：

①產(chǎn)業(yè)化設(shè)備生產(chǎn)再生膠產(chǎn)品的物理性能，其強度達到了全胎膠 12Mpa，伸長率 360% 以及胎面膠

14Mpa，420%，其物理性能超過了國家 E 系列再生膠標(biāo)準的 7Mpa，260% 以及 9Mpa，360% ；

②生產(chǎn)能力已超過 3000kt/y，達到了 4000kt/y, 最大生產(chǎn)能力達到 860kg/h ；

③經(jīng)過了 2 ～ 3 年使用的驗證，設(shè)備運行平穩(wěn)、可靠 ；

④有顯著的節(jié)能降碳效果，對行業(yè)的“碳達峰、碳中和”有重要意義。

6 結(jié)束語

“高機”自上世紀 60 年代末期 70 年代初期一路走來，經(jīng)歷了半個世紀。幾十年來承蒙全行業(yè)的同仁、朋

友的大力支持和幫助，讓“高機”成長在這片科學(xué)研究的沃土之中，為“高機”今天能向同仁們、朋友們獻

上幾十年的研究成果盡了最大的愛心。在此“高機”僅向行業(yè)同仁們、朋友們獻上以上的文字以表示深深的

敬意和感謝！

鄒濤·降低活絡(luò)模對轎車子午線輪胎均勻性影響的技術(shù)研究

87

隨著市場對輪胎舒適性要求的日益提高，客戶對輪胎的品質(zhì)，特別是各主機廠對輪胎的均勻性指

標(biāo)提出了更為高嚴的標(biāo)準。輪胎企業(yè)生產(chǎn)過程最?？刂频木鶆蛐灾笜?biāo)（見表 1），其中 RFV 8H 幅值（各

主機廠要求不一）超標(biāo)偏大，車輛在特定條件下行駛時會與輪胎發(fā)生高頻共振，產(chǎn)生刺耳噪聲，直接

影響乘坐的舒適性。該指標(biāo)的控制，對輪胎企業(yè)特別是配套份額較多的公司的業(yè)務(wù)維持與拓展，起到

較關(guān)鍵的作用。

表 1 輪胎均勻性?？刂笜?biāo)表

序號 項目名稱 外文簡稱

1 輪胎徑向尺寸偏差 RRO

2 輪胎上下面不平衡質(zhì)量 D/B-UP&-D/B-LOW

3 側(cè)向力波動 LFV

4 錐度效應(yīng) CON

5 徑向力波動八次諧波 RFV 8H

輪胎生產(chǎn)過程中，排除部件半成品幾何尺寸均勻性、成型各類材料接頭的分布、成型鼓、帶束鼓

適裝成型機的使用精度、成型工藝等方面的變化因素，活絡(luò)模適裝硫化機的精度變化，對輪胎均勻性

特別是 RFV 8H 合格率的影響較大而又難于判定并排除。

活絡(luò)模作為直接與胎坯接觸硫化的精密設(shè)備，適裝硫化機后的使用精度，受硫化機相關(guān)精度及膠

囊定型壓力等因素的影響而變化，導(dǎo)致 RFV 8H 合格率或優(yōu)級品率偏低。如何判斷排除或預(yù)防活絡(luò)模

適裝硫化機，而輪胎均勻性指標(biāo) RFV 8H 變化偏大的問題，以滿足主機廠對輪胎 RFV 8H 指標(biāo)的高嚴要

求，是本文著重研究的方向。

1 活絡(luò)模組裝精度存在的主要問題及分析

1.1 活絡(luò)模結(jié)構(gòu)及主要精度情況簡要說明

活絡(luò)模是硫化機上實現(xiàn)輪胎成型硫化的精密設(shè)備（也稱工裝），熱板式結(jié)合面（圓錐面 + 斜平面）

導(dǎo)向活絡(luò)模具如圖 1 所示，集成圓錐面、斜平面結(jié)構(gòu)的優(yōu)點已獲得較大量的應(yīng)用。其由模套、型腔、

夾具三部分組成。

降低活絡(luò)模對轎車子午線輪胎均勻

性影響的技術(shù)研究

鄒濤

（萬力輪胎股份有限公司，廣東 廣州 511400）

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圖 1 熱板式結(jié)合面導(dǎo)向活絡(luò)模具結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.1 模套結(jié)構(gòu)及主要精度情況說明

模套為結(jié)合面導(dǎo)向結(jié)構(gòu)（見圖 2），由中套、中套鑲環(huán)、弓形座、上蓋、底座、導(dǎo)向條、T 型導(dǎo)塊、

耐磨板等零部件組成。其主要加工使用常檢精度見表 2。

圖 2 模套結(jié)構(gòu)示意圖

鄒濤·降低活絡(luò)模對轎車子午線輪胎均勻性影響的技術(shù)研究

89

表 2 活絡(luò)模套主要常檢精度表

序號 項目內(nèi)容 代號 公差 允差 影響活絡(luò)模組裝精度因素

1 弓形座內(nèi)花紋塊定位槽尺寸 F1

+0.10

0

0.10

定位槽主要是下邊受力，機臺異常受壓會導(dǎo)致定位槽

變形損傷，影響花紋塊裝配，或造成花紋塊與胎側(cè)板

分模線錯位

2 模套相對機臺定位尺寸 K

+0.2

+0.1

0.20 定位部位機臺如腐蝕或受壓變形，導(dǎo)致尺寸偏大，影

響上蓋底座同軸度

3 上蓋、底座與側(cè)板定位（外）尺寸 I

-0.05

-0.15

-0.15 定位部位機臺腐蝕損傷，導(dǎo)致尺寸偏小，影響上下胎

側(cè)板同軸度

4 預(yù)載荷 λ ±0.10 ±0.20

模擬硫化機 10T 壓力下根據(jù)新模套規(guī)格大小與預(yù)加載

標(biāo)準檢測調(diào)整，實際應(yīng)用中因中套、底座耐磨板的磨

損，導(dǎo)致預(yù)載荷發(fā)生變化而減少或出現(xiàn)負值

5 中套圓度 ≤0.05 0.10 中套機臺受異物干涉損傷變形而橢圓，造成花紋塊裝

配對接面錯位或花紋塊與胎側(cè)板配合面出現(xiàn)間隙

6 中套耐磨板圓錐半角 ±0.05° 0.10°

中套耐磨板圓錐半角偏磨增大或損傷，造成花紋塊與

胎側(cè)板配合面局部出現(xiàn)間隙或花紋塊間的對接面出現(xiàn)

錯位

7 上蓋端面平面度 ≤0.05 0.10

上蓋端面機臺受熱板中凸和較大合模力壓迫易向下不

同程度凸出鍋變型，直接影響上側(cè)板貼合，而造成上

胎側(cè)板與花紋塊分模線錯位或上鋼圈與上胎側(cè)板錯位

或出現(xiàn)間隙

8 底座端面平面度 ≤0.05 0.10 底座端面如機臺受壓變形損傷，影響下胎側(cè)板貼合，

導(dǎo)致下胎側(cè)板與花紋塊分模線錯位

9 底座耐磨板（與弓形座底面接觸）

平面度 ≤0.05 0.10 底座耐磨板受力較大且不均勻磨損，造成花紋塊與胎

側(cè)板分模線錯位或花紋塊間對接面軸向錯位

說明 ：①公差為各部件設(shè)計加工的尺寸或形位誤差范圍 ；

②允差為各部件使用后其尺寸或形位精度值劣化后相對原設(shè)計加工公差可接受的最大或最小值 ；

③以上精度各公司因自身工藝、設(shè)備等情況不一而要求不同，模具廠也無法統(tǒng)一標(biāo)準。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準，結(jié)合實際應(yīng)用，本文為分

析問題，特列出活絡(luò)模加工使用的主要常檢精度。

1.1.2 型腔結(jié)構(gòu)及主要精度情況說明

圖 3 型腔結(jié)構(gòu)示意圖

型腔結(jié)構(gòu)（見圖 3），由花紋塊、上胎側(cè)板、下胎側(cè)板、上鋼圈、下鋼圈等零部件組成。為便于裝

90

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配以及減小熱慣性，節(jié)省冷?；蝾A(yù)熱時間，花紋塊常常采用鋁合金整圈或單片鑄造，前者鑄件經(jīng)數(shù)控

機床加工后分割成八塊，再修整拼接成花紋圈 ；后者鑄件，一塊塊經(jīng)數(shù)控機床加工后，再拼接成花紋

圈?？紤]到花紋塊在硫化過程中的熱膨脹，拼接而成的花紋圈（見圖 4），花紋塊與花紋塊之間在冷加

工過程中必須留有合適的間隙。然其總間隙受材質(zhì)與工藝不同的影響，各模具廠的控制標(biāo)準都會有差

別。不論采用哪種鑄造加工方式，鋁花紋圈的胎肩、胎頂位置的圓跳動，目前仍只能分別按≤ 0.20、

≤ 0.15 的公差進行控制。在實際裝配使用過程中，型腔加工使用常檢精度見表 3。

圖 4 鋁花紋圈外觀圖

表 3 活絡(luò)模型腔主要常檢精度表

序號 項目內(nèi)容 代號 公差 允差 影響活絡(luò)模組裝精度等因素

1 花紋塊背面紐帶定位

面的平行度

≤ 0.05 0.05 鋁花紋塊背面紐帶定位面如機臺受壓變形、磨損或損傷，影響花紋塊裝

配，或造成花紋塊與胎側(cè)板分模線錯位

2 花紋塊與側(cè)板配合面

直徑

A

+0.05

0

0.10

花紋塊與胎側(cè)板配合面由于合模狀況下受力不勻，砂洗或清膠垢不當(dāng)?shù)?/p>

因素，導(dǎo)致磨損加劇，直徑非規(guī)則增大，造成花紋塊與側(cè)板配合面局部

出現(xiàn)間隙，花紋圈總間隙減少，易出現(xiàn)胎面輪廓上小下大或上大下?。◣?/p>

錐度）的不對稱現(xiàn)象

3 花紋塊模口寬度 4

0

-0.10

0.10

花紋塊?？谑苌跋?、冰洗磨損，轉(zhuǎn)運或裝配碰傷修磨等影響，寬度不規(guī)

則增大，易導(dǎo)致花紋塊與胎側(cè)板分模線局部錯位，而輪胎胎冠斷面寬尺

寸相應(yīng)增大

4 花紋塊與花紋塊配合

面的平面度

≤ 0.05 0.05

花紋塊與花紋塊對接面在硫化狀態(tài)下，因受力不均勻或硬度偏低而粘接，

夾到異物損傷、砂洗或轉(zhuǎn)運存儲不當(dāng)?shù)纫蛩?，平面度劣化，?dǎo)致花塊與

花塊對接面粗糙易積存雜質(zhì)或在合模狀況下出現(xiàn)間隙而跑膠邊

5

高檔或配套胎整圈鋁

花紋塊胎頂圓跳動

≤ 0.15 0.25 花紋塊胎頂因機臺受壓變形、硫化過程腐蝕、砂洗、冰洗磨損等影響，

圓跳動增大，導(dǎo)致輪胎 RRO 增大、徑向力波動或 RFV 8H 幅值增大

6 胎側(cè)板與花紋塊配合

直徑

F

+0.05

0

-0.05

側(cè)板與花塊配合面受機臺異物壓傷，砂洗或清膠垢不當(dāng)?shù)扔绊?，直徑?/p>

規(guī)則減少，精度劣化，造成胎側(cè)板與花紋塊配合面局部出現(xiàn)間隙，合模

狀況下花紋圈總間隙減少，易出現(xiàn)胎面輪廓上小下大或上大下?。◣уF

度）的不對稱現(xiàn)象

7

胎側(cè)板上分模線至背

面高度

6

0

-0.10

-0.20 受機臺異物壓傷、砂洗磨損等影響，側(cè)板上分模線至背面高度不規(guī)則降

低，精度劣化，造成胎側(cè)板與花紋塊分模線錯位

8

胎側(cè)板與模套定位

（內(nèi)）尺寸

E

+0.15

+0.05

+0.15 定位部位如腐蝕、變形，影響胎側(cè)板裝配及與模套上蓋、底座的同軸度

9

下鋼圈與胎側(cè)板著合

直徑

H

+0.10

+0.03

+0.03 受膠囊更換過程損傷、機臺腐蝕、夾到異物、保養(yǎng)不當(dāng)?shù)扔绊?，下鋼?/p>

與側(cè)板著合直徑不規(guī)則減少，造成下鋼圈與下胎側(cè)板配合錯位或出現(xiàn)間隙

10

下鋼圈與側(cè)板曲面輪

廓度

≤ 0.05 0.10 受機臺腐蝕、變形損傷而維修及保養(yǎng)不當(dāng)?shù)扔绊?，下鋼圈與側(cè)板曲面輪

廓度精度劣化，影響輪胎下胎側(cè)輪輞子口部位密封而存在慢漏氣風(fēng)險

說明 ：①公差、允差說明與表二說明一致 ；

②胎側(cè)板與模套定位分內(nèi) - 外或外 - 內(nèi)兩種定位方式，本表胎側(cè)板對應(yīng)模套上蓋、底板外定位而錄入內(nèi)定位方式 ；

③本表中花紋塊精度專指精鑄鋁花紋塊。

鄒濤·降低活絡(luò)模對轎車子午線輪胎均勻性影響的技術(shù)研究

91

1.2 活絡(luò)模組裝精度對輪胎均勻性的主要影響及分析

單一品牌規(guī)格花紋型腔適裝模套按照標(biāo)準驗收成套使用，活絡(luò)模（見圖 5）對于輪胎質(zhì)量的影響

較小。而國內(nèi)大多數(shù)輪胎企業(yè)為多品牌、同規(guī)格不同花紋、同花紋不同規(guī)格、不同模具廠生產(chǎn)的側(cè)板、

花紋塊、型腔與模套交織搭配使用并可能適裝不同類型的硫化機，因模具廠設(shè)計加工標(biāo)準受諸多因素

的制約而難以統(tǒng)一，以致特殊性多，互換性較差，活絡(luò)模組裝問題相對較多（老舊模具尤甚），其精

度的變化特別是對高性能輪胎均勻性的影響及分析見表 4。

圖 5 活絡(luò)模裝配圖

表 4 活絡(luò)模組裝主要精度檢查表

序號 項目內(nèi)容 代號 公差 允差 影響輪胎均勻性因素分析

1 花紋塊間對接面

錯位量

5

徑向

≤ 0.05 0.05

整副花紋圈中 8 個花紋塊對接面，由于相關(guān)組件精度等因素，塊與

塊之間可能存在不同程度的徑向、軸向（偏上、偏下）錯位。這個

量的非對稱性分布客觀上影響輪胎徑向力或側(cè)向力（軸向錯位）的

變化。徑向錯位偏大，將導(dǎo)致輪胎 RFV 8H 振幅增大。 軸向

2 花紋塊與上胎側(cè)

板分模線錯位量

1

偏上

≤ 0.05 0.20

花紋塊與上胎側(cè)板配合，如模套上蓋中凸而鍋變形，平面度偏大，

造成上胎側(cè)板與上蓋貼不平，其分模線存在不同程度偏上或偏下錯

位（俗稱打側(cè)）；另如預(yù)載荷偏大，也會造成花紋塊與上胎側(cè)板裝

配上胎側(cè)板分模線向上偏移錯位。這兩種情況的錯位量偏大并同花

紋塊與下胎側(cè)板配合分模線錯位量不對稱的話，均會影響輪胎側(cè)向

力波動與錐度的變化。 偏下

3 花紋塊與下胎側(cè)

板分模線錯位量

2

偏上

≤ 0.05 0.20

花紋塊與下側(cè)板配合，由于活絡(luò)模底座與弓形座接觸的摩擦面耐磨

板的不均勻磨損，或底座平面度偏大且與下胎側(cè)板貼不平，花紋塊

?？谙路帜＞€磨損或損傷等因素，其分模線存在不同程度偏上或偏

下錯位（俗稱打側(cè)）。這個量偏大并同花紋塊與上側(cè)板配合分模線

錯位量不對稱的話，可能影響輪胎側(cè)向力波動及錐度的變化。

偏下

4 花紋塊與上胎側(cè)

板配合間隙

3 <0.02 0.03

整副花紋圈中 8 個花紋塊與上、下胎側(cè)板配合，如上蓋、底板同軸

度、平行度偏差，中套圓度偏差，中套耐磨板偏磨等因素影響，導(dǎo)

致花紋塊與胎側(cè)板配合面接觸點偏小而存在不同程度間隙。這個間

隙易積存雜質(zhì)或跑膠邊。影響輪胎側(cè)向力波動及錐度的變化。如果

花紋塊與上下胎側(cè)板配合間隙較大，會造成徑向力增大 5

花紋塊與下側(cè)板

配合間隙

4 <0.02 0.03

92

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序號 項目內(nèi)容 代號 公差 允差 影響輪胎均勻性因素分析

6 花紋塊間對接面

間隙

6 ≤ 0.02 0.02

整副花紋圈中 8 個花紋塊對接間隙需調(diào)整均勻，以避免熱漲后間隙

偏小的接觸面受擠壓粘接，導(dǎo)致其平面度劣化而易積存雜質(zhì) ；間

隙偏大的接觸面不同程度跑膠邊，造成輪胎徑向力變化或 RFV 8H

振幅增大

7 花紋圈總間隙 0

-0.10

0.10

花紋圈總間隙偏大，8 個花紋塊對接面間隙可能部分或全部跑膠邊，

導(dǎo)致輪胎徑向力及 RFV 8H 振幅增大 ；花紋圈總間隙受花紋塊與

胎側(cè)板配合直徑磨損影響而偏小，花紋塊與胎側(cè)板配合面因熱膨脹

而出現(xiàn)間隙并跑膠邊，主要影響輪胎徑向力變化。

8 預(yù)載荷 λ

+0.2

0

+0.2

0

型腔適裝模套，預(yù)載荷盡可能上模擬硫化機按鋁模與不同規(guī)格模套

對應(yīng)標(biāo)準檢測，以減少活絡(luò)模適裝硫化機壓鉛絲后的調(diào)整量。至于

預(yù)加載的精準檢測與調(diào)整以及對輪胎均勻性的影響，在活絡(luò)模適裝

硫化機的精度章節(jié)分析

說明 ：1. 活絡(luò)模組裝前，按照模套、型腔設(shè)計加工使用主要常檢精度優(yōu)先排查修整，有利于其組裝精度的高效檢測與調(diào)整 ；

2. 活絡(luò)模組裝后上模擬硫化機，預(yù)載荷在 20T 壓力下檢測為宜 ；

3. 其余與表 3 說明點相同。

2 活絡(luò)模適裝硫化機的精度存在的主要問題及分析

活絡(luò)模適裝硫化機（見圖 6），受硫化機特別是機械式硫化機相關(guān)精度變化的影響，其使用精度劣化，

導(dǎo)致輪胎胎面或胎側(cè)等分型線位置可能產(chǎn)生各種類型不同程度的錯位、膠邊，或胎面偏中心 , 胎面輪

廓上大下小或上小下大等產(chǎn)品缺陷。為此需要對硫化機相關(guān)精度進行檢測、調(diào)整并標(biāo)定，或者計劃檢

修并恢復(fù)，以滿足活絡(luò)模適裝硫化機相關(guān)使用精度要求?；罱j(luò)模適裝硫化機使用精度變化而影響輪胎

均勻性問題及分析見表 5。

圖 6 活絡(luò)模適裝硫化機裝配圖

續(xù)表

鄒濤·降低活絡(luò)模對轎車子午線輪胎均勻性影響的技術(shù)研究

93

表 5 活絡(luò)模適裝硫化機的主要精度檢查表

序號 項目內(nèi)容 公差 允差 活絡(luò)模適裝硫化機的精度影響輪胎均勻性分析

1

上熱板平

面度 ≤0.10 0.15

受硫化機上壓板結(jié)構(gòu)剛性偏弱變形、合模力偏大、活絡(luò)模預(yù)加載長期過大等影響，上熱

板易累積中凸而發(fā)生不同程度的鍋變形，中套與上熱板連接后，導(dǎo)致作用在各弓形座上

壓力不均，加之上蓋與底座的同軸度超差，故而花紋塊與側(cè)板的配合精度劣化，造成花

紋塊與側(cè)板以及花紋塊間配合處積存雜質(zhì)或跑膠邊，花紋塊與上胎側(cè)板分模線出現(xiàn)錯位

或花紋塊間的對接面出現(xiàn)軸向錯位。因上熱板鍋變形與中套貼合不平而影響活絡(luò)模使用

精度劣化，輪胎上胎肩與胎面各分模線或花紋塊間對接部位出現(xiàn)不同程度的錯位或膠邊

缺陷，會引起輪胎徑向力、側(cè)向力、錐度或 RFV 8H 等均勻性指標(biāo)發(fā)生變化。

2

下熱板平

面度 ≤0.10 0.15

受小規(guī)格換大規(guī)格活絡(luò)模，下熱板與模套底座接觸部分存在雜質(zhì)沒有清理干凈、合模力

長期偏大、壓到異物變形等影響，下熱板易累積周邊凹陷而出現(xiàn)不同程度的變形，底座

與下熱板連接固定而貼合不平，上下熱板平行度超差。作用在各弓形座上壓力的水平、

垂直方向分力不均 ：前者導(dǎo)致花紋塊與胎側(cè)板配合面積存雜質(zhì)，或花紋塊間的對接面出

現(xiàn)徑向錯位 ；后者造成中套和底座耐磨板不均勻磨損，花紋塊與下胎側(cè)板分模線錯位或

花紋塊間的對接面出現(xiàn)軸向錯位。因下熱板不規(guī)則變形而影響活絡(luò)模使用精度劣化，輪

胎胎肩、胎面各分模線部位出現(xiàn)不同程度的錯位等缺陷，會引起輪胎徑向力、側(cè)向力或

RFV 8H 等均勻性指標(biāo)的變化。

3

上下熱板

平行度（工

裝檢測法）

≤0.05 0.05

傳統(tǒng)的上下熱板平行度新機臺安裝檢查一般采用壓鉛法，但隨著硫化機較長周期使用，

該精度隨著相關(guān)零部件的磨損、變形等因素的影響而不同程度的劣化，按多大許用值檢

測判斷各輪胎企業(yè)標(biāo)準可能不同。實際換模過程中應(yīng)用工裝檢測法（相關(guān)情況于后續(xù)技

術(shù)方案中說明）按偏差量 ≤0.05 檢測調(diào)整，實現(xiàn)上下熱板與模套接觸面在合模狀況下的

相對平行而應(yīng)對。上下熱板平行度超標(biāo)偏大，作用在活絡(luò)模各弓形座上的壓力水平、垂

直方向分力不均。前者易造成花紋塊與側(cè)板接觸不良而積存雜質(zhì)或跑膠邊，或花紋塊間

（豎縫）出現(xiàn)錯位 ；后者會加劇中套、底座耐磨板不均勻磨損，導(dǎo)致活絡(luò)?；y塊與側(cè)板

分模線出現(xiàn)錯位或預(yù)載荷變化。因上下熱板平行度偏大而影響活絡(luò)模使用精度劣化，造

成輪胎胎肩、胎面各分模線部位出現(xiàn)不同程度的錯位或膠邊等缺陷，會引起輪胎徑向力、

側(cè)向力、錐度或 RFV 8H 等均勻性指標(biāo)的變化。

4

上下熱板

的同軸度 ≤Φ0.5 Φ0.5

上下熱板同軸度偏大，導(dǎo)致活絡(luò)?；y塊與側(cè)板配合精度劣化，可能造成有的花紋塊與

側(cè)板接觸面貼合較松存在間隙積存雜質(zhì)或跑膠邊 ；而有的花紋塊與側(cè)板接觸面貼合較緊

而出現(xiàn)粘鋁且損傷鋁花紋塊接觸面的現(xiàn)象。因上下熱板同軸度偏大而影響活絡(luò)模上下側(cè)

板與花紋塊配合精度劣化，造成輪胎胎面厚薄不均（偏中心），胎側(cè)分模線位置局部出現(xiàn)

膠邊等缺陷。會影響輪胎徑向力、RFV 8H、側(cè)向力等均勻性指標(biāo)的變化。

5

中心機構(gòu)

活塞桿與

水缸活塞

桿同軸度

≤Φ1.0 Φ2.0

中心機構(gòu)活塞桿與水缸活塞桿同軸度偏大，膠囊充氣膨脹在合模狀況下，其上夾盤受力

偏心，導(dǎo)致膠囊偏心擠壓胎坯而導(dǎo)致輪胎厚薄不均。該缺陷影響輪胎徑向力波動特別是

RFV 8H 振幅增大。

6 預(yù)載荷

+0.1

0

+0.1

0

活絡(luò)模適裝硫化機，先前組裝后檢測的預(yù)載荷值，考慮到上熱板不同程度的鍋變形量，

需通過硫化機合模壓鉛，再根據(jù)不同規(guī)格模套預(yù)載荷標(biāo)準，計算預(yù)載荷值并確定加墊調(diào)

整位置。如果預(yù)載荷過大，易造成花紋塊與上側(cè)板分模線錯位而輪胎胎側(cè)分模線位置出

現(xiàn)錯位缺陷（也是造成上熱板鍋變形的因素之一）；預(yù)載荷偏小，可導(dǎo)致花紋塊與側(cè)板配

合間隙增大而輪胎胎側(cè)分模線部位出現(xiàn)膠邊缺陷。前缺陷會影響輪胎側(cè)向力波動、錐度

的變化，后缺陷主要造成輪胎徑向力波動

7 合模力 ≤100kN 100kN

合模力調(diào)整以熱態(tài)值為準，左右模合模力公差 ≤50KN。合模力偏大，影響硫化機、活絡(luò)

模相關(guān)零部件的磨損、變形而導(dǎo)致活絡(luò)模使用精度劣化 ；合模力偏小，導(dǎo)致輪胎胎側(cè)與

胎面分型線處或胎面各?？p處出現(xiàn)膠邊或錯位缺陷。將影響輪胎徑向力、RFV 8H、或

側(cè)向力等均勻性指標(biāo)的變化。

說明 ：①新硫化機或上下熱板平面度、平行度等精度檢測數(shù)據(jù)在標(biāo)準范圍并錄入信息化系統(tǒng)識別，活絡(luò)模組裝預(yù)載荷在模擬硫化機上

檢測直接按標(biāo)準計算調(diào)整即可，不需要機臺壓鉛 ；

②活絡(luò)模機臺壓鉛，需在冷態(tài)合模力左右調(diào)整相等條件下，把鉛絲放在上蓋偏中套方向前后左右 4 個位置上進行，讀數(shù)取平均值；

③機械式硫化機左右模合模力調(diào)整盡可能相等 ；

④硫化機上下熱板平行度、上下熱板平面度、上下熱板同軸度相互關(guān)聯(lián)影響，檢測時需根據(jù)具體數(shù)據(jù)情況綜合分析判斷其對

活絡(luò)模精度及輪胎均勻性的影響程度 ；

⑤差、允差說明與表二說明一致。

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2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術(shù)、裝備與市場高峰論壇

3 硫化機合模膠囊定型壓力存在的主要問題及分析

硫化機膠囊 ( 見圖 7) 通過上托盤與上夾盤、下鋼圈與下夾盤夾持并安裝到中心機構(gòu)上通過銅套定

位、夾環(huán)固定。當(dāng)機械手轉(zhuǎn)進機臺安裝胎坯，膠囊內(nèi)充氮氣，到機械手上升轉(zhuǎn)出，對胎坯進行一次定型，

合模到暫停位置，轉(zhuǎn)對胎坯進行二次定型（氮氣壓力增加），當(dāng)?shù)竭_完全合模瞬間，因花紋筋、鋼片

等嵌入胎面膠中，定型壓力達到最大值。

圖 7 膠囊夾盤結(jié)構(gòu)圖

膠囊一次定型、二次定型壓力，因工藝不同，其調(diào)整范圍各輪胎企業(yè)的標(biāo)準存在差異。硫化生產(chǎn)中，

特別是二次定型壓力的調(diào)整，受新?lián)Q膠囊較易出現(xiàn)質(zhì)量問題的影響，定型壓力常按上限或超上限標(biāo)準

調(diào)整，合模瞬間膠囊定型峰點壓力增大 : 一是造成胎坯受膠囊膨脹定型而周長增加，其膠料被先擠入

花紋塊與側(cè)板或花紋塊間的接觸面積存雜質(zhì)或跑膠邊 ；二是導(dǎo)致胎坯在硫化膠囊膨脹定型擠壓并經(jīng)一

定時間高溫、高壓硫化過程中，輪胎胎面圓周方向在 8 條豎縫處應(yīng)力出現(xiàn)集中，造成 RFV 8H 幅值增大；

三是可能爆膠囊，造成廢品胎。

4 技術(shù)改進方案

活絡(luò)模使用精度受多重因素的疊加影響而變化，通過上述分析，可從下面三方面制定措施，以提

高輪胎的均勻性水平，方案主要內(nèi)容如下 ：

4.1 提高活絡(luò)模組裝精度

（1）制定活絡(luò)模設(shè)計加工驗收使用等系列標(biāo)準，現(xiàn)有模具按標(biāo)準整合，整合不了的報廢，提高其

互換性。

（2）活絡(luò)模組裝前，按照裝配規(guī)程，對模套、型腔常檢精度進行檢測，視情調(diào)整或恢復(fù)原加工精

度要求。

（3）活絡(luò)模組裝過程中，保證 8 塊花紋塊對接面間隙均勻，花紋塊與弓形座螺栓連接力度適中，

按要求在各摩擦副接觸面涂抹耐高溫氟素潤滑脂（涂抹前注意清潔質(zhì)量），確保弓形座在熱態(tài)合模過

程中能夠沿圓周方向微量位移而改善花紋塊間接觸面的受力狀況，同時減少各耐磨板磨損，有利于活

絡(luò)模裝配精度的長周期維持。

（4）型腔適裝模套后（特別是生產(chǎn)高性能規(guī)格輪胎的），將活絡(luò)模吊入模擬硫化機（見圖 8）按標(biāo)

準施加一定的壓力，并依據(jù)項目進行相應(yīng)精度檢測與調(diào)整。

鄒濤·降低活絡(luò)模對轎車子午線輪胎均勻性影響的技術(shù)研究

95

圖 8 模擬硫化機示意圖

a. 預(yù)載荷的檢測、計算與調(diào)整

模擬硫化機上檢測的活絡(luò)模預(yù)載荷數(shù)據(jù)，按照標(biāo)準計算調(diào)整墊厚度偏大或偏小，其處理及調(diào)整的

方式各異?；罱j(luò)模適裝硫化機受硫化機熱板精度變化等影響，還需壓鉛檢測計算與精調(diào)（新硫化機或

上下熱板平面度、平行度等精度檢測在合格范圍的另當(dāng)別論）。

b. 間隙檢測

鉆入模擬硫化機下面的坑道里，用塞尺對以下部位間隙進行檢測 ：①花紋塊與胎側(cè)板配合面（也

稱環(huán)縫部位）間隙 ；②花紋塊與花紋塊對接面（也稱豎縫部位）間隙 ；③花紋圈的總間隙（8 條豎縫

間隙之和）。

c. 錯位量檢測

在模擬硫化機下面的坑道里，用樣板、塞尺對以下部位的錯位量進行檢測 ：①花紋塊與上胎側(cè)板

分模線錯位量 ；②花紋塊與下胎側(cè)板分模線錯位量 ；③ 花紋塊與花紋塊對接面（8 條豎縫）錯位量。

根據(jù)模擬硫化機上各項目檢測數(shù)據(jù)，按照規(guī)程調(diào)整不了的，拆模處理后組裝，再行檢測直至合格，

以保證活絡(luò)模裝配精度能夠達到輪胎外觀質(zhì)量標(biāo)準等方面的要求。

4.2 提高活絡(luò)模適裝硫化機的精度

(1) 制定標(biāo)準并定期對硫化機（機械式或液壓式）影響活絡(luò)模裝配使用工藝要求的主要精度進行

檢測與維護，包括對機械手抓胎對中、后充氣卡盤裝配位置等精度進行周期性的檢測調(diào)整與維護。對

于超標(biāo)較大的項目精度，計劃安排檢修處理并恢復(fù)。

(2) 一種硫化機熱板位置精度檢測工裝（見圖 9），已獲中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的“實

用新型專利證書”，專利號 ：ZL 2019 2 2171964.3。應(yīng)用本發(fā)明主要針對硫化機長周期生產(chǎn)，上下

熱板位置精度變化，不能滿足活絡(luò)模安裝工藝條件的實際情況，利用換?；蛴媱澗S修機會，對其進行

快速檢測與調(diào)整或計劃修復(fù)并達成精度標(biāo)準要求。

圖 9 熱板位置精度檢測工裝示意圖

96

2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術(shù)、裝備與市場高峰論壇

a. 上下熱板同軸度檢測與調(diào)整

硫化機原規(guī)格活絡(luò)模拆卸后，裝入檢測工裝，下熱板定位環(huán)上套入檢測座，百分表打上熱板內(nèi)徑

表面，轉(zhuǎn)動一圈讀數(shù)，視精度情況進行調(diào)整直至合格。

b. 中心機構(gòu)活塞桿與水缸活塞桿同軸度的檢測與調(diào)整

中心機構(gòu)活塞桿上套入檢測座，百分表打水缸活塞桿表面，轉(zhuǎn)動一圈讀數(shù)，視精度情況進行調(diào)整

直至合格。

c. 上下熱板平行度的檢測與調(diào)整

拆除以上檢測同軸度裝置，按規(guī)程調(diào)整硫化機合模力并使左右噸位表相等。合模后各傳感器受力，

數(shù)字表顯示其合模力數(shù)據(jù)，視數(shù)據(jù)變化情況按精度公差進行調(diào)整直至合格。

(3) 活絡(luò)模預(yù)載荷的精準檢測與調(diào)整。拆除以上工裝，將活絡(luò)模分別叉入硫化機左右工位對正，

在上蓋板靠中套內(nèi)圓方向相應(yīng)位置放入鉛絲，硫化機合模，測量鉛絲厚度。參考上蓋板的平面度偏差，

計算活絡(luò)模預(yù)載荷，在中套鑲環(huán)或上蓋上端面相應(yīng)位置增減墊調(diào)整。

(4) 合模力的調(diào)整?；罱j(luò)模適裝硫化機連接固定后，合模力按冷態(tài)標(biāo)準值預(yù)調(diào)整，最終以熱態(tài)值

為準。檢查開合模情況是否正常，活絡(luò)模升溫硫化首檢后，視產(chǎn)品外觀質(zhì)量情況，可適當(dāng)調(diào)整合模力值，

以不出膠邊為宜。

4.3 降低合模膠囊定型壓力峰值

4.3.1 膠囊的安裝與定型壓力的調(diào)整

（1） 膠囊通過夾盤連接后適裝中心機構(gòu)，按硫化條件要求調(diào)整定型高度和拉升高度。將膠囊預(yù)先

充分膨脹，檢查排除其不均勻及偏心等缺陷。

（2） 按硫化工藝標(biāo)準，調(diào)整一次、二次定型壓力。新膠囊如果出現(xiàn)窩氣等工藝問題，二次定型壓

力按上限并參考合模膠囊定型峰點壓力合理調(diào)整。

4.3.2 單向閥孔板內(nèi)徑的選用

（1） 二次定型壓力調(diào)高，合模膠囊定型峰點壓力增高，輪胎 RFV 8H 變化增大的話，可適當(dāng)增大

硫化機定型排管道的單向閥孔板內(nèi)徑，減少過壓持續(xù)時間及合模時膠囊擠壓胎面膠嵌入花紋筋、片而

產(chǎn)生的壓力峰值，以減少胎坯在活絡(luò)模型腔中經(jīng)硫化后輪胎圓周方向 8 條豎縫處的應(yīng)力集中。

（2）增大硫化機定型排管道的單向閥孔板內(nèi)徑，客觀上會增加能耗的損失。實際硫化過程中，應(yīng)

排除其它方面的影響因素而謹慎選用。新膠囊定型壓力如按高限或超高限標(biāo)準調(diào)整，使用一定次數(shù)后，

應(yīng)盡快將其調(diào)到合理范圍。硫化機規(guī)格結(jié)束，換新規(guī)格花紋模具時，根據(jù)信息化系統(tǒng)大數(shù)據(jù)情況識別

而合理選用定型排管道單向閥孔板內(nèi)徑為宜。

活絡(luò)模在較長周期的硫化過程中，受各方面因素的影響，使用精度發(fā)生變化，造成輪胎均勻性指

標(biāo)特別是 RFV8H 偏大。排除部件、成型等工序或存儲方式及其硫化機機械手對中、后充氣卡盤位置精

度等因素后，根據(jù)該輪胎規(guī)格 RFV8H 指標(biāo)要求，可合理增大單向閥孔板內(nèi)徑而解決。如果效果仍不太

理想，必須下模對活絡(luò)模精度、活絡(luò)模適裝硫化機的精度進行檢測標(biāo)定，直到問題排除。

5 實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

以 215/55R18 規(guī)格輪胎為例，活絡(luò)模適裝液壓硫化機生產(chǎn)，輪胎 RFV8H 合格率為 40.53%。排除部件、

成型等工序問題，對產(chǎn)品外觀、活絡(luò)模適裝硫化機的精度、膠囊定型壓力等項目進行檢測，具體情況

見表 6 ～表 8。

表 6 輪胎外觀分型線位置缺陷檢查表

輪胎模具安

裝部位

缺陷名稱

錯位 膠邊

上胎肩 下胎肩 胎面花塊對接縫 下輪輞止口 上胎肩 下胎肩 胎面花塊對接縫 下輪輞止口

左模 輕微 無 2 處輕微 無 無 無 1 處輕微 無

右模 輕微 無 2 處輕微 無 無 無 2 處輕微 無

說明

①輪胎下胎肩分型位無明顯錯位、膠邊缺陷，上胎肩分型位左右模都輕微錯位，花紋塊與側(cè)板配合面積存不均勻雜質(zhì) ；

②胎面花紋塊對接縫除左模 3（相對于機臺模具零位排列）、5，右模 4、6 位置有 0.11 以下錯位外，其余手感不明顯 ；

③胎面花紋塊對接縫除左模 3，右模 4、6 位置有 4（高）×0.2（厚）以下膠邊封槽缺陷外，其余位置無膠邊。

鄒濤·降低活絡(luò)模對轎車子午線輪胎均勻性影響的技術(shù)研究

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表 7 活絡(luò)模適裝硫化機的精度檢查表

表 8 膠囊定型壓力檢查表

針對以上項目的檢測結(jié)果，按標(biāo)準調(diào)整硫化機上下熱板同軸度，平行度精度?；匮b活絡(luò)模，將中

套耐磨板與弓形座錐面、導(dǎo)向條耐磨板與中套耐磨板接觸面補涂高溫氟素潤滑脂。擰松花紋塊與弓形

座連接螺絲，機臺走活均分花紋塊間隙，再用六角匙扳手將其固緊。預(yù)載荷、合模力維持檢測結(jié)果不變。

膠囊定型壓力按標(biāo)準調(diào)整，硫化機定型排管的單向閥孔板內(nèi)徑改為 Φ6，左右合模膠囊定型峰值

壓力分別降低到 0.12MPa、0.13MPa。

輪胎均勻性徑向力波動調(diào)整前后合格率情況見表 9。

表 9 輪胎徑向力波動指標(biāo)調(diào)整前后對照表

RFV（N） RFV H1(N) RFV H8(N) 檢驗量（條） RFV H 8 合格量（條） RFV H 8

合格率（%）

調(diào)整后 84.95 45.39 6.20 95 94 98.95

調(diào)整前 94.53 42.11 18.54 264 107 40.53

同比 -9.58 3.28 -12.33 58.42

說明 RFV H8≤17N 為合格

多種輪胎規(guī)格批量生產(chǎn)表明，通過活絡(luò)模組裝精度、活絡(luò)模適裝硫化機的精度、合模膠囊定型峰

點壓力的預(yù)先精準檢測與合理調(diào)整，對于降低輪胎 RFV H8 幅值作用顯著，輪胎均勻性合格率及優(yōu)級

品率明顯提高。

6 結(jié)束語

活絡(luò)模組裝精度、活絡(luò)模適裝硫化機的精度、以及合模膠囊定型峰點壓力的精準檢測與合理調(diào)整

技術(shù)，能有效解決硫化生產(chǎn)過程輪胎 RFV 8H 幅值偏高的難題并較大幅度提高輪胎均勻性合格品率與

優(yōu)級品率的水平。該項目的開發(fā)與應(yīng)用，對支持國家“碳達峰、碳中和”宏偉戰(zhàn)略目標(biāo)實施，提升輪

胎民族品牌價值，助力主機廠及廣大用戶提高車輛乘坐的舒適性，且降低車輛油耗及輪胎的日常損耗，

并延長車輛的使用壽命，具有比較重要的經(jīng)濟作用與長遠的戰(zhàn)略意義。

序號 項目內(nèi)容 實測值

1 上熱板平面度 左 0.48 右 0.55

2 下熱板平面度 左 0.15 右 0.18

3 上下熱板平行度（工裝檢測法） 左 0.28 右 0.35

4 上下熱板的同軸度 左 0.61 右 0.73

5 中心機構(gòu)活塞桿與水缸活塞桿同軸度 Φ1.3

6 預(yù)加載 左 0.50 右 0.60

7 合模力 左 1300kN 右 1300kN

說明

①查活絡(luò)模組裝檢測記錄 , 主要相關(guān)精度在合格范圍之內(nèi) ；

②查硫化機前后、左右機械手對中、后充氣卡盤安裝位置等精度檢測記錄，均在合格范圍之內(nèi) ；

③硫化機上熱板平面度偏大，與中套接觸區(qū)域變形量不均勻，作用在各弓形座錐面上的合模壓力不均 ；

④上下熱板平行度、同軸度偏大。

序號 定型壓力（MPa）

1 一次定型 二次定型 合模定型壓力峰值

2 左 0.07 右 0.07 左 0.11 右 0.12 左 0.18 右 0.19

說明 ①定型壓力偏高，導(dǎo)致合模定型壓力峰值偏高 ；

②硫化機定型排管道的單向閥孔板內(nèi)徑 Φ 4。

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2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術(shù)、裝備與市場高峰論壇

參考文獻 ：

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[2] 中華人民共和國化工行業(yè)標(biāo)準 HG/T 3227.1-2009 輪胎外胎模具第 1 部分 ：活絡(luò)模具 .

[3] 萬力輪胎股份有限公司企業(yè)標(biāo)準 Q/GHL45-2016《汽車半鋼子午線輪胎活絡(luò)模具設(shè)計加工精度要求與檢驗標(biāo)準》.

[4] 中華人民共和國國家標(biāo)準 GB/T13579-2017 輪胎定型硫化機 .

[5] 徐海平，杭柏林，姜永典 . 轎車子午線輪胎徑向力波動八次諧波的影響及改進措施 . 輪胎工業(yè)，2009,29(09).

王超群，等·子午線航空輪胎圓形鋼絲圈的應(yīng)用選型

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0 引言

隨著國家對子午線航空輪胎“卡脖子”類科技攻關(guān)項目的研發(fā)越來越重視，航空輪胎的結(jié)構(gòu)設(shè)計

日益精細，正在逐步進入現(xiàn)代化設(shè)計階段。目前，計算機輔助設(shè)計 CAD 技術(shù)、ABAQUS 有限元分析技

術(shù)被廣泛應(yīng)用起來，但是國內(nèi)航空輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計分析技術(shù)的實際水平，主要方法還是反復(fù)驗證試驗方

案，在試驗中獲取最佳應(yīng)用效果。

在國內(nèi)，航空輪胎研發(fā)和制造企業(yè)的技術(shù)力量分散，技術(shù)研發(fā)和設(shè)計水平與國外航空輪胎龍頭企

業(yè)仍存在差距，急需建立一套航空輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論與研究方法，這也是我國航空輪胎技術(shù)領(lǐng)域最

迫切的任務(wù)。

在航空輪胎的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，鋼絲圈是承受載荷的主要構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的應(yīng)力分析也屬于變形引

起的幾何非線性分析，因此，前期的設(shè)計理論研究更加重要。

1 子午線航空輪胎圓形鋼絲圈的應(yīng)用

目前，輪胎使用的鋼絲圈類型，從成型后的截面形狀可分為正六邊形、斜六邊形、斜七邊形、矩形、

圓形鋼絲圈等。多邊形鋼絲圈成型工藝相對簡單，纏繞過程中單根鋼絲覆膠后在纏繞盤設(shè)計溝槽中自

下而上盤繞成型，截面呈現(xiàn)不同的多邊形形狀。單根鋼絲覆膠可增強整體力學(xué)性能，根與根之間排列

成線性結(jié)構(gòu)，但每層鋼絲之間為分離狀態(tài)，鋼絲圈應(yīng)力變化集中，多使用在汽車、工程機械車輛和斜

交航空輪胎中。

1.1 圓形鋼絲圈結(jié)構(gòu)

圓形截面鋼絲圈分為鋼絲圈芯和外纏鋼絲，鋼絲圈芯稍粗，對焊后呈圓柱環(huán)狀。根據(jù)不同規(guī)格，

外纏鋼絲分成多層，第一層鋼絲緊貼鋼絲圈芯依次相鄰排列，直至該層排滿。第二層纏繞與第一層的

鋼絲排布方向相反，緊貼第一層鋼絲圓周表面，依次相鄰排滿完成第二層纏繞，依此類推第三層、第

四層等等，[1] 如圖 1。

圖 1 圓形鋼絲圈排布形式示意圖

1.2 圓形截面鋼絲圈纏繞參數(shù)

鋼絲圈纏繞參數(shù)的選取，主要包括：鋼絲圈芯直徑、鋼絲直徑、纏繞導(dǎo)程數(shù)、纏繞層數(shù)、單層根數(shù)、

纏繞角等，其選取結(jié)果可形成圓形鋼絲圈不同規(guī)格和不同鋼絲排布規(guī)律。

子午線航空輪胎圓形鋼絲圈的應(yīng)用選型

王超群，吳洪全，齊立平，魏愛龍

（青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，山東 青島 266400）

100

2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術(shù)、裝備與市場高峰論壇

圓形鋼絲圈纏繞過程可表述為 ：鋼絲圈芯繞其軸線 OZ 在 XOY 平面內(nèi)圓周運動和鋼絲沿鋼絲圈芯

軸向的往復(fù)曲線運動（即在 XOZ 平面內(nèi)環(huán)繞鋼絲圈芯的圓周運動）耦合而成的螺旋運動 , 如圖 2、圖 3。

圖 2 完成一個導(dǎo)程纏繞， 圖 3 完成第 1 層纏繞，鋼絲排布示意圖，

鋼絲圈芯旋轉(zhuǎn)角度 α β 為相鄰鋼絲截面角度

在纏繞過程中，鋼絲圈芯在 XOY 平面內(nèi)旋轉(zhuǎn) 1 周，鋼絲剛好在 XOZ 平面內(nèi)完成 N 個導(dǎo)程的螺旋

纏繞，而鋼絲每纏繞 1 個導(dǎo)程，鋼絲旋轉(zhuǎn)為 1 周多一點的角度，完成 N 個導(dǎo)程后才能保證鋼絲尾部與

該層鋼絲頭部相接。在一層纏繞完成后，出現(xiàn)一個鋼絲首尾相連接點，并安裝銅套連接。[1]

經(jīng)過推算，纏繞過程的纏繞參數(shù)關(guān)系式 ：

α= （1）

θ=360° + （2）

α—鋼絲纏繞 1 個導(dǎo)程，鋼絲圈芯旋轉(zhuǎn)的角度 ；

N—該層鋼絲纏繞導(dǎo)程數(shù) ；

θ—鋼絲纏繞 1 個導(dǎo)程，鋼絲繞鋼絲圈芯軸向旋轉(zhuǎn)的角度 ；

M—該層纏完后截面內(nèi)纏繞鋼絲根數(shù)。

公式（1）、（2）是圓形鋼絲圈纏繞機參數(shù)方程，我們要成型如圖 3 所示的第一層外纏鋼絲，導(dǎo)程

設(shè)定 N=6（導(dǎo)程設(shè)定數(shù)值越大，鋼絲應(yīng)力增大且不均勻，導(dǎo)程數(shù)偏小力學(xué)性能越好，但導(dǎo)程過小會

導(dǎo)致鋼絲之間呈分離狀態(tài)，航空輪胎圓形鋼絲圈一般取值 5 ～ 8），圖中 M=13, 即可得出 α=60°，θ=

364° 36′ 55″，根據(jù)以上參數(shù)，設(shè)定好纏繞方向，圓形鋼絲圈纏繞機可纏繞如圖 3 所示第一層外纏

鋼絲，并能夠自動裁切、接頭。第二層、第三層依此類推。

1.3 圓形鋼絲圈力學(xué)性能

圓形鋼絲圈受力形式主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，且 70% 以上載荷來自充氣壓力，尤其在航空輪胎著陸過

程中，沖擊載荷使輪胎產(chǎn)生 30% ～ 50% 的變形，輪胎內(nèi)壓強增大，鋼絲圈承受拉應(yīng)力成倍增加。

采用有限元分析方法可以充分驗證，圓形鋼絲圈截面內(nèi)應(yīng)力分布呈同心圓環(huán)狀，從內(nèi)層鋼絲圈芯向

最外層鋼絲應(yīng)力分布逐漸增大，且受力最大部位在胎圈與輪輞接觸處。但比較六角形鋼絲圈受力性能，

圓形鋼絲圈及其底部膠料應(yīng)力變化率小于六角形鋼絲圈，無明顯應(yīng)力集中點，結(jié)構(gòu)受力更趨優(yōu)化 [2]。

2 圓形鋼絲圈選型

目前，國家還沒有圓形鋼絲圈標(biāo)準規(guī)定，GB/T 14450—2016《胎圈用鋼絲》規(guī)定了汽車胎圈用回

火鋼絲的分類代號、尺寸、外形、重量、訂貨內(nèi)容、試驗方法、檢驗規(guī)則等。本文引用德國奧托·庫

爾曼汽車系統(tǒng)零部件有限公司生產(chǎn)的部分常用規(guī)格的圓形截面鋼絲圈。如下表 ：

王超群，等·子午線航空輪胎圓形鋼絲圈的應(yīng)用選型

101

表 1 部分常用規(guī)格圓形鋼絲圈

序號 規(guī)格 最小理論破斷力 KN 直徑 mm

1 1×5+（13+19+25）×1.5 196.95 14.00

2 1×3+（7+13+20）×2 239.34 15.00

3 1×5+（10+16+22）×2 290.36 17.00

4 1×6+（11+17+23）×2 311.50 18.00

5 1×6+（11+17+23）×2.2 375.00 19.20

6 1×5+（11+17+23+29）×1.8 393.26 19.40

7 1×5+（10+16+22+28）×2 459.20 21.00

8 1×6+（11+17+23+30）×2 492.40 22.00

9 1×5+（10+16+22+28）×2.2 554.45 22.60

10 1×5+（11+17+23+29+35）×1.8 564.41 23.00

11 1×5+（13+19+25+31+37+41）×1.5 570.17 23.00

12 1×6+（11+17+23+29+35）×2 697.42 26.00

2.1 圓形鋼絲圈芯、鋼絲選材

鋼絲圈芯、外纏鋼絲都選用高強度優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，高溫回火處理。鋼絲表面鍍低錫青銅或高錫

青銅，鍍層厚度控制在 0.12±0.07mm，出廠規(guī)定直徑 1mm 鋼絲與膠粘合力不小于 685N。鋼絲圈芯

要求具有好的焊接性能和抗腐蝕性能，特選用 C9D 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，碳含量約為 0.09%，抗拉強度在

590% ～ 610MPa，伸長率在 11.8% ～ 13.6% ；外纏鋼絲特選用 C82D，碳含量約為 0.82%，抗拉強度在

2050% ～ 2500MPa，伸長率在 6.0% ～ 6.7%。

采用特選材質(zhì)鋼絲圈芯和外纏鋼絲，提高了鋼絲圈的強度和抗疲勞特性，并且還具有高的屈強比，

對于優(yōu)化輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要意義。

2.2 圓形鋼絲圈設(shè)計選型

參照《橡膠工業(yè)手冊》第四分冊 ( 輪胎 ) 有關(guān)航空輪胎章節(jié)，對于子午線航空輪胎，目前采用靜

態(tài)安全倍數(shù)的設(shè)計方法，其強力安全倍數(shù)選取不低于 5 倍。[3]

（3）

TZ——充氣內(nèi)壓作用下，輪胎鋼絲圈所受應(yīng)力， kN

P0——輪胎充氣內(nèi)壓，kPa ；

F——輪胎橫截面的內(nèi)輪廓面積，cm2 ；

dL——輪輞直徑，cm ；

b——兩胎趾的距離，cm。

PD=Sx.σ x+∑Fd.σ b （4）

PD——鋼絲圈名義破斷拉力，N

Sx——鋼絲圈芯橫截面面積，mm2 ；

σ x——鋼絲圈芯的名義抗拉強度，這里取值 600MPa ；

∑Fd ——外纏鋼絲橫截面鋼絲面積之和，mm2 ；

σ b——外纏鋼絲的名義抗拉強度，這里取值 2100MPa ；

Ns=

PD

TZ ≥ 5 （5）

NS——靜態(tài)安全倍數(shù)。

公式（4）中 PD 取值為理論值，實際圓形鋼絲圈的斷裂載荷受多種因素影響。根據(jù)公式（4）計

算出來的斷裂載荷通常要比表 1 中最低限度的理論斷裂載荷大 0 ～ 12%，這其中包括如下因素 ：

圓形鋼絲圈的外纏鋼絲在空間呈螺旋軌跡，各層鋼絲層間形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，徑向力傳遞在同層

間以擠壓形式傳遞，相鄰層間鋼絲作用力以空間網(wǎng)格形式傳遞。相同材料鋼絲圈，纏繞導(dǎo)程直接影響

102

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鋼絲圈力學(xué)性能，導(dǎo)程數(shù)越大鋼絲圈應(yīng)力分布越不均勻且應(yīng)力分布高，導(dǎo)程越小（捻距越大）鋼絲圈

力學(xué)性能越好。圖 2 中，鋼絲在 A 點纏繞方向投影到鋼絲圈芯中心面與此處鋼絲圈芯中軸線切線夾角

λ 由導(dǎo)程數(shù)決定，導(dǎo)程數(shù)越大，夾角 λ 越大，鋼絲受力不均勻，影響到整個鋼絲圈的破斷力。

公式（4）中鋼絲圈芯名義抗拉強度 σ x、外纏鋼絲的名義抗拉強度 σ b，廠商供貨均值達分別達到

610MPa、2200MPa 以上，這里的取值偏小，對計算結(jié)果有一定影響。

鋼絲圈芯承受總破斷力一般不超過 5%，其接頭采用現(xiàn)行對焊工藝，接頭拉伸強度性能下降 10% 左

右 ；各層鋼絲都有一個銅套接頭，雖然對鋼絲圈整體性能影響很小，制造工藝決定其客觀存在。

圓形鋼絲圈外纏鋼絲表面鍍錫青銅在輪胎硫化過程中加強了與橡膠材料的粘合，從硫化后的產(chǎn)品

來看，橡膠材料已經(jīng)滲入次外層甚至更深，在一定程度上優(yōu)化了了鋼絲圈整體力學(xué)性能。

靜態(tài)安全倍數(shù)設(shè)計只采用內(nèi)壓張力計算圓形鋼絲圈強度，航空輪胎在使用過程中不僅受內(nèi)壓，還

包括扭矩產(chǎn)生的張力和高速狀態(tài)下的離心力，這是屬于動態(tài)承載安全倍數(shù)的范疇。用 ND 代表子午線

航空輪胎圓形鋼絲圈動態(tài)承載安全倍數(shù)，對于重載和條件苛刻的（轉(zhuǎn)矩大）的汽車輪胎，鋼絲圈設(shè)計

動態(tài)承載安全倍數(shù)大于 2.3[6]. 航空輪胎在此方面還沒有文獻論述，還需要我們持續(xù)探討。

PD

FD

ND= （6）

ND——動態(tài)承載安全倍數(shù)

FD——航空輪胎以實際負荷充氣內(nèi)壓、扭轉(zhuǎn)力矩、離心力產(chǎn)生的綜合力

因為圓形鋼絲圈復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特性，要想精準確定鋼絲圈的破斷力，需要在特制的鋼絲圈破斷試驗

機上進行測試，這只是采取漲伸方法的單一測試。在國內(nèi)，多數(shù)圓形鋼絲圈生產(chǎn)廠家都是單根鋼絲進

行破斷力理論計算，還有廠家改制工裝，在 60T 以上的雙向拉伸試驗機上進行測試，數(shù)據(jù)誤差較大。

對圓形鋼絲圈特制破斷設(shè)備，國內(nèi)暫沒有相關(guān)報道。目前，我們還是按照《橡膠工業(yè)手冊》( 輪胎 )

有關(guān)航空輪胎部分章節(jié)，計算靜態(tài)安全承載倍數(shù)。

我們以設(shè)計某規(guī)格子午線航空輪胎為例 ：已知，標(biāo)準充氣內(nèi)壓 1530kPa，設(shè)計橫截面內(nèi)輪廓面積

828.35cm2

輪輞直徑 20 吋，即 50.8cm，兩胎趾之間距離 23.0cm，計算該規(guī)格子午線航空輪胎鋼絲

圈所受應(yīng)力 108.06kN, 設(shè)計鋼絲圈選型不低于 5 倍安全倍數(shù)，即 540.3kN，按照表 1，初選序號為

8、9 的鋼絲圈破斷力接近，利用公式（4）驗證，鋼絲圈強度值分別為 ：544.48kN, 618.16kN, 計

算結(jié)果比表 1 中最低限度理論破斷力偏大 10% 左右，與以上理論分析一致。前者鋼絲圈滿足理論破

斷力，但最低限度理論破斷力強度稍弱，后者兩項都滿足不小于 5 倍的安全系數(shù)。本著減輕重量，優(yōu)

化結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，我們參照國外同型號輪胎設(shè)計標(biāo)準，重新設(shè)計選型鋼絲圈規(guī)格 ：1×5+12×1.5+

（21+27+32+37+43）×1.4 ，利用公式（4）驗算鋼絲圈強度 573.25N, 超出設(shè)計要求 6.1%，滿足設(shè)

計要求。同時，按照鋼絲圈內(nèi)徑 528.5mm 計算，鋼絲圈理論重量 3.89kg，較序號 9 鋼絲圈理論重量

4.19kg，輕 0.3kg，每條輪胎減重 0.6kg，效果非常顯著。

為保證鋼絲圈供貨達到性能要求，在提供鋼絲圈采購標(biāo)準時，可規(guī)定同一采購批次產(chǎn)品強度變化

范圍不能超過 200MPa，同時規(guī)定最低抗拉強度 ：鋼絲圈芯抗拉強度不小于 600MPa，外圈鋼絲不小于

2100MPa ；兩種鋼絲材質(zhì)斷裂總延伸率不小于 5%，屈強比應(yīng)大于 85%[4]。

2.3 選型驗證

以設(shè)計某規(guī)格軍用子午線航空輪胎為例 ：已知，標(biāo)準充氣內(nèi)壓 882kPa，設(shè)計橫截面內(nèi)輪廓面積

1145.0cm2

，輪輞直徑 20 吋，即 50.8cm，兩胎趾之間距離 28.0cm，計算該規(guī)格子午線航空輪胎鋼絲

圈所受應(yīng)力 81.86kN, 設(shè)計鋼絲圈選型不低于 5 倍安全倍數(shù)，即 409.4kN，按照表 1，初選序號為 5、

6 的鋼絲圈型號，利用公式（4）驗證，鋼絲圈強度值分別為 ：423.87kN,439.07kN, 均滿足最小限

度理論破斷力和理論破斷力不小于 5 倍的安全系數(shù)，滿足鋼絲圈強度設(shè)計需求。本著航空胎減重原則，

我們選擇序號為 5 的鋼絲圈，型號為 ：1×6+（11+17+23）×2.2 經(jīng)過設(shè)計選型的鋼絲圈，試制子午

線航空輪胎，按照航空輪胎 GBT9747—2008 《航空輪胎試驗方法》和 GBJ108B—98《軍用航空輪胎試

驗方法》，經(jīng)過如下試驗驗證 [6] ：

王超群，等·子午線航空輪胎圓形鋼絲圈的應(yīng)用選型

103

（1）水壓爆破試驗

抽取 5 條航空輪胎，使用爆破試驗機進行水壓爆破試驗，驗證是否滿足爆破壓力大于 4 倍標(biāo)準內(nèi)

壓的性能要求。實測爆破壓力 4230 ～ 4650kPa 不等，達到標(biāo)準內(nèi)壓 950kPa 的 4.5 ～ 4.9 倍，滿足

設(shè)計要求。爆破部位都是胎肩，鋼絲圈完好無損，鋼絲圈強度滿足設(shè)計要求。

（2）耐久試驗

使用耐久性能試驗機，模擬航空輪胎滑行、耐久試驗，實驗數(shù)據(jù)全部達標(biāo)，鋼絲圈無變形、損壞，

鋼絲圈性能滿足設(shè)計要求。

（3）動態(tài)模擬試驗

動態(tài)模擬試驗方法包括 ：95 次正?；小痫w、5 次超載滑行—起飛、95 次正常著陸—滑行、5

次超載著陸—滑行試驗 ；5 次野戰(zhàn)機場滑行—起飛、5 次野戰(zhàn)機場著陸—滑行試驗 ；1 次 2.0 倍超載高

速起飛試驗等。

試制航空輪胎采用 TestingService GmbH （德國亞琛測試服務(wù)有限公司）動態(tài)模擬試驗機進行模

擬輪胎在跑道上的各種操作情況。經(jīng)過試驗，試驗結(jié)果滿足 CAAC（中國民航總局）頒布的技術(shù)標(biāo)準要

求，同時通過航空輪胎國軍標(biāo) GJB 測試性能技術(shù)要求。進一步論證圓形鋼絲圈選型完全滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)語

目前，高性能子午線航空輪胎已普遍采用圓形截面鋼絲圈。在國內(nèi)，只有如江蘇興達鋼簾線股份

有限公司等寥寥數(shù)家能夠生產(chǎn)圓形鋼絲圈，生產(chǎn)圓形鋼絲圈的設(shè)備工裝還主要依賴進口。哈爾濱工大

宏圖橡塑科技有限公司與哈工大聯(lián)合開發(fā)圓形鋼絲圈生產(chǎn)設(shè)備，可生產(chǎn)各種規(guī)格尺寸圓形鋼絲圈，供

應(yīng)國內(nèi)航空輪胎生產(chǎn)、研制企業(yè)。

圓形截面鋼絲圈高抗拉強度、無受力集中特性，對優(yōu)化子午線航空輪胎的結(jié)構(gòu)受力、減輕了輪胎

重量具有關(guān)鍵性的作用。但圓形鋼絲圈結(jié)構(gòu)受力分析還需要持續(xù)研究和探索，尤其在動態(tài)承載的情況

下，研究探索空間仍然很大。

在國內(nèi)，隨著航空輪胎關(guān)鍵項目的逐步突破，批量化生產(chǎn)航空輪胎急需配套圓形鋼絲圈大量供應(yīng)，

專用設(shè)備的生產(chǎn)能力為參與此方面技術(shù)攻關(guān)的設(shè)備供應(yīng)廠家提供了銷售平臺。

參考文獻 ：

[1] 劉旭峰 . 航空輪胎圓形截面鋼絲圈纏繞機結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真 [J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文，10-19.

[2] 趙延林 . 全鋼載重子午線輪胎六角形鋼絲圈與圓形鋼絲圈結(jié)構(gòu)性能對比 [J]. 輪胎工業(yè)，2015(1):25-28.

[3] 梁守智等 , 橡膠工業(yè)手冊 , 第四分冊 ( 輪胎 ) [M]. 北京 . 化學(xué)工業(yè)出版社 ,1989 ：300.

[4] 中國國家標(biāo)準化管理委員會 . 胎圈用鋼絲 :GB/T 14450-2016[S]. 北京 : 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局 ,2016:3-5.

[5] 劉伯忠，李德新，唐海龍，等 . 輪胎鋼絲圈動態(tài)承載安全倍數(shù)研究 [J]. 輪胎工業(yè) 2019(11):P699-700.

[6] 齊立平，周士峰，王超群，等 . 子午線航空輪胎成型工藝 [P]. 中國 :CN202010558934.2,2020-09-18.

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2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術(shù)、裝備與市場高峰論壇

0 概述

子午線航空輪胎帶束層承載由內(nèi)壓引起的初始應(yīng)力值約占到 60% ～ 70%，是航空輪胎的主要受力

部件。在航空輪胎由斜交系列更新?lián)Q代為子午線系列過程中，帶束層的設(shè)計運用，是一個劃時代的變革，

帶來了結(jié)構(gòu)設(shè)計受力的優(yōu)化完善和整體材料分布更趨合理，同時，結(jié)合 ABAQUS 等有限元分析軟件的

應(yīng)用，提出了子午線航空輪胎多樣化的結(jié)構(gòu)輪廓設(shè)計。

根據(jù)輪胎最佳滾動輪廓理論（RCOT）, 帶束層簾線的承載的內(nèi)壓應(yīng)力在整個寬度范圍內(nèi)并不均等，

呈現(xiàn)出中間部位最大、邊部位置最小，且與輪胎中心面對稱分布等特點。為防止航空輪胎徑向伸張過大，

帶束層要有足夠的剛性，還要具有優(yōu)越的高速性能、與橡膠良好的粘合性能以及耐疲勞特性。帶束層

設(shè)計是子午線航空輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵核心，包括帶束層選材、箍緊系數(shù)、帶束層結(jié)構(gòu)、帶束層強度

計算等方面的內(nèi)容。

1 纏繞帶束層的性能及選材

常見的載重或轎車子午線輪胎帶束層采用多層鋼絲簾線，或者鋼絲簾線、尼龍簾線、芳綸簾線中

的一種或多種簾線交錯層貼而成。早期的子午線航空輪胎帶束層多采用尼龍、芳綸等一種或多種混合

纖維簾布層貼工藝方法，近幾年，在國內(nèi)，一種新型的纏繞帶束層結(jié)構(gòu)代表了子午線航空輪胎帶束層

結(jié)構(gòu)設(shè)計的先進技術(shù)，其合理的部件承受應(yīng)力分布曲線、突出的耐高速安全性能，較層貼法帶束層具

有不可比擬的優(yōu)越性。經(jīng)過試驗驗證，采用纏繞編織帶束層取代普通層貼式帶束層結(jié)構(gòu)，在耐久性能、

高速性能方面提升 14% 以上。

纏繞帶束層結(jié)構(gòu)分布如圖 1，位于胎體簾線上部、波紋保護層下方。

圖 1 纏繞帶束層結(jié)構(gòu)分布圖

子午線航空輪胎纏繞帶束層結(jié)構(gòu)設(shè)計

王超群，齊立平，魏愛龍

（青島雙星輪胎工業(yè)有限公司，青島 266400）

王超群，等·子午線航空輪胎纏繞帶束層結(jié)構(gòu)設(shè)計

105

子午線航空輪胎纏繞帶束層與載重、轎車子午線輪胎層貼式帶束層同樣主要承載輪胎周向應(yīng)力，

為了加強帶束層對輪胎的緊箍作用，充氣外緣尺寸膨脹值與帶束層骨架材料有直接關(guān)系，對簾線的性

能要求如下 [1] ：

(1) 帶束層緊箍輪胎胎體，承載較大的拉伸周向應(yīng)力，因此帶束層簾線必須具有高強度、高模量、

定伸變形小特性。

(2) 多層結(jié)構(gòu)的帶束層與橡膠的粘合水平會直接影響到子午線航空輪胎的使用性能和壽命，因此

帶束層簾線與橡膠的粘合性能要好。

(3) 子午線航空輪胎的帶束層周期性地承受拉伸、彎曲、剪切等變形，帶束層簾線必須具有良好

的耐疲勞性能。

子午線航空輪胎帶束層適合選用尼龍簾線、芳綸 / 尼龍復(fù)合簾線、芳綸簾線、聚酮簾線等，其中

芳綸 / 尼龍復(fù)合簾線是重要選項之一。尼龍簾線存在拉伸強度、張力模數(shù)偏低 ；芳綸簾線具有高強度、

高模量、低密度、耐高溫等性能特點，但芳綸纖維具有明顯缺陷就是抗壓縮變形差，抗扭轉(zhuǎn)性能差，

不耐加捻，捻度越大，強度損失越大，同時，芳綸和橡膠粘合性能需要大大提高。

芳綸 / 尼龍復(fù)合簾線，是一種耐疲勞性能優(yōu)異并可以改善滲膠性能的帶束層簾線，采用較細的單

絲直徑，可以保證在覆膠量不變的前提下，使帶束條擠出厚度更薄，膠料用量更省，滿足航空輪胎輕

量化設(shè)計要求。復(fù)合簾線的經(jīng)線由對位芳綸初捻絲與尼龍復(fù)捻絲混捻而成，前者的線密度大于后者的

線密度，差異性線密度搭配，具有加捻效果，比單一材料更好的綜合性能。芳綸 / 尼龍復(fù)合簾線表面

摩擦系數(shù)大，與橡膠粘合性能良好，是子午線航空輪胎骨架材料的重要選材。

聚酮纖維在各方面表現(xiàn)優(yōu)異，適合作為子午線航空輪胎帶束層骨架材料。聚酮纖維簾線目前在國

內(nèi)處于試制驗證階段，相關(guān)試驗數(shù)據(jù)還不夠完善，沒有形成批量化生產(chǎn)，但其優(yōu)越的綜合性能是替代

芳綸用于帶束層的理想骨架材料。

2 纏繞帶束層的生產(chǎn)工藝

子午線航空輪胎使用上述綜合性能優(yōu)越的纖維簾線作帶束層骨架材料，由 5 ～ 8 根簾線經(jīng)整齊排

列，擠出法覆膠生產(chǎn)出寬度 10 ～ 12mm 的帶束條，再由成型機上配套專用自動纏繞裝置單條多圈“S”

形螺旋纏繞形成環(huán)形網(wǎng)狀帶束層組合件。

2.1 帶束條擠出工藝

帶束條擠出法生產(chǎn)工藝主要包括線輥錠子架安裝、整形排線工位、銷釘機筒冷喂料擠出機膠料擠

出、機頭內(nèi)排線板 / 口型板覆膠、冷卻 / 牽引、存儲、卷取等工藝控制過程。

擠出法獲得帶束條的工藝流程如圖 2 所示。

圖 2 帶束條擠出工藝流程

2.2 帶束條纏繞工藝

帶束條纏繞由航空輪胎成型機上專用自動纏繞裝置完成 ：自動纏繞裝置包括儲料機構(gòu)、張力調(diào)節(jié)

機構(gòu)、纏繞頭進給機構(gòu)、纏繞頭平移機構(gòu)、千層輥壓料機構(gòu)等。進給機構(gòu)將纏繞頭平移機構(gòu)、千層輥

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2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術(shù)、裝備與市場高峰論壇

壓料機構(gòu)推向帶束鼓鼓面并壓緊帶束條 ；平移機構(gòu)驅(qū)動纏繞頭沿帶束鼓軸向方向左右平移。自動纏繞

裝置利用纏繞頭左右平移和帶束鼓順時針勻速旋轉(zhuǎn)的組合軌跡來完成“S”形纏繞效果，在帶束條纏

繞左右端部換向過程中，平移驅(qū)動機構(gòu)通過改變速度大小來控制拐彎弧度和高度，保證 1 組 2 層纏繞

拐彎平穩(wěn)過渡，外觀平整，盡量減小帶束層端部重疊現(xiàn)象，更好地優(yōu)化帶束層承載應(yīng)力分布。

子午線航空輪胎帶束層連續(xù)纏繞成型方法，是將一條１0 ～ 12mm 寬的擠出法獲得的覆膠帶束條，

沿順時針旋轉(zhuǎn)帶束鼓周向、并按一定的纏繞角度的連續(xù)纏繞過程。當(dāng)纏繞帶束條纏繞至帶束層左右端

部時，平移機構(gòu)轉(zhuǎn)向折返，端部形成弧狀纏繞軌跡 ；當(dāng)纏繞帶束條在此部位纏繞下一圈時，帶束條與

上圈纏繞的帶束條平行排列并緊密貼合，遇到上一圈折返的帶束條時，跨過上一圈折返帶束條直至帶

束層端部后再折返，從而完成“S”形纏繞效果。這種沒有接頭的帶束條連續(xù)纏繞成型的多層帶束層

組合件，骨架材料圓周分布均勻、避免了層貼法帶束層簾線端頭與膠料之間剝離的產(chǎn)生，能提高航空

輪胎帶束層的穩(wěn)定性、高速性、耐疲勞性。

帶束條纏繞的工藝流程如圖 3 所示。

圖 3 帶束條纏繞工藝流程

帶束層結(jié)構(gòu)具有通過在帶束鼓周向上螺旋狀纏繞拉伸強度為 600N/ 根或更大的非伸張且高彈性的

纖維簾線形成的螺旋纏繞層。纏繞層組數(shù)為 2 ～ 5 組不等，1 組纏繞周期有 2 層，共計 4 ～ 10 層。纏

繞帶束層轉(zhuǎn)換纏繞周期時采用逐層遞減寬度、等差級、半重疊的纏繞方式組合在一起，其簾線角度與

輪胎周向成 10°～ 25°不等，多組疊加形成整體環(huán)形網(wǎng)狀帶束層組合件 [4]。纏繞過程中帶束條排布

如圖 4。

圖 4 帶束條鼓上纏繞展開及局部放大圖

王超群，等·子午線航空輪胎纏繞帶束層結(jié)構(gòu)設(shè)計

107

2.3 纏繞帶束層工藝性能

傳統(tǒng)的航空輪胎胎體帶束層成型方法是將一定角度的全寬度的簾布沿輪胎周向包裹到胎體層上，

每塊帶束層之間形成搭接，搭接接頭控制不到位會影響到輪胎的靜平衡差度。新型帶束層成型方法是

將擠出法生產(chǎn)的帶束條沿輪胎周向并于輪胎中心面呈一定角度螺旋纏繞到胎體層上，纏繞式無接頭帶

束條組成整體環(huán)形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)帶束層，安全強度顯著提升。

新型擠出法生產(chǎn)的帶束條比較壓延法分裁而成的帶束條，經(jīng)纏繞所制成的航空輪胎，相關(guān)物理性

能測試結(jié)果表明 ：簾布層間以及與其他膠部件粘著強度結(jié)合更加緊密。經(jīng)激光無損檢測，沒發(fā)現(xiàn)任何

微小氣泡，從而解決纏繞帶束層密實性不足、高速行駛條件下航空輪胎肩部和冠部生熱脫層問題。

單條多圈“S”形復(fù)雜曲線纏繞形成的環(huán)形網(wǎng)狀帶束層結(jié)構(gòu)對胎體、胎冠部具有緊箍作用，有效解決

了胎體膨脹的問題，可大大降低航空輪胎冠部的離心力，能滿足航空輪胎高負荷，超高速的性能要求。

3 纏繞帶束層的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 纏繞帶束層的主要參數(shù)

纏繞帶束層的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)包括簾線角度、密度、纏繞方式、層數(shù)等多方面，其結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)劣直

接影響航空輪胎的耐磨、安全、高速等使用性能。

圖 5 帶束條纏繞示意圖

將纏繞帶束鼓鼓面展開，帶束條中心線代表帶束條，帶束條的寬度 d 可表示為兩平行相鄰帶束條

中心線間距。將帶束條描述成 1 條直線、纏繞平移 1 個往復(fù)，鼓旋轉(zhuǎn) 1 周后的簡化效果，同時，在纏

繞過程中，帶束鼓勻速順時針旋轉(zhuǎn)，纏繞 1 周后的實際跨距 S 比鼓周長 L 有一正增量 Δ，且 S 剛好是

增量 Δ 偶數(shù)倍，才能保證鼓面上的帶束條較上 1 周此處的帶束條向前推進 Δ 增量，從而確保帶束條順

次、并排纏繞下去，并最后完成 1 組 2 層帶束條且交叉完全鋪滿帶束鼓鼓面的纏繞工作，纏繞過程如

圖 5 所示。依次類推，再進行第 2 組、第 3 組、第 4 組等等帶束條纏繞。[5]

108

2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術(shù)、裝備與市場高峰論壇

圖 6 帶束條纏繞原理分析圖

帶束條在帶束鼓上旋轉(zhuǎn) 1 周，平移纏繞進行 1 個往復(fù)有 ：

tgα01=2W/S （1）

帶束條在帶束鼓上旋轉(zhuǎn) 1 周，平移纏繞進行 2 個往復(fù)有 ：

tgθα02=4W/S （2）

α01、α02——帶束條的纏繞角度° ；

W——帶束條纏繞寬度 mm ；

S——纏繞 1 周帶束條跨距 mm ；

Δ=S-L

Δ——纏繞 1 周跨距正增量 mm ；

我們分析 1 周 1 個往復(fù)情況 ：

由 tgα0=2W/（L+Δ） （3）

Δ=d/sinα0 （4）

（3）、（4）式中 W、L、d 已知，可求出 Δ、α0 值

在實際纏繞過程中，纏繞角度 α 不變，平移纏繞頭拐角處理成圓弧狀，纏繞寬度放大為虛擬寬度 W′，

相應(yīng) S 放大為 S′ 如圖 6 所示 ：

實際纏繞過程纏繞角度不變，有 tgα0=2 W′/ S′

S′=L+Δ′Δ′-- 實際纏繞 1 周跨距增量 mm ； （5）

由 n′= S/Δ 取小于 n′ 的偶數(shù)，初步確定 n 值，

由 n= S′/Δ′ （6）

n-- 纏繞時帶束鼓旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，取偶數(shù)

由（5）、（6）式，得出 Δ′

由上式可以推導(dǎo)出 ：

S′= nL

n-1 （7）

王超群，等·子午線航空輪胎纏繞帶束層結(jié)構(gòu)設(shè)計

109

W′= nLtanao

2(n-1) （8）

設(shè) ω= ，且纏繞頭拐彎過程速度大小不變，方向改變

可推導(dǎo)出 ：R= （9）

進一步確定 S′、W′、ω、R 等值。

3.2 纏繞帶束層的寬度確定及性能分析

子午線航空輪胎的帶束層寬度設(shè)計暫無相關(guān)國內(nèi)標(biāo)準可以借鑒，可參照汽車子午線輪胎帶束層相

關(guān)參數(shù)進行選取，設(shè)計時重點關(guān)注航空輪胎高速性能磨肩問題、帶束層脫空現(xiàn)象。帶束層寬度 B 與行

駛面寬度 B′之比取值范圍為 0.94 ～ 1.05。纏繞帶束層在端部存在拐點重疊現(xiàn)象、造成每組帶束層

兩側(cè)端部不同程度的隆起，隆起高度和圓弧段長度有關(guān)，長度越大，重疊程度越大，隆起高度越高，

此部位是帶束條纏繞重點控制的工藝環(huán)節(jié)，每組帶束層端部控制隆起高度在 1 ～ 2mm，隆起寬度在

8 ～ 10mm。因此，在設(shè)計每組帶束層寬度時，依次與下一層的差級遞減為 15 ～ 20mm, 最上面帶束層

可設(shè)計纏繞帶束層組，也可設(shè)計 1 ～ 2 層層貼帶束層過渡，寬度為最寬帶束層的 50% 以上，如圖 7。

圖 7 纏繞完成帶束層截面示意圖

經(jīng)過相關(guān)試驗仿真計算驗證，在一定范圍內(nèi)，帶束層寬度的增加，子午線航空輪胎徑向剛性、橫

向剛性、扭轉(zhuǎn)剛性均隨著寬度的增加，呈上升趨勢。航空輪胎的徑向剛性直接影響到飛機起落架降落

緩沖性能、擺振穩(wěn)定性能 ；側(cè)向剛性直接影響機輪動態(tài)側(cè)偏特性，對高速滑跑飛機的操縱穩(wěn)定性有較

大影響。[6]

3.3 纏繞帶束層的角度確定及性能分析

纏繞帶束層簾線角度的取值，既要考慮到帶束層承受大部分周向應(yīng)力，對胎體的箍緊作用，又要

考慮下層胎體層和上層波紋保護層的層間應(yīng)力過渡。經(jīng)論證，對已經(jīng)確定子午線航空輪胎纏繞帶束層

寬度的，在選定直徑帶束鼓上纏繞其帶束層纏繞角度 α 可以通過計算獲得。對子午線航空輪胎來說，

帶束層纏繞角度在旋轉(zhuǎn)帶束鼓 1 個圓周上，纏繞頭平移 1 個往復(fù)，其纏繞帶束層角度為 9 ～ 15° ；在

旋轉(zhuǎn)帶束鼓 1 個圓周上，纏繞頭平移 2 個往復(fù)，其纏繞帶束層角度為 20 ～ 25°，這與不同規(guī)格航空

輪胎帶束鼓周長 L、纏繞增量 Δ、帶束層纏繞寬度 W 等參數(shù)有關(guān)系。

在多組纏繞帶束層設(shè)計過程中，第一纏繞組可設(shè)計成較大纏繞角度，以便與胎體層保持較好的層

間應(yīng)力過渡，最上層帶束層也可設(shè)計成較大角度層貼法帶束層，以便與波紋保護層保持好層間應(yīng)力過

渡。

經(jīng)過相關(guān)試驗仿真計算驗證，在一定范圍內(nèi)，帶束層角度的增加，子午線航空輪胎徑向剛性、橫

向剛性、縱向剛性隨著角度的增加，呈下降趨勢，而扭轉(zhuǎn)剛性隨角度的增加，呈上升趨勢。[6]

對于同規(guī)格航空輪胎，在一定范圍內(nèi)，帶束層角度的增加，帶束層的箍緊因素變小，在充氣的過

程中，航空輪胎徑向伸張較大，橫向伸張較小，徑向變形比橫向變形大 ；同時，下沉量變大，同樣負

荷下胎體承受的應(yīng)力變小。隨著帶束層角度的增加，帶束層安全倍數(shù)減小、對航空輪胎的高速性能有

增加的趨勢 [7]。

3.4 纏繞帶束層的簾線線徑和密度確定及性能分析

110

2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術(shù)、裝備與市場高峰論壇

纏繞帶束層設(shè)計既要考慮確保航空輪胎足夠的強度安全倍數(shù)，又需考慮帶束層之間、帶束層與胎

體層間等部位具有 50% 及以上的含膠量，保證足夠粘合力。

纏繞帶束層是通過擠出帶束條進行纏繞的方法獲取，帶束條線密度根據(jù)擠出過程中的簾線排布數(shù)

量、線徑和間距、口型板尺寸和覆膠量確定，同時要考慮簾線的強度以及帶束層所受應(yīng)力。一般而言，

為保證工藝執(zhí)行效率，纏繞第 1 組 ( 過渡層 ) 與第 2、3 組 ( 工作層，或還有 1 ～ 2 組 ) 的簾線采用

相同密度擠出帶束條，最外 1 組 ( 保護層 ) 的簾線密度若采用擠出帶束條方法纏繞，與前幾組簾線密

度相同 ；若采用層貼法，要保證與上層翻新基部膠具有良好的附著力，保護層的簾線密度不宜太大，

可設(shè)計簾線密度較前幾組稀疏。

通過研究發(fā)現(xiàn)，使用線徑大且密度大的簾線制備的航空輪胎，除了重量不易控制之外，會給航空

輪胎的高速性能帶來不良影響。在確定簾線總強度的符合設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，盡量選擇線徑和密度都

合適的簾線，這其中牽涉到簾線之間的橡膠厚度、帶束條層間的橡膠厚度在高速接地滾動變形過程中，

帶束層端部產(chǎn)生較大的剪切應(yīng)力致使帶束層線間和層間橡膠發(fā)熱和變形，導(dǎo)致帶束層脫層。[8]

3.5 纏繞帶束層層數(shù)確定及強度分析

子午線航空輪胎帶束層采用技術(shù)先進的纏繞方式，纏繞層數(shù)要根據(jù)帶束層單根強度安全倍數(shù)決定。

在國內(nèi)，子午線航空輪胎在設(shè)計計算暫無相關(guān)技術(shù)標(biāo)準可以借鑒，考慮到子午線航空輪胎帶束層采用

不同于子午線汽車輪胎骨架材料，參照子午線汽車輪胎相關(guān)技術(shù)要求，以薄膜 - 網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，以

平衡輪廓理論為依據(jù)，由于帶束層的箍緊作用，胎冠部位的內(nèi)壓由帶束層和胎體分擔(dān)，帶束層強度安

全倍數(shù)也需取 6 ～ 12 倍核算，如此可直接計算出帶束層層數(shù)。

4 纏繞帶束層強度的計算

4.1 纏繞帶束層強度相關(guān)理論

4.1.1 RCOT（最佳滾動輪廓理論）

基于子午線汽車輪胎的薄膜理論，子午線航空輪胎帶束層所受總張力，參照下面關(guān)系式 ：

T0=1/2AP（b–2R1sinδ） （10）

T0——帶束層總張力

A——帶束層直徑

P——充氣壓力

b——帶束層寬度

R1——斷面輪廓半徑

δ——帶束層與胎體之間的夾角

從上式可以看出，要增加帶束層的總張力，提高航空輪胎安全倍數(shù)，在保證高速、強負載、耐沖

擊等使用特性的情況下，在一定范圍內(nèi)，可增加帶束層寬度、充氣內(nèi)壓、帶束層直徑，同時盡量減小

胎側(cè)與胎肩的斷面曲率半徑 R1 或增加帶束層與周向夾角 α。

4.1.2 壓力分擔(dān)率

帶束層在胎冠部位的壓力分擔(dān)率 Tb 是近似用 r（斷面輪廓上某點至輪胎旋轉(zhuǎn)軸的半徑）的函數(shù) ：

（11）

τ 0——帶束層的壓力分擔(dān)率 ；

r K——胎冠點半徑 ；

r d——帶束層端點半徑 ；

給定外直徑和壓力分擔(dān)率的輪胎輪廓，一般多采用標(biāo)準形狀輪廓，此時 τ0=0.625，a=0.375

給定外直徑和斷面最大寬度的輪胎輪廓，采用標(biāo)準輪廓分擔(dān)率推定值兩次采用收斂法計算最大斷

王超群，等·子午線航空輪胎纏繞帶束層結(jié)構(gòu)設(shè)計

111

面寬度，并與設(shè)計寬度進行比較，比較結(jié)果修正壓力分擔(dān)率，得出與設(shè)計值一致的斷面輪廓 [1]。

基于汽車子午線輪胎 STEM（應(yīng)變能最小化）理論，子午線航空輪胎在帶束層端部承受大負荷、高

速度往復(fù)變形的過程中，同樣易受到疲勞破壞，因此將該部位的應(yīng)變能分散或減小是提高航空輪胎使

用性能的關(guān)鍵。纏繞帶束層組合件在兩邊端部存在不同程度的重疊現(xiàn)象，這在一定程度上改善了帶束

層端部應(yīng)變能集中的問題。

4.2 帶束層強度校核

4.2.1 美國公式 [1]

（12）

T1—— 帶束層簾線應(yīng)力 ,N/ 根 ;

P— 充氣壓力 , kpa;

rK ′— 胎冠點平均半徑 , cm

n—— 帶束層層數(shù)，可以分解出多層單獨計算 ;

αK—— 帶束層胎冠點簾線角度（與周向夾角），（°）;

iK—— 成品帶束層胎冠點簾線密度 , 根 /m ;

（13）

βK—— 成品輪胎帶束層胎冠點簾線角度（與徑向夾角），與 αK 互余 ;

i 0—— 帶束條簾線纏繞密度 , 根 /cm ;

β0—— 帶束層簾線纏繞角度，（與徑向夾角），與 α0 互余 ;

α0—— 帶束層簾線纏繞角度，（與周向向夾角）；

δ—— 帶束層伸張 δ= rK/r0

sinαK =(1-4 m cos 3

α0)×sinα0 （14）

m—— 帶束層膨脹率 m=δ-1

r 0—— 帶束層鼓上纏繞半徑 mm

rK—— 成品胎冠點半徑 mm

4.2.2 彼德爾曼公式 [1]

借鑒蘇聯(lián)輪胎力學(xué)專家彼德爾曼對子午線汽車輪胎形成的公式 ：

（15）

T1—— 帶束層簾線應(yīng)力 ,N/ 根 ;

P—— 充氣壓力 , kpa;

ρK—— 帶束層曲率半徑 ：( 成品胎有多層帶束層，設(shè)定為 1 個曲率半徑 )

rK′ —— 胎冠點平均半徑 , m

rm —— 零點半徑 , m

n —— 帶束層層數(shù)，可以分解出多層單獨計算 ;

βK —— 帶束層胎冠點簾線角度（與徑向夾角），（°）;

胎冠部位的曲率半徑 ：

（16）

112

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（17）

τ 0 —— 帶束層的壓力分擔(dān)率 ；

rK′ —— 胎冠點平均半徑，m ；

r d —— 帶束層端點半徑，m ；

為確定 τ 0、a 值，借用 ABUQUS 有限元分析軟件，通過分析子午線航空輪胎二維情況下纏繞帶束

層與胎體之間的接觸應(yīng)力，再除以整個輪胎模型的的充氣壓力，即是帶束層分擔(dān)率的結(jié)果。如圖 8 所示：

圖 8 纏繞帶束層壓力分擔(dān)率

帶束層應(yīng)力分擔(dān)問題，酒井秀男、Frank、李煒都有自己的分析理論。酒井秀男認為應(yīng)力分布按拋

物線理論分析 ；Frank 認為，在胎體和帶束層之間的壓力分擔(dān)率按梯形分布 ；李煒應(yīng)用有限元分析認

為帶束層分擔(dān)率按照兩端常數(shù)分布更合乎實際。[9] 航空輪胎相比較汽車輪胎，帶束層所用材質(zhì)不同，

其伸張率較汽車輪胎稍大，而胎體材質(zhì)伸長率更大，顯而易見兩者應(yīng)力承載帶束層起主要作用。按照

李煒有限元分析原理，結(jié)合如圖 8 所示，得出 τ 0、a 取值，分別按照 0.9、0.1 計算。

根 據(jù) 相 關(guān) 參 數(shù)， 分 別 求 出 各 層 帶 束 層 伸 張 δ 1、δ 2、‥‥‥δ n ；各 層 帶 束 層 纏 繞 角 度 α01、

α02、‥‥‥α0n ；各層成品帶束層纏繞角度（與周向夾角）αK1、αK2、‥‥‥αKn ；各層帶束層胎冠點簾線角

度（與徑向夾角）βK1、βK2、‥‥‥βKn ；成品各層帶束層密度 iK1、iK2、‥‥‥iKn

由（15）式，求出 T1

安全倍數(shù) ：N = T0 / T1 （18）

4.2.3 薩莉蒂科夫公式 [1]

（19）

Tb —— 帶束層內(nèi)壓總應(yīng)力 N

P0 —— 最大充氣壓力 KPa

F—— 充氣狀態(tài)下輪胎內(nèi)輪廓橫斷面積 m2

r d —— 胎側(cè)平衡斷面半徑（相當(dāng)于帶束層端點處半徑）,m

rm —— 斷面最寬點半徑（零點半徑），m

帶束層每根簾線應(yīng)力

王超群，等·子午線航空輪胎纏繞帶束層結(jié)構(gòu)設(shè)計

113

（20）

Nb—— 帶束層每根簾線應(yīng)力 N

bb —— 帶束層各層寬度 m

n—— 帶束層層數(shù)，可分解出多層分別計算

iK—— 帶束層密度 根 /m

βK—— 帶束層角度（與徑向夾角），（°）;

帶束層簾線安全倍數(shù) N ：

N=T0/Nb

4.2.4 實例計算

以某規(guī)格子午線航空輪胎，計算帶束層強度安全倍數(shù) ：

T0 — 600 N/ 根 ；

P — 882kpa ；

r K— 成品胎帶束層胎冠點半徑 ：( 為簡化計算，該規(guī)格航空輪胎 8 層 4 個纏繞組，設(shè)置每一纏繞

組有 1 個胎冠點半徑，斷面圖實測 : rK1、2=578mm ；rK3、4=580.5mm ； rK5、6=583.0mm ； rK7、8=

585.5mm ；每個纏繞組有 1 個纏繞寬度，分別為 ：375mm，355mm，335mm，315mm ；單層纏繞厚

度 1.25mm)

帶束層端點半徑 r d= 570.5mm

斷面最寬點零點半徑 rm=437mm

帶束條簾線纏繞密度 , i 0=7 根 /cm;

帶束層貼合鼓直徑 =578×2/1.02=1133.3333 取 1133mm

帶束層貼合鼓周長 L=1133×π=3559.4328 mm 取 3560mm

帶束層鼓上半徑 r 01==1133/2=566.5mm

（1）δ 1、2= 578/566.5=1.0203 寬 度 d=10.5mm 帶束條纏繞在帶束鼓上寬度 W1、2=375mm 纏 繞

1 個來回 / 圈， 根 據(jù) 公 式（3）、（4）：tgα1、2=2W1、2/ （L1、2+Δ1、2），Δ1、2=d/sin α1、2 得纏繞角度 α1、

2=11.7314°

sinαK1、2=(1-4×（1.0203-1）×cos311.7314°)×sin11.7314° 得 αK12=10.8260°βK12=79.1740°

由（13）式 ：

iK12=7.0×sin11.7314°/1.0203×sin10.8260°=7.4268 根 /cm

（2）δ 3、4= 580.5/（566.5+1.25×2）=1.0202，寬度 10.5mm 帶束條纏繞在帶束鼓上寬度 W3、

4=355mm 纏 繞 1 個來回 / 圈，根據(jù)公式（3）、（4）：tgα3、4= 2W3、4/ （L3、4+Δ3、4）， 又 Δ3、4= d/sin

θ 3、4 可計算纏繞角度 11.0674°

同理，sinαK3、4=(1-4×（1.0202-1）×cos311.0674°)×sin11.0674° 得 αK3、4=10.2127°

βK3、4=79.7873°

由（13）式 ：iK3、4=7.0×sin11.0674°/1.0202×sin10.2127°=7.4288 根 /cm

（3）δ 5、6= 583.0/(566.5+1.25×4)=1.0201 帶束層纏繞在帶束鼓上 335mm 纏繞 1 個來回 / 圈，可計

算纏繞角度 10.4043°

sinαK5、6=(1-4×（1.0201-1）×cos310.4043°)×sin10.4043° 得 αK5、6=9.6005°βK5、6=80.3995°

iK5、6=7.0×sin10.4043°/1.0201×sin9.6005°=7.4305 根 /cm

（4）δ 7、8 = 585.5/（566.5+1.25×6）=1.0200 帶束層纏繞在帶束鼓上 315mm 纏繞 1 個來回 / 圈，

可計算纏繞角度 9.7442°

sinαK7、8=(1-4×（1.0200-1）×cos39.7442°)×sin9.7442° 得 αK7、8=8.9915°βK7、8=81.0085°

iK7、8=7.0×sin9.7442°/1.0200×sin8.9915°=7.4319 根 /cm

114

2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術(shù)、裝備與市場高峰論壇

4.2.4.1 美國公式計算

由（12）式， rK ′= 581.75mm 得 ：T1= 88.97 N，安全倍數(shù) N= 600/88.97≈6.74 倍

4.2.4.2 彼德爾曼公式計算

由（16）、（17）式，根據(jù)圖 8 中 τ 0、a 取值，得 ρK=1.173m

由（15）式 ：T1=79.36 N 安全倍數(shù) N=600/79.36≈7.56 倍

4.2.4.3 薩莉蒂科夫公式計算

由（19）式， 取 P0= 932KPa ：

F—— 充氣狀態(tài)下輪胎內(nèi)輪廓橫斷面積 m2

通過 SOLIDWORKS 制圖軟件截面計算 F/2= 0.2473m2 ，得 Tb=105118.8537N

帶束層每根簾線應(yīng)力 ：由（20）式，得 Nb=105118.8537/1988.99=52.85N

帶束層簾線安全倍數(shù) N=600÷52.85≈11.35 倍

以上三種公式計算得出不同得結(jié)果，均滿足帶束層簾線安全強度大于 6 倍的要求。在纏繞帶束層

分層計算時，因纏繞同為 1 周 1 往復(fù)纏繞，得出成品胎帶束層簾線角度、胎冠點簾線密度等參數(shù)相差

不大，若采用 1 周 2 個往復(fù)等不同的纏繞方式，以上纏繞參數(shù)會明顯變化。

三種公式都是以薄膜 - 網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，忽略了橡膠的作用和材料的彎曲剛度等因素的影響。一般情

況，航空輪胎帶束層強度安全倍數(shù)使用美國公式校驗即可 ；彼德爾曼公式中曲率半徑取值和壓力分擔(dān)

率關(guān)聯(lián)，更趨近航空輪胎輪廓設(shè)計理論，但壓力分擔(dān)率取值很關(guān)鍵；薩莉蒂科夫公式中應(yīng)力計算值偏小，

因此安全強度倍數(shù)較大。

4.2.4.4 實例試驗驗證

按照 GJB 683A—1998《軍用航空輪胎規(guī)范》要求，輪胎地面鑒定檢驗項目共有 13 項 , 其中主要

檢驗項目為充氣外緣尺寸、物理性能、質(zhì)量、爆破性能和動態(tài)性能。通過地面鑒定檢驗的輪胎還需經(jīng)

裝機試飛檢驗。

（1）外緣尺寸

外緣尺寸按照 GJB 108B—1998《軍用航空輪胎試驗方法》測定。結(jié)果表明，安裝于專用輪輞上

的航空輪胎在充氣壓力為 890kPa 下，充氣外直徑和斷面寬分別為 1140mm 和 471mm, 滿足設(shè)計要求。

（2）物理性能

物理性能按照 GJB 108B—1998 進行測定。 成品輪胎的物理性能測試結(jié)果見表 1。從表 1 可以看出，

成品輪胎物理性能符合標(biāo)準要求。

（3） 質(zhì)量

成品輪胎的質(zhì)量為 76.7kg, 滿足輪胎質(zhì)量不大于 78kg 的設(shè)計要求。

（4）爆破性能

按照 GJB108B-1998 進行爆破性能測定。結(jié)果表明，成品輪胎的水壓爆破強度為 4120kPa, 滿足

水壓爆破強度不低于 3560kPa 的設(shè)計要求。

表 1 成品輪胎物理性能測試結(jié)果

項目 測試值 標(biāo)準值 執(zhí)行標(biāo)準

斷裂強度 /N 467/513 ≥ 450 GJB 108B-98

拉斷伸長率 /% 7.15/7.28 ≥ 6.5 GJB 108B-98

粘合強度 /N

胎面 - 帶束層簾布層

278 ≥ 250 GB/T532-2008

粘合強度 /N

帶束層簾布層間 N

359 ≥ 280 GB/T532-2008

帶束層角度 /°（1-8 層） 10.7/11.4/11.4/10.67/10.08/11.4/10.2/9.24 GJB 108B-98

帶束層密度根 /5cm

（1-8 層） 35/36/36/37/36/37/37/35 GJB 108B-98

王超群，等·子午線航空輪胎纏繞帶束層結(jié)構(gòu)設(shè)計

115

(5) 動態(tài)性能

按照 GJB 108B-1998 進行動態(tài)性能測定。按照 TSO-C62e 技術(shù)標(biāo)準通過了 61 次循環(huán)試驗，試驗

后輪胎完好無損 , 順利通過了 GJB 和野戰(zhàn)機場條件動試。輪胎外觀良好，符合合格品判定要求。

參考文獻 ：

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116

2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術(shù)、裝備與市場高峰論壇

1 實驗

1.1 主要原材料

天然橡膠（NR），RSS3，泰國產(chǎn)品 ；順丁橡膠（BR）, 牌號 9000，北京燕山石化橡塑化工有限責(zé)

任公司產(chǎn)品 ；炭黑 N550，N774，上?？ú┨鼗び邢薰井a(chǎn)品 ；白炭黑 VN3，炭黑 N683, 青島德信

源工貿(mào)有限公司產(chǎn)品；均勻劑 M50，德國公司產(chǎn)品；Zincolet–40P，上海深茂橡塑科技有限公司提供；

抗硫化還原劑 TDB680,3100G 環(huán)保型長效橡膠防老劑，安徽阜陽利普化工有限公司產(chǎn)品 ；其余原材料

均為橡膠工業(yè)市售產(chǎn)品。

1.2 主要儀器

XK-450 型開煉機，廣東湛江機械廠產(chǎn)品 ；GT-7104 型電加熱平板、GT-M 型無轉(zhuǎn)子硫化儀、AI7000S 型電子拉力機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產(chǎn)品 ；WTB-0.5 回彈性測試儀，WML-100 型橡

膠龜裂疲勞試驗機，揚州天發(fā)試驗機械有限公司產(chǎn)品 ；硫化橡膠蠕變測定儀，江蘇明珠試驗機械有限

公司產(chǎn)品 ；UD3600XY 疲勞試驗機，中國臺灣優(yōu)肯科技有限公司產(chǎn)品。

1.3 性能測試標(biāo)準

橡膠膠料拉伸性能試驗測試按 GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變的測定》

標(biāo)準進行；橡膠膠料撕裂性能試驗按 GB/T 529—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強度的測定（褲形、

直角形和新月形試樣）》標(biāo)準進行 ；橡膠膠料龜裂疲勞試驗測試按 GB/T 13934—2006《硫化橡膠或熱

塑性橡膠屈撓龜裂和裂口增長的測定（德墨西亞型）》標(biāo)準進行 ；橡膠膠料老化性能試驗測試按 GB/T

3512-2014《硫化橡膠或熱塑性橡膠熱空氣加速老化和耐熱試驗》標(biāo)準進行 ；橡膠膠料的壓縮永久變

形性能試驗測試按 GB/T7759.1-2015《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓縮永久變形的程度第 1 部分 ：在常溫

及高溫條件下》標(biāo)準進行 ；橡膠回彈按 GB/T 1681—1991《硫化橡膠回彈性的測定》標(biāo)準進行 ；膠料

蠕變測試按 GB/T19242《硫化橡膠 在壓縮或剪切狀態(tài)下蠕變的測定》標(biāo)準進行 ；耐臭氧老化性能按

GB/T7762 試驗方法進行 ；產(chǎn)品動態(tài)疲勞試驗按產(chǎn)品疲勞標(biāo)準試驗。

1.4 原來膠料配方

橡膠，100 ；硫磺和促進劑，3.5 ；活性劑，7 ；防老劑，4.5 ；炭黑及補強劑，85 ；古馬龍，3 ；

流動助劑，2.5 ；增塑劑，5 ；其余 ；5 ；總計 ：215.5。

2 結(jié)果與討論

減震橡膠產(chǎn)品疲勞破壞的形式一般是產(chǎn)品疲勞老化變形和龜裂，龜裂一般是臭氧和紫外老化所致，

添加一定數(shù)量的防護蠟和橡膠防老劑及少量抗紫外助劑配合就可以改善和減少產(chǎn)品在使用過程中出現(xiàn)

的龜裂這種情況。產(chǎn)品疲勞變形是導(dǎo)致降低橡膠減震產(chǎn)品使用壽命的直接因素，改善產(chǎn)品疲勞變形就

需要改善產(chǎn)品橡膠膠料配方，提高產(chǎn)品橡膠膠料耐疲勞老化性能和減少產(chǎn)品疲勞老化變形性能。通過

橡膠防老劑 3100G 在鐵路減震

橡膠產(chǎn)品中的應(yīng)用

劉士鐸

（河北省騰躍鐵路裝備股份有限公司，山東 辛集 052360）

劉士鐸·橡膠防老劑 3100G 在鐵路減震橡膠產(chǎn)品中的應(yīng)用

117

在產(chǎn)品膠料中優(yōu)化防老劑試驗，對提高膠料耐疲勞和耐老化性能，改善產(chǎn)品出現(xiàn)龜裂，降低產(chǎn)品疲勞

變形性能，對膠料配方進行一些探討。

2.1 硫化體系的優(yōu)化

原來膠料硫化體系為 CZ 和 TT，膠料疲勞性能一般，為了提高產(chǎn)品使用壽命，本試驗采用 CZ 和

DM 硫化體系。因膠料是天然橡膠為主，為了克服天然橡膠膠料的硫化還原性能，添加少量抗硫化還原

劑作為膠料助硫化體系，提高膠料硫化程度和減震產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性。優(yōu)化膠料硫化體系后，膠料和

產(chǎn)品性能測試結(jié)果如表 1 所示。

表 1 優(yōu)化膠料硫化體系后的膠料和產(chǎn)品性能測試結(jié)果

項目

1

原硫化體系

2

添加 TDB680 /M50

蠕變增量（70℃×24h） 0.0249 0.0203

膠料物理測試性能

145℃ ×15min

膠料硬度 / 紹爾 A

64 65

拉伸強度 /MPa 21.4 21.9

扯斷伸長率 /% 429 409

壓縮永久變形

35℃ ×24h

70℃ ×24h

110℃ ×3h

14.8

20.9

19.1

9.4

16.5

16.6

膠料老化性能

70℃ ×96h

110℃ ×3h

-9.3

-6.2

-6.8

-3.2

產(chǎn)品疲勞 400 萬次剛度變化 /% -10.53% -7.8%

產(chǎn)品疲勞 400 萬次厚度變化 /mm -1.2 -0.9

采用主體材料組合不變，優(yōu)化硫化體系的膠料性能和減震產(chǎn)品疲勞性能比較優(yōu)異。

2.2 優(yōu)化減震產(chǎn)品膠料的防護體系

3100G 環(huán)保型橡膠防老劑由抗氧化活性不同的胺類和大分子量的酚類抗氧劑復(fù)合而成，無毒，在

天然橡膠和氯丁、丁腈、丁苯、順丁等合成橡膠中用作環(huán)保型長效防老劑。對熱、氧、臭氧、氣候和

屈撓等有良好的長效防護性能。

和傳統(tǒng)的防老劑相比，防老劑 3100G 具有以下優(yōu)點 ：

1、防老效果與 4020 接近，對熱、氧、臭氧、氣候和屈撓等有良好的防護性能，在膠料中溶解度大，

易分散，用量達 5 份膠料不會噴霜，特別適合于防老性能要求高、防老劑用量大的橡膠制品。

2、不易被水抽出、熱穩(wěn)定性高、持效性長，不變色，不污染、無毒，屬于環(huán)保型長效橡膠防老劑。

3、揮發(fā)性低，耐遷移，耐萃取，有效地防止橡膠在長期老化過程中的熱氧化降解。

4、尤其對耐溫水、洗滌劑抽出以及耐高溫高熱輪胎胎面、胎側(cè)等制品效果最佳，能夠防止胎側(cè)變

色及長期熱氧老化龜裂。

選擇添加 3100G 環(huán)保型橡膠防老劑，膠料和產(chǎn)品性能測試結(jié)果如表 2 所示。

118

2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術(shù)、裝備與市場高峰論壇

表 2 采用 3100G 環(huán)保型橡膠防老劑后的膠料和產(chǎn)品性能測試結(jié)果

項目 原來配方 添加 3100G 橡膠防老劑

蠕變增量（70℃×24h） 0.0203 0.0189

膠料物理測試性能

145℃×15min

膠料硬度紹爾 A

65 65

拉伸強度 MPa 21.9 21.6

扯斷伸長率 % 409 425

壓縮永久變形

35℃×24h

70℃×24h

110℃×3h

9.4

16.5

16.6

8.6

14.3

13.3

膠料老化性能

70℃×96h

110℃×3h

-6.8

-9.2

-5.8

-6.1

臭氧老化

（40℃，168h，臭氧濃度 50×10-8 體積份數(shù)，

相對濕度 ≤65%，預(yù)伸長 20%）

有裂紋 無裂紋

紫外線老化

（UV 光照

336h）

硬度變化 +8 +5

拉伸強度變化率 /% -12.4% -8.1%

扯斷伸長變化率 /% -19.5% -16.4%

產(chǎn)品疲勞 400 萬次剛度變化 /% -7.8% -5.6%

產(chǎn)品疲勞 400 萬次厚度變化 /mm -0.9 -0.6

添加 3100G 環(huán)保型橡膠防老劑后，橡膠減震產(chǎn)品的膠料和產(chǎn)品性能比較優(yōu)異。

2.3 產(chǎn)品膠料防老劑 3100G 用量的優(yōu)化

產(chǎn)品膠料性能決定產(chǎn)品的性能，為了提高產(chǎn)品膠料的耐老化和耐疲勞性能、降低產(chǎn)品在使用過程

中的生熱、變形性能、穩(wěn)定產(chǎn)品的剛度，提升橡膠彈性減震體的使用壽命，選擇添加不同份數(shù)的橡膠

防老劑 3100G 進行試驗，產(chǎn)品膠料試驗結(jié)果如下表 3，產(chǎn)品高低溫度剛度變化率、老化性能及產(chǎn)品疲

勞性能見表 4。

表 3 添加不同份數(shù)防老劑劑 3100G 的膠料性能測試結(jié)果

試驗項目 原配方 添加 1.5 份 添加 2.0 份 添加 2.5 份 添加 3.0 份

蠕變增量 0.0249 0.0189 0.0167 0.0159 0.0201

硬度 / 邵爾 65.0 65.0 65.0 64.0 64.0

拉伸強度 /MPa 23.5 23.3 22.9 23.0 21.4

扯斷伸長率 /% 425 416 435 461 483

膠料龜裂疲勞 /( 萬次 ) 19.9 23.8 20.9 24.1 23.8

壓縮永久變形

35℃×24h

70℃×24h

110℃×3h

9.4%

16.5%

16.6%

8.6%

14.3%

13.3%

8.1%

14.3%

12.8%

6.6%

10.3%

9.3%

8.6%

12.6%

11.9%%

熱空氣老化

強度變化率 /%

（70℃96h） -8.4 -5.8 -6.8 -5.7 -6.1

強度變化率 /%

（110℃ 3 h） -6.4 -6.1 -6.3 -5.4 -5.8

劉士鐸·橡膠防老劑 3100G 在鐵路減震橡膠產(chǎn)品中的應(yīng)用

119

表 3 添加不同份數(shù)防老劑劑 3100G 的膠料性能測試結(jié)果 續(xù)表

表 4 添加不同份數(shù)防老劑劑 3100G 的鐵路減震橡膠產(chǎn)品性能測試結(jié)果

從表 3 和表 4 可以看到添加 2.5 份防老劑 3100G，產(chǎn)品膠料和產(chǎn)品性能比較優(yōu)異，產(chǎn)品膠料配方

中就采用添加 2.5 份防老劑 3100。

2.4 產(chǎn)品膠料配方的優(yōu)化

添加 2.5 份防老劑 3100，膠料和產(chǎn)品性能得到提升，膠料配方要進一步優(yōu)化。膠料配方如下（單

位 ：份）：橡膠，100 ；硫磺和促進劑，4.0 ；活性劑，8 ；防老劑（防老劑 3100G，2.5 ；4010NA，1.5 ；

RD，1.0 ；BLE-W，1.0），6.0 ；炭黑及補強劑，90.0 ；抗疲勞助劑 40P，2.0 ；防護蠟 654，2.5 ；其余 ；

11 ；總計 ：223.5。

2.5 產(chǎn)品膠料混煉和產(chǎn)品硫化工藝的優(yōu)化

通過添加防老劑 3100G，膠料性能和產(chǎn)品性能得到提高，為了保證膠料和產(chǎn)品的性能，應(yīng)該需要

較好的產(chǎn)品生產(chǎn)工藝配合。為了充分體現(xiàn)添加防老劑 3100G 后膠料性能和產(chǎn)品性能得到提高改善的效

果，在膠料混煉和硫化工藝進行改善，進一步提升膠料均勻性能和穩(wěn)定性，優(yōu)化的工藝如表 5 所示。

試驗項目 原配方 添加 1.5 份 添加 2.0 份 添加 2.5 份 添加 3.0 份

臭氧老化

（40℃，168h，臭氧濃度 50×10-8 體積份數(shù)，

相對濕度 ≤65%，預(yù)伸長 20%）

有裂紋 有裂紋 沒裂紋 沒裂紋 沒裂紋

紫外線老化

（UV 光照

336h）

硬度變化 +8 +5 +5 +3 +4

拉伸強度變化率 /% -12.4% -8.1% -3.5% -2.9% -0.4%

扯斷伸長變化率 /% -19.5% -16.4% -8.6% -3.8% -4.6%

試驗項目 原配方 添加 1.5 份 添加 2.0 份 添加 2.5 份 添加 3.0 份

70℃×14 天

產(chǎn)品剛度變化率 /%

產(chǎn)品橡膠厚度變形量 /mm

-10.9%

0.4

-8.9%

0.3

-7.6%

0.3

-4.1%

0.2

-4.7%

0.3

-40℃ 剛度變化率 /%） 21.8% 19.9% 16.7% 13.6% 14.8%

+50℃ 剛度變化率 /% -12.3% -10.8% -8.6% -5.1% -8.4%

臭氧老化（7 天）

（40℃，臭氧濃度 50×10-8 體積份數(shù)，相

對濕度 65%）

產(chǎn)品剛度變化率 /%

產(chǎn)品厚度變形量 /mm

9.4%

0.5

7.6%

0.4

6.9%

0.4

2.7%

0.3

3.2%

0.4

紫外線老化（UV 光照 14 天 )

產(chǎn)品剛度變化率 /%

產(chǎn)品厚度變形量 /mm

10.1%

0.5

8.4%

0.3

6.1%

0.2

4.2%

0.2

4.9%

0.2

產(chǎn)品疲勞 400 萬次

剛度變化 /% -18.8% -14.6% -11.6% -10.6% -12.6%

產(chǎn)品疲勞 400 萬次

厚度變化 /mm -0.9 -0.6 -0.6 -0.6 -0.6

120

2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術(shù)、裝備與市場高峰論壇

表 5 膠料混煉和硫化工藝的優(yōu)化

改善膠料混煉和產(chǎn)品硫化工藝，使鐵路減震橡膠件膠料均勻性和穩(wěn)定性得到提高，

3 結(jié)論

本工作通過優(yōu)化減震產(chǎn)品膠料的硫化體系的基礎(chǔ)上，通過選擇性能優(yōu)異的抗老化助劑 3100G，優(yōu)

化選擇鐵路橡膠產(chǎn)品膠料中的防老劑 3100G 用量，通過改善生產(chǎn)減震橡膠產(chǎn)品的工藝，提升產(chǎn)品膠料

老化、疲勞性能和產(chǎn)品各種老化剛度變化率、產(chǎn)品疲勞性能，進一步提升產(chǎn)品使用壽命。

原來的工藝 優(yōu)化后的工藝

膠料混煉 膠料二段混煉工藝，致使膠料分散和均勻性能降

低，影響膠料和產(chǎn)品的性能及質(zhì)量穩(wěn)定性能。

采用多段混煉工藝，提高了膠料的分散性能和膠料穩(wěn)定

性，提升了膠料均勻性能和產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性能。

產(chǎn)品硫化 采用高溫短時間硫化工藝，使產(chǎn)品的穩(wěn)定性能和

耐疲勞性能降低。

采用低溫長時間硫化產(chǎn)品工藝，提高了產(chǎn)品的粘合性能

和合格率，同時也提升了產(chǎn)品的疲勞性能。

李慧敏，等·電動車輪胎的發(fā)展現(xiàn)狀及開發(fā)設(shè)計

121

近幾年純電動汽車和插電式混合動力汽車銷售量迅速增長，電動汽車市場前景非常廣闊。未來，

在國際國內(nèi)政策的大力推進下電動汽車迅猛發(fā)展已是大勢所趨。

電動汽車對輪胎的設(shè)計和制造提出了更高的要求，包括降低輪胎的滾動阻力和噪聲，延長輪胎的

續(xù)航里程，提高輪胎的抓地、耐磨性能和與承載能力等，普通替換輪胎并不能完全適配電動汽車。電

動汽車專用輪胎作為電動汽車的重要組成部分，其需求將持續(xù)穩(wěn)步增長，逐步淘汰現(xiàn)有低劣產(chǎn)品，電

動汽車輪胎將是全球輪胎企業(yè)競爭的新高地，因此針對電動汽車輪胎的開發(fā)研究十分必要。

1 電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

電動汽車靠電池驅(qū)動，其低噪音、零排放的突出優(yōu)點，可以緩解全球能源危機，完美切合環(huán)保節(jié)

能的可持續(xù)發(fā)展理念。

1.1 全球發(fā)展情況

世界各國政府積極地尋求節(jié)能減排，運用政策手段來激勵電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時采取了豐富

的本地化措施來加速攻破當(dāng)前電動汽車推廣所面臨的成本高、使用便利性差以及消費者認知度低等主

要壁壘，電動汽車得以在全球范圍內(nèi)推廣，并以燎原之勢迅速普及。

根據(jù) EV Sales Blog 的數(shù)據(jù) ：

（1）2018 年全球電動汽車銷量略高于 200 萬輛。

（2）2019 年全球電動汽車銷量超過 220 萬輛，市場份額為 2.5%。

（3）2020 年全球電動汽車銷量達到 312.5 萬輛，同比增長 41%，市場份額達到 4%。其中，2020

年 12 月全球電動車銷售達到創(chuàng)紀錄的 57.1 萬輛，同比激增 105%，當(dāng)月市場份額達到 6.9%。

圖 1 全球電動車銷量年度趨勢圖

電動車輪胎的發(fā)展現(xiàn)狀及開發(fā)設(shè)計

李慧敏，劉寶濤，張凱凱，王龍慶

（青島森麒麟輪胎股份有限公司，山東 青島 266229）

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2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術(shù)、裝備與市場高峰論壇

1.2 國內(nèi)發(fā)展情況

從絕對銷量的角度來說，2017 年中國以 57.9 萬的電動乘用車年銷量一騎絕塵 , 排名世界第一，

成為世界最大的電動汽車市場 ；2018 年全球電動車的銷售量為 200 萬輛，中國電動汽車銷售 125.6

萬輛，占比超過全球銷量的 62.5% ；從產(chǎn)銷比來看，2021 年 3 月 11 日，中汽協(xié)發(fā)布的最新數(shù)據(jù)顯示，

2021 年 1-2 月，電動汽車產(chǎn)銷分別完成 31.7 萬輛和 28.9 萬輛，同比分別增長 3.9 倍和 3.2 倍，遠

高于整體汽車產(chǎn)銷同比 88.9% 和 76.2% 的增速。

而根據(jù)國務(wù)院辦公廳發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021 － 2035 年）》，到 2025 年，電動

汽車新車銷售量達到汽車新車銷售總量 20% 左右。這意味著電動汽車市場的增長空間十分巨大，并有

望催生巨大的電動汽車輪胎配套市場。

除了配套市場，電動汽車輪胎零售市場也孕育著巨大的市場潛力。公安部交通管理局發(fā)布的數(shù)據(jù)

顯示，截至 2020 年底，全國電動車保有量達 492 萬輛，占汽車總量的 1.75%。我國電動車保有量后

續(xù)增長空間巨大，也將創(chuàng)造巨大的電動車輪胎替換市場。

電動車輪胎正成為輪胎企業(yè)的新增長引擎，成功開發(fā)適合電動汽車的專用輪胎將對輪胎生產(chǎn)企業(yè)

產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和重大的社會效益。

2 電動汽車輪胎特殊性能要求

電動汽車與燃油汽車在動力輸出方式、能力供給便利程度、車重等方面的差異，對輪胎產(chǎn)生了特

殊的性能要求 ；

（1）承載能力

電動汽車由于電池的限制，車身更重，另外，新能源汽車輪胎出于降低滾阻的考慮及承重需求，

其氣壓相對較高，這對輪胎承受氣壓負荷的能量提出了更苛刻的要求。同時由于車身較重，需要在其

他部件上盡量輕量化設(shè)計，輪胎作為重要組成部分，自然也需要進行輕量化設(shè)計，質(zhì)輕且高強度的新

材料開發(fā)、合理的結(jié)構(gòu)搭配及排布是輕量化高承載能力實現(xiàn)的關(guān)鍵。

（2）滾阻系數(shù)

電動車充電慢，充電便利性差，單次充電續(xù)航里程短，續(xù)航里程無疑是制約電動車發(fā)展的最重要

因素，因此要求電動車輪胎盡量低滾阻系數(shù)的重要性不言而喻，同樣的充電量，低滾阻輪胎可以有效

降低電池損耗，為車輛提供更長的續(xù)航里程 [1]。

（3）噪音

電動汽車相比于傳統(tǒng)燃油車沒有發(fā)動機噪音掩蓋，胎噪更明顯，胎噪指所有輪胎造成的噪音，包括：

結(jié)構(gòu)噪音、管腔噪音、空腔噪音、花紋噪音、花紋塊撞擊以及黏滯等 ；電動車輪胎需要更優(yōu)異的靜音

表現(xiàn)才能達到燃油車同等的駕乘體驗。

（4）抓地力

電動汽車的電動機實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的方式是將電流轉(zhuǎn)化為電磁場，與永磁體互斥驅(qū)動轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)輸出

扭矩。其引擎輸出方式?jīng)]有復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，沒有延時，轉(zhuǎn)化率可以達到 95% 以上，可在瞬間爆發(fā)出

最大扭矩；電動車輪胎需匹配強抓地性能，可承受瞬時、巨大的扭矩輸出，為車輛提供更優(yōu)異的加速度。

（5）耐磨損

加速快是電動汽車公認的優(yōu)勢，但其帶來的影響就是對輪胎耐磨損的考驗。電動車輪胎需要匹配

更優(yōu)異的耐磨性能。

以上任意單個性能要求的滿足不足以對輪胎企業(yè)構(gòu)成挑戰(zhàn)，最難的是輪胎企業(yè)需要從不同的角度

平衡輪胎的多項性能，制定并達成設(shè)計目標(biāo)。

3 性能及影響因素分析

3.1 滾阻

李慧敏，等·電動車輪胎的發(fā)展現(xiàn)狀及開發(fā)設(shè)計

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滾阻是由于輪胎滾動形變而產(chǎn)生的阻力。一部分來源于靜摩擦力，一部分來源于彈性體回復(fù)滯后

造成的壓縮點與回復(fù)點之間的壓力差造成的力。

（1）減小輪胎滾動阻力可從減輕輪胎質(zhì)量出發(fā)

輪胎質(zhì)量與滾阻關(guān)系見圖 2（以 205/55R16 為例，采集 12 條輪胎數(shù)據(jù)），但是為了保證輪胎的耐磨、

操穩(wěn)、舒適性以及耐撞擊鼓包性能，要求純膠部件滿足一定厚度要求，輪胎的輕量化設(shè)計可從新材料

的使用入手。

圖 2 輪胎重量與滾阻擬合線圖

（2）減小輪胎材料的滯后損失可減小滾動阻力

試驗測得，輪胎各部件能耗占輪胎能耗為 ：胎面膠 39%、胎圈包布 14%、三角膠 13%、帶束層 8%、

胎側(cè) 7% 和簾布層 6%。可以看出胎面膠料的滯后損失占比最大 [2]，通過胎面膠料降低滾阻的有效手段

是使用白炭黑填充，白炭黑表面強極性使其難以分散，故白炭黑常與硅烷偶聯(lián)劑并用，可收獲良好的

滾阻和抗?jié)窕阅堋?/p>

圖 3 輪胎各部件滯后損失占比

（3）輪胎滾動阻力主要由輪胎變形阻力、風(fēng)阻以及輪胎與道路間滑動阻力組成，其中輪胎運動過

程中的變形阻力占總值的 90% 以上，因此，從減小輪胎變形阻力的角度著手分析，可以有效降低滾阻。

采用有限元仿真，針對 205/55R16 這個規(guī)格設(shè)計不同方案對滾阻系數(shù)進行仿真 [3]，具體設(shè)計方案

及仿真結(jié)果如表 1 所示。

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2022 年“青科大 . 高機杯”第十二屆中國（國際）橡塑技術(shù)、裝備與市場高峰論壇

表 1 仿真方案及對應(yīng)結(jié)果

圖 4 三角膠高度與滾阻結(jié)果 圖 5 胎側(cè)搭接寬度與滾阻結(jié)果

增大三角膠高度及胎側(cè)搭接寬度都增大了下胎側(cè)剛度，造成胎面部位變形增大，并且增大三角膠

高度一定程度上增大了輪胎質(zhì)量，從而直接導(dǎo)致滾動阻力增大，如圖 4、圖 5 所示。

圖 6 冠帶條纏繞方式與滾阻結(jié)果

改變冠帶條的纏繞方式，分別從左 - 中 - 右各 1 層的纏繞方式 1-1-1，調(diào)整至左 - 中 - 右分別為 2 層、

1 層、2 層的纏繞方式 2-1-2，調(diào)整至左 - 中 - 右各 2 層的纏繞方式 2-2-2，如圖 6 所示。滾動阻力依

項目序號 研究目的 仿真方案代號 設(shè)計參數(shù) 調(diào)整方向 滾阻系數(shù)

1

三角膠高度對滾阻

的影響

方案 4 25

25→30→35→40

7.5134

方案 3 30 7.7364

方案 1 35 7.7345

方案 2 40 7.7887

2

胎側(cè)搭接寬度對滾

阻的影響

方案 6 12

12→23→35

7.6451

方案 1 23 7.7345

方案 5 35 7.7799

3

冠帶纏繞方式對滾

阻的影響

方案 7 1-1-1

1-1-1→2-1-2→2-2-2

7.6400

方案 1 2-1-2 7.7345

方案 8 2-2-2 7.9059

李慧敏，等·電動車輪胎的發(fā)展現(xiàn)狀及開發(fā)設(shè)計

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次增大，考慮三種纏繞方式使得動態(tài)胎面變形依次增大，且輪胎質(zhì)量依次增大，造成滾阻增大。

3.2 噪音

（1）噪音的分類

按傳播方式分類輪胎噪音分為直接噪音和間接噪音直接噪音分為泵浦作用、胎面振動以及輪胎花

紋塊與路面相互作用直接輻射的噪聲，經(jīng)空氣傳遞透過車身進入車內(nèi)，集中在 500HZ 以上 ；間接噪音

為輪胎激勵產(chǎn)生的動態(tài)作用力，通過懸架系統(tǒng)傳遞到車身，引起車身振動產(chǎn)生的噪聲，輪胎的不均勻性、

不平衡性以及路面的粗糙為主要激勵源，500HZ 以下。

按產(chǎn)生機理分類輪胎噪音分為路噪、花紋噪音、通過噪音。其中路噪又分為轟鳴音（Booming）、

空腔噪音（Cavity）、咆哮噪音（Rumble），產(chǎn)生頻率依次增高，整體 500HZ 以內(nèi)，以振動噪音為主，

可以通過調(diào)整輪胎結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝改善以上噪音 ；?；y噪音又分為泵浦噪音、管腔共振音、花紋塊

撞擊噪音等，產(chǎn)生頻率一般在 500HZ 以上，可以在開發(fā)階段優(yōu)化花紋設(shè)計以盡量降低此類噪音。

通過噪音主要是指按 ECE R117 法規(guī)要求的測試方法測得的外部噪音，主要影響車外環(huán)境 ；

（2）噪音的改善手段

主要闡述轟鳴音（Booming）、空腔噪音（Cavity）、泵浦噪音的主要改善手段。

轟鳴音（Booming）：因輪胎上下 / 橫向等振動模態(tài)發(fā)生的噪音，屬于低頻結(jié)構(gòu)噪音，一般為

40~200Hz，主要的改善手段為調(diào)整輪胎結(jié)構(gòu)改變其的質(zhì)量、剛性等進行移頻降幅，移頻的目的主要是

防止輪胎的結(jié)構(gòu)振動模態(tài)與車輛或車輛相關(guān)部件結(jié)構(gòu)模態(tài)發(fā)生耦合，產(chǎn)生共振，對于配套胎此步驟需

要在車輛的設(shè)計開發(fā)階段介入同步開發(fā)以保證輪胎與車輛的最佳匹配 ；降幅主要是指調(diào)整輪胎的結(jié)構(gòu)、

材料或工藝條件以盡量降低輪胎振動對車輛的傳遞率，降低振動幅度 ；特別需要提到的是輪胎的動平

衡均勻性，尤其是高速均勻性將對輪胎的震動噪音產(chǎn)生較大的影響。

空腔噪音（Cavity）：輪胎胎腔內(nèi)部空氣與輸入激勵發(fā)生共振，會在車輪上產(chǎn)生聲壓，從而導(dǎo)

致車輪振動，車輪將振動傳遞至車輪中心，進而通過結(jié)構(gòu)傳播傳遞到乘客艙。主要發(fā)生頻率 180-

250Hz。

主要改善思路 ：

a. 通過改變輪胎 - 車輪的耦合、車輛的耦合，使氣柱的固有頻率與車輛或乘用艙的固有頻率不重合，

可以減小空腔模態(tài)的擾動 ；

b. 保證輪胎的均勻性，防止輪胎高速均勻性作為自激勵引起空腔模態(tài)的擾動 ；

c. 輪胎內(nèi)部貼合吸音棉，是目前針對空腔噪音敏感規(guī)格的最經(jīng)濟有效的改善措施，由以下頻譜圖 7、

圖 8 可以看出貼吸音棉后位于 180~250Hz 的空腔噪音峰值明顯降低，且不同的吸音棉對空腔噪音的吸

收程度不同。

圖 7 前座傳感器測得頻譜

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圖 8 后座傳感器測得頻譜

泵浦噪聲 ：是由于路面與花紋溝槽接觸，胎面作為橡膠體發(fā)生擠壓和變形，導(dǎo)致溝槽內(nèi)氣體隨花

紋槽的擠壓與釋放被高速地在前沿區(qū)擠壓、后沿區(qū)膨脹，在胎前后沿產(chǎn)生壓差，形成了空氣渦流引發(fā)

的噪音。

從泵浦噪聲產(chǎn)生的原理可知，腔體的發(fā)聲與腔體內(nèi)空氣流單位時間內(nèi)的變化率有關(guān)。對于勻速行

駛的汽車，各溝槽的體積壓縮比相同，因此，溝槽體積越大，腔體內(nèi)空氣的變化率越大，溝槽體積可

以通過溝槽長度、寬度以及深度進行調(diào)整。

花紋槽的走向?qū)τ诓鄣陌l(fā)聲也有一定的影響，按走向的不同可劃分為三種 ：橫槽、斜槽、縱槽。

實測證明橫槽的聲壓級最大，斜槽次之，縱槽的聲壓級最低。

通過以上分析可知，泵浦噪音主要與溝槽長度、寬度、深度以及花紋溝角度有關(guān)，值得一提的是，

花紋的設(shè)計除對噪音有顯著影響以外，對濕地性能、操穩(wěn)性能及滾阻等都有影響。因此，在產(chǎn)品開發(fā)

前期花紋設(shè)計階段需綜合考慮各項性能的平衡及偏向。

3.3 抓地性能

（1）抓地力的概念

輪胎提供給車輛高效的行走能力，獲得來自路面的多項支撐就是抓地力，簡單來講就是能夠保持

車輛操控的能力。抓地力通?？梢苑譃闄M向和縱向抓地力，橫向抓地力是指輪胎的轉(zhuǎn)彎能力，縱向抓

地力可以用制動性能或加速性能等來衡量。抓地力的影響因素非常多且復(fù)雜。

（2）力學(xué)分析

對于電動車輪胎來講，準確地說我們需要的不是更強的抓地力，而是更快的抓地力建立能力及抗

損失能力 ；

隨著電動車扭矩的瞬時輸出，輪胎的縱向力迅速建立，在較小的滑移率下達到足夠的縱向力水平，

即縱滑剛度足夠大，對應(yīng)車輛加速響應(yīng)快，不至于在電動車突然加速時出現(xiàn)縱向抓地力不足造成打滑。

隨著電動車扭矩的瞬時輸出，輪胎的側(cè)向力迅速建立，在較小的側(cè)偏角下達到足夠的側(cè)向力水平，

即側(cè)偏剛度大，對應(yīng)橫向抓地力的快速建立，避免電動車突然轉(zhuǎn)向時側(cè)向力建立不及時造成側(cè)向打滑，

以致車輛出現(xiàn)轉(zhuǎn)向不足或轉(zhuǎn)向過度偏離行動軌跡。

事實上，實際輪胎與路面的作用機理非常復(fù)雜，駕駛員經(jīng)常同時需要縱向和橫向抓地力，然而我

們不能同時獲得抓地力的最佳值，因為縱向力和側(cè)向力需要共享抓地力潛能，是相互競爭的關(guān)系，且

遵循縱向力優(yōu)先原則，兩者的關(guān)系可以用摩擦橢圓來表示，如圖 9 所示。