CN108437309B - 一种轮胎硫化工艺过程的数字自动控制方法 - Google Patents

一种轮胎硫化工艺过程的数字自动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种轮胎硫化工艺的数字自动控制方法。该方法在轮胎硫化时，根据轮胎的结构尺寸、材料硫化特性和模具的结构尺寸以及硫化进程，实时控制胶囊内的高温蒸汽的压力和温度、硫化机流道内的高温蒸汽和过热水的压力和温度，从而实现硫化工艺过程的能源节约和性能最优。

Description

一种轮胎硫化工艺过程的数字自动控制方法
技术领域
本发明涉及轮胎硫化工艺过程的数字化自动控制方法，属于轮胎硫化工艺。
背景技术
轮胎是汽车不可缺少的部件，它对汽车的行驶性能、操纵稳定性和舒适性影响极大。汽车工业的发展对轮胎的质量和使用性能要求越来越高。提高轮胎的质量，不仅要从结构设计、材料配方和成品检测等方面改进，制造工艺也是一个需要重点关注的方面。轮胎的制造须经过复杂的工艺过程，如橡胶混炼、胎面胶压出、帘布压延和裁断、外胎成型和外胎硫化等。在轮胎制造过程中，硫化是最后一道工序，也是至关重要的一环，与能源消耗、生产效率甚至于轮胎性能都息息相关。硫化虽然经过了上百年的发展取得了许多新的进展，但是在硫化基础理论和硫化控制方法及技术方面也存在着许多难点尚未突破。
行业内硫化控制的方法主要包括起泡点法和硫化测温法。第一种方法依据橡胶制品在硫化初期如果撤除压力制品内部会起泡的现象，通过切割硫化不同时长的轮胎，找寻到使气泡消失的硫化时间，然后加上一定的安全时间作为轮胎的最佳硫化时间。第二种方法则依靠在轮胎内部埋设热电偶，通过热电偶测出轮胎内部有限点的温度曲线，依据该曲线采用阿雷尼乌斯方程计算该温度曲线下的等效硫化时间来确定最佳硫化时间。这两种方法都存在以下的缺点：(1)两种方法都需要进行大量的实验，所需时间长；(2)对轮胎都是直接破坏，进而造成了大量的资源浪费；(3)两种方法都仅仅根据轮胎内部个别点的温度和起泡情况判断，严重依赖于技术人员的经验，具有较多的偶然性；(4)硫化时间安全系数通常较大，造成能源浪费；(5)轮胎通常处于过硫状态，轮胎性能未达到最佳状态。
除上述两种方法外，有专利申请(专利文献1)提出了采用cae方法模拟轮胎的硫化过程，在于实际硫化过程进行比对，形成可信的数据库，编制一个前处理程序，从现场采集实时硫化温度和压力，并与数据库数据进行交互运算，实时调整硫化时间的方法。该方法可以实现的首要条件是形成可信的数据库，而数据库需要结合模拟过程和实际硫化过程才能获得，不具备可操作性。
基于上述需求和难点，本发明提出一种轮胎硫化工艺过程的数字自动控制方法。
现有技术文献
专利文献1：CN105538564A轮胎智能硫化控制系统
发明内容
本发明目的在于提供一种轮胎硫化工艺的数字自动控制方法。主要是在轮胎硫化时，根据轮胎的结构尺寸、材料硫化特性和模具的结构尺寸以及硫化进程，实时控制胶囊内的高温蒸汽的压力和温度、硫化机流道内的高温蒸汽和过热水的压力和温度，从而实现硫化工艺过程的能源节约和性能最优。
本发明涉及的轮胎硫化工艺数字自动控制方法，其包含有根据输入的轮胎几何尺寸、各材料的硫化特性曲线和模具的结构尺寸等数据，建立硫化过程的热传导微分方程，通过求解该方程，实时计算轮胎各部位的温度数值，进而依据各材料的硫化动力学模型计算出硫化程度，当轮胎较薄位置(胎侧)的硫化程度超过起泡点时，调节控制硫化机侧板流道内的高温蒸汽和过热水的压力和温度，减少此部位的过硫情况。当胎面的硫化程度超过起泡点后，调节控制硫化机模套流道内的高温蒸汽或过热水的压力和温度，减少胎面的过硫情况。根据能量转换计算，实时控制胶囊内的排凝时间间隔，减小上下模轮胎的温度差异。直到轮胎整体都达到正硫化状态，停止硫化并开模。
根据本发明的轮胎硫化工艺数字自动控制方法和包含有该方法的轮胎制造方法，在轮胎硫化时可以自主控制轮胎硫化机内的温度和压力，有效地减小轮胎过硫，同时保证轮胎硫化时间最短。因此能够大量节约轮胎制造的能源消耗，同时提高轮胎的性能。
附图说明
图1是轮胎结构尺寸图；
图2是模具及流道位置图；
图3是胶料的n-t曲线；
图4是t＝9780s时的硫化程度场分布；
图5是t＝7680s时的硫化程度场分布；
图6是Tq＝150℃时的硫化程度场分布；
图7是Tq＝135℃时的硫化程度场分布。
具体实施方式
下面结合图1-7和实施例详细描述本发明，但实施例不应限制本发明的范围。
第一步，对硫化机进行改造，使得轮胎硫化机里面的上下侧板内的流道、模套内的流道都是独立且不相互干扰。包括但不限于将上下侧板内开两个以上的独立的流道，模套内也开两个以上的独立流道。在接入高温蒸汽/过热水时安装流量控制阀门实现每个流道独立控制。在胶囊进水口处安装流量控制阀门实现胶囊内部高温蒸汽/过热水的流量控制。
第二步，输入轮胎结构设计图、模具设计图和各材料的热力学参数和硫化特性参数，建立硫化过程的热传导微分方程，通过求解该方程，实时计算轮胎各部位的温度数值，进而依据各材料的硫化动力学模型计算出硫化程度。具体的实施方法如下：
(1)根据轮胎的结构设计图和模具设计图(如图1和图2所示)确定各流道与轮胎各部位的空间位置，进而为求解轮胎内部的各部位温度变化提供初始条件。根据Fourier导热基本定律和热力学第一定律推导出关于柱坐标下的三维瞬态导热微分方程：
Figure BDA0001569875020000041
其中：
ρ—导热体密度；
c—导热体比热容；
Figure BDA0001569875020000042
—导热体温度变化率；
qv—微元体内热源强度(即单位体积的导热体在单位时间内放出的热量)；
k—导热系数；
r，φ，z分别是柱坐标的方向。
(2)结合输入的各材料的热力学参数(如密度、比热及导热系数，如表1和表2所示)，代入上述三维瞬态导热微分方程，采用数值方法求解该微分方程获得轮胎各部位的温度变化；
(3)根据各部位的温度变化情况，根据输入的各材料的硫化特性曲线(即如图3所示)，采用阿雷尼乌斯方程描述材料的硫化速率：
其中：
τ1—温度为T1时的正硫化时间；
τ2—温度为T2时的正硫化时间；
R—气体常数R＝8.314kJ/mol；
E—硫化反应活化能。
并计算采样时间间隔内对应的硫化程度增量，并与当前的硫化程度累积获得该时刻轮胎各部位总的硫化程度。
第三步，由于通常轮胎胎侧部位较薄，胎侧部位升温快，当计算的胎侧位置硫化程度达到起泡点消失时的硫化程度时，调小上下侧板的流量控制阀，当有多个流量控制阀时，关闭一些阀门，达到降低加热的效果。
第四步，如果上下胎侧的温度差异较大，适当调节上下侧板的流量控制阀，使得上下胎侧温度差异减小。
第五步，当胎面表层达到正硫化时，适当调小模套处的流量控制阀，当有多个流量控制阀时，关闭一些阀门，达到降低加热的效果。
第六步，根据能量转换计算，实时控制胶囊内的排凝时间间隔，减小上下模轮胎的温度差异。主要计算方法是依据轮胎硫化过程中轮胎、胶囊、夹盘等温度变化所需的能量和胶囊内的高温蒸汽和氮气充分混合导致的温度降低所释放的能量关系，进一步计算出胶囊内部冷凝水的容量，根据此结合试验结果建立经验模型来控制排凝时间间隔。
第七步，直到轮胎整体都达到正硫化状态，停止硫化并开模。
本发明的轮胎硫化数字自动控制方法包含硫化工序的调整方法，硫化工序的温度压力调整方法，硫化机改造的方法，通过分区域控制流道内的温度和压力可以有效地控制和调节轮胎各部位的硫化程度，使得在最短硫化时间内达到几乎全部正硫化的状态，避免胎面表面及胎侧的过硫。
表1胶料的比热
Figure BDA0001569875020000061
表2胶料的热导率
表3巨型工程子午线轮胎的硫化工艺条件
表4优化后的巨型工程子午线轮胎的硫化工艺
Figure BDA0001569875020000071
优化后的该型号的巨型子午线轮胎的硫化工艺条件列于表4。与旧的硫化工艺表3相比较，硫化时间缩短了35分钟，模腔温度也降低为135℃。这两个条件的改变，使得整个轮胎的过硫程度得到了极大的缓解，从而提高了轮胎品质。同时采用新的硫化工艺条件可以节约大量的能源，降低了生产成本，提高了生产效率。因此采用轮胎硫化数字自动控制的方法完全可以实现对硫化工艺的优化，让轮胎的硫化程度场分布更为均匀，使得各部位的硫化状态均处于正硫化状态，从而在保证轮胎品质的前提下，缩短硫化时间，提高生产效率，因此具有很好的应用前景。本实践为了节约轮胎制造能源和提高轮胎品质提供了新的方法。
应当理解，本实施例的优选实施方式的附图和工艺不是将本发明限制为所公开的特定的形式，本发明涵盖了落入说明书描述的以及所附的权利要求限定的范围内的所有的修改、等价物和替换物。

Claims (10)

1.一种轮胎硫化数字自动控制方法，其特征在于：根据轮胎几何尺寸、各材料的硫化特性曲线和模具的结构尺寸数据，建立硫化过程的热传导微分方程，通过求解该方程，实时计算轮胎各部位的温度数值，进而依据各材料的硫化动力学模型计算出硫化程度，直到轮胎整体都达到正硫化状态，停止硫化并开模；上述各材料是指基部胶、胎面胶、上三角胶和子口护胶轮胎用橡胶材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当轮胎较薄位置的硫化程度超过起泡点时，调节控制硫化机侧板流道内的高温蒸汽和过热水的压力和温度，减少此部位的过硫情况。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当胎面的硫化程度超过起泡点后，调节控制硫化机模套流道内的高温蒸汽或过热水的压力和温度，减少胎面的过硫情况。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：建立硫化过程的热传导微分方程步骤如下：
(1)根据轮胎的结构设计图和模具设计图确定各流道与轮胎各部位的空间位置，进而为求解轮胎内部的各部位温度变化提供初始条件，根据Fourier导热基本定律和热力学第一定律推导出关于柱坐标下的三维瞬态导热微分方程：
其中：
ρ—导热体密度；
c—导热体比热容；
Figure FDA0002250677110000012
—导热体温度变化率；
qv—微元体内热源强度，即单位体积的导热体在单位时间内放出的热量；
k—导热系数；
r，φ，z分别是柱坐标的方向；
(2)结合输入的各材料的热力学参数，代入上述三维瞬态导热微分方程，采用数值方法求解该微分方程获得轮胎各部位的温度变化；
(3)根据各部位的温度变化情况，根据输入的各材料的硫化特性曲线，采用阿雷尼乌斯方程描述材料的硫化速率：
其中：
τ1—温度为T1时的正硫化时间；
τ2—温度为T2时的正硫化时间；
R—气体常数R＝8.314kJ/mol；
E—硫化反应活化能。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：根据能量转换计算，实时控制胶囊内的排凝时间间隔，减小轮胎的上下模温度差异。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于：在轮胎硫化时可以自主控制轮胎硫化机内的温度和压力，有效地减小轮胎过硫，同时保证轮胎硫化时间最短。
7.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，具体方法如下：
第一步，对硫化机进行改造，使得轮胎硫化机里面的上下侧板内的流道、模套内的流道都是独立且不相互干扰；
第二步，输入轮胎结构设计图、模具设计图和各材料的热力学参数和硫化特性参数，建立硫化过程的热传导微分方程，通过求解该方程，实时计算轮胎各部位的温度数值，进而依据各材料的硫化动力学模型计算出硫化程度；
第三步，由于通常轮胎胎侧部位较薄，胎侧部位升温快，当计算的胎侧位置硫化程度达到起泡点消失时的硫化程度时，调小上下侧板的流量控制阀；
第四步，如果上下胎侧的温度差异较大，适当调节上下侧板的流量控制阀，使得上下胎侧温度差异减小；
第五步，当胎面表层达到正硫化时，适当调小模套处的流量控制阀；
第六步，根据能量转换计算，实时控制胶囊内的排凝时间间隔，减小上下模轮胎的温度差异；
第七步，直到轮胎整体都达到正硫化状态，停止硫化并开模。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：第一步中，将上下侧板内开两个以上的独立的流道，模套内也开两个以上的独立流道。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：第一步中，在接入高温蒸汽或过热水时安装流量控制阀门实现每个流道独立控制，和/或在胶囊进水口处安装流量控制阀门实现胶囊内部高温蒸汽或过热水的流量控制。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：第六步中，计算方法是依据轮胎硫化过程中轮胎、胶囊、夹盘温度变化所需的能量和胶囊内的高温蒸汽和氮气充分混合导致的温度降低所释放的能量关系，进一步计算出胶囊内部冷凝水的容量，根据此结合试验结果建立经验模型来控制排凝时间间隔。
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