本发明大致涉及轮胎硫化。更具体地，本发明涉及确定轮胎硫化系统中的能量平衡。
背景技术：
在轮胎硫化的过程中，可以结合轮胎模具使用一个或多个轮胎硫化系统。某些硫化系统的原理特征是将加热和通风系统设置在电硫化系统的核心位置因此提供加热介质。例如，在电压机中，将胎坯装入模具之后，在囊状物(即由弹性材料例如丁基橡胶形成的囊状物)中供应高温和高压加热介质(下文称为“加热介质”)造成囊状物膨胀因此与轮胎的内表面接合。
参考图1，显示了这种类型的用于硫化胎坯p的示例性轮胎硫化系统10。系统10包括流体密封罩12，所述流体密封罩12接收供应的加压加热介质(例如氮气)。罩具有通过一对板16、18形成的腔体14，所述一对板16、18通过囊状物20连接并且具有操作轴22，所述操作轴22造成至少一个板的轴向移动(如图所示，板16可沿轴向位移)。具有一个或多个加热元件24a的加热器24加热所述加热介质。应理解加热器24可以选自任何服从的加热装置，包括但不限于电阻、感应元件等。通过转子30和定子31(共同形成马达)的组合驱动的风扇26相对于加热器24以高速ω搅动加热介质从而以高换热比将热量供应至加热介质。加热器24和风扇26封装在腔体14内，因此整体浸入加热介质。
加热器24设置在与腔体14和至少一个导管32联通的流体路径中，加热介质通过所述导管32引入和/或排出腔体14。在沿着从风扇26至流体密封罩的出口路径26a出来之前，加热介质横穿加热元件24a。加热介质的输送向囊状物20提供有效的能量使得轮胎模具的胎面花纹元件(未显示)深深刺入轮胎p。轮胎p因此通过囊状物20被加热至硫化温度并且同时在模制方向上受到挤压。这种系统的示例性实施方案及其使用说明描述于共同拥有的欧洲专利号ep0686492(名为“tyrevulcanisationbysupplyingheatfromtheinside”，1995年5月18日提交)和共同拥有且共同未决的pct公开号wo2013/164282(名为“chamberforvulcanizingtheinnerportionofatireandincludingafan”，2013年4月26日提交)，这些申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。
如图2进一步显示，加热介质在由风扇26赋予的相对移动的作用下进行旋转。加热流体在腔体内达到足够的切线速度ω从而保证与囊状物20的内表面的良好的热交换。为了保证这种有利的热交换，加热介质具有源自加热器24的必要硫化能量的速度ω(参见图1)并且将所述硫化能量传递至囊状物20的内表面。
随着固化周期中的压力变化，设想可以实现罩的整体体积中的温度均匀化。为了确定和监控加热介质和模制轮胎之间横穿囊状物的传热，需要沿着轮胎的内表面理想地确定流体温度。虽然一些硫化方法设想采集加热介质的温度，用于该目的的传感器通常设置在流体密封罩的外部(例如设置在加热介质的管线或供应线中)。
沿着轮胎内表面测量流体温度是一项复杂且昂贵的挑战。因此，对于加热介质保持受压的持续时间期间，要求可靠且可预测地检测和监控加热介质。在流体密封罩内实现的这种检测和监控可以转化为对通过加热介质和囊状物而对轮胎的传热的控制。
技术实现要素：
本发明提供在固化周期中操作轮胎硫化系统(100)的方法，其中轮胎(p’)在模具中硫化预定的受压持续时间。所述轮胎硫化系统(100)包括囊状物(120)，所述囊状物(120)设置在待硫化轮胎的内部并且至少部分地限定腔体(114)，加热介质在所述腔体(114)中循环。风扇(126)和加热器(124)浸入加热介质，并且加热器具有一个或多个加热元件(124a)，所述加热元件(124a)向穿过加热元件(124a)的加热介质提供能量。所述方法包括提供至少包括如下的数据：被硫化轮胎的囊状物交换表面积(s)、囊状物和加热介质之间的温差(δt)和强制对流交换系数(h)。在当前固化周期中检测腔体中的加热介质温度。通过调节加热器(124)的功率输出调节腔体(114)中的加热介质温度。
在一些实施方案中，所述方法包括构造至少一个温度传感器(150)，所述温度传感器(150)沿着从风扇至腔体的出口路径(126a)设置从而进行检测并且产生一个或多个温度信号，所述温度信号表示检测的加热介质温度。可以构造监控系统从而接收温度信号并且发送一个或多个相当的控制信号以进行调节。
在一些实施方案中，所述方法还包括至少一个如下步骤：在将加热介质引入腔体时开启计时器从而监控受压持续时间的经过时间；基于检测的加热介质温度，至少根据囊状物交换表面积(s)以及囊状物和加热介质之间的温差(δt)计算后续固化周期中穿过囊状物的热通量(ф)；对比计算的热通量(ф)和开始后续固化周期时希望实现的热通量；并且当对比表明不等值时进行调节。
所述调节可以包括在终止当前固化周期时获得预测的最终加热介质温度。所述调节还可以包括如下的至少一者：调节风扇速度，调节加热介质压力和调节加热器输出，并且其中通过调节加热器供应电压来调节加热器输出。所述调节还可以包括在获得和维持加热介质的预定温度水平所需的经过时间的阶段内在小于或等于受压持续时间的预定时间内增加加热器输出。
本发明还提供操作轮胎硫化系统(100)的方法，所述方法包括提供至少包括如下的数据：被硫化轮胎的囊状物交换表面积(s)、囊状物和加热介质之间的温差(δt)和强制对流交换系数(h)。在当前固化周期中检测腔体中的加热介质温度。在后续固化周期之前基于能量平衡限定待通过硫化系统(100)发送的能量的量，在当前固化周期中检测腔体(114)中的加热介质温度。在后续固化周期之前基于检测的加热介质温度调节通过硫化系统(100)发送的能量。
在一些实施方案中，所述方法包括至少根据为了硫化轮胎内表面待供应的能量、在当前固化周期和后续固化周期之间打开模具时的能量损失以及在固化过程中由于硫化系统造成的能量损失，计算固化待硫化轮胎所需的能量。
本发明还包括用于进行所公开方法的轮胎硫化系统(100)。
通过如下详细描述，本文公开的发明的其它方面将变得明显。
附图说明
通过考虑如下详细描述并且结合附图，本文公开的发明的性质和各种优点将变得明显，附图中相同的附图标记表示相同的部件，其中：
图1显示了示例性常规电硫化系统。
图2显示了图1的常规硫化系统中的模拟通量循环。
图3显示了示例性硫化系统的局部截面图。
图4显示了图3的示例性硫化系统在固化囊状物塌陷时的截面图。
图5显示了用于控制加热介质温度的方法的示例性闭环实施方案。
具体实施方式
下面将参考附图中所示的一个或多个实施例，对本发明的实施方案进行具体描述。每个实施例仅作为说明而不限制本发明。本领域技术人员将理解可以在本发明中进行各种修改和改变而不偏离本发明的范围或精神。例如，一个实施方案中的一部分显示或描述的特征可以与一个或多个其它实施方案组合使用从而获得至少一个另外的实施方案。因此，本发明旨在覆盖所述修改和改变，只要它们落入所附权利要求及其等效物的范围内。
现在进一步参考附图，其中相同的附图标记表示相同的元件，图3和4显示了示例性轮胎硫化系统100，所述轮胎硫化系统100具有图1所示系统10的许多特征。硫化系统100包括通过柔性囊状物或固化膜120连接的轴向可移动板116和静止板118。对立板117、119分别使囊状物120沿着其圆周锚固至板116、118。囊状物120和板116,118共同限定流体密封罩112，所述流体密封罩112具有用于容纳受压加热介质(例如氮气)的腔体114。囊状物120以已知方式与刚性轮胎模具(未显示)合作，所述刚性轮胎模具旨在形成轮胎外部形状和刻纹。
在系统100的操作过程中，加热器124封装在腔体114内并且因此完全浸入加热介质。加热器124显示为具有加热元件124a的通常以环形形状形成的线圈构件，但是应理解加热器124可以选自服从以用于本发明的已知加热机构。环形加热元件124a服从于与具有多个叶片126b和直径外延部126c的风扇126操作。一个或多个叶片126b可以具有至少部分与其合并的高导热材料，包括但不限于铜、铝和相当且等效的材料。与加热器124和风扇126联通的动力源(例如电力源，未显示)保证不中断地控制和操作腔体114内的这两个元件。
罩112的中央部分包括操作轴122，所述操作轴122可以相对于固定模具123沿着罩的旋转轴线x-x'旋转。操作轴122造成板116在硫化位置和排出位置之间示例性地沿轴向移动，在所述硫化位置下囊状物120邻接轮胎p’的内壁表面ps’(参见图3)，在所述排出位置下囊状物120塌陷(参见图4)。转子130造成支撑风扇126的基部125的周向旋转。正如本领域已知的，转子130充分地驱动风扇叶片126b从而赋予喷出的加热介质规定的切线速度。
在固化周期开始时，轮胎(p’)在模具中在压力下硫化预定的持续时间(本文称为“受压持续时间”)，静止壳体134中限定的一个或多个导管132将加压加热介质引入腔体114。根据需要(例如连续地或周期性地)将加热介质引入腔体从而沿着囊状物120及其壁120a维持足够的传热。可以设置阀(未显示)从而自动引入和排出加热介质。正如本领域已知的，从加热介质供应器(未显示)供应加热介质。所述加热介质供应器可以任选地包括预热设备，在将加热介质引入腔体114之前所述预热设备预先加热所述加热介质。应理解导管132可以包括一个或多个导管，在固化周期终止时所述导管同样用于排出加热介质。
加热介质可以选自服从于与本文描述的硫化系统共同使用的多种加热介质。在一些实施方案中，加热介质为氮气，氮气具有可忽略的压力和温度之间的相互依赖性。当加热介质为氮气(或其等效物)时，能够实现对加热介质的温度的独立控制。
在风扇126驱动时，加热介质被吸入风扇的中央部分，横穿加热元件124a并且沿着出口路径126a喷入腔体114。至少一个加热介质温度传感器150(例如热电偶或其等效物)设置在壳体134和直径外延部126c的中间。在某些实施方案中，温度传感器150安装在静止板118上并且紧邻出口，风扇126通过所述出口将加热介质输送至出口路径126a。温度传感器150被构造成检测腔体114中的加热介质的温度并且产生表明检测温度的一个或多个温度信号。设想温度传感器150可以连续地(例如在胎坯经受加压加热介质的每一时刻)或者以规律的预定时间间隔采集加热介质温度。
在图3所示的目前的固化周期中，囊状物120在加热介质的压力的作用下处于沿着轮胎p’的内壁表面ps’受压的展开位置。在如图4所示加热介质从腔体114排出时，在预定极限内(例如在箭头a所示的方向上)造成板116的轴向移动使得囊状物120朝向风扇126的中央部分塌陷(例如为了清空空间使得胎圈经过)。囊状物120的塌陷使得囊状物处于用于后续固化周期而不与叶片126b或温度传感器150接触的待用状态。温度传感器150的定位因此不仅保证了整个固化周期中有效的温度数据采集；其还保护传感器在排出过程中免受损坏并且保持传感器对于多个固化周期的不中断的可操作性。
温度传感器150可以联接至监控系统(未显示)，所述监控系统被构造成接收由温度传感器150产生的温度信号。监控系统响应由温度传感器150检测的温度产生一个或多个控制信号。所述控制信号用于对加热器发出命令。
电硫化系统的内部控制
监控系统因此接收温度数据信号并且基于接收的温度数据、加热介质的希望温度、加热介质的加热时间和其它因素向加热器124发送相当的加热指令。在电硫化系统内，通常通过使用观察的实验数据获得的预先建立的周期设定这样的因素。在本领域中，通常应理解理论和实验之间的一致性非常好。因此可以调节(例如经由在线控制)可应用温度、压力和模具停留时间从而使不同的弹性体组合物达到希望的交联程度。
风扇126的旋转速度必须足够高从而保证朝向轮胎传热。同时，温度传感器150(正如关于图3和4显示并且描述的)采集供应至腔体114的加热介质的温度，因此提供沿着囊状物120的内壁表面120a的加热介质温度的相关表达。
为了抵抗囊状物的热阻，可以在当前固化周期中可控地增加热通量从而在后续固化周期开始时保证用于硫化的足够的热通量。感测的加热介质温度因此可以依靠通过控制加热器124和风扇126的组合而优化能量传递的一个或多个过程。
假设囊状物120具有最大热阻并且能量必须克服最大热阻传递至轮胎，穿过囊状物的热通量可以表示为：
ф＝h×s×δt(等式1)
其中：
ф是单位为w的热通量(每单位时间传递的热量)；
h是单位为w/(m2℃)的对流传热系数，其与加热介质相对于囊状物内壁的速度相关，而加热介质的速度与风扇的旋转速度相关；
s是单位为m2的交换表面的面积(即囊状物表面的传热面积)，其与形成轮胎的模具的几何形状相关；并且
δt是单位为℃的加热介质和膜表面之间的温差。
因此，提供至少包括如下的数据：每个被硫化轮胎独有的囊状物交换表面积(s)、每个被硫化轮胎独有的囊状物和加热介质之间的温差(δt)和每个建立的固化周期独有的强制对流交换系数(h)。
可以使用开环控制模式和闭环控制模式来控制加热器124。开环控制模式基于能量控制。在该模式下，需要实现硫化系统100的能量平衡，因此在固化之前限定送往加热器124的能量的量。根据胎坯的物理特征、固化过程中产生的能量损失和压机打开过程中产生的能量损失计算该能量的量。可以在固化过程中进行一些调节，包括根据压机的打开持续时间进行功率调节并且根据在前一个固化过程中测得的加热介质温度进行额外调节。
为了实现系统100内部的开环控制，必须确定通过加热器124传递的需要的总能量。该能量将升高加热介质的温度，因此控制穿过固化膜的传热速度。通过加热器供应的总能量可从以下能量中获得：用于硫化轮胎内部而供应的能量；轮胎模具打开过程中通过对流造成的能量损失；固化过程中通过硫化系统100的所有机械部件造成的能量损失；和通过转子130供应的能量(例如驱动风扇126所需的能量)。为了观察加热介质的温度，可以使用温度传感器150。
硫化轮胎所需的能量是使轮胎从其初始温度(例如环境温度)达到其希望的硫化温度(例如由适用的固化定律限定)的能量。该能量在内部通过加热介质供应而在外部通过模具供应。基于多个固化压机的经验并且通过在电压机上进行的试验所证实的，发现外部能量贡献占该能量的约三分之二而内部贡献占约三分之一。
在模具打开持续时间的每一时刻，可以计算在可移动板116和囊状物120处观察的热通量(单位为w)从而确定轮胎模具打开过程中的能量损失。系统100包括与环境空气接触的轴向可移动板116和不与环境空气接触的静止板118。
为了确定由热系统100的机械部件损失的能量，可以在受压持续时间的每一时刻确定壳体处实现的热通量(单位为w)。认为热通量沿着静止板118恒定，而在壳体134处实现的热通量以与其温度相同的速度降低。在受压持续时间离开硫化系统100的机械部件的热通量因此可以按照壳体周围的初始温度和环境温度来表示。
基于多个固化压机的经验并且通过在与系统100相当的系统上进行的试验所证实的，转子130所消耗的功率保持基本上恒定而不取决于轮胎内部腔体的尺寸和形状。可以根据消耗的功率和受压持续时间的长度之间的关系容易地确定通过转子130供应的能量。
可以在不同阶段观察到受压持续时间的不定性(pendency)，在每个所述阶段的过程中可以计算和调节通过加热器供应的能量。在示例性可编程开环过程中，可以在受压持续时间开始时在能量朝向轮胎传递的阶段中实现加热器124的启动和控制。通过开环控制，通过在受压持续时间的过程中采集温度从而保证加热介质温度的稳定性。在本文公开的开环过程中，发现加热介质温度的升高具有从初始时间测得的持续时间。在受压持续时间开始时，加热介质温度迅速降低并且降低至可预测温度极限内的极限。因此，可以预测到功率损失并且通过调节加热器供应电压相应地调节加热器输出。
可以计算任选的校正或调节，其中假设在受压持续时间的预计经过时间的强制对流交换系数h相比于受压持续时间的剩余部分平均为两倍那么低。为了抵消交换系数h的降低，本文公开的方法在引入功率所需的经过时间的阶段中，引入的功率为受压持续时间的后续剩余部分中引入功率的两倍那么大。因此，可以调节经过时间的持续时间从而保证实现的功率不会超过加热器的最大功率。例如在实践中，可以建立0.90的极限从而保证功率储备。
加热器124的启动停止并且允许系统均匀化直至受压持续时间结束，在该时间加热介质下降至最终温度范围。加热介质温度的降低与能量朝向轮胎的传递和系统中的能量损失相关。例如，在加热器停止时，囊状物120中的加热介质的压力可能较低，因此造成相应较低的换热。实验模型或模拟中可能进行错误计算，从而调节功率水平以补偿该采集的温度值。
同样地，模具打开的时间对预测的能量产生影响并且对功率产生相当的影响。硫化系统100的自动化采集模具打开周期因此容易根据本文公开的方法计算功率调节。
本文公开的方法能够实现可靠且可重复的功率预测，因此允许在硫化系统处于稳定状态的同时管理固化(即预测的能量保证轮胎的固化并且同样地补偿能量损失)。正如本领域技术人员所理解的，应理解贯穿受压持续时间控制加热器的不同阶段可以应用于任何轮胎尺寸和类型。
在闭环控制模式下，诱导目标在囊状物120的内壁120a处达到必需温度。温度传感器150用于测量和控制囊状物120的内壁120a处的温度。
图5的框形图显示了示例性可编程控制回路。设定点温度tc水平和持续时间通过实验限定。该持续时间可以小于或等于受压持续时间。该控制可以通过附图所示的示例性控制回路实现并且例如通过可编程逻辑控制器(plc)获得。正如本领域技术人员所理解的，应理解可以根据合适的固化定律针对任何轮胎尺寸和类型建立设定点温度tc。
在示例性闭环过程中，在经过受压持续时间之后加热器124可以停止从而保证腔体114内的均匀化。维持均匀化直至受压持续时间结束，在该时间加热介质获得最终温度。加热介质的温度降低不仅归因于向轮胎传热而且归因于硫化系统的固有损失。
在使用闭环控制的实施方案中，一旦将轮胎装入压机并且固化膜中的压力超过最小阈值时即可启动风扇126。在所述实施方案中，在整个受压持续时间期间可以在实现朝向轮胎的充分传热时选择性地终止风扇126的操作。
为了核实轮胎固化周期的品质和可重复性，在硫化系统上设置核实系统。固化程度的核实原理基于下表1中列出的原理。
表1
经证实本文公开的实施方案在控制加热介质的温度的同时允许加热介质在固化周期及其多个阶段中不受阻地流动。正如本文所教导的，可以通过相当短的加压周期来适应更短的固化周期。本文公开的系统和方法在流体密封罩中建立贯穿固化保持均匀的温度。这在公知的硫化系统内通过建立和维持对加热器的控制而不对现有程序作出本质改变来进行。
本文描述的各种技术中的至少一些技术可以连同硬件或软件或(如果合适的话)连同硬件和软件的组合一起实施。例如，可以使用电信号处理功能进行功率计算和功率调节的任何方面，包括连同计算机设备(包括移动网络设备)一起进行，所述计算机设备包括硬件、软件或(如果合适的话)硬件和软件的组合。处理功能可以对应于包括一个或多个处理设备的任何类型的计算机设备。计算机设备可以包括任何类型的计算机、计算机系统或其它可编程电子设备，包括客户端计算机、服务器计算机、便携式计算机(包括笔记本电脑和平板电脑)、手持式计算机、移动电话(包括智能电话)、游戏设备、嵌入控制器、近场通信设备、具有至少部分使用云服务执行的应用的设备，或其任何组合和/或任何等效物(包括非接触式设备)。此外，计算机设备可以使用一个或多个网络计算机(例如集群式计算机系统或其它分布式计算机系统)实施。网络可以是lan、wan、san、无线网、蜂窝网络、无线电线路、光线路和/或因特网，尽管网络不限于这些网络选择。服务器可以进一步被构造成便于至少一个本文描述的模块和一个或多个计算机设备之间的通讯。
所公开的技术方面的所选组合对应于本发明的多个不同的实施方案。应注意本文描述和讨论的每个示例性实施方案不应暗示着限制本发明的主题。作为一个实施方案的一部分所说明或描述的特征或步骤可以结合另外的实施方案的方面使用从而获得其它实施方案。此外，一些特征可以更换成文中未具体说明但是执行相同或相似功能的相似设备或特征。
本文公开的尺寸和数值不应理解为严格限制于所提到的确切数值。相反，除非另有声明，每个尺寸旨在表示所提到的数值和所述数值附近的功能等同的范围。例如，公开的“40mm”的尺寸旨在表示“约40mm”。同样地，本文公开的尺寸和数值不限于指定测量单位。例如，用英制单位表示的尺寸被理解为包括用公制单位和其它单位表示的等效尺寸(例如公开的“1英寸”的尺寸旨在表示“2.5cm”的等效尺寸)。
正如本文所使用的，术语“方法”或“过程”表示一个或多个步骤，这些步骤可以以不偏离本发明范围的不同于附图所示的其它顺序进行。正如本文所使用的，术语“方法”或“过程”可以包括至少通过一个电子装置或计算机装置进行的一个或多个步骤。步骤的任何顺序都是示例性的而不旨在将本文描述的方法限制于任何特定顺序，也不旨在排除增加步骤、省略步骤、重复步骤或同时进行步骤。正如本文所使用的，术语“方法”或“过程”可以包括至少通过一个电子装置或计算机装置进行的一个或多个步骤，所述电子装置或计算机装置具有用于执行进行所述步骤的指令的处理器。
术语“一”、“一个”及词语的单数形式应该被认为是包括了相同词语的复数形式，使得这些术语是指提供了某物的一个或更多个。术语“至少一个”和“一个或多个”可互换地使用。描述的在“a和b之间”的范围包括数值“a”和“b”。
除非明确排除或另有限制，本文引用的每篇文献(包括任何交叉引用或相关专利或申请)通过引入全部并入本文。相对于本文公开或保护的任何发明，或者无论是其单独还是与任何教导、启示或公开任何这样的发明的任何其它一个或更多个文献组合，任何文献的引用并不承认其为现有技术。此外，在本文献中的术语的含义或定义与通过引用引入的文献的相同术语的任何含义或定义矛盾的情况下，以本文献中该术语的含义或定义为准。
虽然已经说明和描述了公开装置的具体实施方案，应理解可以进行各种变化、增加和修改而不偏离本公开的精神和范围。因此，除了所附权利要求书中所述之外，本文公开的发明的范围不受限制。