一种轮胎胶料硫化体系的设计方法
【专利摘要】本发明提供了一种轮胎胶料硫化体系的设计方法，首先统计轮胎热物性参数、硫化动力学参数的变化范围；然后，建立轮胎硫化过程数值模型，分别对热物性参数、硫化动力学参数进行正交试验，确定工程正硫化时间与热物性参数、硫化动力学参数的关系图以及热物性参数、硫化动力学参数对正硫化时间的影响主次顺序；最后，选取正硫化时间的主要影响因素，根据工程正硫化时间与该主要影响因素的关系图，调整该主要因素的数值来设计硫化体系。本发明减小轮胎胶料硫化体系设计盲目性，实现轮胎中不同胶料间硫化体系之间的合理匹配，提高轮胎硫化效率，减少开发费用、缩短研发周期，且轮胎断面越厚、胶料层数越多，本发明所述的方法越有效。
【专利说明】一种轮胎胶料硫化体系的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种轮胎胶料硫化体系的设计方法。
【背景技术】
[0002] 轮胎是由多层橡胶、橡胶帘线复合材料组成的圆环形弹性制品，各层作用不同，其 胶料配方硫化体系也不同。为了提高轮胎硫化效率，需要合理匹配轮胎中不同胶料的硫化 体系。橡胶硫化体系包括硫化剂、促进剂、活性剂和防焦剂等，通过硫化体系的调整其可以 在一定范围内相对独立地控制橡胶密度、比热容、导热系数、活化能和频率因子等参数。
[0003] 硫化是轮胎制造的最后一道工序，决定其最终性能。轮胎内部复杂的硫化反应使 得硫化特性参数分布具有明显的不均匀性和时变性，而且影响轮胎硫化的因素众多，导致 轮胎胶料硫化体系设计具有盲目性。尤其是在面对多层厚断面子午线轮胎等复杂硫化对象 时，很难合理匹配内部不同胶料之间的硫化体系。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种轮胎胶料硫化体系的设计方法。
[0005] 本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0006] -种轮胎胶料硫化体系的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007] 第一步，统计轮胎中常用橡胶材料的热物性参数、硫化动力学参数，确定热物性参 数、硫化动力学参数的变化范围；
[0008] 第二步，建立轮胎硫化过程数值模型，其中温度场与硫化反应场之间为顺序耦合 关系，靠近钢模一侧的橡胶均定义为同一种材料Ml、靠近水囊一侧的橡胶定义为另一种材 料M2 ;
[0009] 第三步，分别对热物性参数、硫化动力学参数进行正交试验，所述热物性参数、硫 化动力学参数取其变化范围的最大值、最小值和中间值，响应指标为轮胎工程正硫化时 间；
[0010] 第四步，根据第三步的实验结果确定工程正硫化时间与热物性参数、硫化动力学 参数的关系图，计算热物性参数、硫化动力学参数的极差，并根据实验结果确定热物性参 数、硫化动力学参数对正硫化时间的影响主次顺序；
[0011] 第五步，根据热物性参数、硫化动力学参数对正硫化时间的影响主次顺序，选取主 要影响因素，根据工程正硫化时间与该主要影响因素的关系图，调整该主要因素的数值来 设计硫化体系。
[0012] 优选地，所述热物性参数包括导热系数λ、比热容C、密度p，所述硫化动力学参 数包括频率因子Α2和活化能Ei或活化能与气体常数比值E/R。
[0013] 优选地，所述第一步中所述导热系数λ的变化范围为〇. 2?0. 35WAm*°C )，比热 容c的变化范围为1?2. 5kJ/kg，密度P的变化范围为1078?1266kg/m3。
[0014] 优选地，所述第四步中，所述热物性参数对正硫化时间的影响主次顺序为：材料 Ml的导热系数λ，材料Ml的比热容Cl>材料Ml的密度Ρ ρ材料M2的比热容c2>材料M2 的导热系数λ 2>材料M2的密度P 2。
[0015] 优选地，所述第四步中，所述硫化动力学参数对正硫化时间的影响主次顺序为：材 料M2的E/ /R>材料Ml的EVR〉材料Ml的Α2>材料M2的Α2'。
[0016] 本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
[0017] (1)减小轮胎胶料硫化体系设计盲目性，实现轮胎中不同胶料间硫化体系之间的 合理匹配，提高轮胎硫化效率；
[0018] (2)采用现代设计理论与方法，进行轮胎胶料硫化体系的匹配设计，减少开发费 用、缩短研发周期。
[0019] (3)轮胎断面越厚、胶料层数越多，本发明所述的方法越有效。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1为11. 00R20子午线轮胎硫化系统示意图。
[0021] 图2为工程正硫化时间与热物性六因素之间的关系图。
[0022] 图3为工程正硫化时间与硫化动力学四因素之间的关系图。
[0023] 附图标记说明如下：
[0024] 1-硫化系统，2-第一金属模具，3_轮胎，4-第二金属模具，5_水囊，6-耐磨层， 7-钢丝圈，8-加强层，9-垫胶，10-过渡胶，11-胎体层，12-内衬层，13-胎侧，14-肩部垫胶， 15-胎冠，16-带束层，17-胎冠基部胶。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并 不限于此。
[0026] 以11. 00R20子午线轮胎作为实施例对本发明作详细阐述，如图1所示，其硫化系 统1包括第一金属模具2、轮胎3、第二金属模具4和水囊5,轮胎3位于第一金属模具2、第 二金属模具4和水囊5之间。轮胎3还包括耐磨层6、钢丝圈7、加强层8、垫胶9、过渡胶 10、胎体层11、内衬层12、胎侧13、肩部垫胶14、胎冠15、带束层16、胎冠基部胶17。其中， 加强层8、胎体层11和带束层16为橡胶-帘线复合材料结构，金属模具2、金属模具4、钢丝 圈7为金属结构，其余均为橡胶结构。机内硫化时间为52min，前5min胶囊中过热水温度 由180°C线性降至170°C，其后47min温度保持不变；硫化蒸汽温度前6min保持120°C恒定 不变，后8min由120°C线性升至151°C，最后38min保持151°C恒定不变。轮胎初始温度为 30°C，硫化模具初始温度为120°C，胶囊初始温度为100°C。该轮胎断面尺寸最厚的胎肩是 最难硫化的部位，此处的硫化特性直接决定了整个轮胎的硫化效率和性能，为此，以胎肩为 例，对本发明所述的轮胎胶料硫化体系的设计方法进一步说明。
[0027] 第一步，进行轮胎常用橡胶材料的热物性和硫化动力学试验数据统计分析，确定 橡胶热物性参数和硫化动力学参数的变化范围，在橡胶材料热物性方面，密度P变化范围 为1078?1266kg/m 3,导热系数λ变化范围为〇. 2?0. 35WAm*°C )，比热容c变化范围 为1?2. 5kJ/kg ;在橡胶硫化动力学方面，为了简化计算，选取K-R模型作为硫化动力学计 算模型，硫化动力学参数选取频率因子和活化能与气体常数比值。频率因子A 2的变化范围 定为596000000?728000000s-1、活化能与气体常数比值E'R的变化范围设定为8064? 10080K。
[0028] 第二步，建立轮胎硫化过程数值模型，其中温度场与硫化反应场之间为顺序耦合 关系，即温度场的影响因素仅为材料的热物性参数，硫化反应场由温度场和橡胶硫化动力 学特性共同确定，假设靠近钢模一侧的胎面胶、胎侧胶为同一种材料M1，而靠近水囊一侧的 带束层橡胶、胎体层橡胶、内衬层、胎肩垫胶为同一种材料M2。
[0029] 第三步，分别对热物性参数、硫化动力学参数进行正交试验设计，响应指标为轮胎 工程正硫化时间（t70)，其中，材料参数取其变化范围的最大值、最小值和中间值三个水平， 如表1、表2所不：
[0030] 表1橡胶热物性设计因素及水平
[0031]
【权利要求】
1. 一种轮胎胶料硫化体系的设计方法，其特征在于，包括以下步骤： 第一步，统计轮胎中常用橡胶材料的热物性参数、硫化动力学参数，所述热物性参数包 括导热系数、比热容、密度，所述硫化动力学参数包括频率因子、活化能，确定热物性参数、 硫化动力学参数的变化范围； 第二步，建立轮胎硫化过程数值模型，其中温度场与硫化反应场之间为顺序耦合关系， 靠近钢模一侧的橡胶均定义为同一种材料Ml、靠近水囊一侧的橡胶定义为另一种材料M2 ; 第三步，分别对热物性参数、硫化动力学参数进行正交试验，所述热物性参数、硫化动 力学参数取其变化范围的最大值、最小值和中间值，响应指标为轮胎工程正硫化时间； 第四步，根据第三步的实验结果确定工程正硫化时间与热物性参数、硫化动力学参数 的关系图，计算热物性参数、硫化动力学参数的极差，并根据实验结果确定热物性参数、硫 化动力学参数对正硫化时间的影响主次顺序； 第五步，根据热物性参数、硫化动力学参数对正硫化时间的影响主次顺序，选取主要影 响因素，根据工程正硫化时间与该主要影响因素的关系图，调整该主要因素的数值来设计 硫化体系。
2. 根据权利要求1所述的轮胎胶料硫化体系的设计方法，其特征在于，所述热物性参 数包括导热系数λ、比热容c、密度p，所述硫化动力学参数包括频率因子^和活化能Ei* 活化能与气体常数比值E 1/R。
3. 根据权利要求2所述的轮胎胶料硫化体系的设计方法，其特征在于，所述第一步中 所述导热系数λ的变化范围为0. 2?0. 35WAm*°C )，比热容c的变化范围为1?2. 5kJ/ kg，密度P的变化范围为1078?1266kg/m3。
4. 根据权利要求2所述的轮胎胶料硫化体系的设计方法，其特征在于，所述第四步中， 所述热物性参数对正硫化时间的影响主次顺序为：材料Ml的导热系数λ ρ材料Ml的比热 容Cl>材料Ml的密度P，材料M2的比热容c2>材料M2的导热系数λ 2>材料M2的密度 Ρ 2〇
5. 根据权利要求2所述的轮胎胶料硫化体系的设计方法，其特征在于，所述第四步中， 所述硫化动力学参数对正硫化时间的影响主次顺序为：材料M2的E/ /R>材料Ml的E/R〉 材料Ml的A2>材料M2的^'。
【文档编号】G06F19/00GK104050365SQ201410258813
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】杨建 , 王国林, 周海超, 张建, 梁晨 申请人:江苏大学