轮胎在硫化过程中的传热特性研究

论文摘要

随着国民经济的发展,汽车工业的发展尤为迅速,汽车越来越多的进入家庭。同时高速公路的迅猛发展,路面条件的改善,使得车速得以不断的提高,这就使得人们对轮胎质量的要求大大提高。硫化是轮胎制造的最后一道工序,硫化工艺的好坏直接影响到轮胎的生产效率和轮胎的质量以及能耗。现有的轮胎硫化工艺存在硫化不均的缺点,为了改进硫化工艺进而改善硫化不均的问题,探究轮胎在硫化过程中的真实硫化历程是必要的。为了提高轮胎的硫化性能,国内外众多学者在硫化介质、硫化设备等方面做了大量的研究。目前,就硫化历程的研究有硫化测温技术和应用计算机技术进行数值模拟两种手段。由于硫化测温并不能得到与实际生产完全吻合的真实温度场,且试验时间长,成本高,操作复杂,使得数值分析技术得到越来越普遍的应用。本课题以11.00 R20 S815全钢载重子午胎为研究对象,进行了胶料热物性的测量、硫化温度场数值分析以及轮胎内各特征点的硫化温度实验测定,对比分析了数值分析结果的正确性,在此基础上对轮胎硫化程度的影响因素进行了分析,旨在对改进轮胎硫化工艺提供一个可行的参考依据。(1)利用硫化仪测定了各部位胶料的正硫化时间,以此为基础并对各部位胶料进行了过硫、正硫、欠硫硫化,通过对各部位胶料的力学性能分析和胎面胶的磨耗分析得出:胶料的物理机械性能在正硫化时间时达到或接近最佳值,其综合性能最好。(2)利用LFA447型激光导热分析仪对轮胎所用橡胶材料的热物性参数进行了实验测量,通过对数据的分析可以得出:热扩散系数随温度的升高逐渐降低;导热值和比热值都随温度的升高逐渐增大;且他们与温度的变化关系都近似成线性关系。(3)建立了11.00 R20 S815全钢载重子午胎的数值分析模型,并用Fluent软件进行了分析计算。为验证模型的正确性,进行了轮胎内部特征点的温度测量,将实验结果与模拟分析结果对比分析,发现两者具有良好的一致性,说明硫化温度场仿真技术能真实地反映实际的轮胎硫化情况。在此基础上,研究了胶料热物性随温度的变化对轮胎硫化温度场的影响,“后硫化效应”、轮胎初始温度对轮胎硫化程度的影响。得出:①模拟过程中,胶料热物性参数的加载方式对模拟结果有着重要的影响。只有将热物性参数进行线性加载时其模拟结果才较可靠。②硫化期间轮胎内部存在明显的温度梯度,轮胎各部位的硫化历程差别较大,胎冠和胎肩等部位由于远离热源,升温速度小于胎侧和胎圈,在其他部位都已经开始硫化的时候,这些部位还未进入硫化;其降温速度也较缓慢,滞后时间很明显,在其他部位正硫化结束后,这些部位的硫化反应还在进行,因而这些部位的后硫化效应不容忽视,而且硫化反应热继续释放使得温度继续升高,并且成为新的热源,将热量传给周围的单元。因此,轮胎各部位硫化程度相当不平衡。③“后硫化效应”对轮胎各部位的硫化程度都有一定的影响,影响程度是随着埋线位置的加深而逐渐增大的,其中对胎肩部位的硫化程度影响最大。因此,在实际的生产中,可以考虑利用后硫化效应来缩短硫化加热时间,达到提高生产效率并节约能源。④通过提高轮胎的初始温度,可以使得轮胎各部位的相对硫化程度越来越接近,即硫化程度越来越均匀,从而减小了过硫、欠硫程度。且可以缩短硫化机内的加热时间,从而提高生产效率。(3)测试了不同胶料在不同硫化程度下的力学性能以研究过硫、欠硫对轮胎质量的影响。(4)对变温硫化工艺进行了探讨,开始温度较高可强化传热,温升较快,能缩短硫化时间;后期降温又可改善硫化均匀性,提高设备利用率。(5)论文最后对轮胎工业中主要采用的三种硫化方式进行了对比和分析,认为外部加热硫化方式由于橡胶的低导热性使得轮胎在加热过程中的温度场分布不均匀,为了解决这一问题本课题组提出了微波内加热的硫化工艺。并简要论证了轮胎微波硫化的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 轮胎硫化工艺的进展
• 1.2.2 轮胎硫化温度场的研究现状
• 1.3 研究内容和目标
• 2 胶料热物性参数及力学性能参数的测定
• 2.1 正硫化时间的测定
• 2.2 力学性能参数的测定
• 2.2.1 拉伸性能分析
• 2.2.2 胎面胶过硫、正硫、欠硫下的磨耗分析
• 2.3 热物性参数的测定
• 2.3.1 实验仪器
• 2.3.2 激光法物理模型及原理
• 2.3.3 实验步骤
• 2.3.4 实验结果及分析
• 2.4 胶料硫化反应活化能
• 2.5 本章小结
• 3 数值模拟和硫化测温
• 3.1 轮胎硫化过程中的热传递
• 3.1.1 热传递基本理论
• 3.1.2 轮胎热传导微分方程的建立
• 3.2 模型建立与模拟参数设定
• 3.2.1 几何模型
• 3.2.2 物理模型
• 3.2.3 计算模型和边界条件设定
• 3.3 硫化测温实验
• 3.3.1 实验设备
• 3.3.2 实验步骤
• 3.3.3 实验结果与分析
• 3.4 数值模拟结果与分析
• 3.4.1 数值模拟方法的可行性分析
• 3.4.2 数值模拟结果及分析
• 3.5 热物性对硫化温度场的影响
• 3.6 初始温度对硫化程度的影响
• 3.6.1 不同工况下温度时间关系曲线
• 3.6.2 等效硫化时间
• 3.7 “后硫化效应”对硫化程度的影响
• 3.8 本章小结
• 4 变温硫化工艺
• 5 结论及展望
• 5.1 创新点与主要结论
• 5.1.1 创新点
• 5.1.2 主要结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文