第６期 龚新立，等．轮胎制造技术的发展 轮胎制造技术的发展 龚新立，李汉堂 （曙光橡胶工业研究设计院广西桂林５４１００４） 摘 要：本文主要论述世界轮胎制造技术的发展状况，包括介绍胶料混炼、压延、挤出、钢丝圈结构、成型和硫化等。还提 出了今后的发展方向。 关键词：轮胎制造技术；混炼；压延；挤出；钢丝圈；成型；硫化 １前言 的塑炼和混炼主要靠开炼机来实现。由于用开炼 回顾几十年来轮胎生产的变化过程，人们会 机塑炼混炼的胶料存在质量差、效率低、劳动强度 说这种变化是一种演变而不是革新。但是，几十 大和工作环境恶劣等一系列问题，所以英国人本 年来轮胎制造技术已经产生了一系列的变化，轮 伯里在２０世纪初期发明了密炼机，也称本伯里密 胎已经成为高技术产品。不同的公司根据他们的 炼机。这种密炼机转子具有两根螺棱，其断面为 技术能力，为了获得不同的需求，所采用的制造技 椭圆形。本伯里密炼机的出现极大地提高了混炼 术有些不同，但各大公司都试图开发模块生产系 胶的质量和生产率，降低了劳动强度和改善了工 统，以图提高轮胎产品的质量和生产率，降低消耗 作环境。为了适应高门尼粘度、高硬度胶料的混 和成本。例如米其林开发的Ｃ３Ｍ（Ｃｏｍｉｍａｎｄ 炼，在本伯里密炼机之后出现了螺旋啮合密炼机。 Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｏｍｍｔｍｉｃａｆｉｏｎ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，即集指挥、控 但这种密炼机生产效率比较低，因此人们在不断 制、通讯和制造为一体的自动化系统）、倍耐力公 地完善本伯里密炼机，使其能适应各种混炼胶料 司开发的ＭＩＲＳ（ｍｏｄｕｌａｒ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｒｏｂｏｔｉｚｅｄ ｓｙｓ— 的要求。例如，２０世纪５０年代出现的四棱转子， ｔｅｒｎ。即模块集成自动化系统）、普利司通公司开发 演变成为各种形式的密炼机，例如Ｆ系列、ＧＫ系 的ＢＩＲＤ（Ｂｒｉｄｇｅｓｔｏｎｅ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｒａｔｉｏｎａｌ ｄｅｖｅｌｏｐ— 列密炼机等。整个密炼机的发展过程都是围绕着 ｍｅｎｔ，即普利司通创新合理发展）、固特异公司的 对混炼胶的高质量、高效、低耗、低成本展开的。 ＩＭＰＡＣＴ（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｓｓｅｍ－ 从传统的低速密炼机发展到高速密炼机；从小容 ｂｌｙ ｃｅｌｌｕｌａｒ ｔｅｅｈ，即集合加工精密成型单元技术）¨ 。 量的密炼机到大容量的密炼机；从单一的密炼机 到有机一体的联动化密炼机；从人工操作的密炼 ２轮胎制造 机到机械化、自动化的密炼机；从单一的密炼机硬 在轮胎制造工艺中，混炼、压延、挤出、成型和 件发展到与工艺要求在线控制的智能化密炼机 硫化仍然是大多数轮胎厂家需要谨慎对待的问 等。目前密炼机发展主要还是在完善现有的传统 题。以下就这些方面的技术进行论述。 密炼机模式，并采用先进的高新技术对其进行嫁 ２．１ 混炼 接，如近年来出现的同步转子密炼机以及调距转 人们经常引证的一句话是“质量始于混炼”。 子密炼机等 Ｊ。 多次改进胶料混炼的目的是，在不影响混炼均匀 尽管密炼机已达到很高的生产效率，每个混 性的前提下提高产量。从ｌ９世纪初期开始，胶料 炼周期缩短到３～５ｍｉｎ的很短时间，然而，间歇式 生产带来的批次之间的胶料质量差异始终难以彻 作者简介：龚新立（１９６３一），男，甘肃酒泉人，１９８５年毕业于郏 底解决，同时给生产线连续化带来一定困难。因 州工业大学化工系，高级【程师，主要从事轮胎研发及生产管 理工作，现任曙光橡胶工业研究设计院副院长。 此，连续混炼一直成为橡胶业界梦寐以求、执著追 ２ 现代橡胶技术 ２００８年第３４卷 寻的方向。工业化国家已经投入大量的人力、物 力和财力对连续混炼机进行研究。目前的连续混 炼机已经可以使用胶粒或粉末橡胶实现胶料的连 续混炼，但连续混炼要求特定的粒状胶料将制约 连续混炼机的推广。 密炼机的最大变化是控制系统。以前，密炼 机混炼周期是通过时问和温度控制的，而新型密 炼机的混炼周期是通过瞬时和累积的时间、温度 和动力控制的。根据混炼周期变换转子速度，由 水温控制的混炼区段的温度误差只有几度。可以 在混炼周期内改变上顶栓压力，混炼室内所有的 物料都被一起混合。目前，一般采用闭合回路密 炼机控制系统 。 ２．２压延 为了使压延生产线的高性能设备达到最佳质 量、高度可靠性和高产量的目标，压延机械设备的 发展趋势是：主机大型化、联动装置复杂化、控制 自动化甚至人工智能化。 ２．２．１压延生产线自动化 近年来，在导向和控制方面，国外有些公司已 能提供用途广泛的不同系统。 （１）卷材导向系统 使用带有非接触式传感器的数字定中导向系 统。该系统通过两个安装在电动机驱动装置上的 红外传感器来感测帘布或胶片的一侧边缘。由横 梁传动机构产生准确的宽度测定信号。配备有位 置监视和故障诊断的全套系统，可以很方便地通 过总线系统与ＰＬＣ联成网络。 （２）扩布系统 扩布系统采用两种不同形式的扩式器。用帘 线对准器的弓形辊系统使经密度分布均匀，即扩 布加上整幅宽控制；用指形辊经密度排列器系统 进行帘布边部扩布。帘线对准器扩布系统和经密 度排列器边侧扩布系统都包括有非接触式侈感 器、数字控制器和电动驱动的启动器。这种方式 比起以前的气动方式，特别是经常碰到的液压方 式装置要可靠得多，而且还消除了由于漏油而引 起的污染问题。 （３）卷材张力系统 对于压延机上覆胶最佳化，以及避免以后成 品长度收缩至关重要。在压延生产线上，可以看 到许多传动装置，它们一般按主传动和伺服传动 成组布置。测力传感器是追随控制的基础。Ｅ＋Ｌ 公司的测力传感器是惠斯通桥电路原理类应变 仪。这种仪器可保证高线性度（而无滞后），保证 绝对恒定的零点、小量信号放大、安装简便。 （４）卷材宽度测量系统 仅在近年来才得到不断发展的ＣＣＤ摄像机 已在计算机材料检验领域开创了全新的发展局 面。高速、高分辨率摄像机现已被使用在宽度测 量和检验系统。这种宽度测量系统可测出帘布宽 度的变化，提供输出信号，从而相应地把另一系统 如帘线对准器扩布系统加以校正，把成品尺寸列 入其它各部位产生的信号分析评估中。 检验系统可控制经密度分析（使之达到设定 参数），突出显示等级波动，触发警报，检测和监视 帘线材料的缺陷，如打结、缺线、污垢等。在多台 摄像机系统的监视下，检测系统可控制边缘区域 及经密度排列器边侧扩布系统，使经密度分布均 匀。检验系统还提供信号处理、故障诊断和质量 文件。 ２．２．２浮动辊筒 上述诸挠度补偿措施所形成的曲线与辊筒的 挠度曲线不完全吻合，为此，采取了液压浮动辊筒 改进措施。其主要结构原理是，将辊筒外壳与中 间轴做成二体，中间轴固定不转，外壳磨成平直工 作面装在辊筒轴承上，并围绕固定轴转动，密封装 置将固定轴与外壳间的空间分为上、下两室，工作 时在辊筒受力一面的空间充人液压，使固定轴弯 曲，同时使外壳与已有变形的邻辊筒压紧，使整个 辊筒长度上的压力均匀分布。此法可获得更高的 压延精度 。 ２．３ 挤出 橡胶挤出机是橡胶生产中的主要加工设备， 与其他橡胶加工设备相比，由于其应用领域广泛、 用途不断扩展，显示出了巨大的发展潜力。 １９世纪８０年代出现了橡胶热喂料挤出机． 由于其结构简单、生产效率高、制造容易、能够连 续化作业等独特的优点，使得热喂料挤出机在橡 胶工业中获得广泛的应用，并成为橡胶工业的重 第６期 龚新立，等．轮胎制造技术的发展 ３ 要设备。但是，由于热喂料挤出机需一整套庞大 的预热供胶系统，不但使工艺过程复杂化，而且在 喂料挤出机的发展过程。销钉式冷喂料挤出机的 出现，使得橡胶挤出成型技术如虎添翼。它不但 占地面积、电能的消耗、劳动力的浪费等都有不可 克服的缺点。特别是热喂料挤出机螺杆长径比很 短，很难建立起机头压力，导致挤出半成品质地疏 松，直接影响橡胶成品的质量。为了克服热喂料 挤出机存在的问题，德国在２０世纪４０年代初期 发明了橡胶冷喂料挤出机。这种挤出机是在原有 的热喂料挤出机基础上加大螺杆的长径比，使挤 出机机外的胶料热炼供胶功能变成挤出机机内的 热炼功能。因而，可以取消热喂料挤出机所需庞 大的热炼供胶系统，同时也提高了挤出机的机头 压力，使挤出半成品质地致密，提高了制品的质 量。然而，早期的冷喂料挤出机的螺杆构型比较 简单，一般是等深不等距或等距不等深的普通螺 杆。这种类型的螺杆主要是起输送作用，其剪切、 混合功能较差，加之当时疏忽了冷喂料挤出机各 区段恒温加热的重要性，导致挤出胶料塑化达不 到要求。 经过２０多年的发展，在２０世纪６０年代初期 工业化国家出现了主副螺纹强力剪切螺杆，也相 应出现了主副螺纹冷喂料挤出机。这类冷喂料挤 出机的出现，使挤出机的剪切功能和混合功能得 到显著提高，同时能建立起更高的机头压力，这就 突破了冷喂料挤出机一直没有解决的塑化能力问 题。这时期冷喂料挤出机开始得到较迅速的发 展。也几乎在同一个时期，随着某些制品在加工 过程中需要除去原料中的气体、水份或各种易挥 发物，使得先前使用的挤出机的用途受到限制。 这时工业化国家推出了冷喂料排气挤出机，这类 挤出机能有效解除物料中所含的水份、溶剂，从而 提高成型产品的光洁度，减少各种缺陷，更好地提 高产品质量。在７０年代末期８０年代初期，工业 化国家又推出了销钉机筒冷喂料挤出机。由于这 种挤出机具有高塑化能力和高生产率，当它一出 现时就得到橡胶工业的积极响应，在几年之间就 得到了普遍推广，发展十分迅速。与此同时，与其 相匹配的挤出联动线也得到异常迅速的发展，如 复合胎面挤出联动线等 。 橡胶挤出机经历了从热喂料挤出机到普通冷 具有普通冷喂料挤出机的特点，而且具有挤出胶 料塑化程度好、均匀度好，生产效率高、排胶温度 低、能耗低等明显优于普通冷喂料挤出机的优点。 由于其具有这些优点，使得橡胶加工技术得到更 好的发展，其具体表现为：从最初单一的挤出成型 发展到复合挤出成型，例如胶片的复合以及轮胎 胎面的复合；从开炼机预热供胶逐步发展到应用 销钉式冷喂料挤出机预热和补充混炼供胶，例如 为钢丝帘线和纤维帘线压延机供胶和作为各种胶 片压延生产的供胶系统。在此基础上又发展了诸 多挤出成型技术，如ＭＣＴ和ＭＣＴＤ挤出技术、齿 轮泵挤出技术等 Ｊ。 随着轮胎制造业的发展，挤出生产线发生了 不同程度的变化。数年以前，还用开炼机破胶向 热喂料挤出机供料。设计的大多数挤出机的机头 只能挤出一种胶料。挤出机机头设计新技术的发 展，已使挤出机能挤出多种胶料。现在，轮胎厂的 许多挤出生产线都使用销钉式冷喂料挤出机。冷 喂料挤出作业比使用多台开炼机占地面积小。挤 出机机筒内的销钉破胶能力更强，挤出的胶料比 筒壁平滑的挤出机挤出的胶料更均匀。 挤出生产线最大的变化是挤出机机头的形 状。挤出机机头将胶料从挤出机机筒的端部送入 挤出机头。最重要的一点是，圆形的机头要具有 不同的压力断面。即使胶料在流动挤出过程中， 也要使胶料以片状的形式传送。使用一种胶料挤 出时，机头的几何形状几乎是顺向的。一般采用 平板机头挤出断面形状的胶料。通常，技工要将 挤出机头切割、打磨、锉平并进行钎焊才能制造出 理想的挤出机机头。当今的技术使我们能模拟胶 料在挤出机中的流动。挤出机设计人员将模拟情 况与现在的机械技术相结合，用一块钢材便能加 工出理想的挤出机机头。用挤出机进行多种胶料 挤出时，机头的几何形状更复杂。一般垂直地重 叠布置三种胶料（三复合）和四种胶料（四复合） 挤出生产线的挤出机，挤出机的前端在机头处会 聚。胶料通过机头内部的不同流动通道被直接送 入所需的断面口型部位，然后根据轮胎生产的质 ４ 现代橡胶技术 ２００８年第３４卷 量要求换上尺寸合适的最终口型。 几年来，已开发出多种检测挤出质量的工具。 以前，检测挤出质量的主要工具是靠钢尺和卡尺。 虽然用这种检测工具能满足当时的需求，但是，检 不再使用原来的成型鼓成型机而改用胎圈锁紧成 型装置。操作工在可伸缩的成型鼓上成型气密层 和胎体帘布层，然后，弹簧指或爪片顺着鼓边向下 正包帘布，形成一个放胎圈的垂直面。最早的时 测结果不太理想，因为这完全取决于检测人员的 检测水平。现在的检测工具包括，检测胶片实际 候，操作工要转动成型鼓，然后，用金属爪片向上 包帘布。后来，随着技术发展，改用机械上包装置 挤出宽度的生产线用扫描仪和激光断面检测系 统，它们的检测效果很准确，大大地降低了人工检 测的误差 ｊ。 ２．４钢丝圈 许多轮胎厂一直使用的是胶制造或胶粘带钢 丝圈。胶条钢丝圈的特点是：一组平行排列的钢 丝穿过一个口型和过滤板，覆上一层基体胶，然后 在一个预定直径的轮子上缠绕，直至达到所要求 的规格。 最新的钢丝圈缠覆胶机使用的是单股覆胶钢 丝，缠绕完一条钢丝圈后，可将钢丝提起、反转，缠 绕第二条钢丝圈。这种钢丝圈没有接头，钢丝圈 均匀性更好。因此。用这种钢丝圈制造的轮胎均 匀性更好 。 罗之祥等通过对国外轮胎剖析分析其轮胎钢 丝圈和胎圈钢丝的发展变化，发现国外载重子午 线轮胎钢丝圈形状主要为六角形（轻载多为矩形 或圆形），钢丝直径在１．２～１．６ｍｍ之间，抗拉强 度逐渐提高，高达２ Ｏ００ＭＰａ以上，断裂伸长率大 于５％；轿车子午线轮胎钢丝圈多为矩形，钢丝直 径为０．９０～１．ＯＯｍｍ，抗拉强度也可达到２ Ｏ００ＭＰａ 以上。国外斜交轮胎胎圈钢丝性能已与子午线轮 胎的没有很大差别＂Ｊ。 ２．５轮胎成型 轮胎成型方面的主要改进是成型压实和自动 化。综观７０年代末期的轮胎成型装置，许多斜交 轮胎成型机经过改造都用于成型子午线轮胎了。 成型机的供料架可以输送各种成型部件。早期的 子午线轮胎仅成型胎体就需要ｌ０种以上部件。 胎体的成型质量完全取决于操作工的成型技术。 进入２ｌ世纪后，自动化作业取代了人工操 作。如果需要的话，操作工只用成型装置成型胎 侧或进行胎面接头。成型机成型的部件比许多年 前减少了一半。成型技术的发展使许多轮胎厂已 进行这项作业。现在，大多数成型机都采用胶囊 充气方式进行帘布反包。使用胎圈锁紧成型装 置，气密层和帘布放在比胎圈内直径更小的膨胀 鼓上，然后，胎圈跨过膨胀鼓达到规定的间距，接 着，膨胀鼓涨开，嵌入胎圈后，胶囊充气或机械开 关打开进行反包作业。一般来讲，胎圈锁紧装置 成型的轮胎比用成型鼓成型的轮胎质量更稳定， 轮胎均匀性更好。 ２．６硫化 轮胎硫化是轮胎制造的最后一道工序，也是 最重要工序之一。硫化质量良好才能使整个轮胎 生产过程中所有提高轮胎质量的各项措施得到最 终实现，生产出优质轮胎来。而硫化质量不好， 将使前面所有措施前功尽弃。因此硫化设备的不 断改进一直是轮胎工业和橡胶机械工业重要课题 之一。 轮胎硫化最原始的设备是硫化罐。以后出现 了机械式个体硫化机。在此基础上又发展了采用 胶囊代替水胎定型的、将定型和硫化在同一机台 上完成的定型硫化机。这种定型硫化机与硫化罐 相比，显示出了各方面突出的优点，得到了普遍 推广。目前在工业发达国家中，对中小型轮胎的 生产已绝大部分采用定型硫化机来代替硫化罐。 也代替了它的前身机械式个体硫化机。后来，在 硫化机的基础上又发展了硫化机组，它由一台可 移动的供开合模和装卸胎用的操作行车和若干组 固定的硫化工位所组成，实际是硫化机的一种变 型。国外有些厂家在硫化罐使用中也开始采用胶 囊定型代替原来的水胎定型。为此．出现了单独 的装卸胶囊和定型的装置配合硫化罐一起使用。 这提高了轮胎硫化的质量，使硫化罐硫化的原有 缺点部分地得到克服。目前，国际上大型、巨型轮 胎的生产大部分采用这种硫化罐加胶囊定型装置 的生产方法，少数厂也采用大型机械式硫化机加 第６期 龚新立，等．轮胎制造技术的发展 ５ 胶囊定型装置的生产方法。硫化罐的结构特点是 简单、紧凑、稳定，胎模在一封闭的容器中直接用 高压水顶柱塞获得合模力，没有其他复杂的运动 机构 引。 轮胎硫化设备从硫化罐开始，发展了各个阶 段的硫化机而硫化罐和硫化机又各自发展，互相 补充，使硫化设备逐步完善，满足各种不同的需 要。目前的硫化机技术是通过液压产生模具压 力。液压硫化机克服了泄漏和维修量大的弊端， 获得了高质量硫化机的称号。液压硫化机的项杆 只能垂直移动，这样能使该机的校直效果更好，减 少了摩擦，提高了轮胎的均匀性。 硫化斜交轮胎一般使用两半模。多年来，硫 化子午线轮胎的模具类似于两半模。近年来，轮 胎高宽比降低了，胎面花纹设计更复杂，使用这种 模具卸胎不可能完全避免轮胎受损或降低轮胎的 均匀性。因此，人们趋向使用活络模，活络模的胎 面模块可以径向地移动，从而可以硫化系列更低 和胎面花纹更深的轮胎。 ３ 结束语 世界已步入知识经济时代，这个时代的基本 特征是知识创新快，技术成果能迅速产业化。因 此，企业间的竞争已由传统的产品竞争转为技术 创新能力的较量，以至在创新方面领先一步、甚至 半步，就可能取得市场竞争的主动权。由此可见， 技术创新已被公认为是迎接新世纪新挑战的法 宝。 鉴于技术创新已成为提高企业竞争能力的关 键因素，对现在正从劳动密集型向技术密集型过 度、各大厂家间技术水平差距逐渐缩短的轮胎行 业来说更是如此。因此，各大轮胎公司已深刻意 识到，今后只有更加依靠科技创新才能在激烈的 竞争中抢先占据科技制高点，从而增强竞争能 力。例如，米其林公司竞争力强并仍处于蒸蒸日 上的地位的主要原因是该公司能不断率先推出对 世界轮胎工业发展产生巨大影响的创新技术成 果；固特异公司认为，该公司盈利增长战略主要取 决于其新产品推出速度比其他竞争对手快；大陆 公司声明，投资技术创新，是提高生产回报率的最 好手段。 在世界轮胎行业中具有里程碑式的三个技术 创新项目之一是１９９４年投入生产的全自动化轮 胎生产技术。此技术的应用不仅大大推动了轮胎 生产由劳动密集型向技术密集型转变的进程，而 且对整个橡胶行业的技术进步也产生了很大影 响。 轮胎生产全自动化技术可归纳为以下几 点 ： （１）整个生产过程是全自动化进行的，无需手 工操作； （２）以自动化成型为中心，成型鼓是可移动 的，整个成型操作是分解为几个独立步骤进行的； （３）采用低温连续混炼工艺； （４）省去贮存和冷却工序； （５）胎面很可能是环状预硫化的； （６）可能是采用辐射硫化、甚至微波硫化； （７）更换轮胎规格很简便，只需用几分钟到 ２０分钟左右。 今后轮胎制造技术发展总的方向应该是：继 续提高设备性能，提高效率和作业质量；同时进一 步扩大电子技术的应用，从一个机组的自动化生 产扩大到机组之间的联动化生产，实现从配炼到 成品入库的全部生产过程由电子计算机和视屏进 行集中控制。 参考文献： ［１］Ａｒｕｐ Ｋ．Ｃｈａｎｄｒａ．Ｔｉｒｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ—ｒｅｃｅｎｔ ａｄｖａｎｃｅｓ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ ｔｅｒｎｄｓ［Ｊ］．ＲｕｂｂｅｒＷｏｒｌｄ，２００７，２３６（６）：２７—３２． ［２］吕柏源．橡胶混炼机械发展现状及新产品开发［Ｊ］．中国橡胶． ２００１，１７（１—３）：２３—２４． ［３］戴福来。艾永安．轮胎技术综述［Ｊ］．橡塑技术与装备，２００１。 ２７（３）：２６—３２． ［４］周彦豪．董智贤，陈福林，等．橡胶压延工艺及机械设备的进展 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