尤兆鑫 ，葛瑩 ，車相吉 ，周平

(1.泰克國際（上海）技術(shù)橡膠有限公司，上海 松江區(qū) 201600；2.東營菱智機械設(shè)備有限公司，山東 東營 257000；3.蘇州優(yōu)科豪馬輪胎有限公司，江蘇 蘇州市 215151)

部分卡客車輪胎在充氣狀態(tài)下胎側(cè)呈現(xiàn)出從輪輞開始周向放射狀凹凸不平的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在市場行業(yè)內(nèi)被稱之為“實鼓”（如下圖1）。出現(xiàn)這種輪胎多發(fā)于用機械鼓成型機進行反包的成型機，本文著重探討這種凹凸的成因。

圖1 胎側(cè)凹凸（實鼓照片）

一般認為，這種凹凸的成因是由于機械反包時因為機械反包桿放射性的擴張方向且對胎側(cè)進行周方向上的擴張引起的，如下圖2所示（反包順序18）。

圖2 機械反包的示意照片

在機械反包桿前端的滑輪上升的時候，力量要同時施加在胎側(cè)，三角膠以及胎圈位置，特別是帶有較多的補強層材料結(jié)構(gòu)的輪胎在生產(chǎn)的時候，胎圈位置的剛性非常強，且由于反包桿的上傾角在初始階段較小的原因（如圖3），會導(dǎo)致此時主軸上的機械推力F主要分化為直接壓在胎體上壓力f，而沒有足夠力抬起反包機械桿，所以在此處為導(dǎo)致反包桿對生胎的胎圈位置壓力過大，形成并比較大的壓痕（如圖4）。

圖3 反包桿的示意圖

圖4 生胎的表面照片

以上的這個問題，通過輪胎結(jié)構(gòu)的變更，補強層結(jié)構(gòu)的變更可以優(yōu)化，但是表面凹凸實鼓的問題是否只有反包桿這一個誘因，需要重新進行探討。

1 凹凸其他誘因分析

1.1 實鼓輪胎的檢測

為了收集輪胎實際表面的凹凸情況，并且能將此現(xiàn)象數(shù)字化，對實鼓輪胎的胎側(cè)位置的凹凸使用相位檢測儀進行了檢測，檢測結(jié)果如圖5，圖6所示。

圖5 胎肩位置檢測結(jié)果

圖6 胎圈位置檢測結(jié)果

從上圖可以看出周向上出現(xiàn)了一定的規(guī)律性的起伏，且在胎圈位置上這種規(guī)律性的起伏現(xiàn)象會更加明顯。為了找到這種起伏的周期規(guī)律，對圖6的原始波形使用傅里葉計算（FFT）以快速區(qū)分出原始波形的周期性區(qū)間，通過計算發(fā)現(xiàn)在30 次周期內(nèi)出現(xiàn)了異常的峰值如見圖7所示。

圖7 實鼓輪胎胎側(cè)相位波形的FFT 計算結(jié)果

1.2 30 次波形的成因探討

目前該文使用的機械反包式成型機的反包桿為長短桿間隔分布，單側(cè)長桿30 根，短桿30 根；左右位置一致（如圖8），所以有很大程度上可以懷疑此30次成分是因為反包桿的原因造成的。

圖8 單側(cè)機械反包成型鼓

為了確定成因，首先對硫化前的完成品生胎在成型機上使用相位儀，對實鼓嚴(yán)重的相對應(yīng)位置進行測量：

以下為相位儀采樣條件：

（1）生胎旋轉(zhuǎn)速度：5 rpm；

（2）采樣速度：100 點/ 分。

采樣結(jié)果見表1。

可以從表1的波形中發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)了在機械反包桿反包后，生胎的胎側(cè)上隨即出現(xiàn)了規(guī)律性的凹凸，結(jié)合生胎的外觀（參照圖4），可以判斷在硫化之前，30次成分已經(jīng)形成。利用表1中所得到的波形，進行了傅里葉計算后得出：

表1 完成品生胎充氣狀態(tài)下的胎側(cè)凹凸波形

考慮如果單純是胎側(cè)在反包過程中導(dǎo)致的厚度差異，后續(xù)的硫化中過程中因為有橡膠的流動，應(yīng)該對于此差異有一定的補償，但是對比硫化前后30 次成分的大小來看，整個硫化過程影響很?。▽Ρ缺?和圖7），這就非常讓人懷疑還有其他的原因會導(dǎo)致此類凹凸的發(fā)生。

表2 完成品生胎充氣狀態(tài)下的胎側(cè)凹凸波形傅里葉計算結(jié)果（1H～50H）

因此，計劃重新對反包前的生胎進行表面的相位測量（即相位檢測點在充氣狀態(tài)下的胎體鋼絲簾布上的實鼓嚴(yán)重的相應(yīng)位置上），得到的原始波形如表3。

因為受到胎體簾布中的鋼絲起伏的凹凸影響，解析出的雜波比較多，但是在比較反包前后的原始波形我們可以看到，在反包前，表1中出現(xiàn)的部分特征峰在表3中已經(jīng)出現(xiàn)，具體見表4，表5。

表3 未反包生胎充氣狀態(tài)下的胎體簾布相應(yīng)位置凹凸波形

在表4和表5中出現(xiàn)的特征峰的吻合現(xiàn)象，可以推測懷疑是否在反包前就已經(jīng)形成了規(guī)律性的30 次成分。

表4 測試生胎1 成型未反包充氣狀態(tài)下的胎體簾布的相位波形 vs 反包后生胎胎側(cè)相應(yīng)位置的相位波形（紅色箭頭示意特征峰位置）

表5 測試生胎2 成型未反包充氣狀態(tài)下的胎體簾布的相位波形 vs 反包后生胎胎側(cè)相應(yīng)位置的相位波形（紅色箭頭示意特征峰位置）

因為反包前的雜波較多，需要對原始波形進行濾波后（除去胎體簾布鋼絲的間隔影響）進行傅里葉計算，得到的結(jié)果如表6。

從表6中可以看出，在反包前，規(guī)律性的30 次成分已經(jīng)形成。

表6 未反包生胎充氣狀態(tài)下的胎體簾布相應(yīng)位置凹凸傅里葉計算結(jié)果（1～50H）

因為此時反包機械桿并沒有開始動作，所以一定有其他的影響因子存在，且此因子的機械部分也呈周方向上30 次均勻或者接近均勻分布。同時，胎體簾布上出現(xiàn)了規(guī)律性的周期變化的，可以推測生胎胎體簾線的內(nèi)緣尺寸（平寬）發(fā)生了變化，為了驗證這一推測，對輪胎進行了周向上的解剖，從解剖結(jié)果上看，鋼絲反包端點的位置上的確存在有周向上的波浪狀現(xiàn)象（圖9）。

圖9 輪胎硫化解剖照片

優(yōu)先確認并排除以下問題：

（1）胎體簾布的裁切有沒有發(fā)生規(guī)律性的裁切寬窄問題。

（2）成型機的貼合時有沒有規(guī)律性的偏心或者拉伸。

（3）鋼絲圈受取以及成型鼓受取時有沒有規(guī)律性的嵌合不良（一般來說，嵌合不良會引起1～4 H 的波形異常）。

在排除以上問題后，推測，在胎圈受取嵌合后，胎體充氣的過程中，出現(xiàn)了胎圈底部的胎體鋼絲抽動的現(xiàn)象；進一步發(fā)現(xiàn)，胎圈鎖塊呈單側(cè)30 塊周向分布，這就吻合了之前的推定，針對胎圈鎖需要進行進一步的調(diào)查。

1.3 胎圈鎖上位置壓力差測試

由于胎體鋼絲的內(nèi)緣尺寸（平寬）在周向上出現(xiàn)了規(guī)律性的變化，在排除了其他異常的情況下，目前可以判斷生胎體在反包前，因為胎體內(nèi)部充氣且胎圈鎖塊位置出現(xiàn)了周方向上的壓力差，壓力低的位置和壓力高的位置抽動量存在差異（如圖10所示，處于胎圈鎖塊空隙處的鋼絲（綠色）在充氣時，會沿著紅色箭頭方向出現(xiàn)抽動，且抽動量要比黑色鋼絲大），從而在反包前就在外側(cè)胎體上出現(xiàn)了規(guī)律性的凹凸，即在反包前就形成了30 次成分的問題。

圖10 胎體鋼絲分布示意圖

1.3.1 對胎圈鎖塊位置的鎖力進行檢測

（1）檢測儀器：膠片式壓力傳感儀（品牌：ARBROWN）。

（2）檢測方法：如圖11。

圖11 檢測方法示意圖

1.3.2 使用三種輪胎胎圈位置結(jié)構(gòu)分別進行測量

（1）1M ：1 層金屬補強（SRF）。

（2）1M1N ：1 層金屬補強（SRF）+1 層尼龍補強層（NRF）。

（3）1M2N ：1 層金屬補強（SRF）+2 層尼龍補強層（NRF）。

1.3.3 成型條件：

胎圈鎖壓力檢測條件見表7。

表7 胎圈鎖壓力檢測條件

1.3.4 檢測結(jié)果

表8為直接測壓結(jié)果，紅色的線框為胎圈鎖塊的外緣邊界示意（測量時輪胎未充氣）。

表8 胎圈所壓力測量結(jié)果

1.3.5 結(jié)果分析

（1）胎圈鎖徑方向壓力高點確認可知，徑方向上，壓力最高點為斷面上的C點（見表9，圖12）。

圖12 胎圈鎖塊膠圈斷面圖

表9 徑方向壓力分布坐標(biāo)

（2）跟據(jù)圖8，進行周方向測量結(jié)果比較可知：

a.胎圈鎖在0.75 MPa 壓力下高點壓力為5.5 kgf/cm2，位置在鎖塊中央的C點處。

b.胎圈鎖在0.75 MPa 壓力下低點為1.0 kgf/cm2，位置在鎖塊間隙處。

c.跟據(jù)輪胎胎圈的結(jié)構(gòu)不同，壓力的不均性也存在差異，跟據(jù)不均勻的結(jié)果由大到小排列為。

1M>1M1N>1M2N；即補強層越多，鎖塊鎖力分布差異越大

（3）將成型生胎鎖止后充氣到指定壓力，然后將平寬放大到極限位置，隨著時間的推移，可以逐漸看到胎體上出現(xiàn)了很明顯的凹凸，如圖13極限位置測試。

圖13 拉開胎圈鎖，充氣并放置一段時間后胎體上出現(xiàn)的凹凸

經(jīng)過輪胎斷面分析（將切割面且在實鼓的高點和低點）后，確認胎體的內(nèi)緣走向（圖14），實際凹凸位置的鋼絲內(nèi)緣（胎圈到胎圈）的長度值的確存在差異（表10），凸點位置的鋼絲長度的確要略大于凹點位置。

圖14 成品輪胎胎體鋼絲內(nèi)緣走向（紅色：實鼓凹點位置的鋼絲走向；藍色：實鼓凸點位置的鋼絲走向）

表10 凹凸點成品輪胎斷面鋼絲內(nèi)緣尺寸

由上面的實驗可以得出結(jié)論，輪胎實鼓是在成型階段產(chǎn)生的，其產(chǎn)生的原因不單單因為機械反包桿在反包時引起。

在反包前，由于胎圈鎖塊的壓力不均衡，引起鋼絲圈底部的受力差異，導(dǎo)致胎體鋼絲發(fā)生抽動的抽動量的不一致，而進一步導(dǎo)致胎體鋼絲的內(nèi)緣尺寸發(fā)生周期性波動也是導(dǎo)致輪胎出現(xiàn)實鼓的原因之一。

2 解決實鼓問題

成型條件的優(yōu)化

2.1 影響因素的確認

以上述實驗結(jié)果為基礎(chǔ)，在成型設(shè)備不做變動的基礎(chǔ)上，嘗試找出最佳的生產(chǎn)條件。

2.1.1 選定下列實驗條件進行單因子對比實驗：

條件1 測試?yán)碛?/p>

考慮到生胎在成型過程中在成型機上在不同階段有不同的設(shè)定充氣壓力，而反包時間點的充氣壓力時支撐反包動作，給生胎體以剛性的條件。

由表11可以看出單因子條件1 : 反包動作時，內(nèi)壓和30 次的凹凸成分成反比。

表11 反包時內(nèi)壓壓力對30 次成分的影響

2.1.2 條件2 測試?yán)碛?/p>

如前文所述，內(nèi)壓越大，可能發(fā)生的鋼絲不穩(wěn)定抽動越大（推測），會直接影響到30 次成分。

由表12可以看出單因子條件2 中30 次成分隨反包前充氣氣壓升高有逐漸惡化的趨勢。推測在充氣過程中，鋼絲的抽動會隨著內(nèi)壓的增大逐步增大。

表12 反包前內(nèi)壓壓力對30 次成分的影響

2.1.3 條件3 測試?yán)碛?/p>

如前文所述，生胎反包時，平寬設(shè)定決定了反包桿的抬桿角度，同時影響了反包桿在胎側(cè)上的橫向分力。

由表13可以看出單因子條件3 ：

表13 平寬設(shè)定的影響

（1）反包前，平寬設(shè)定越大，30 次成分有變大的傾向。

（2）反包時，平寬設(shè)定越大，30 次成分有變小的傾向。

（3）平寬設(shè)定放大后，反包桿的影響成分有逐漸變小的傾向。

2.1.4 條件4 測試?yán)碛?/p>

胎圈鎖塊是直接接觸輪胎鋼絲圈底部，鎖住鋼絲的位置。之前在壓力測試環(huán)節(jié)使用的壓力是0.75 MPa，但是需要驗證壓力對30 次成分是否存在影響。

由表14可以看出單因子條件4:

表14 胎圈鎖塊壓力的影響

胎圈鎖塊的壓力越大，30 次成分有向好的趨勢。

2.2 多因子交叉實驗

跟據(jù)上述結(jié)果，擬進行多因子2 階實驗確認是否可以優(yōu)化現(xiàn)在的成型條件。

2.2.1 實驗條件

擬進行的多因子實驗為 L16 實驗，交互為215，實驗設(shè)定為表15。

表15 實驗基礎(chǔ)信息

實驗因子和2 階條件設(shè)定如表16，表17。

表16 2 階因子表

表17 L16（215）實驗計劃表

2.2.2 實驗結(jié)果分析

表18為略去實際波形計算，只匯總傅里葉計算后的30 次成分結(jié)果 （單位:mm）。

表18 215 實驗結(jié)果

雙因子交互結(jié)果計算見表19。

表19 雙因子交互結(jié)果計算

由于是2 階實驗，自由度設(shè)定為1，e 值自由度設(shè)定為4，計算得出因子影響度。

各因子間的交互影響為：

表20 因子影響度

續(xù)表

表21 各因子交互影響示意圖

續(xù)表

2.3 實驗結(jié)果

按照上面的計算結(jié)果，得到以下結(jié)論：

（1）考慮因子交互后，因子影響力為：C≈B > D> A≈E 。

（2）最佳排列考慮：A2B1C2D2E1，即下表中黑色陰影部分（表22）。

表22 2 階因子表（黑底為優(yōu)化條件）

（3）對硫化后的輪胎實際影響最大的是平寬設(shè)定位置，而平寬設(shè)定位置直接相對應(yīng)的就是反包桿的抬桿角度。所以推測，在反包桿反包過程中，因為角度差異引起的抬桿力的大小有很大程度上會影響到30 次成分。

2.4 實驗驗證

按照上述條件生產(chǎn)后的輪胎，外觀實鼓現(xiàn)象大為改觀，但是不能徹底改善實鼓問題：

3 結(jié)束語

通過上述的實驗和驗證，我們知道了輪胎的實鼓現(xiàn)象不單單是由機械反包桿引起，成型機的胎圈鎖塊下的壓力不均一導(dǎo)致輪胎成型過程中出現(xiàn)了周向上的鋼絲抽動不均也是輪胎出現(xiàn)實鼓的元兇之一。

通過輪胎成型機的成型條件的優(yōu)化可以很好的改善，但是不能徹底解決。

在上述實驗中出現(xiàn)的結(jié)果需要進一步去驗證：

（1）輪胎結(jié)構(gòu)，特別是胎圈位置的結(jié)構(gòu)對于30次成分的影響，并且需要同時考慮輪胎的補強結(jié)構(gòu)和補強層的交叉角度的影響。

（2）上述實驗出現(xiàn)了平寬設(shè)定位置有很大的影響，說明了反包桿的抬桿角度的影響（下圖θ3）很大，需要找到最適的生胎角度成型。具體計算參考下圖15，圖16。

圖15 抬桿起始位置處的推力計算示意圖

圖16 反包桿反包終點位置推力計算示意圖

另外，需要考慮從成型機設(shè)計上做以下優(yōu)化。

（1）胎圈鎖塊設(shè)計變更為無縫式（大小塊設(shè)計）。

（2）通過擴大氣缸直徑和底面角度，增大胎圈鎖的鎖力。

（3）反包桿初始上升階段依托其他部件給與上升力而不是依靠自身推力的斜分力上升。

表23 成型條件優(yōu)化前后的外觀結(jié)果對比

（4）修改（增加）反包桿和胎圈鎖的周向分布數(shù)，防止周期性影響重疊。

（5）增大反包桿支點角度θ。