有限元模拟技术在橡胶厚制品硫化时间确定中的应用

张波，曾凡伟，张晓鹏，刘志坡

(中国中车 青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031)

有限元模拟技术在橡胶厚制品硫化时间确定中的应用

Application of fi nite element simulation technology for rubber thick goods vulcanization time determine

张波，曾凡伟，张晓鹏，刘志坡

(中国中车 青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031)

采用有限元软件，建模分析了一产品硫化时的温度场随时间的变化，并计算了产品受热历史最低部位胶料的等效硫化时间，从而确定了该产品的气泡点时间，实验结果验证了该预测结果的正确性。

橡胶厚制品；硫化时间；有限元模拟；气泡点

橡胶厚制品不同部位的硫化程度以及厚制品硫化时间的确定，一直以来都是各生产企业关心的事情。由于橡胶属于热的不良导体，随着橡胶制品厚度的增加，各处胶料不能均匀、同步受热，其内外温度梯度也随橡胶层厚度的增加而增大，在一定硫化时间内，造成了在相同硫化时间下，内外部胶料硫化程度的显著不同[1]。制定硫化工艺时，首先要确保各部位胶料硫化充分，即：内部不欠硫、外部不过硫。在这个前提下，还要确定最短的硫化时间，在保证产品质量的同时尽量提高生产效率，通常温度梯度低谷处的胶料在硫化过程中最晚达到正硫化，且其硫化属于典型的变温硫化，很难通过简单的方法得知其硫化程度。然而在确定硫化时间时，最重要的考量要素就是确保温度低谷部位胶料硫化充分。

橡胶厚制品硫化工艺参数制定时，硫化三要素中的温度和压力根据技术人员的经验可以很容易确定下来，最难确定的是硫化时间，目前能够用于确定厚制品硫化时间的方法有多种，最早为大家所熟知的经验公式法已经逐渐被淘汰，该方法的最大缺陷在于没有考虑胶料的初始温度以及骨架材料的影响，随着硫化生产装备的进步，目前已经有多种手段提高胶料和骨架材料的初始温度，从而达到缩短硫化时间的目的，应用经验公式得出的结果与实际相差甚远，该方法的应用范围越来越小。

后来出现了热电偶测温技术，硫化测温需要将多套热电偶预先埋置在产品不同部位中，通过自动记录装置记录每个热电偶的温度及对应的时间，再根据阿累尼乌斯方程，将硫化测温结果推算出等效硫化时间，计算结果与实际吻合较好，但热电偶法测试操作和计算过程复杂，目前比较适用于压制成型的产品，很难对注射成型及压铸成型的产品测温，应用范围亦有限。比如图1中所示的空气弹簧橡胶堆为典型的橡胶厚制品，产品结构复杂，骨架将胶料分成了孤立的3个空间（图1中编号1、2、3），并采用注射成型，无法对该产品各胶层的各部位实施测温。

图1 产品及模具结构示意图

通过对厚层橡胶制品不同部位试样的拉伸强度等力学性能的测试，来确定硫化时间的长短对橡胶厚制品不同部位硫化程度的影响，从而确定最佳硫化时间的方法亦被大家所采用。该方法理论上可靠性较高，但实际操作时难度较大，工作量也较大，尤其是用剥片机在产品上获取拉伸试样的均匀性难以控制，造成测试误差较大，性能测试结果变化规律不明显就难以准确地确定硫化时间。

目前判别厚制品内部胶料硫化程度的最简单方法是气泡点法，气泡点法的基本原理是：对于特定的实验品，分别按不同的时间硫化，每次硫化后均从产品不同厚度处剖开产品，观察产品各部位内部的硫化状态，确定气泡出现的时间点，在此时间上适当增加一硫化安全因子即可作为该产品的硫化时间。气泡点法操作方法简单、试验结果直观可靠，但是需要做大量的重复性试验，以确定产品的气泡点硫化时间，对于大型厚制品而言试验成本较高。

1 实验部分

1.1 原材料

天然橡胶（NR），RSS NO.1，海南天然橡胶产业集团股份有限公司产品；炭黑（N330、N774），青岛德固赛化学有限公司产品；加工助剂、防老剂以及硫化剂均为莱茵化学（青岛）有限公司产品；其他配合剂均为市售工业级产品。

1.2 实验配方

NR，100（质量份，下同）；活化剂（氧化锌、硬脂酸）：2～5；加工助剂（莱茵蜡Antilux 654、分散剂Atflow L-18），2～5；防老剂（N-(1,3-二甲基丁基)-N’-苯基对苯二胺、2,2,4-三甲基-1,2-二氢化喹啉聚合物）1～10；炭黑（N330、N774），10～70；硫化剂（二硫化二苯并噻唑、N-环己基-2-苯并噻唑次磺酰胺、硫黄），1～5。

1.3 主要仪器和设备

无转子硫化仪，GT-M2000-A，台湾高铁科技股份有限公司生产；密炼机，GK190E，德国克虏伯公司生产；600 t注射机，HYZ-600E，衡阳华意机械有限公司生产。

1.4 试样制备方法

将密炼机混炼的胶料停放3天后，切长条供注射机用，采用注射机硫化该产品。

2 有限元模拟技术在橡胶厚制品硫化时间确定中的应用

2.1 应用方法简介

有限元模拟技术可以模拟产品在整个硫化过程中各个部位硫化温度随时间的变化规律，可以定性的分析出产品受热历史最多和最少的部位；并可以定量的获得各个部位温度随时间变化的数值曲线。对此，我们可以非常方便的得到产品受热历史最低的部位，并获取该部位的温度变化数值曲线，根据该曲线我们就可以快速计算出该部位胶料的等效硫化时间[2]，根据类似产品的生产经验，我们就能迅速确定产品出现气泡点的时间，只通过一次或两次试验就能找出产品的气泡点时间，从而确定产品的硫化时间[3]，大大缩短了产品的工艺试验次数和时间，极大地提高产品的开发效率，并节约开发成本。

图2 有限元软件模拟的产品在模具中硫化时温度场随时间的变化

2.2 有限元软件对温度场的模拟

采用有限元软件，对硫化过程中图1中所示产品及模具进行了的温度场随时间变化的模拟，结果如图2所示，对比各部位橡胶的受热历史，我们可以确定该产品受热历史最低的部位在图1产品中数字“1”处。

上述模型中应用的基本工艺参数为：骨架温度90℃；橡胶温度120 ℃；模具温度150 ℃。根据模拟结果，我们可以清晰的看出：装模完成后，胶料温度高于骨架温度，骨架升温需要吸收大量的热，骨架与模具热板接触面积较小，且与橡胶接触面积较大，因此骨架首先吸收了橡胶的热量，使其温度下降，当两者温度相同时，由于骨架传热快，温度上升加快，其温度超过了橡胶温度，又开始向橡胶传热，使得橡胶的温度上升。其中，温度的下降幅度与骨架大小有关系。

图3 胶料的硫化曲线图

2.3 等效硫化时间的计算

根据胶料的硫化特性曲线，如图3所示，我们可以看出该胶料在150 ℃的正硫化时间为1 200 s。根据类似产品及该胶料的特性，应用该胶料生产类似结构产品时，当产品受热历史最低的部位处胶料的硫化程度达到最佳硫化程度的40%～50%时，可以作为该产品的气泡点时间。

根据上述模拟结果，我们获取了图1产品中数字“1”部位的温度变化曲线，如图4（a）所示，并根据该曲线计算得出了该部位胶料的等效硫化时间，如图4（b）所示，并确定了产品的气泡点时间。该产品在150 ℃的硫化温度下，当硫化时间达到2 100 s时，产品受热历史最低的部位处胶料的硫化程度达到最佳硫化程度的44%，理论上产品在该部位会有小范围泡孔，硫化时间延长5 min后，泡孔会消失。

2.4 实物验证

图4 根据有限元软件模拟得到的产品“1”位置的温度变化曲线及该部位的等效硫化时间

根据上述计算结果制定硫化工艺，分别在150 ℃×2 100 s和150 ℃×2 400 s的条件下，生产了一件产品以验证该气泡点时间的正确性，所得产品的横截面状态如图5所示，该产品实物出现的气泡点与模拟得出的气泡点位置及出现的时间均相符，验证了该有限元模型的准确性和可靠性。

图5 产品不同硫化时间下的横截面状态

3 结论

综上分析可知，在橡胶厚制品硫化时间制定时，采用有限元软件建模预测得出的结论具有较高的参考价值和指导意义。在橡胶制品硫化时间的制定中，应用有限元模拟技术，具有高效快捷的突出优势，并可预测实验结果，对进一步的试验方向有极强的指导意义。由于这些特点，省去了传统方法中大量的重复试验，和由于实验结果不确定性造成的浪费。

[1] 李强，杜华.橡塑技术实战指南[M].北京：化学工业出版社，2014: 306～326.

[2] 曾凡伟，房栋，孙冬冬，等.橡胶厚制品等效硫化时间的计算与硫化时间的确定[J].世界橡胶工业，2015，43（9）:7～13.

[3] 宋红光，曾凡伟，刘志坡，等.橡胶厚制品不同部位硫化程度的研究[J].世界橡胶工业，2015，43（9）:14～19.

住友集团旗下2016年推出四款新轮胎

日本住友集团旗下Falken飞劲轮胎拟于2016年第一季度推出四款新轮胎。

第一款是Wildpeak M/T轮胎，这是一款越野轮胎，“专为最恶劣的地形条件而造”，按飞劲轮胎制造商的说法，它适合从15～20 in系列的25种轻型高行驶性能规格轮胎。该轮胎最常用的配套车型有吉普牧马人（Jeep Wrangler）、雪佛兰西尔维拉多（Chevrolet Silverado）、福特F系列（Ford F-Series）、尼桑泰坦（Nissan Titan）和丰田坦途（Toyota Tundra）。

第二款是Wildpeak A/T3W轮胎，它是一款全地形越野轮胎，被设计为“任何天气、任何时间都敢冒险”的轮胎。它适用于从15～20 in系列的54 种LT规格和P-metric规格的轻型载重车胎/SUV轮胎。飞劲轮胎号称这款轮胎覆盖了其目标市场的70%。

第三款是Sincera SN250 A/S轮胎，它是一款高行驶里程、全天候高性能跑车胎。

第四款是Azenis FK450 A/S轮胎，这是一款全天候超高性能轮胎，胎面磨耗寿命为50 000英里。它适合于从16～20 in系列的48种规格轮胎。

谢立供稿

横滨轮胎入选日本超级方程式赛车胎

横滨橡胶有限公司宣布，其ADVAN赛车胎最近被选中作为2016日本超级方程式冠军系列赛的唯一标准轮胎。

提供给此项系列赛事的轮胎有两种，一种是用于干路面的ADVAN A005型轮胎，另一种是用于湿路面的ADVAN A006型轮胎。两种轮胎都使用了横滨公司的专利橙油复合胶料技术，以确保具有优秀的抓地性能同时，也具有出色的环境保护性能。该标准赛车胎的规格为：前胎是250/620 R13，后胎是360/620 R13。

日本的超级方程式冠军系列赛是亚洲最高级别的方程式汽车系列赛，是最纯粹的赛车形式。

横滨公司于1987年开始参与全日本F3000冠军赛；1996年参加了最早的方程式日本系列赛，但1997年由另一家轮胎制造商开始提供该赛事标准轮胎。时隔20年之后，2016年日本的顶级方程式汽车系列赛将启用横滨赛车胎。

横滨公司称其已为日本和海外的许多顶级汽车系列赛作为官方轮胎供应商提供过服务，例如在海外，该公司从2006年开始连续10年成为国际汽车联盟（FIA）世界跑车冠军赛的官方轮胎供应商；连续33年澳门格兰披治大赛车（Grand Prix）方程式3比赛的官方轮胎供应商；还有国际汽车联盟方程式2冠军赛；德国方程式3冠军赛。在日本，横滨作为官方轮胎供应商参与的汽车系列赛较为广泛，包括日本的方程式3冠军赛，超级耐久房车系列赛，超级FJ赛，JAF初级卡丁车冠军赛的FP初级类赛事。

横滨公司称，选择横滨作为日本超级方程式冠军系列赛标准轮胎的独家供应商，是基于如下考虑：不仅因为ADVAN轮胎是高性能轮胎，而且因为对横滨公司综合能力的高度评价，包括在赛车场上更换轮胎服务和高性能轮胎的稳定生产能力。

谢立供稿

TQ330.67

1009-797X(2016)05-0061-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.05.014

张波（1978-），男，工程师，毕业于青岛科技大学，目前任中国中车青岛四方车辆研究所有限公司减振事业本部总经理。

2015-09-25