浅述无内胎巨型全钢工程子午线轮胎成型机组的开发

张晓辰，牛荦

(天津赛象科技股份有限公司，天津 300384)

1 一次法成型机组开发简介

2006年以前国内需求的无内胎巨型全钢工程子午线轮胎（39"～63"）一直依赖进口。国外企业只提供轮胎成品，不向中国提供该系列轮胎的生产技术及装备。

在这种形势下，国内各轮胎企业急于为国家开发该系列轮胎产品，国内各轮胎机械企业也积极投入对应装备的开发工作。而制造合乎国际质量标准无内胎巨型全钢工程子午线轮胎有三个要素：合理的轮胎结构设计、合理的轮胎制造工艺设计、准确实现轮胎制造工艺的装备。而其中最为关键的设备是巨型全钢工程子午线轮胎成型机组。

2006年，赛象公司和长期合作的轮胎企业展开了全钢工程子午线巨型轮胎制造项目的深入研讨，确定：轮胎结构设计由轮胎企业独立完成，轮胎制造工艺设计尤其成型工艺双方研讨确定，对应装备尤其成型机组由赛象公司独立完成研制。在讨论轮胎成型工艺过程中，轮胎企业倾向于两次成型法。但是其中有一个难以逾越的工艺难点——如何保证在制件在传输过程中的精度，最后轮胎企业为越过这一个工艺难点接受了赛象公司推出的一次成型法的工艺方案。

在设计生产过程中我们严格按照以下几点进行：

（1）整个机组各部件逻辑关系必须精确实现双方确定的工艺流程要求。

（2）整个机组各部套件的结构设计（含气动、液压、电力拖动和控制）采用较先进的分析、设计方法，但采用相对较保守的设计方案以尽可能减小风险系数。

（3）整机设计全面贯彻通用化、系列化、标准化和模块化的设计思想。由于该设备属重型设备，设计、试制、检验中严格执行国家重型机械行业标准。

该机组试制过程实行严格的全面质量控制，得以保证设计意图准确实现。部件调试及整机综合调试机械、液压、气控、电力拖动及控制系统均达到设计预期。整机运行完全符合与客户约定的工艺要求。

2008年初，该机组一次性成功试制下线33.00R51胎坯。其后赛象公司陆续接到国内外轮胎企业的一次法巨胎成型机组的订单，赛象公司在巨胎成型机组项目形成连续的制造能力。并且在两年时间内向国内外轮胎企业提供了7台一次法工艺巨胎成型机组。

2 二次法机组设计

但是在后来的轮胎使用过程中发现，由于工程轮胎的特质，尤其是巨型工程轮胎，要求的第一要素是强度和寿命，对于精度的要求是第二位的。这就使两次成型法比一次成型法工艺有着一定的优越性。因为两次成型法的胎体筒直径要大于钢丝圈的内径；而一次成型法的胎体筒直径要小于钢丝圈的内径。这就使得两次成型法的轮胎比一次成型法的轮胎钢丝帘线密度要高出4%～7%，从而提高轮胎的强度。而且国外三大轮胎企业也都采用两次成型法成型工艺制造巨型全钢工程子午线轮胎。此时又有国内的轮胎企业再次提出了开发两次成型法成型工艺机组的要求。于是，我们又开始了两次成型法成型工艺机组的研发工作。

截至2015年赛象公司已经陆续向国内外轮胎公司提供了5台两次成型法成型工艺机组。这里重点介绍两次法57"～63"成型机组。

巨型工程轮胎两次成型法成型工艺优势是钢丝帘线密度相对高，从而相对提高轮胎强度，但对于成型机组要保证橡胶制件在胎体鼓、成型鼓、定型鼓以及带束鼓之间传输过程中的定位精度是一个重要的技术难点。

研发过程中首先确定该机组的物流、能量流、信息流总体要求。

2.1 物流

机外物流：主要是整体机组和车间运输通道之间的关系。制作胎坯的所有原材料（中间在制品）从车间的运输通道通向机组供料系统的输送通道、成型的胎坯下机组通向车间的输送通道。这是需要和客户共同确定的问题。

机内物流：各供料架物料上鼓方式、几何精度、速度控制模式。各个鼓之间在制件的传输精度保障。

2.2 能量

机外能量供给：维持机组正常工作需求外界供应的电能、压缩空气、真空源、冷却软化水供应点在机组中的位置坐标及功率。

机组内部的能量形式有电力拖动系统、液压系统、气动系统能量转化等在各个部套的设计过程中进行量化分析确定。

2.3 信息流

由于该机组是一组半自动化设备，操作系统必须有一个良好的人机交互界面。系统中需要大量的逻辑控制，也需要许多伺服控制，需要设计成分层系统。

其次确定该机组的造型风格。一次法机组采用的是箱体式结构。由于两次法机组过于庞大，箱体式结构的加工过于繁杂。最后确定两次法机组采用框架式构造，为统一整机的造型风格，机组的基础部件、机箱、输运机构的结构件均采用国家标准的型钢材焊接而成。在保证整机的强度、刚度的前提下极大地简化了机组组件的加工工艺。

3 两次成型法成型工艺机组方案技术说明

3.1 一段工艺目的

成型帘布胎体筒、完成正包工艺、装钢丝圈、完成反包工艺、缠绕胎侧胶。完成一段胎体筒复合件在制件制作。

（1）帘布胎体筒贴合。其部件布局为胎体鼓后有帘布、内衬层及子口胶供料架；胎体鼓下有帘布筒滚压装置；后有操作平台。

胎体鼓机箱可在一段底座运行轨道沿胎体鼓轴线方向运行，以把成型的帘布胎体筒送至胎体筒传递环。

（2）一段底座运行轨道另一端有对应63"成型鼓及机箱，并置有指形正包器、扣圈盘、胶囊反包鼓，在63"成型鼓右侧置有胎侧胶三维缠绕系统，左侧置有三维后压辊机构。

在一段底座运行轨道的中间置有正交平台。正交平台上置有帘布胎体筒传递环，与帘布胎体筒传递环并行有63"尾机箱及相应的指形正包器、扣圈盘、胶囊反包鼓。

（3）一段主体工艺流程

在胎体鼓上成型帘布胎体筒。

内衬层、贴合层、胎体帘布原材料从主供料架在供料控制系统与胎体鼓同步线速度在胎体鼓上贴合成帘布胎体筒、滚压。

胎体鼓携成型帘布胎体筒插入送至胎体筒传递环，定位释放后退回原位。

径缩式成型鼓收缩插入胎体筒传递环夹持的帘布胎体筒，成型鼓膨胀接取环帘布胎体筒后退回原位。

正交平台移动，尾机箱及对应的指形正包器、扣圈盘、胶囊反包鼓移动，对正成型鼓，尾机箱与成型鼓机箱底部的封闭力环连接杆连接。进而完成正包、装钢丝圈、反包、滚压、缠绕胎侧胶。

尾机箱及对应的指形正包器、扣圈盘、胶囊反包鼓释放连接封闭力环连接杆，退回。

正交平台移动，保形传递环运行至其轴线与成型鼓轴线重合位置，成型鼓机箱移动，成型鼓携一段胎体筒复合件插入保形传递环，传递环夹持胎体筒复合件，成型鼓收缩。保形传递环完成接取胎体筒复合件。

3.2 二段工艺目的

带束层复合件成型，定型鼓接取一段成型复合件，充气接取带束层复合件，充气定型、滚压、缠绕胎冠胶，完成胎坯制作、卸胎。

（1）由带束层供料架供料，在带束鼓上贴合、滚压后成型带束层复合件，带束鼓前移至带束层复合件传递环，由传递环接取复合件后带束鼓退回原位置。

（2）保形传递环携运行至成型鼓位置（带束层复合件传递环让出）。

（3）定型鼓插入，接取一段成型复合件，保形传递环移位，带束层复合件传递环回原位置，成型鼓插入，对一段成型复合件充气，接取带束层复合件，充气定型。

（4）定型鼓回原位置，滚压、缠绕胎冠胶。

（5）卸胎环运行至定型鼓中心线位，定型鼓携胎坯插入、卸胎环接取成型好的胎坯。

（6）卸胎环运行卸胎位置，旋转90°，胎坯释放到胎坯置放器，然后由拖车拖离机组至吊装位置。

3.3 各部件核心技术及技术分层

两次法57"～63"成型机组占地面积达2 000 m2（32 m×65 m）。这次设计对整台机组各个机构进行全面优化。按照技术协议重新定义整机、各个部套以及各机构的核心功能，剔除过剩功能，合并重复功能，并对各个部套核心功能以及技术等级进行分层。

该机组的核心技术功能是在成型鼓上对帘布胎体筒完成正包、扣圈、反包工艺流程，这是整个机组的第一层级技术，其成败决定着整个机组的命运。

第二个层级技术是胎体筒的贴合成型，最后的胎坯定型。胎体贴合鼓、成型鼓、定型鼓及对应的动力、控制和支撑系统（主机箱结构）。

第三个层级技术是在制件的输运系统。

第四个层级技术是主、副供料系统、卸胎系统。

该机组的创新技术是120 m/min线速度的缠绕系统。

3.3.1 第一技术层级

首先第一个层级技术即机组的核心技术是成型鼓上正包、扣圈、反包功能。该系统包含有成型鼓、反包侧鼓、指型正包机构、主机箱、尾机箱、基座等部套件。

工程子午线轮胎两次法成型工艺的最大特征是在直径大于钢丝圈直径的胎体鼓上贴合成型帘布胎体筒，而后再在成型鼓上完成正包、扣圈、反包工艺流程。此工艺流程使得轮胎的钢丝帘线密度远大于一次成型法制造的轮胎。

正包工艺流程分析：63"两次法成型工艺胎体筒外径已达到Φ1 700 mm，而钢丝圈内径仅为Φ1 600 mm。胎体筒外径远远大于钢丝圈的内径。这样正包工艺就要求对帘布胎体筒进行径向压缩（也是对帘布胎体筒的周向压缩）。帘布胎体筒外径径向压缩至钢丝圈内径（Φ1 600 mm）减去指型片2倍厚度再减去钢丝圈支撑结构两倍厚度，还要减去运动部件运行所需要的间隙（共54 mm）。这时，帘布层的钢丝帘线就要靠近，钢丝帘线之间的胶料就要向钢丝帘线的两侧流动。这是一个黏弹性体的流变过程。而这一流变过程就是建立分析正包工艺的力学、数学模型的基础；橡胶材料的流变系数就是分析、计算、设计整个正包系统的基础参数。由于正包过程指型片对帘布胎体筒进行径向压缩、钢丝帘线间距被压缩，为保证钢丝帘线在周向仍然均匀分布，防止钢丝帘线扭曲，在帘布胎体筒的内侧必须有一个刚性支撑——反包侧鼓的支撑环。

扣圈工艺流程：液压扣圈机构将带三角胶的钢丝圈扣压在完成正包工艺后的帘布胎体筒外侧。扣圈轴向压力 20 t。反包侧鼓的支撑环径向扩张。

反包工艺流程：这是一个正包工艺流程的逆向流程。动力学分析与正包工艺流程相似，故不重复叙述。

该机组的第二个层级技术是帘布胎体筒的贴合成型，最后的胎坯定型。胎体贴合鼓、成型鼓、定型鼓及对应的动力、控制和支撑系统。该系统包含有胎体贴合鼓、定型鼓、带束鼓、主机箱、带束鼓机箱及对应的底座。

3.3.2 第二技术层级

第二个层级技术的核心是主机箱的优化设计。两次法的胎体贴合鼓、成型鼓、定型鼓动力机箱是相同的设计，差异仅仅是控制气路多少不同，亦即是分气环多少不同。按照价值分析的观点对主机箱进行以下4部分优化设计后，仅仅机箱部分就使采购成本下降了180万元。

（1）主轴系内外轴即时监测机构优化

由2个编码器取代一个编码器加差速器。内外轴即时监测机构优化保持原核心功能，即时监测内外轴运动状态，不同工艺状态下的内外轴的转角、角速度、内外轴差动特性。

（2）主轴尾部分气环的修改设计

主轴尾部分气环核心功能是通过主轴向成型鼓输送并控制压缩空气（含逻辑控制及其伺服控制）。

传统设计分气环支撑在主机箱的外轴上，密封环内径 Φ550 mm，原机组胶条缠绕线速度60 mm/min，现在缠绕线速度提高到120 mm/min，密封环摩擦线速度提高一倍。一次法机组仅需密封环20组，两次法成型机组需用68组密封环，Φ550 mm密封环采购价格偏高。无论对成型机厂家或轮胎厂都是很大负担。

在保持分气环所有功能前提下，修改分气环结构设计。分气环支撑在芯轴上，降低密封环内径，由Φ550 mm至Φ320 mm。摩擦线速度下降40%，采购成本降至原来的1/4。

（3）主机箱主传动系统修改设计

主机箱主传动系统核心功能：向机箱主轴的外轴和芯轴传输确定的运动（转角、角速度、角加速度）和扭矩，并按照轮胎成型工艺要求实现确定的同步旋转角速度或差动旋转角速度。

传统设计：主伺服电机-无测隙减速机-差动传动轴-链传动，分别拖动外轴、芯轴。芯轴尾部配有保护离合器。该传动系统配有2个轴向作用离合器、1个径向作用离合器。其中轴向作用离合器采用国外产品采购价格高供货周期长，径向作用离合器采购价格仅为轴向作用离合器1/10。对于两次法成型机组需3个机箱，若少用或不用轴向作用离合器就极大降低了成本。

为此修改传动链设计，使用2个径向作用离合器取代原2个轴向作用离合器和1个径向作用离合器。从而使采购成本极大下降。

（4）主轴支撑（主轴承）修改设计

核心功能：主轴轴承组向主轴提供支反力（轴向、径向），并同时保证主轴的旋转精度。

原一次法机箱，主轴前端轴承组为2个推力轴承，其轴向额定动载荷1 400 N，2个径向圆柱滚子轴承，径向额定动载荷2 230 N，支撑成型鼓重量产生的径向力，支撑液压推盘油缸轴向推力100 t。而两次法成型机组，液压推盘油缸轴向推力50 t，故主轴前端轴承组修改为2个单列圆锥滚子轴承，额定动载荷2 315 N，轴向723 N。尾部支撑轴承不变。

3.3.3 第三技术层级

该机组的第三个层级技术是在制件的输运系统。

输运系统包含有整机底座、胎体筒传递环、保形传递环、带束层复合件传递环和卸胎环。

输运系统的核心功能是机组内部在制件按照工艺流程的输运，关键是在胎体鼓上贴合好的帘布胎体筒到胎体筒传递环，从胎体筒传递环到成型鼓、完成正包扣圈反包的复合件从成型鼓到保形传递环，再从保形传递环到定型鼓的精确定位。以及带束层复合件从带束鼓到带束层复合件传递环，再从带束层复合件传递环到定型鼓，理论上讲，要保证胎体鼓、胎体筒传递环、成型鼓、保形传递环、定型鼓，以及带束鼓、带束层复合件、带束层复合件传递环、定型鼓，所有这些工装部件、橡胶在制件三维方向中心线的重合精度。但是这些中心线簇是一个虚拟的设计基准，实体结构中是不存在、不可直接测量的。这是一个典型的设计基准与测量基准不重合的系统。所以在保证各个结构件的轴向刚度前提下，在实体结构上独立设计测量、定位基准结构，使的在制件在传递构成中重复定位精度不大于0.1 mm。

另外，技术协议中带束层复合件传递环和卸胎环是2个部件。带束层复合件传递环的功能是接取在带束鼓上成型的带束层复合件，然后放置到在定型鼓充气定型的胎坯上。卸胎环的功能是接取在定型鼓上已经完成胎面胶缠绕的胎坯，然后旋转 90°放置到置胎器上。2个部件的工作径向尺寸接近，仅仅瓦块形状不同。我们重新对2个部套件进行数学力学分析，取消带束层复合件传递环，修改卸胎环设计，由一个卸胎环完成2个部件的功能。另外也减少了一个输运平台。这使得机组的成本极大下降。

3.3.4 第四技术层级

第四个层级技术是主、副供料系统、卸胎系统。

主、副供料系统的核心功能是把成型胎坯的材料按照规定的几何位置和速度准确的输送到贴合鼓上。因这是成熟结构故不累述。

3.3.5 创新技术

全新缠绕系统，是这台机组的创新技术。

赛象公司2007年原设计的胎面缠绕系统按照当时的客户要求线速度为60 m/min。但随着市场对巨型工程子午线轮胎需求的增加，对成型机组的效率提出了新的要求——提高缠绕线速度。但原缠绕系统的主机机架是采用的框架结构，虽然自重小、响应速度高，但自身固有频率低。现场测试时，当线速度提高到85 m/min时机架就产生激振。所以，该结构系统不能适应现在两次法57"～63"机组对缠绕线速度提出的120 m/min要求（国内缠绕机最高线速度指标）。为实现该指标，我们采取了以下措施：①提高主机箱主轴角速度使之在最小缠绕半径时适应120 m/min的缠绕线速度；②缠绕系统的主机机架由原来的框架结构改为箱体式结构，以提高机架的固有频率；③缠绕机主机所有运动副均采用高精系列，并游隙可调以防止非线性激振的产生；④重新分析自控系统传递函数，对系统响应速度作适当的调整。

由于原缠绕系统主机是圆柱坐标系，而新设计的主机是直角坐标系。所以整个缠绕系统的控制软件需重新设计，工作量较大。按照这一新的设计方案重新设计、试制。该系统经过现场运行测试，两次法57"～63"成型机组的2套缠绕系统（胎侧缠绕和胎面缠绕）均已经顺利达到120 m/min缠绕线速度的技术指标，这是当时国内缠绕机组的最高技术指标。这样就使该机组缠绕工艺流程效率提高了1倍。该台两次法57"～63"成型机组已于2015年交付客户，现已投入正常运行。

4 结语

通过无内胎巨型全钢工程子午线轮胎成型机的开发，赛象公司深深的认识到，一个企业欲把某个产品成功推向市场，必须具备2个基本要素：①娴熟的市场运作；②坚实的技术底蕴。娴熟的市场运作可以使企业成功的拿到首次订单，但只有坚实的技术底蕴才可以保证订单的顺利交付及持续稳定的市场占有率。整个事件的核心是雄厚的技术实力，坚实的技术底蕴才是企业持久的支撑。

赛象公司凭借在业界积累的良好声誉拿到了国内外子午线工程轮胎成型机组订单，依靠公司坚实的技术底蕴占领了国际市场，在随后的发展中，尤其是45"以上工程轮胎成型机组几乎垄断了国内市场，为该类机型的国产化做出了贡献。