4＋3×0.33ST钢丝帘线在全钢载重子午线轮胎带束层中的应用及压延工艺探讨

王培滨，柯增光，郭念贵，赵年鹏，刘应军，王爱萍

（1.三角轮胎股份有限公司，山东 威海 264200；2.江苏兴达钢帘线股份有限公司，江苏 泰州 225721）

交通运输对全球气候变暖影响巨大，温室气体排放的20%来自陆地运输，其中20%～30%来自轮胎[1]。具有低燃油消耗、低滚动阻力、高安全性能、长使用寿命和可翻新性等突出特性的绿色轮胎已成为全球轮胎行业的发展趋势[2-5]。随着碳达峰、碳中和等相关政策的陆续出台更刺激了轮胎企业对绿色轮胎的开发研究。

轮胎作为汽车与地面接触的唯一部件，其质量对汽车的燃油消耗影响较大。载重子午线轮胎中钢丝帘线的质量占比达到20%左右，其对轮胎的质量、安全性能、燃油消耗、使用寿命和可翻新性等方面起到重要的作用。更高强度的钢丝帘线可以在满足帘布强度的情况下，减小钢丝帘线用量和帘布质量，进而减小轮胎质量和滚动阻力，实现减少燃油消耗和二氧化碳排放。使用更高强度的钢丝帘线成为制造低滚动阻力和轻量化轮胎的首要考虑方法，也是实现轮胎产业升级的必由之路。

本工作研究4＋3×0.33ST钢丝帘线替代传统3×0.20＋6×0.35HT钢丝帘线在全钢载重子午线轮胎带束层中的应用，重点探讨其压延工艺。

1 实验

1.1 主要原材料

4＋3×0.33ST和3×0.20＋6× 0.35HT钢丝帘线，江苏兴达钢帘线股份有限公司产品。

1.2 主要设备和仪器

CG4/610X1730-S型压延机，意大利鲁道夫公司产品；CM-G3800-5型裁断机，德国Fisher公司产品；XLB-Q型平板硫化机、三辊弯曲疲劳试验机和渗透检测仪，江苏兴达钢帘线股份有限公司自行研制；2000-C型体式显微镜，德国蔡司公司产品；150-E型双向摆式V-5刚度仪，美国Taber公司产品；ZBC7550-2型塑料摆锤冲击试验仪，美特斯工业系统（中国）有限公司产品。

1.3 性能测试

钢丝帘线性能按GB/T 11181—2016《子午线轮胎用钢帘线》和企业标准进行测试。轮胎各项性能均按相应国家标准和企业标准进行测试。

2 结果与讨论

2.1 钢丝帘线性能

2.1.1 钢丝帘线结构

4 ＋3×0.33ST 钢丝帘线和3×0.20 ＋6×0.35HT钢丝帘线的横截面结构对比如图1所示。

图1 两种钢丝帘线的横截面结构对比

从图1可以看出:4＋3×0.33ST钢丝帘线为不规则结构，外层3根钢丝对内层钢丝不完全包覆，为全渗胶型钢丝帘线；3×0.20＋6×0.35HT钢丝帘线为规则结构，外层钢丝围绕芯股钢丝编捻，3根芯线呈三角形结构，形成闭合型空腔。

2.1.2 基本性能

4 ＋3×0.33ST 钢丝帘线和3×0.20 ＋6×0.35HT钢丝帘线的基本性能对比如表1所示。

表1 两种钢丝帘线的基本性能对比

从表1可以看出，两种钢丝帘线的最小破断力相同，但4＋3×0.33ST钢丝帘线单位线密度最小破断力比3×0.20＋6×0.35HT钢丝帘线提高了12.7%，在保证同等帘布强度下，可以减小材料用量，有利于轮胎轻量化。

2.1.3 渗胶性能

4 ＋3×0.33ST 钢丝帘线和3×0.20 ＋6×0.35HT钢丝帘线的渗胶率检测结果如表2所示。

表2 两种钢丝帘线的渗胶率对比 %

从表2可以看出，4＋3×0.33ST钢丝帘线的渗胶性能好于3×0.20＋6×0.35HT钢丝帘线。

2.1.4 弯曲刚度

4 ＋3×0.33ST 钢丝帘线和3×0.20 ＋6×0.35HT钢丝帘线的弯曲刚度检测结果如表3所示。

表3 两种钢丝帘线的弯曲刚度对比 TSU

从表3可以看出，两种钢丝帘线弯曲刚度相当，但覆胶后4＋3×0.33ST钢丝帘线弯曲刚度明显提高，比3×0.20＋6×0.35HT钢丝帘线提高了43.3%。这可能是由于4＋3×0.33ST钢丝帘线为半包覆、全渗胶型，便于橡胶对所有钢丝帘线的完全包覆，使得覆胶后弯曲刚度提升。带束层是轮胎的主要受力部位，对轮胎的接地面积和耐磨性能有很大影响，刚度的提升有利于减小轮胎的下沉量，改善轮胎的滚动阻力性能。

2.1.5 抗冲击性能

4 ＋3×0.33ST 钢丝帘线和3×0.20 ＋6×0.35HT钢丝帘线的冲击吸收能检测结果如表4所示。

从表4可以看出，两种钢丝帘线的冲击吸收能相当。

表4 两种钢丝帘线的冲击吸收能对比 J

2.1.6 耐疲劳性能

在相同负荷（配重15 kg）下对比覆胶后两种钢丝帘线的耐交变应力疲劳性能。4＋3×0.33ST钢丝帘线和3×0.20＋6×0.35HT钢丝帘线的耐疲劳性能检测结果如图2所示。

图2 两种钢丝帘线的耐疲劳性能对比

从图2可以看出，两种钢丝帘线的耐疲劳性能相当。

2.2 压延工艺探讨

4 ＋3×0.33ST 钢丝帘线与3×0.20 ＋6×0.35HT钢丝帘线的直径相当，采用与3×0.20＋6×0.35HT钢丝帘布相同压延工艺进行压延，压延时频繁出现跳线现象，如图3所示。

图3 工艺调整前4＋3×0.33ST钢丝帘布的压延状况

压延过程中跳线不仅影响生产效率，还会导致帘布中帘线排布不均匀，影响轮胎的质量。

2.2.1 钢丝帘布压延跳线原因分析

4＋3×0.33ST钢丝帘线为不规则结构，对压延工艺要求较高，压力辊和整经辊槽径与帘线直径匹配度、锭子架至整经辊/压力辊的距离以及钢丝帘布进入压力辊的角度均有可能导致压延过程中出现跳线现象。

4＋3×0.33ST钢丝帘线在同一横截面上绕轴向旋转不同角度检测钢丝帘线的直径时存在较大差异，而3×0.20＋6×0.35HT钢丝帘线为规则结构，在同一横截面上绕轴向旋转不同角度检测的直径相差不大。随机选取120根4＋3×0.33ST钢丝帘线进行直径检测，在同一横截面上绕轴向旋转测得的帘线最大直径和最小直径结果如图4所示。

图4 4＋3×0.33ST钢丝帘线的直径检测结果

从图4可以看出，4＋3×0.33ST钢丝帘线最大直径与最小直径存在较大差异，最大直径均值达到1.137 mm，最小直径均值为1.040 mm。

根据图4对4＋3×0.33ST钢丝帘线最大直径分布进行统计发现，其最大直径大部分处在1.11～1.17 mm之间。

由于4＋3×0.33ST钢丝帘线为不规则结构，同一横截面上不同角度的钢丝帘线直径存在差异，且钢丝帘线存在扭转，在压延过程中会发生一定的旋转，因此4＋3×0.33ST钢丝帘线最大直径和最小直径在压力辊和整经辊处出现的概率相同，由于4＋3×0.33ST钢丝帘线最大直径大部分处在1.11～1.17 mm之间，当压力辊和整经辊槽径小于大部分4＋3×0.33ST钢丝帘线最大直径时，帘线将会从整经辊槽中跳出，导致跳线。因此需要对压力辊和整经辊槽径进行重新设计，使绝大部分4＋3×0.33ST钢丝帘线都能卡在槽内。通过对4＋3×0.33ST钢丝帘线最大直径进行统计可知，4＋3×0.33ST钢丝帘线压力辊和整经辊槽径至少为1.15 mm才能保证绝大部分4＋3×0.33ST钢丝帘线都能卡在槽内，避免钢丝帘线出现跳线现象。

另外，应控制锭子架至整经辊/压力辊的距离，一般在15 m左右，如果锭子架至整经辊/压力辊的距离过长，会导致钢丝帘线的张力波动，钢丝帘线更容易出现跳动现象，在压延过程中出现跳线风险增大。可以通过安装压托辊和梳线板来减少帘线晃动翻转，稳定钢丝帘线的张力，降低压延过程中钢丝帘线的跳线风险。

此外，钢丝帘布进入压力辊时应尽可能保持水平，如果钢丝帘布进入压力辊的角度较大，钢丝帘线更容易从压力辊槽中跳出。

2.2.2 压延工艺调整

通过对压力辊和整经辊槽径进行重新设计，将压力辊槽径由原来的1.13 mm调整为1.15 mm，并在压力辊前增加梳线板来稳定钢丝帘线的张力，再次对4＋3×0.33ST钢丝帘布进行压延，整个压延过程顺畅，无跳线、稀并线情况发生，帘布表面正常，达到改善效果，压延工艺调整后4＋3×0.33ST钢丝帘布的压延状况如图5所示。

图5 工艺调整后4＋3×0.33ST钢丝帘布的压延状况

虽然压延过程顺畅，但通过对4＋3×0.33ST钢丝帘线最大直径统计发现仍有部分处在1.15～1.17 mm之间，存在跳线风险。将压力辊槽径改为1.17 mm进行验证，效果较好，但是在压延速度提升至30 m·min-1以上时仍有跳线现象，沟槽直径需设计为1.2 mm，并要有合适的角度。

2.3 成品轮胎性能

2.3.1 压穿强度

采 用4 ＋3×0.33ST 钢丝帘线生产的12R22.5，295/80R22.5和315/80R22.5轮胎的压穿强度试验结果分别为3 827.3，3 478.1和3 928.3 J，明显高于国家标准要求，达到国家标准值1.4倍以上。

2.3.2 耐久性能

采用4＋3×0.33ST钢丝帘线和3×0.20＋6×0.35HT钢丝帘线生产的12R22.5，295/80R22.5和315/80R22.5轮胎的耐久性能试验结果对比如图6所示。

图6 2种钢丝帘线成品轮胎的耐久性能试验结果对比

从图6可以看出，采用4＋3×0.33ST钢丝帘线生产的3种规格轮胎的耐久性能均好于采用3×0.20＋6×0.35HT钢丝帘线生产的相同规格轮胎，耐久性能提升超过4%。

2.3.3 滚动阻力

采用4＋3×0.33ST钢丝帘线和3×0.20＋6×0.35HT钢丝帘线生产的12R22.5，295/80R22.5和315/80R22.5轮胎的滚动阻力试验结果对比如图7所示。

从图7可以看出，采用4＋3×0.33ST钢丝帘线生产的3种规格轮胎的滚动阻力略低于采用3×0.20＋6×0.35HT钢丝帘线生产的相同规格轮胎，滚动阻力下降幅度不大。

图7 2种钢丝帘线成品轮胎的滚动阻力试验结果

2.4 成本分析

采用帘布等强度替代原则，使用4 ＋3×0.33ST钢丝帘线替代3×0.20＋6×0.35HT钢丝帘线时，钢丝帘线及胶料用量对比如表5所示。

表5 两种钢丝帘线及胶料用量对比

从表5可以看出，采用4＋3×0.33ST钢丝帘线等强度替代3×0.20＋6×0.35HT钢丝帘线进行帘布压延时，钢丝帘线质量和帘布质量分别减小11%和7%，有利于减小轮胎质量，降低轮胎制造成本，减少能源消耗。

3 结论

（1）4＋3×0.33ST钢丝帘线外层钢丝对内层钢丝不完全包覆，渗胶性能优良，有利于提高轮胎的使用寿命，覆胶后4＋3×0.33ST钢丝帘线弯曲刚度比3×0.20＋6×0.35HT钢丝帘线明显提高，有利于减小轮胎的下沉量，改善轮胎的滚动阻力性能。

（2）由于4＋3×0.33ST钢丝帘线为不规则结构，需要对压力辊和整经辊槽径进行重新设计，使绝大部分4＋3×0.33ST钢丝帘线都能卡在槽内，并在压力辊前增加梳线板来稳定钢丝帘线的张力，避免钢丝帘布压延时出现跳线现象。

（3）采用4＋3×0.33ST钢丝帘线等强度替代3×0.20＋6×0.35HT钢丝帘线用于全钢载重子午线轮胎带束层，可以减小钢丝帘线质量和帘布质量，实现轮胎轻量化，减少原材料和能源消耗，符合绿色轮胎的发展方向。