轮胎硫化理论知识

 　　与其他材料(如金属)相比,橡胶的热扩散系数非常低,轮胎内部每一点的温度历程都不一样,导致温度和硫化程度分布不均,简单的等温硫化曲线已经不能被用来评价橡胶的硫化程度。可以使用两种方法解决此问题,一种是通过热电偶测出轮胎内部关键点处的温度历程,如胎肩、胎冠和胎圈等较厚的地方,再应用合理的动力学模型把各点温度转化为硫化程度,以此确定硫化的必要时间。但配方设计和边界温度的改变将影响硫化反应过程,进而影响橡胶的最终硫化程度和机械性能。而且每次试验后,必须把轮胎割开,找出热电偶的位置,因此,成本高、时间长。另一种方法是基于计算机仿真的数值技术,可以预测出轮胎内部每一点的温度和硫化程度,有助于减少轮胎开发成本和缩短研发周期。早在1967年,Gehman首次提出了使用数值技术研究橡胶硫化的思想。ambelang和Prentice首次应用计算机程序通过有限差分法预测了轮胎胎肩橡胶的硫化温度和反应动力学性能。Prentice和williams在此基础上,针对某充气轮胎硫化建立了一套更加真实的数值模型,该模型包括水囊和金属模具,并结合二维传热方程和硫化程度计算公式,应用有限差分法分析了在硫化机内加热阶段和在空气中冷却阶段胎肩区的硫化传热特性Schlanger把复杂轮胎断面简化为一个等效橡胶片,基于一维传热模型研究了轮胎硫化传热过程。Isayev联合运用有限元法和有限差分法研究了橡胶的注塑成型过程,确定了橡胶各个部位的硫化程度,有限元法用来求解材料流动方程,有限差分法用来求解能量方程。Nazockdast使用有限差分技术来求解传热和硫化动力学方程,模拟了传输带的连续硫化过程鉴于轮胎自身结构和硫化过程的复杂性,有限元法(FEM)能更加精确和全面地研究轮胎硫化。Janata最早建立了轮胎硫化过程的二维轴对称FE模型,假设轮胎为同一种各向同性材料,研究了金属模具的温度场,由于网格设计和计算时间的限制模型的网格数较少。Toth使用FE技术首次模拟了轮胎的硫化过程并研究了初始温度对硫化的影响,使用ABAQUS软件结合其用户子程序HETVAL,建立了轮胎传热-硫化耦合模型;使用无转子流变仪(MDR)研究橡胶的硫化动力学性能,并考虑了热物性参数的变化。但模型不包括胶囊和金属模具,仿真的边界条件由设在轮胎-胶囊和轮胎-模具接触面上的热电偶提供。后来,Marzocca建立了一维FE模型来模拟橡胶圆柱体的硫化过程。Han建立了在平板硫化机上轮胎硫化的二维轴对称模型,使用自己开发的软件求解系统方程,模型考虑了轮胎几何结构的复杂性、金属模具和胶囊、时变边界条件、加热和冷却过程以及复杂的动力学模型。之后,Han使用这个模型优化了轮胎硫化工艺。Greenwelli建立了包含轮胎、金属模具和胶囊的二维轴对称FE模型以及三维FE模型,研究了传导和对流两个传热机理、硫化模具之间的热阻、加热阶段和冷却阶段等关键问题,并通过改变轮胎结构尺寸降低了12%的硫化时间。2002年,Pirelli公司公开申请了专利模拟轮胎硫化程度的方法”,但不能计算三维轮胎