ШИНЫ. НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ПРОИЗВОДСТВА

Интенсификация и оптимизация процесса вулканизации

Наряду с разработкой нового и модернизацией действу­ющего оборудования значительные усилия направляются на создание расчетных методов оптимизации режимов вулкани­зации покрышек. Расчетные методы разработки режимов вул­канизации были развиты благодаря широкому применению инженерной математики и вычислительной техники с уче­том современных достижений в области физики и механики полимерных материалов и использования лабораторного эк­сперимента.

В отличие от практиковавшихся в промышленности ме­тодов, основанных на проведении экспериментов непосред­ственно на вулканизационном оборудовании и вулканиза­ционных изделиях, новые способы разработки режимов вул­канизации расчетным путем существенно дешевле и точ­нее, и одновременно они более информативны и быстро­действующи, так как позволяют проводить анализ и поиск оптимального варианта процесса, широко варьируя его па­раметры и включая такие варианты, для которых еще не со­здано технологическое оборудование. При этом не только экономятся финансы и время, но и существенно расширяет­ся область технологических исследований за счет как дей­ствующих, так и вновь разрабатываемых процессов и обо - рудования.

В результате целенаправленных теоретических и экспери­ментальных исследований создана законченная методология оптимизации режимов вулканизации шин на стадиях их проек­тирования и изготовления. Она включает [433]:

- расчеты и моделирование температурных полей в вулка­низуемых изделиях;

- оценку степени вулканизации резин в изделиях, в том числе определение кинетики неизотермической вулканизации при фактических температурных условиях по комплексу свойств, обусловливающих поведение изделия при эксплуата­ции;

- анализ механического поведения материалов вулканизуе­мых изделий на всех стадиях процесса от индукционного до завершающего послевулканизационного периода;

- оптимизация режимов вулканизации шин, включая их корректировку с учетом реальных параметров процесса.

Расчетное проектирование [434] теплового режима про­водят поэтапно от предпроектной подготовки до собствен­но расчетов и оптимизации на данной стадии. Предпроект - ная подготовка включает в себя определение размерности и вида математической модели (ММ), необходимых и дос­таточных для получения требуемой точности при решении задач теплопроводности, а также определение геометричес­кой области моделирования теплового процесса, теплофи­зических (ТФХ) и вулканизационных (ВХ) характеристик материалов объекта, его начальных (НУ) и граничных (ГУ) условий. Кроме того, предпроектная подготовка включает задание технологических ограничений на регулирование воздействия и формулирование критерия оптимизации в соответствии с поставленной целью и спецификой техно­логического процесса и оборудования. На этом же этапе рассматриваются наиболее сложные проблемы: идентифи­кация параметров ММ с использованием результатов ана­литического решения (для простейших случаев) или эко­номного эксперимента, исследование реальных или прогно­зирование возможных условий теплопередачи и теплооб­мена на технологическом оборудовании, определение ВХ и ТФХ моделируемого объекта.

Широкое внедрение в шинной промышленности вулка­низационного оборудования с зонным, в том числе посто - янным, обогревом массивных и инерционных в тепловом от­ношении секторных пресс-форм потребовало усовершен­ствования методов моделирования, так как в силу специ­фики теплового процесса возникла необходимость включе­ния в состав геометрической области решения задачи теп­лопроводности элементов технологического оборудования и значительную (до полного профиля) часть сечения по­крышки.

Геометрическая область выбирается в зависимости от типа оборудования и конструкции шины таким образом, что­бы охватить наименее и наиболее прогреваемые слои вул­канизуемых изделий. В зависимости от рисунка протекто­ра эта область может быть либо двумерной (рисунок имеет преимущественно продольные канавки), либо трехмерной. В последнем случае воспроизводят участок рисунка протек­тора до шага его повторяемости. Границы геометрической области проводят, по возможности, по тепловым осям сим­метрии, а при нагружении обогреваемых (охлаждаемых) участков границ задают граничные условия 1-го или 3-го рода.

Рассмотрим вулканизацию легковой покрышки с рисун­ком протектора «продольного» типа, вулканизуемой в форма - торе-вулканизаторе типа «аутоформ» с секторными пресс-фор­мами и постоянным зонным обогревом. На рис. 54.а приведен фрагмент выбранного сечения. С учетом характера рисунка протектора геометрическая область (рис. 54.6) является плос­кой. При перезарядке технологического оборудования различ­ные его элементы остывают неодинаково. Поэтому начальные температурные условия различных участков отличаются друг от друга и в приведенном примере соответствуют покрышке (НУ 1), диафрагме - (НУ2) и другим элементам оборудования (НУ-3 - НУ-7).

При решении задачи теплопроводности должны быть за­даны граничные условия 1 - го рода со стороны обогреваемых паром зон и по внутренней поверхности диафрагмы (обозна­чение шин на рис. 54.6 ), а также граничные значения 3-го рода (обозначение УУУ) для границ, соприкасающихся с воз­духом. Остальные участки (обозначение на рис 54.6) не

Нагружаются.

Для моделирования подобных объектов используются ал­горитмы, основанные на методе конечных элементов (МКЭ). На рис. 54.«в«показано разбиение геометрической области МКЭ. Очевидно, что при создании ММ для таких сложных по конфигурации объектов особо важную роль играет возмож­ность автоматизированного разбиения геометрической облас­ти с использованием макромоделей для различных подоблас­тей с соответствующими НУ и ТФХ. Методики определения ТФХ различных элементов шин достаточно проработаны и описаны [435-437].

1 - покрышка: 2 - диафрагма; 3,4- элементы сектора и боковины пресс - формы; 5 - обжимной корпус; 6 - нижняя нагревательная плита; 7, 8 - обогре­ваемые паром полости; 9 - цилиндр: НУ1-НУ7 - начальные температурные условия; _ - участки геометрической области, нагружаемые

ГУ 1-го рода, ГУ 3-го рода и ненагружаемые соответственно.

При проектировании тепловых режимов вулканизации важ­нейшими параметрами являются вулканизационные характери­стики, поскольку технологический процесс должен обеспечи­вать достижение в различных зонах изделия таких степеней вулканизации, которые соответствуют этим характеристикам [438]. В отечественной практике проектирования тепловых ре­
жимов вулканизационные характеристики включают в себя че­тыре показателя: минимальную(8тт), оптимальную (Sopt) и максимально допустимую (Smax) продолжительность вулкани­зации резиновых смесей при некоторой заданной температуре, а также максимально допустимую температуру вулканизации (Тшах) при заданной продолжительности (т) ее воздействия. При этом Smin определяет продолжительность вулканизации резиновой смеси под давлением, за которую она достигает та­кой когезионной прочности, что при снятии внешнего давле­ния не произойдет порообразования (Smin соответствует «точ­ке пористости»). Очевидно, что при вулканизации тонкостен­ных (1-2 мм) образцов с увеличением степени вулканизации резины летучие продукты успевают продиффундировать к по­верхности и порообразование не наблюдается. Поэтому для корректного определения Smin используются образцы толщи­ной 8-15 мм, а в силу неизотермичности процесса степень вул­канизации в центре образца пересчитывают в эквивалентную величину (S3kb) для выбранной постоянной температуры. Зна­чения Sopt, Smax и Tmax определяют по комплексу деформа­ционно-прочностных показателей резин при заданной темпе­ратуре вулканизации. Поскольку кинетика вулканизации рези­новых смесей по каждому из этих показателей различна, они являются условными.

При проектировании тепловых режимов вулканизации мо­делируются одновременно протекающие и взаимосвязанные тепловой (динамическое изменение температурного поля по профилю изделия) и кинетический (формирование степени вул­канизации резины) процессы. В качестве параметра для опре­деления степени вулканизации может быть выбран любой фи­зико-механический показатель, для которого имеется матема­тическое описание кинетики неизотермической вулканизации. Однако в силу различий кинетики вулканизации по каждому показателю и невозможности создания процесса, в котором все показатели одновременно достигают оптимума, при проекти­ровании тепловых режимов вулканизации покрышек должна определяться некая обобщенная величина, соответствующая условной степени вулканизации резин. В качестве такой вели­чины в расчетах широко используется эквивалентное время вулканизации при заданном значении Тэкв. Это позволяет оце­нивать правильность построения технологического режима вул­канизации (включая не только температурные граничные усло­вия, но и изменение давления со стороны диафрагмы) по соот­ветствию текущих значений 8экв вулканизационным характе­ристикам. Спроектированный подобным образом режим вул­канизации обязательно впоследствии проходит технологичес­кую обработку с учетом дополнительных факторов - «шумов», весь комплекс которых невозможно задать в качестве парамет­ров математической модели. К «шумам» относятся: техничес­кое состояние оборудования, стабильность сырья и технологии, квалификация персонала и т. п.

При изготовлении изделий в реальном производстве опти­мизацию тепловых режимов вулканизации целесообразно осу­ществлять по фактическим параметрам технологического про­цесса. Для этого различными фирмами созданы разнообразные методы и устройства [439] оптимального управления.

В основу классификации методов и устройств оптималь­ного управления режимами вулканизации шин положены сле­дующие признаки.

1. Тип моделирования, на базе которого определяется ки­нетика вулканизации изделий в неизотермических условиях. В этом случае известны методы и устройства оптимального уп­равления режимами вулканизации резиновых изделий на базе:

А) физического моделирования кинетики неизотермичес­кой вулканизации [440-442];

Б) математического моделирования кинетики неизотерми­ческой вулканизации [443];

В) математического и физического моделирования кинети­ки неизотермической вулканизации [444-449].

2. Способ определения температуры Т как функции време­ни X на лимитирующем процесс вулканизации участке изделия, то есть Тлимиз (X). Известны методы и устройства вулканизации изделий, неизотермические условия в которых определяются:

А) непосредственным измерением ТЛ11МН" (т) путем внедре­ния датчика температуры в изделие [440, 444-449];

Б) измерением температур на греющих поверхностях фор- матора-вулканизатора: Т п. ф. - по пресс-форме и Тд - по диаф­рагме, заданием их в качестве граничных условий 1-го рода на сеточную ЯС-модель и расчетов Тлимиз (т) в соответствующей узловой точке [443].

3. Способ определения степени вулканизации Рлимш (т) на лимитирующем процесс вулканизации участке изделия. В этом случае различают методы и устройства оптимального управле­ния режимами вулканизации изделий, кинетика неизотермичес­кой вулканизации в которых определяется:

А) непосредственным измерением Рлимиз (Т) в изделии, на­пример, по показателю динамического модуля [440-442];

Б) расчетом ¥тьлт (X) по данным Тлимиз (X) [443-449].

4. Место определения Рлимиз (X). Известны методы и уст­ройства, позволяющие определить кинетику неизотермической вулканизации:

А) в изделии Рлимиз (X) [440-449];

Б) на резиновом модельном образце (х) [440].

Достоинства и недостатки изложенных устройств и мето­дов рассмотрены в работе [439]. Здесь же рассмотрен алгоритм методов оптимизации, основанный на математическом моде­лировании теплового процесса вулканизации по фактическим температурным условиям на греющих поверхностях техноло­гического оборудования.

Созданы две основные модификации этих методов. Пер­вая модификация метода оптимизации [439], граф которого приведен на рис. 55, обеспечивает достижение заданной степе­ни вулканизации в изделиях по фактическим граничным тем­пературным условиям путем корректировки продолжительно­сти режима вулканизации. Основными особенностями метода являются следующие:

- для двух одновременно вулканизуемых изделий при изве­стных начальных и измеряемых в реальном масштабе времени граничных (ГУ1, ГУ2) температурных условиях со стороны пресс-форм (Тпфиз1(т), Тпфи*2(Т)}, диафрагм {ТДИП(Т), Тдю2(т)} рассчитывают по толстостенному (наименее прогреваемому) сечению распределение температуры {Т;ИЧ(Т)}, {Т"32(т)}и по­казатели степени вулканизации {Р;И31(Т)}, {Р/°2(т)}в узловых точках { (1=1, 2 ... Ы) математической модели процесса тепло­проводности;

- из рассчитываемых в реальном масштабе времени пока­зателей степени вулканизации выбирается минимальный {Рлимт (Т)}, который суммируется с прогнозируемой (в зависимости от соответствующей текущей температуры) величиной степе­ни довулканизации {Гдовулки* (т)}. Тем самым для узловой точки математической модели с наименьшим показателем степени вулканизации формируется суммарная величина ^„^(Т), вклю­чающая последующий по отношению к текущему моменту вре­мени прирост степени вулканизации за период проведения зак­лючительных операций режима и охлаждения изделия на воз­духе вне пресса;

- продолжительность режима вулканизации (Твулк) до мо­мента начала заключительных операций определяется по усло­вию достижения величиной ¥^тшт(Т) заданного для соответ­ствующей резиновой смеси оптимального значения показателя Рыим. опЛтО, степени вулканизации. При этом для повышения на­дежности управления вводятся минимальное Тт|11 и максималь­ное Ттах ограничения на момент Тьулк выдачи сигнала на испол­нительные механизмы вулканизационного пресса.

Вторая модификация метода оптимизации [439] разра­батывалась применительно к условиям производства, в ко­торых предъявляются жесткие требования к ритмичности работы технологического оборудования. В данном случае корректировка продолжительности режима вулканизации недопустима. Эта модификация метода оптимизации осно­вана на изменении температуры со стороны пресс-формы, компенсирующем отклонение от номинального значения тем­пературы перегретой воды со стороны диафрагмы, причем таким образом, что заданная степень вулканизации в наиме­нее прогреваемой точке изделия достигается без изменения продолжительности режима вулканизации. Очевидно, что преимуществом такой адаптации режима является обеспече­ние ритмичной работы ряда единиц вулканизационного обо­рудования, что необходимо при поточном производстве из­делий, например, в поточных линиях вулканизации типа ВПМ. Данный метод основан на принципе «температурного коромысла», ось которого расположена в наименее прогреваемой точке С сечения изделия 1-1, а концы соответ­ственно, на внешней точке В (пресс-форма) и внутренней точке А (диафрагма) обогреваемых поверхностях вулканиза­ционного оборудования. В оборудовании с зонным обогре­вом пресс-формы при необходимости может быть одновре­менно реализовано и второе «температурное коромысло», например, в наиболее прогреваемом (тонкостенном) сечении изделия. Величину компенсирующего воздействия <1т(1;) - изменение текущего значения температуры со стороны пресс - формы - определяют по выражению:

Ёш(0 = К(х)^с1Ь(Т),

Где ёЬ(0 - отклонение значения температуры перегретой воды со стороны диафрагмы от эталонных значений; К(х) - ко­эффициент пропорциональности, величина которого зависит только от местоположения наименее прогреваемой точки с ко­ординатой х.

Алгоритм оптимального управления режимами вулканиза­ции, соответствующими упомянутым модификациям, реализу­ется программно с использованием микропроцессорных средств автоматизации «Вулкан-МК» в производстве шин на АО «Ниж - некамскшина» [450,451].

Разработку теплового режима вулканизации осуществля­ют в соответствии с критерием, выбираемым с учетом техни­ко-экономических аспектов. Наиболее распространенным в отечественной практике критерием оптимизации является ми­нимум продолжительности режима вулканизации при задан­ных технологических ограничениях на колебания температур­ных граничных условий и достигаемые с учетом довулканиза - ции на воздухе показатели степени вулканизации в наименее и наиболее прогреваемых участках шин. Очевидно, что опти­мизированные по критерию режимы вулканизации всегда бу­дут иметь некоторый резерв по продолжительности, который тем больше, чем выше реально возможная нестабильность тех­нологии.

Так, при вулканизации покрышек 165/7011-13 на формато - ре-вулканизаторе «Ходоматик» с использованием микропроцес­сорного комплекса «Вулкан-МК», температура перегретой воды, подаваемой в диафрагму, была снижена со 195-202°С до 190°С при одновременном повышении температуры со стороны пресс-форм до 174-175°С. В результате цикл вулканизации со­кратился на 6%, что равносильно дополнительному выпуску этих покрышек в количестве 120 тыс. штук в год. В табл. 5.3. приведены усредненные физико-механические показатели по­крышек, вулканизованных по старому (а) и новому (б), более короткому, режимам вулканизации.

ГУ 1 ГУ2

Приведенные в табл. 5.3. данные свидетельствуют, что физико-механические показатели покрышек, вулканизованных по новому режиму, несколько выше. Процент брака при этом снизился с 0,1% до 0,08%.

Аналогичные данные были получены и для покрышки 175/ 80Я-16. Цикл вулканизации был сокращен на две минуты за счет уменьшения времени вулканизации. При этом физико-механи­ческие показатели покрышки не ухудшились, а уровень брака по новому, более короткому, циклу вулканизации (а) снизился примерно в два раза; срыв рисунка протектора прекратился во­обще по сравнению с более длинным режимом вулканизации (б) (табл. 5.4.).

При вулканизации сельскохозяйственных покрышек раз­мера 21,ЗЯ-24 вместо режима вулканизации общей продолжи­тельностью 100 мин при температуре в паровой камере 150°С

Предложен режим продолжительностью 95 мин с повышением температуры в паровой камере до 153°С. Сокращение цикла вулканизации проведено как за счет повышения температуры в паровой камере, так и путем уменьшения времени подачи низ­кой гидравлики и времени собственно вулканизации. Физико­механические показатели покрышек при этом соответствуют нормам ГОСТ, увеличения брака при интенсифицированном режиме вулканизации не наблюдалось.

Расчетные исследования позволили сформулировать перс­пективные требования к вулканизационным характеристикам резин. В случае использования в шинах резин с требуемыми вулканизационными характеристиками удается существенно интенсифицировать процесс вулканизации и получать покрыш­ки с улучшенными прочностными характеристиками.

В частности, замена в резиновых смесях тиазоловых ус­корителей на сульфенамидные привела к увеличению ин­дукционного периода вулканизации, возрастанию скорости вулканизации в главном периоде, повышению прочностных показателей резины в оптимуме вулканизации. При этом увеличение индукционного периода вулканизации позволи­ло повысить скорость обрезинивания кордов, а рост скоро­сти вулканизации - сократить время вулканизации. Цикл вулканизации покрышек размера 260-508Р при замене тиа - золового ускорителя на сульфенамидный сократился с 60 мин до 50 мин, что равносильно дополнительному выпуску 4 покрышек в сутки с одного форматора-вулканизатора. По другим типам покрышек получены аналогичные результа­ты. Дополнительное количество выпускаемых объединени­ем покрышек за счет сокращения цикла вулканизации при переходе на сульфенамидные ускорители составляет поряд­ка 100000 штук в год.

В перспективе использование резиновых смесей с опти­мальными вулканизационными характеристиками для изготов­ления покрышек на современном технологическом оборудова­нии позволит иметь цикл вулканизации, не превышающий 10- 11 мин.

Проведенные модернизация и реконструкция вулканизаци­онного оборудования и процессов существенно уменьшают тех­ногенную нагрузку на окружающую среду за счет снижения энер­гоемкости единицы продукции (уменьшение потребления ох­лаждающей воды, пара и электроэнергии). В то же время про­блема улавливания вредных вулканизационных газов, выделя­ющихся из покрышек, камер и ободных лент при раскрытии пресс-форм остается нерешенной.