ШИНЫ. НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ПРОИЗВОДСТВА

Передовые технологии изготовления легковых шин на заводах нового поколения

Последние десять - пятнадцать лет отечественная шинная промышленность развивалась скорее в количественном, неже­ли в качественном отношении. Те новшества, внедренные за этот период в области оборудования, рецептуростроения и кон­струкций шин, конечно, позволили существенно повысить тех­нико-экономические показатели производства шин и их каче­ство, однако такого качественного скачка, как за рубежом не произошло. Обзор качественных изменений в зарубежной шин­ной промышленности, которые произошли на рубеже XX и XXI веков, был дан Бассом Ю. П. на 7-ом симпозиуме «Проблемы шин и резинокордных компонентов» [482]. Прежде всего это касается, резкого возрастания к середине 90-х годов доли высо­коскоростных шин в общем ассортименте. Так, в Западной Ев­ропе легковые шины категории «Н» в 1995 году составили око­ло 60%, а в 1992 году эта цифра была 30%. Соотношение высо­ты профиля легковой покрышки к ее ширине (Н/В, %) в Герма­нии в 1980 году было только 80, а в 1995 году уже 60-55. Пере­чень важнейших показателей качества шин стал включать мно­гие характеристики, стабильность и уровень которых отече­ственная шинная промышленность не может обеспечивать в массовом порядке при уровне существующей технологии:

- стабильность конструкции;

- управляемость на сухой и мокрой поверхностях;

- отсутствие аквапланирования;

- скоростные свойства;

- прочность посадки на ободе;

- зазор между колесом и деталями корпуса и шасси (кли­ренс);

- комфортабельность;

- уровень внутреннего шума;

- силовая и геометрическая неоднородность;

- пробег, износостойкость;

- сопротивление качению;

- вес;

- прочность каркаса - разрывная нагрузка под действием внутреннего давления.

Наиболее жесткие требования к показателям однороднос­ти шин предъявляют автомобилестроительные фирмы Герма­нии (таблица 6.1 ).

Таблица 6.1 Показатели однородности легковых шин

Несмотря на ужесточение требований к качеству шин ве­дущие мировые производители разрабатывают новые техноло­гии, позволяющие выпускать шины, при достаточно высоком их качественна 15-17% ниже стоимости первоклассных.

Узловые моменты развития новых технологий заключают­ся в следующем: 1 - техническое перевооружение предприятий на базе использования автоматизированного, высокоточного, быстро переналаживаемого технологического оборудования; 2

- компьютерное управление технологическими процессами и организация производства широкого ассортимента продукции с целью обеспечения эффективного использования оборудова­ния, снижения отходов и потерь от изменений в ассортименте; 3 - применение высококачественного сырья, гарантирующего стабильность качества продукции; 4 - создание систем управ­ления качеством на основе стандартов 180 серии 9000; 5 - сни­жение масштабов складирования сырья, полуфабрикатов, гото­вой продукции.

Одним из элементов новых технологий является переход к предварительному (до сборочного оборудования) агрегирова­нию деталей шин, например, при плоском способе сборки аг­регируется герметизирующий слой с бортовыми лентами, в свою очередь сдублированными с боковинами. Важнейшим элемен­том роста качества шин является использование высокопреци­зионного оборудования, позволяющего ужесточить допуска на параметры технологического процесса (таблица 6.2).

Есть сведения, что для достижения точности геометричес­ких размеров и величин совмещаемых деталей стала широко использоваться ультразвуковая и даже лазерная техника их ре­зания.

Наиболее важным элементом новых технологий является использование полностью автоматизированных и быстро пе­реналаживаемых на другой размер покрышки сборочных стан­ков.

Исключение влияния личности сборщика также улучшило качество покрышек, а появление возможности маневра в ассор­тименте продукции дало возможность выпуска небольших партий (30 - 100 шт.), что позволило гибко реагировать на ры­нок спроса продукции и уменьшить складское хозяйство.

Наиболее яркое воплощение эти новшества получили в тех­нологии «СЗМ», развиваемой фирмой «Мишлен» (Франция) и технологии «ММР», разработанной фирмой «Континенталь» (Германия). Начнем рассмотрение этих технологий с метода «СЗМ».

В монографии даются только общие принципы этого мето­да, поскольку детали до сих пор держатся в секрете. Известно, что это автоматическая система изготовления шин, при кото­рой на основном крупном шинном заводе фирмы изготавлива­ются свежие резиновые смеси, которые в очень короткое время (24 часа и менее) в изолированных контейнерах подаются в небольшие экструдеры у сборочных станков заводов-спутников. Все детали шин изготавливаются у сборочного станка или со­бираются на самом сборочном станке. Капитальные затраты на одну автоматическую систему составляют 12 млн. немецких марок, производительность одного станка на одного рабочего около 400 шин в сутки. Цикл вулканизации сокращается с 10-8 минут до 4 минут. При такой производительности практически получается полностью автоматический завод, правда, обычный сборщик здесь должен быть заменен высококвалифицирован­ным техником или инженером. Недостатком этой системы яв­ляется плохая маневренность при переходе от одного размера шин к другому, так как это требует значительных затрат. Выход из этого видится в гибком управлении производством, при ко­тором оперативно принимается решение в перемещении дан­ной системы «СЗМ» на тот завод-спутник, который располо­жен в регионе, где сохраняется спрос на выпускаемый размер шины.

В 1996 году методом «СЗМ» выпускалось 6 размеров шин, в том числе 185/70 Т 14 (зимние) и 175/70 Т 13 (летние). В 1997 году фирма «Мишлен» приступила к выпуску шин второго по­коления методом «СЗМ». Каркас этих шин изготавливается ме­тодом навивки из одиночной нити, снабжен новыми бортами и крыльями. Подводя итог краткому рассмотрению этого метода, можно сделать общее заключение, что он является перспектив­ным методом выпуска больших серий шин. Фирма «Мишлен» очень активно внедряет данный метод. Методом «СЗМ» изго-

Тавливают шины на двух заводах во Франции (г. Клермон-Фер­ран и г. Сейнт-Прист) и на заводе в Швеции. На этих заводах исключены заготовительно-сборочные и сборочные процессы, которые заменены на полную сборку шин на тороидальном ба­рабане. Процесс «СЗМ» позволяет сократить время на изготов­ление шин на 85%, а производственные площади на 90%. Не­случайно, что «Мишлен» к 2000 году предполагает этим мето­дом выпускать 30 - 40% своих легковых шин. Фирма начала строительство заводов с технологией «СЗМ» в Северной Аме­рике [483].

Надо отметить, что идеи и принципы, заложенные в ме­тод «СЗМ», были частично запатентованы ранее инженером фирмы «Данлоп» Холройдом еще в 80-х годах. Так как фирма «Данлоп» в то время была почти банкротом, то все патенты на короткое время перешли фирме «Гудьир» за 30 млн. долларов. Фирма «Гудьир», занимая 1-ое место на мировом рынке шин, не видела для себя в то время необходимости в переоснащении своих заводов. Холройд передал все свои патенты фирме «Три Си» (г. Сан-Клемент, Калифорния), которая предпринимает сей­час новое наступление на рынке и пытается заинтересовать сво­им методом «СЗМ» небольшие, независимые шинные компа­нии [484]. Запрашиваемая цена за один станок для сборки шин по методу «СЗМ» составляет, по слухам,25-35 млн. долларов. Процесс окружен тайной, а всем потенциальным покупателям предлагается подписать обязательство о сохранении секретно­сти относительно процесса. За фирмой стоит Н. Кларк - быв­ший сотрудник фирм «Мишлен» и «Пиррели», который утвер­ждает, что если независимые шинные фирмы не приобретут эту технологию, то в ближайшее время они окажутся перед лицом острой конкурентной борьбы в области цен с фирмой «Миш­лен» и другими крупными шинными фирмами. По заявлению Холройда, по его технологии можно изготавливать шины с раз­личным посадочным диаметром на одной установке, в то вре­мя как технология фирмы «Мишлен» ограничивается постоян­ным диаметром обода.

Общим для обеих рассмотренных систем является то, что они устраняют необходимость наличия большинства участков шинного производства. Вместо больших машин для каландро - вания, шприцевания, резки, стыковки и смешения - одна един­ственная установка производит металлокорд, тканевые слои, гранулы резины и другие полуфабрикаты и изготовляет из них шину. Производственные площади и трудозатраты сокращают­ся на 90%, а капитальные затраты составляют примерно поло­вину по сравнению с обычным методом.

Фирма «Континенталь» разработала новый производствен­ный метод, нaзвaнный"MMP,, (Modular Manufacturing Process). Модульный метод изготовления в противовес методу "СЗМ" по­зволяет маневренно и экономично изготавливать небольшие серии шин и удовлетворять дополнительный спрос. Заводы «ММР» - это небольшие предприятия, требующие низких ка­питальных затрат. Для различных размеров шин используется по возможности большое количество одинаковых деталей. Так, например, 7 протекторов и 9 пар слоев брекера достаточно для изготовления 24 различных размеров шин.

Основная идея метода «ММР» заключается в том, чтобы в ходе модульного процесса изготовления выпускать стойкие при хранении и транспортировании предварительно структуриро­ванные детали/структуры, которые удовлетворяют нормам внут­ри концерна и за его пределами. Эти структуры называют узла­ми (модулями). В рамках изготовления модулей существенную роль играет стандартизация. Для стандартизации пригодны глав­ным образом детали, которые определяют структурную проч­ность изделия. Из стандартизованных модулей на заводах «ММР» вместе с другими модулями на новых разработанных станках собираются готовые шины и сразу вулканизуются. Фир­ма «Континенталь» говорит только о модулях, но не раскрыва­ет это понятие. Не надо большого ума, чтобы понять, что мо­дуль - это ничто иное, как полуфабрикат, состоящий из группы деталей. Так, крыло борта с наполнительным шнуром может представлять собой модуль. То же самое можно сказать о полу­фабрикате из протектора, боковины и брекера. Промышленная идеология фирмы следующая: на больших заводах Западной Европы изготавливать наиболее сложные модули, например, цилиндрический или предварительно сформированный подвул - канизованный каркас; затем эти модули поставлять на свои за­воды «ММР» в страны с дешевой рабочей силой для оконча­тельной сборки; собранные сырые покрышки вулканизовать в стране с самыми низкими затратами на энергию. Среди стран, фигурирующих в списке для поставок модулей: Португалия, страны Восточной Европы, страны СНГ, Индия, Пакистан.

Очень важно, что эксплуатационные свойства шин, изго­товленных методом «ММР», и обычных шин, одинаковы. Фир­ма «Континенталь» планирует в 2000 году собирать методом «ММР» до 40% от выпускаемых на своих европейских заводах «стандартных» легковых шин.

Подчеркнем еще раз основные принципы «ММР»: 1 - из­готовление модулей на первой стадии с предварительной вул­канизацией для безопасного транспортирования и снижения энергозатрат при окончательной вулканизации; 2 - сборка мно­гих типоразмеров шин из небольшого числа модулей; 3 - вулка­низация и предпочтительно микроволновая. Новый процесс решает очень большую проблему при изготовлении шин: нали­чие очень большого количества типоразмеров шин при боль­ших затратах времени на переналадку оборудования.

Отечественная шинная промышленность в начале пере­стройки в лице ОАО «Нижнекамскшина» пыталась отреагиро­вать на общемировые тенденции и заключила договор с НИ - ИШПом о создании технологии XXI века [11]. НИИШП совме­стно с «Резинопроектом», НПО «Киевский институт автомати­ки» и др. с 1991 года начал работу над проектом АП «Шина», который был включен в ГНТП «Технологии, машины и произ­водства будущего».

Целью проекта АП «Шина» являлось создание гибкого ав­томатизированного производства легковых радиальных шин перспективной конструкции с использованием высокоэффек­тивных технологических процессов и оборудования, основы­вающихся в значительной своей части на нетрадиционных под­ходах, с применением комплексной автоматизации транспорт­но-складских работ и интегрированной системы автоматизиро­ванного управления с широким применением компьютерной техники.

В результате внедрения данного проекта в шинную про­мышленность на ОАО «Нижнекамскшина» должно было вы­пускаться, начиная с 1996 года, не менее 1,2 млн. штук легко­вых радиальных шин новой конструкции. Сравнение проекти­руемой шины с лучшими отечественными и зарубежными ана­логами сделано в таблице 6.3.

Характерными особенностями конструкции проектируемой шины являются:

- применение в каркасе термообработанного безуточного анидного или полиэфирного корда;

- гермослой из газонепроницаемой резины с предваритель­ным облучением (ЭЛО), повышающим его когезионную проч­ность и улучшающим равномерность формования каркаса;

- металлокордный брекер повышенной жесткости за счет уменьшения межслойного резиносодержания, с защитными слоями, состоящими из текстильного широкого слоя корда и текстильных ленточек по кромкам;

- двухслойный протектор из разных резин для беговой ча­сти и подканавочного слоя; подканавочный слой из специаль­ной низкогистерезисной резины снижает потери энергии на ка­чение и теплообразование;

- резина беговой части протектора изготавливается по принципиально новой «порошковой» технологии, на основе крошкообразного каучука, что существенно улучшает качествен­ные характеристики резины.

Повышение качества легковых шин будет складываться за счет улучшения ряда эксплуатационных характеристик и пре­цизионности ведения технологических процессов и состоит в следующем:

- бескамерная шина, что обеспечивает безопасную эксплуатацию и экономичность шины за счет снижения мате­риалоёмкости;

- категория скорости «Н» - увеличение максимальной ско­рости на 12 % по сравнению с серийной;

- снижение массы на 5-10 %;

- снижение силовой неоднородности на 15-25 %, что обеспе­чивает заметное улучшение комфортабельности езды на хоро­ших дорогах и снижает нагруженность узлов подвески и руле­вого управления автомобиля;

- введение новых норм на показатели однородности (нор­мирование конусного и углового эффектов), как средство обес­печения равномерного износа, курсовой устойчивости и обще­го снижения интенсивности износа;

- введение норм на герметичность шины (снижение внут­реннего давления не более 1,5 % за месяц), что позволит при­близить российские шины к европейскому и американскому стандартам;

- уточнение и ужесточение норм на погрешности техноло­гического процесса.

Внедрение данного проекта в производство обеспечит изготовление шин с производительностью технологических рабочих в 3,4 - 4,0 раза выше уровня, достигнутого в 1990 году на шинных заводах СНГ и превзойдет лучший зарубежный уро­вень (завод ф. Гудьир в г. Лаутон, штат Оклахома). Снижение

466

Энергоемкости составит 160 %, выбросы твердых отходов в ат­мосферу уменьшатся в 5 раз. Себестоимость изготовления шины уменьшится на 12 %.

Проект включает в себя следующие направления научно- исследовательских и опытно-конструкторских работ.

1. Разработка опытно-промышленного модуля компьюти - зированного, автоматизированного производства легковых ра­диальных шин в ОАО «Нижнекамскшина».

2. Создание технологии изготовления резиновых смесей с применением крошкообразного каучука и эффективных техно­логических процессов и оборудования для профилирования всех деталей и выпуска герметизирующего слоя.

3. Разработка новых рецептур резин, учитывающих осо­бенности технологических процессов проекта.

4. Создание технологического процесса и оборудования для обработки деталей шин ускоренными электронами.

5. Создание технологического процесса и оборудования для получения резино-кордных деталей из единичных нитей кор­да.

6. Создание технологического процесса и оборудования для бездиафрагменной вулканизации легковых радиальных шин;

7. Разработка интегрированной, автоматизированной сис­темы управления производством и автоматизированной транс­портно-складской системы.

8. Разработка системы технологического обеспечения ка­чества выпускаемой продукции.

К основным технологическим предпосылкам определяю­щим возможность создания данного автоматизированного про­изводства можно отнести:

- уменьшение слойности каркаса шины до одного слоя тек­стильного корда, позволяющее по-новому подойти к процессу заготовки этого слоя;

- необязательность применения тканной кордной ткани (с утком) для получения однородной конструкции шины;

- появление доступных персональных компьютеров, что дает возможность автоматизировать все производство в целом;

- широкое распространение червячных машин холодного питания, позволяющих отказаться от ранее применяемых гро­моздких и энергоемких вальцев и приблизить профилирование заготовок к местам их потребления;

- исключение непроизводственных затрат энергии в суще­ствующей технологии (нагревание вулканизационной диафраг­мы).

На конец 1992 года по проекту АП «Шина» была продела­на следующая работа [485]. В области резиносмешения разра­ботана конструкция двухроторных режуще-диспергирующих устройств (РДУ) к экспериментальному смесителю плужного типа СПРД-1000. Определено влияние конструктивных харак­теристик РДУ на процесс формирования порошкообразных ком­позиций (ПКДМ) и её качество. Оказалось, что при примене­нии РДУ продолжительность процесса изготовления ПКДМ сокращается вдвое. Кроме того, были проведены испытания роторов с дискретными лопатками в РСНД-2Р-160П. Сопоста­вительный анализ качества резиновых смесей, изготовленных на основе крошкообразного каучука по традиционной техноло­гии и предлагаемой выше, показал, что свойства изготовлен­ных в РСНД резиновых смесей выше на 10%.

Выбрана оптимальная технологическая схема процесса выпуска гермослоя: гермослой изготавливается из двух слоев на червячной машине холодного питания с валковой головкой. Резиновый слой толщиной 1,1 мм закатывается в тележку - кас­сету и направляется на ЭЛО, где обрабатывается ускоренными электронами с энергией 0,3-2,0 МэВ. После выхода из камеры облученный гермослой закатывается на бобины и вновь направ­ляется на линию гермослоя, где дублируется с резиновым лис­том более тонким (0,7 мм), а также боковинами и бортовыми лентами, выпущенными в 2 ручья на линии профилирования АМЧХ 90/125.

В основные блоки линии обработки гермослоя ускоренны­ми электронами входят ускоритель электронов, транспортная система для заготовок гермослоя с механизмами раскатки и за­катки, компьютерная система управления, телевизионное уст­ройство для дистанционного контроля за технологическим про­цессом, система биологической защиты персонала, адсорбци­онно-каталитический агрегат для дезактивации озона и окис­лов азота.

Электронно-лучевая обработка позволит повысить вязкость и когезионную прочность резиновых смесей из галоидбутил - каучуков, однородность шины, снизить массу шины на 2 % за счет уменьшения калибра выпускаемого гермослоя. Опытная партия шин, выпущенная с использованием гермослоя данной технологии, имела относительную потерю давления в 1,6 раза ниже, чем эталонные шины.

Выбрана оптимальная технологическая схема процесса производства профилированных заготовок основных деталей шин: двухслойный протектор, боковина, сдублированные с бор­товой лентой. Создан макетный образец прибора автоматизи­рованного контроля геометрических параметров протекторных заготовок, основанный на лазерном измерении. Разрабатыва­ется прибор для измерения параметров движущейся протектор­ной ленты в нескольких точках.

Начато изготовление экспериментального образца линии пропитки-термообработки единичных нитей корда, эксперимен­тальной установки обрезинивания такого корда.

В результате изготовления шин и их стендовых испытаний показана принципиальная возможность применения в каркасе шин обрезиненного полотна из единичных кордных нитей.

Резиновая заготовка каркаса из одиночных нитей имеет лучшую равномерность по количеству нитей и поверхностной плотности на единицу ширины, а также больший коэффициент прессовки по сравнению с заготовкой, полученной традицион­ным способом.

По сборочному оборудованию разработана конструкторс­кая документация на экспериментальные узлы сменной оснас­тки к сборочному агрегату, автоматические питатели сборки каркасного и брекерно-протекторного браслетов, а также уст­ройства передачи бортовых колец и отбора крыльев в кассеты, входящих в состав автоматизированной линии изготовления крыльев.

В конструкцию сборочного агрегата закладываются техни­ческие решения, обеспечивающие быструю (за 20-30 минут) переналадку при переходе с одного собираемого на агрегате размера шин на другой.

Осуществлено моделирование бездиафрагменной вулкани­зации легковых радиальных покрышек на экспериментальной установке. Показано, что равномерная степень вулканизации по сечению покрышки достигается за 8-9 минут при последова­тельной подаче греющего пара с температурой 190°С, а затем азота давлением 2,5 МПа.

Бездиафрагменный способ вулканизации позволит снизить затраты на изготовление диафрагм и закупку смазок, сократить продолжительность вулканизации, улучшит качество шин за счет обеспечения точной центровки шины при загрузке ее в прессформу и отказа от перегретой воды, воздействие струи которой на внутреннюю поверхность покрышки нежелатель­но.

Автоматизация выпуска легковых покрышек невозможна без четко налаженной системы обеспечения качества выпуска­емой продукции. Разработана концепция контроля и управле­ния качеством по всей технологической цепочке, изложены тре-

470

Бования к схеме контроля и управления. Разрабатываемая сис­тема предусматривает использование математических моделей, алгоритмов и программ для оперативного контроля и управле­ния качеством резино-кордных композитов и шин в процессе производства. Установлена логическая связь технологических операций с характеристикой неоднородности по всем показа­телям: изменение радиальной силы, изменение боковой силы, конусный эффект и угловой эффект.

К 1993 году были созданы основные рецептуры шинных резин с учетом особенностей технологических процессов и оборудования проекта АП «Шина». Так, разработана рецепту­ра для беговой части протектора из 100 % крошкообразного бутадиен-стирольного каучука, обеспечивающая высокое сцеп­ление с дорогой и повышенную стойкость к механическим по­вреждениям. Определена рецептура резиновой смеси для боко­вины шины на основе комбинации крошкообразных изопрено - вого и дивинилового каучуков, характеризующихся высокой усталостной выносливостью, атмосферо стойкостью и стойко­стью к высокотемпературной вулканизации, определен состав резин для крепления анидного и полиэфирных кордов (СКИ-3 и СКИ-3-01) с оптимальным комплексом адгезионных и уста­лостных свойств. Выданы рекомендации по составам резины гермослоя, различающихся типами полимеров: на основе ком­бинации хлорбутилкаучука и натурального каучука (80 % ХБК + 20 % НК) и 100 % бромбутилкаучука.

В концепции проекта АП «Шина» заложено, что отличи­тельным признаком создаваемого модуля является гибкость производства, понимаемая в первую очередь, как легкость пе­реналадки оборудования в рамках заданной номенклатуры и Партионности шин. Предусматривается, что должна быть обес­печена техническая возможность выпуска на оборудовании, =' «едящем в модуль, до семи типоразмеров шин для комплекта­ции автомобилей ВАЗ, АЗЛК, ЕлАЗ, ЗАЗ. Зарубежные фирмы («Крупп», «Митцубиси» и др.) уже сейчас закладывают в конст­рукцию оборудования и систему управления возможность быс­трой автоматической переналадки оборудования. Так, линия фирмы «Бриджстоун» позволяет осуществлять автоматическую переналадку для выпуска даже небольших партий шин в коли­честве 30 шт. 75 различных размеров шин.

Проект АП «Шина» предусматривает повышение уровня автоматизации с 60 до 84,3 %.

Следует отметить, что немалую роль в повышении уровня автоматизации играет практически полная автоматизация все­го складского хозяйства, В условиях всё возрастающих цен на энергоносители и электроэнергию весьма важно, что величина расхода энергии по проекту АП «Шина» снизилась почти в 1,5 раза, а срок окупаемости приблизился к оптимальной величи­не 1,8 года вместо 5,6 лет как в традиционной технологии.

Оценивая проект АП «Шина» в целом можно сказать, что в случае его успешного внедрения в шинную промышленность она сделает качественный скачок, создав тем самым предпо­сылки к появлению в XXI веке полностью автоматизированно­го и роботизированного производства шин любой требуемой конструкции.