李慧敏，等·电动车轮胎的发展现状及开发设计

127

图 9 摩擦椭圆

为了研究侧向力和纵向力的关系，设计固定纵向滑移率侧偏试验，试验结果如图 10 所示，可以看

出在滑移率为 10% 时，其侧向力损失严重，侧偏刚度相比于滑移率为 0 时，损失多达 60%。

图 10 不同纵向滑移率下侧偏试验结果

电动车由于驱动时电机扭矩较大，容易出现纵向滑移，导致侧偏刚度急剧减小，侧向抓地水平损

失严重，很容易出现甩尾失控 ；较大的纵滑刚度可以避免过快的出现纵向滑移，减弱对纵向滑移率对

侧偏刚度的影响，从而提升轮胎侧向抓地力的抗损失能力。

（3）轮胎如何获取抓地力

车辆能够前进，减速，转向，都是由于轮胎与地面的接触，轮胎与地面的接触及相互作用使得轮

胎具有抓地力，接地印痕是轮胎所有力与力矩的作用基础，而两者的接触及相互作用的情况可以从轮

胎的印痕得到很好的体现，我们可以通过调整轮胎的接地印痕面积和形状来对轮胎的纵向及侧向抓地

力进行调控，也可以通过建模如图 11 所示，来建立轮胎与不同表面接触时的工作状况，从而预测轮

胎抓地力水平 ；

一方面 ；增大轮胎的接地面积可以提供更强的抓地力，然而，轮胎实际有效的接触面积很有限，

如图即使是总接触面积是 160cm2 的轮胎，除去花纹沟及路面粗糙度，实际上仅有 24cm2 的面积可用于

转移全部的受力，另外轮胎在使用过程中动态的印痕面积也在不断的发生变化。

128

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

图 11 印痕有效接地面积

另一方面，增大轮胎的有效接地面积并减少操控过程中的接地面积损失可以增强抓地性能，较软

的胎面胶配方之所以可以提供较强的抓地力，就是因为其可以更有效的与路面接触，但是相对的磨损

也较快。

合适的胎压可以保证轮胎良好的接地印痕，若气压过高，则有效接地仅集中于印痕中心，若气压

过低，则有效接地集中于胎肩，所以，只有保证合适的气压，才能保证轮胎良好、有效的接地；反言之，

想要轮胎良好且有效的接地，需要按照轮胎的具体使用气压载荷进行匹配的结构设计，这一步的实现

需要强大的轮胎性能数据库及轮胎建模仿真能力。

4 开发设计

4.1 整体设计思路

由于电动车与传统燃油车存在差异，电动车对轮胎有特殊的性能要求，如图 12 所示。

图 12 电动汽车轮胎设计要求

各项性能间不可避免的存在相互牵制，不能同时达到最优性能，针对替换市场轮胎生产商需从产

品定位出发，从不同角度平衡电动汽车轮胎性能，开发不同性能偏向的轮胎。

而对于电动车配套轮胎的开发，轮胎性能的研究与轮胎匹配整车性能的研究应相互结合，单纯讨

论轮胎的性能并没有很大的意义。轮胎应与汽车悬架系统性能进行匹配，而二者匹配所构成的集成系

李慧敏，等·电动车轮胎的发展现状及开发设计

129

统在很大程度上影响汽车的行驶性能，其主要表现在刚度和动力学性能上。一条轮胎与某一汽车匹配

表现出良好的动态力学性能，而与另一汽车匹配则可能表现出较差的动态力学性能。因此，电动汽车

配套轮胎需从车型设计开始阶段介入轮胎设计和分析工作。

4.2 花纹与轮廓设计

花纹及轮廓设计位于整个开发周期的前端，模具开发具有不可逆性，一旦开发完成，其调整空间

非常有限，所以对于花纹及轮廓设计来讲需要进行充分的仿真研究，综合各项性能制定统一的花纹设

计原则 ；

花纹与轮廓设计对于平衡滚阻与抓地性能，尤其是降低噪声方面非常重要 ；涉及多种性能的平衡，

电动汽车轮胎的花纹设计多非对称设计，内侧花纹主要负责湿地性能、噪音及舒适度 ；外侧花纹主要

负责抓地，保证刚性。

内侧花纹胎肩横沟打开、保证排水性能及噪音，增加节距数量或增加细刀槽将噪音分布在更广的

频率带上 ；

外侧花纹饱和度大于内侧花纹，保证花纹块刚度，减小花纹块移动变形幅度，提升抓地力建立能

力保证精确操控，同时胎面变形减小，可有效降低滚阻。

纵向肋条边缘倒角，适当增大花纹块拔模角度，可优化接地压力分布，减小转向时的抓地力损失；

针对花纹与轮廓还可以对以下几点进行重点研究。

轮廓行驶面宽度、胎面弧度对滚阻的影响 ；胎侧轮廓对空气阻力的影响以至于对滚动阻力的影响 ；

轮廓上下胎侧高度比对轮胎整体应力应变的影响，花纹特殊主动降噪设计 ；花纹具体形式对花纹排水

性能的影响，以上需要建立一套较准确的仿真系统，进行系统的仿真研究，以缩短开发周期，定向设计，

缩短开发周期。

4.3 配方设计

胎面胶配方对轮胎的滚阻、耐磨及抗湿滑性能均有重大影响，而三者之间分属轮胎的魔鬼三角，

存在相互制约，往往是此消彼长的关系，因此胎面配方的设计至关重要。

通常用特定条件 0℃时的 tan 表征胶料的抗湿滑性，60℃时 tan 表征胶料的滚动阻力。因此只要

合理设计，抗湿滑性能和滚阻性能在某种程度上可以平衡 [4]。

已知的通过白炭黑和硅烷偶联剂的并用，可以同时收获良好的滚阻和抗湿滑性能 ；电动汽车轮胎

可以通过采用白炭黑 - 硅烷偶联剂填充体系，试验研究其作用机理，白炭黑 - 白炭黑，白炭黑 - 橡胶

间的相互作用机理及制约关系，合理设计炼胶工艺，以实现各性能的平衡。

4.4 结构设计

结构设计阶段处于整个开发设计过程的后端，可以较为方便的对每个规格进行设计调整 ；作为电

动车轮胎的结构设计应主要从三个方面考虑，第一 ：保证其他性能平衡的前提下，轻量化设计 ；第二 ：

保证滚阻性能的前提下，适当增强骨架材料强度，提升轮胎的承载能力 ；第三，设计规范范围内调整

结构，提升轮胎的操控、噪音、舒适等主观性能，此项主要与整车匹配考虑，单就轮胎而言，可以主

要考虑轮胎印痕的调控能力。

芳纶帘线具有强度高、热收缩小、耐热性能好和蠕变性能极小的优点，可以用于电动车轮胎骨架

材料，部分或全部用作带束，可以有效降低轮胎质量，并保证轮胎强度 ；用作冠带条材料，可以增强

花纹块刚度，保证较好的抓地性能 [5]，另外高模量低收缩胎体材料可以在不增加轮胎质量的前提下增

强轮胎的模量，提升轮胎承载能力，尤其是电动车轮胎高内压趋势下。

轮胎接地面积越大，相同配方条件下，轮胎的抓地能力会越大，有利于轮胎的驱动制动性能。

轮胎的接地形状趋于椭圆形时，对轮胎的舒适性有利，对轮胎的低噪音有利，对轮胎的直行性能

有利。

轮胎的接地形状趋于矩形时，对轮胎的操控稳定性有利，对轮胎的磨耗性能有利，同时对轮胎的

承载能力有利。

130

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

通常我们调整带束角度、宽度，冠带条缠绕方式，三角胶高度、硬度，来统筹调整轮胎的印痕形

状及参数 ；

4.5 工艺过程

工艺过程稳定性对轮胎性能有较大影响，主要体现在动均性能对轮胎操控及舒适性以及噪音的影

响 , 由于轮胎是由复合材料经复杂工艺制作而成，无法做到绝对均匀，只能尽可能的控制工艺过程稳

定性以保证轮胎的均匀性。

对于电动汽车轮胎来讲，没有了发动机噪音的掩盖，轮胎噪音会更突显，我们更应关注轮胎均匀

性对噪音的影响。轮胎转速对各阶次谐波有显著的影响，同一条轮胎在不同速度下的力学特性存在较

大差异，如图 12 所示。轮胎的不均匀性是结构噪音的主要激励源，我们要重点关注 60 ～ 150kp/h 下

的第 4 ～ 9 次谐波大小。

图 12 不同速度下各次谐波的径向力差异

轮胎生产制造工艺对轮胎均匀性有较大影响，主要涉及材料偏差、成型和硫化工艺，在生产制造

过程中需要严加控制，表 2 是均匀性常见影响因素。

表 2 均匀性常见过程影响因素

成因 RFV LFV CON 平衡

花纹变节距设计    

胎面厚度差异    

带束层宽度偏差    

胎体帘线密度不均    

胎圈偏心    

成型机精度    

带束蛇形    

带束层不对中    

胎面蛇形    

胎面不对中    

部件接头位置分布不合理    

模具错位    

模具圆度不良    

胶囊厚度不均    

胎圈变形    

 显著影响 ；  有一定影响 ；  稍有影响 ；

李慧敏，等·电动车轮胎的发展现状及开发设计

131

5 小结

（1）国内外对电动汽车的推广力度日渐增强，电动汽车发展迅速，电动车轮胎市场潜力巨大，对

电动车轮胎展开研究十分必要。

（2）普通轮胎不能满足电动车的特殊使用需求，电动车轮胎需要特殊设计以满足低滚动阻力，低

噪音，强抓地性能，高耐磨性能等。

（3）零售市场与配套市场电动汽车轮胎设计思路不完全相同，零售市场应着眼全局，根据产品定位，

确定整个系列的性能偏好，配套市场电动轮胎设计应从整车性能偏好出发，从车型设计开始阶段介入

轮胎设计和分析工作，注重轮胎与车辆的性能匹配。花纹上采用内外侧非对称设计、优化节距排列兼

顾操稳及噪音，配方采用白炭黑 - 硅烷偶联剂填充体系平衡湿地与滚阻性能，结构轻量化高强度设计、

优化印痕保证承载、滚阻和抓地性能，工艺上贴合吸音棉避免空腔噪音、严控生产过程波动保证动均

性能以满足对舒适性噪音的更高要求。

参考文献 ：

[1] 付红飞 . 乘用车轮胎滚动阻力对整车动力性经济性影响的研究 . 汽车实用技术 [J]，2019,09:123-125.

[2] 朱波 . 电动汽车专用轮胎发展趋势 . 汽车工程师 [J]，2018，06:56.

[3] 郗永红 . 基于试验法和有限元法对轮胎滚动阻力影响因素的研究 . 青岛理工大学 [D].

[4] 李华 . 白炭黑硅烷化程度对胶料性能及轮胎滚动阻力的影响 . 哈尔滨工业大学 [D].

[5] 曾季 . 电动汽车轮胎的发展现状与设计思路 . 橡胶工业 [J]，2019,66:890-891.

132

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

1 实验

1.1 主要原材料

天然橡胶（NR），RSS3，泰国产品 ；顺丁橡胶（BR）, 牌号 9000，北京燕山石化橡塑化工有限责

任公司产品 ；炭黑 N550，N774，上海卡博特化工有限公司产品 ；抗疲劳助剂 Topfill® N98, 青岛泰

联新材料有限公司提供 ；均匀剂 M50，上海深茂橡塑科技有限公司提供 ；抗硫化还原剂 TDB680,3100G

环保型长效橡胶防老剂，安徽阜阳利普化工有限公司产品 ；其余原材料均为橡胶工业市售产品。

Topfill®N98 生产工艺类似气相法白炭黑，主体成分为二氧化硅，外观呈灰白色至灰黑色，属无

定型球状结构。Topfill® N98 因其特有的生产工艺及结构，可以改善橡胶的分散，赋予橡胶更好的

流动性，提高挤出和注射速度，能赋予硫化胶料高伸长率、低生热、高弹性、良好的气密性和耐疲劳

老化性能。

1.2 主要仪器

XK-450 型开炼机，广东湛江机械厂产品 ；GT-7104 型电加热平板、GT-M 型无转子硫化仪、AI7000S 型电子拉力机，中国台湾高铁检测仪器有限公司产品 ；WTB-0.5 回弹性测试仪，扬州天发试验

机械有限公司产品 ；UD3600XY 疲劳试验机，中国台湾优肯科技有限公司产品。

1.3 性能测试标准

橡胶胶料拉伸性能试验测试按 GB/T528—2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变的测定》

标准进行 ；橡胶胶料撕裂性能试验按 GB/T529—2008《硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的测定（裤

形、直角形和新月形试样）》标准进行 ；橡胶胶料老化性能试验测试按 GB/T3512-2014《硫化橡胶或

热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验》标准进行 ；橡胶胶料的压缩永久变形性能试验测试按 GB/

T7759.1-2015《硫化橡胶或热塑性橡胶压缩永久变形的程度第 1 部分：在常温及高温条件下》标准进行；

胶料蠕变测试按 GB/T19242《硫化橡胶在压缩或剪切状态下蠕变的测定》标准进行 ；耐臭氧老化性能

按 GB/T7762 试验方法进行 ；产品动态疲劳试验按产品疲劳标准试验。

1.4 原来胶料配方

胶料配方（单位：份）：橡胶，100；硫磺和促进剂，3.5；活性剂，7；防老剂，4.0；炭黑及补强剂，

85 ；古马龙，3 ；流动助剂，2.5 ；增塑剂，5 ；其余 ；10 ；总计 ：220。

2 结果与讨论

减震橡胶产品疲劳破坏的形式一般是产品疲劳变形和龟裂，龟裂一般是臭氧和紫外老化所致，添

加一定数量的防护蜡、抗紫外助剂及橡胶防老剂，就可以改善和减少龟裂这种情况。产品疲劳变形是

抗疲劳剂 Topfill ® N98 在降低橡胶

减震产品疲劳变形性能的应用

刘士铎 1

，赵旭魁 2

，张明栋 2

，杨春晖 2

（1. 河北省腾跃铁路装备股份有限公司，河北 辛集 052360 ；

2. 青岛泰洋圣化工有限公司，山东 青岛 266045）

刘士铎 等·抗疲劳剂 Topfill®

N98 在降低橡胶减震产品疲劳变形性能的应用

133

减弱减震产品作用的重要因素，会导致降低橡胶减震产品使用寿命的直接因素，改善橡胶减震产品疲

劳变形就需要改善产品橡胶胶料配方，优化橡胶胶料配方的硫化体系，选择性能优异的胶料抗疲劳助

剂 Topfill® N98，优化抗疲劳助剂的用量，提高产品橡胶胶料耐疲劳性能和减少产品疲劳变形性能。

通过在产品胶料中优化抗疲劳助剂试验，对提高胶料疲劳性能，降低产品疲劳变形性能，改善胶料配

方进行一些探讨。

2.1 硫化体系的优化

原来胶料硫化体系为 CZ 和 TT，胶料疲劳性能一般，为了提高产品使用寿命，本试验采用 CZ 和

DM 硫化体系。因胶料是天然橡胶为主，为了克服天然橡胶胶料的硫化还原性能，添加少量抗硫化还原

剂作为胶料助硫化体系，提高胶料硫化程度和橡胶胶料性能稳定性。采用的主体材料组合不变，不同

优化硫化体系的胶料性能对比如表 1

表 1 采用不同硫化体系胶料性能对比结果

项目

1

原硫化体系

2

添加 TDB680

3

添加 PK900

4

添加 TDB680 /M50

蠕变增量

（70℃ 24h）

0.0249 0.0203 0.0199 0.0164

胶料物理测试性能

145℃×15min

胶料硬度 / 绍尔 A

67 68 68 68

拉伸强度 /MPa 21.4 21.9 22.3 23.8

扯断伸长率 /% 429 389 434 423

压缩永久变形

35℃×24h

70℃×24h

110℃×3h

14.8

20.9

29.1

14.4

16.5

24.6

14.4

19.8

28.4

13.8

16.1

24.6

胶料老化性能

70℃×96h

110℃×3h

-11.3

-6.2

-10.8

-3.2

-11.4

-6.6

-2.9

-3.6

产品疲劳 400 万次刚度变化 /% -10.53% -7.8% -8.2% -6.3%

产品疲劳 400 万次厚度变化 /mm -1.2 -0.9 -0.9 -0.8

从表 1 可以看出添加抗硫化还原剂 TDB680/M50 的胶料，胶料生产安全性能好，硫化的胶料疲劳

性能和蠕变性能优异，产品疲劳试验后刚度和产品厚度变化小，其余胶料性能基本相当。采用优化胶

料硫化体系的配方 4。

2.2 产品胶料中抗疲劳剂的优化

产品胶料性能决定产品的性能，为了提高产品胶料的耐疲劳性能、降低产品在使用过程中的生热、

变形性能、稳定产品的刚度，提升橡胶弹性减震体的使用寿命，选择不同的抗疲劳橡胶助剂进行试验，

将抗疲劳助剂标记为 R300、N98、PL600、HS 四种，试验结果如表 2 所洋。

从表 2 胶料耐疲劳性能和产品疲劳变形性能试验测试结果可以看到，添加抗疲劳助剂 Topfill®

N98，胶料耐疲劳性能和产品疲劳后变形测试性能比较好。为了提高胶料的疲劳性能，在胶料基本配

方的基础上添加抗疲劳助剂 Topfill® N98。

134

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

表 2 添加不同抗疲劳助剂的胶料性能测试结果

基本配方 添加 PL600 添加 R300 添加 N98 添加 HS

胶料硬度 / 邵尔 A 度 66 67 67 67 68

拉伸强度 /MPa 20.5 20.4 19.6 21.2 19.4

扯断伸长率 /% 386 409 385 399 359

撕裂强度 /(KN.m-1

) 38.3 40.1 36.6 39.5 40.7

恒定压缩永久变形 /%70℃×24h25% 16.9 16.4 16.5 16.7 14.0

热老化性能

/(70℃×96h)

拉伸强度变化率 /%

扯断伸长率变化率 /%

-9.3

-8.8

-4.2

-8.4

-6.1

-8.6

-5.1

-6.6

-4.8

-8.4

回弹值 /（%） 40 39 36 37 42

产品疲劳 400 万次

刚度变化 /% -6.3 -5.4 -5.9 -4.6 -4.2

产品疲劳 400 万次

厚度变化 /mm -0.8 -0.6 -0.6 -0.4 -0.6

2.3 抗疲劳助剂 Topfill® N98 用量的优化

采用添加抗疲劳助剂 Topfill® N98 ，提升产品胶料的耐疲劳性能和产品疲劳后变形性能，通过

试验不同的添加用量，测试产品胶料耐疲劳性能和产品疲劳后变形量，试验结果如表 3。

表 3 添加不同用量抗疲劳助剂 Topfill® N98 的产品胶料性能和产品疲劳后变形测试结果

3.0 份 5.0 份 8.0 份 10 份

胶料硬度 / 邵尔 A 度 67 67 67 66

拉伸强度 /MPa 22.5 21.4 21.6 20.2

扯断伸长率 /% 416 429 435 417

撕裂强度 /(KN.m-1

) 42.3 40.1 40.6 39.5

恒定压缩永久变形 /%70℃×24h25% 17.0 17.4 17.5 17.7

热老化性能

/70℃×96h

拉伸强度变化率 /%

扯断伸长率变化率 /%

-6.3

-9.8

-4.2

-8.4

-4.1

-8.6

-6.1

-13.6

回弹值 /% 40 39 39 37

疲劳 400 万次

产品刚度变化 /% -4.6 -4.2 -3.2 -5.2

疲劳 400 万次

产品厚度变化 /mm -0.4 -0.4 -0.2 -0.4

通过试验结果可以看到添加 8.0 份抗疲劳助剂 Topfill® N98，产品 400 万次疲劳后刚度变化率

和产品变形量比较小，产品疲劳性能得到提升。

改善后产品配方如下 ：橡胶，100 ；硫磺和促进剂，4.0 ；活性剂，8 ；防老剂，5.0 ；炭黑及补强剂，

87.5 ；抗疲劳助剂，8.0 ；防护蜡，2.5 ；其余 ；11 ；总计 ：226。

刘士铎 等·抗疲劳剂 Topfill®

N98 在降低橡胶减震产品疲劳变形性能的应用

135

2.4 优化胶料混炼和产品硫化工艺

在优化产品胶料配方的基础上，需要较好的产品生产工艺配合。为了充分体现改善橡胶减震件疲

劳变形性能和提高疲劳寿命的效果，在胶料混炼和硫化工艺进行改变，进一步提升胶料均匀性能和稳

定性，优化的工艺如表 4。

表 4 胶料混炼和硫化工艺的优化

原来的工艺 优化后的工艺

胶料混炼 胶料二段混炼工艺，致使胶料分散和均匀性能降

低，影响胶料和产品的性能及质量稳定性能。

采用多段混炼工艺，提高了胶料的分散性能和胶料稳定

性，提升了胶料均匀性能和产品的质量稳定性能。

产品硫化 采用高温短时间硫化工艺，使产品的稳定性能和

耐疲劳性能降低。

采用低温长时间硫化产品工艺，提高了产品的粘合性能

和合格率，同时也提升了产品的疲劳性能。

改善胶料混炼和产品硫化工艺，使铁路减震橡胶件胶料均匀性和稳定性得到提高，提升了产品质

量稳定性，能够起到降低产品疲劳变形性能。

3 结论

本工作通过试验优化选择抗疲劳助剂和采用不同的添加份数，提高胶料的疲劳性能 ；改善产品疲

劳后的变形性能，提升产品的使用寿命。

136

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

0 引言

橡胶密封件作为液压气动系统中的核心基础件，已广泛应用于工农业、航空航天、石油、船舶等

各个行业领域，在适应市场需求，提高市场竞争力扮演着重要的角色，在严格控制质量要求下来保证

密封件高性能和高可靠性。本文着重从生产过程的工艺控制和质量检测等方面进行系统阐述，以求在

生产过程实践中有一个理论上的实用性操作指导，从而有助于对橡胶密封件质量的提升。

1 橡胶密封件生产工艺

从生胶到成品的检验入库都要经过一系列的工艺过程，主要包括混炼、半成品准备、模具设计加

工制造、硫化修边、成品检测。下图为工艺流程图 1。

图 1 生产工艺流程图

1.1 混炼工序与物性检测

为了满足各项工艺性能，生胶需要塑炼，但在合成过程中为了控制生胶初始可塑度，可直接进行

混炼，在炼胶机上将各种配合剂与生胶压合制成混炼胶的过程，称为混炼。混炼是将各组分进行浸润

分散、吸附和结合并形成具有复杂网络结构的胶态分散体的化学过程，在整个过程中，混炼胶质量对

进一步的加工和最终的成品性能具有决定性影响，若混炼不好，胶料会出现配合剂分散不均、喷霜、

提前老化甚至焦烧，如图 2 所示胶料提前老化的现象，所以混炼胶是最容易产生质量波动工序之一。

图 2 胶料老化的现象

橡胶密封件生产工艺与质量检测

饶翼 1

，肖彬 2

（1. 广汉长空橡塑密封制品有限公司 , 四川 广汉 618307 ；

2. 中国民航飞行学院，四川 广汉 618307）

饶翼 等·橡胶密封件生产工艺与质量检测

137

通常对混炼胶进行快速检验和对胶料物理性能进行检验，分散度检验一般采用目测法，可借助放

大镜观察或将胶片拉升后用肉眼观察，检查胶片的光泽明暗度来确定有无结聚粗粒，据此可粗略判断

分散度，若混炼均匀，表面细腻无结团现象。如图 3 所示，胶料混料不均出现的颗粒结团现象。

对于未硫化的胶料，可采用门尼黏度计和震荡型流变仪来评价混炼胶的流变性能，将所测的流变

曲线与标准流变曲线相比，就可查出胶料的配合剂是否漏加或错加。而对用于实际生产的混炼胶则还

需要进行硫化胶物理机械性能检测，依据国家标准规定的实验方法结合产品的各项使用条件和要求，

按照与密封件相同的生产工艺做成薄片状的标准试样，利用邵氏硬度计、拉力试验机、游标卡尺等仪

器进行各项物理性能测试 ( 硬度、拉升强度、扯断伸长率等 )，检验数据取多次测试值的数学平均值，

根据不同的使用要求也可对成品进行物理测试、热空气老化、耐介质和压变试验。

图 3 胶料混料不均出现的颗粒结团现象

1.2 半成品准备

为了提高生产效率，减少浪费，预先制备半成品是必备工序。手工制作的半成品，工序繁多，劳

动强度大，效率低，半成品存在搭头，而且搭头处易粘附灰尘异物等，硫化时形成隔离带导致界面分离，

密封件在使用时强度不足，存在断裂的风险。随着设备自动化程度的提高，半成品准备都由精密预成

型机来替代传统的手工制作模式，预成型机制作出来的半成品，不仅能有效控制体积和重量的准确度，

还能避免手工制作出来有搭头、重量不一等缺点，既优化生产工艺，又提高了效率。

1.3 硫化与修边

硫化是橡胶密封件生产工艺中最主要的工艺之一，是与模具设计制造关系最密切的橡胶工艺，所

谓硫化，是指在一定时间温度压力条件下，胶料中的生胶与硫化剂发生的化学反应，橡胶分子结构由

线型结构交联成为立体网状结构。温度是硫化反应的基本条件，其中最重要还是取决于胶种和硫化体

系，通常温度的选择要适宜，既要使密封件快速又高效的硫化成型，又要避免胶料在模具上的焦烧。

如图 4 所示，密封件硫化焦烧图片。

图 4 密封件硫化焦烧缺陷

模具的面积大小决定了压力等级，合适的压力等级能使密封件致密度均匀，把胶料的收缩率控制

在有效范围。硫化过程加压，排出空气避免产生气泡，让胶料充满模具型腔，多余的胶料沿着模具分

型面流出，形成不同厚度的胶边。为了保证密封件外观质量和尺寸要求，需要清理掉多余的。修边质

138

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

量的好坏影响密封件的尺寸精度、使用性能，大部分密封件生产厂家都是靠工人手工修边来完成，手

工修边投资小，修边质量不高，效率低，仅适用于小批量密封件生产。还有一种不需要修边的密封件，

就是真空撕边模，是把模具的余胶槽做成剪切型，余胶槽的距离型腔只有 0.05mm 左右，利用锋利的

刃口把胶边切断，但这类模具的机械加工精度要求高，靠数控加工中心来完成，非普通车床能实现的。

真空模使用寿命长，生产效率高，适用中大批量生产。

2 密封件质量检测

橡胶密封件的质量检验判定处理分为合格品和不合格品，质量检测主要包括外观检验、尺寸检验，

外观质量检验总原则应遵循不影响密封件使用性能为准则，工作面检验为重点，大直径系列密封件较

之小直径密封件存在的缺陷数量及大小可适当放宽，尤其对非工作面以不影响使用性能为原则。

2.1 外观质量检验

外观质量检验一般采用目测法，密封面外观表面分为工作面和非工作面，工作面是指对系统内部

来压，对缸体与活塞、缸口与活塞杆接触面直接密封作用的一面，非工作面就是除了工作面以外的其

他部分，对非工作面的要求可适当放松，对工作面的外观判定要求指不允许存在可能影响产品使用性

能的任何缺陷，如孔隙、裂纹、杂质、气泡、硫痕等，缺陷类型应不超过国家标准相应规定，如用在

特殊场合包括航空航天、重要工业等行业，还应执行更高级别的检验判定依据。

2.2 密封件尺寸检验

尺寸检验就是要把不符合标准要求的密封件挑选出来，同时有针对性地查找原因，采取纠正预防

措施，提升合格率。导致尺寸不合格的主要原因有 : 模具设计尺寸偏大或偏小、硫化温度压力波动太大、

过渡修边使密封件尺寸失常等。

工业上对密封件的尺寸检测主要是人工检测，橡胶本是弹性体，检测的数据会因人的测量方式不

一产生误差，并且劳动强度高，检验人员长时间工作，眼睛比较疲劳，容易出错。大部分橡胶密封件

都是基础标准件，对其外径、内径和线径进行测量，尺寸公差应符合国家标准，按照规格大小，可分

别采用精度符合要求的柔性软尺、游标卡尺，钢卷尺以及投影显微镜等光学仪器来测量。

在使用游标卡尺测量密封件时，即要求游标卡尺与密封件完全接触，不能有缝隙透光，也不能使

密封件变形，把密封件放在水平面上测量上下左右 4 个方向或更多的点，计算出算术平均值。而在测

量大直径小断面的密封件时，用柔性软尺测量更加准确，但只能测量 10~385mm 规格的产品，它可以

精密测量密封件的内径和外径，它的结构仅由一条特殊柔软材料构成，其两端分别有主尺和副尺，主

尺最小分度值为 0.5mm，副尺最小分度值为 0.05mm。如图 5 所示，柔性软尺的平面图。

图 5 柔性软尺的平面图

在测量密封件内径时，先将密封件水平放在桌面上，柔性尺圈成小于被测密封件内径的圆圈，同

时放于被测密封件内，副尺贴近内壁手推柔性尺，扩大其圆周使其与被测密封件内壁贴合，采取游标

读数原理，即得出被测密封件内径。测量外径的方法与内径类似，只是在读取数据时需要减去 0.2mm

柔性尺的厚度。如图 6 所示，柔性软测量橡胶 O 形圈方法。

尺寸精度要求高的密封件，还是选择光学仪器来检测，实验结果表面，无论密封件是否变形，该

测量方式的精度能达到 0.03mm。

饶翼 等·橡胶密封件生产工艺与质量检测

139

图 6 柔性软尺测量橡胶 O 形圈方法

3 结束语

橡胶密封件整个生产过程工序较多，技术要求较高，为保证产品质量，各工序生产要衔接配套，

工人要明确岗位职责，熟练掌握生产技能，检验要认真负责，耐心细致，严把质量关，定期抽检库存

产品。现阶段密封件生产要逐步向正规化、规模化方向发展，实现质量和效益共同发展。

参考文献 ：

[1] 约翰 G. 萨默 (Joho G.sommer) 著，游长江，译 . 工程橡胶制品设计·制造·性能测试 M, 化学工业出版社，2010.4.

[2] 吴承栩 . 密封件与密封制品生产设计新工艺技术标准与质量检测检验实用手册 M, 安徽文化音像出版社，2004.7.

[3] 林孔勇 . 橡胶工业手册 [M], 化学工业出版社 .

[4] 肖峰，等 . 基于图像的 O 形密封圈尺寸检测方法 [J]. 润滑与密封，2014.1.

[5] GB/T3452.2-2007，液压气动用 O 形橡胶密封圈外观质量检验规范 [S].

140

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

0 引言

飞机在高速起飞和降落过程中，速度可达 400km/h，航空轮胎转速可达 30 ～ 40r/s 以上，对静

平衡量要求极为严格，按照 GB/T—13655—2004《航空轮胎静平衡差度实验方法》中有关规定，航空

轮胎静平衡差度必须严格研制在标准范围之内，否则不得装机使用。

1 国内外静平衡机现状概述

为了控制航空轮胎在高速行驶中的抖动现象，200km/h 以上的航空轮胎都要进行静平衡差度试验，

并在轮胎内侧胎顶贴平衡补片，使静平衡差度控制在标准范围内 [1]。

在国内，主要航空轮胎生产厂家桂林曙光、沈阳三橡、银川佳通使用进口的静平衡机，此类型静

平衡机已停产，采购渠道不通畅 ；而专业检测航空轮胎静平衡量的自动平衡机尚处于开发试制阶段，

没有形成市场化 ；还有多家航空公司采用简易静平衡机进行航空轮胎静平衡差度检测，但此种方法存

在测量效率低、精度差等缺陷。在国际上，米其林、固特异、普利司通等专业航空轮胎生产厂家，使

用专用航空轮胎自动平衡机测试静平衡差度，而此类设备价格十分昂贵，单台售价高达 700 万元，一

般企业难以决策投资采购。

为了解决航空轮胎成品检测静平衡问题，我们经过调研，归类国内外平衡机主要生产厂家，分成

三类 ：一种专业制造动平衡机的生产厂家，包括上海申克、申曼等，对工业部件如转子、主轴、叶轮、

离心机等检测动平衡数值并进行校正，要测试航空轮胎的静平衡，对轮胎的装夹成为此类厂家最难解

决的问题 ；另一种是专业测试汽车轮胎（有装配轮辋）平衡性的动平衡检测机，如各种汽车 4S 店内

使用的平衡机即为此类，要求他们仅仅对航空轮胎本身检测静平衡值，也勉为其难 ；还有一种专门测

试轮胎的动平衡机试验机，主要生产厂家有美国 Micro-Poise 公司、德国 SCHENCK 公司、日本国际

计策、意大利 SICAM 公司、日本神钢所、青岛高校软控为代表，在线检测半钢子午线、全钢子午线轮胎，

国内各轮胎厂家均有配置。

航空轮胎与汽车轮胎相比，不同规格、型号，外形差异较大。目前阶段，使用汽车轮胎动平衡试

验机检测航空轮胎静平衡差度没有先例，但具有可行性。因此，为解决现有技术的困境，如何开发一

种测量精度高、数据准确可靠的航空轮胎静平衡差度的检测方法是本领域内一项亟待解决的问题。

2 简易静平衡机测试航空轮胎静平衡差度

简易静平衡机，其结构原理如下 ：

静平衡机卧式安装，主机轴自由旋转，上面安装轮毂夹装轮胎，轮毂尺寸与待测轮胎相匹配，轮

胎立式测量静平衡差度值。静平衡机装配轮胎后静止位可标记轻点位置，从测力机构上读取的静不平

衡力数值表示轮胎的的静平衡差度，测试原理如图 1 所示 ：

航空轮胎静平衡差度检测方法

王超群

（青岛双星轮胎工业有限公司，山东 青岛 266400）

王超群·航空轮胎静平衡差度检测方法

141

图 1 平衡机测试原理

（1）静平衡机及中心支撑装置，试验机精度 ：不大于 10g。

（2）计算试验轮胎的静平衡差度，按公式 ：

（1）

M—— 试验轮胎的静平衡差度 N·cm ；

W—— 试验测出的轮胎静不平衡力 N ；

Dn/2—— 试验轮胎的最大内半径 cm 。

静平衡机结构原理、工装配备相对简单，测量效率低、测量精度不高，随着动平衡试验机的出现，

国内设计此类航空轮胎静平衡机几乎全部停产，亟待新型专业测量设备开发研制并投入应用。

3 航空轮胎自动平衡机

图 2 航空轮胎自动平衡机主机

航空轮胎自动平衡机由德国 Hofmann 公司生产，分为 EVD100R/A 和 EVD300R/A 两种规格，可

兼顾 8.5~23＂轮辋几乎所有规格航空轮胎的静平衡差度测试 [1]。

3.1 设备结构及测量系统

轮胎定心夹具有 4 只机械臂，同时涨缩动作可实现航空轮胎的中心定位，定心夹具固定在传送装

置上，该传送装置可将轮胎放到适配器上。

该机器配有 6 爪轮胎适配器，适配器能够夹紧轮胎一同旋转，一种规格适配器直径调整范围为 3 ～ 4

142

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

英寸，超出范围的轮胎规格，必须在旋转中心支座上安装不同的卡爪适配器。

设备采用机械框架式结构，配置电机、力传感器和相位传感器，电机通过皮带传动主轴旋转。安

装在主轴内的双作用气缸为涨缩轮胎适配器卡爪提供必要动力，压缩空气收集器安装在主轴上。升降

台位于平衡机的顶部，可以通过电机上下移动，升降台下降，将轮胎放在适配器上，通过间隙补偿夹

紧轮胎，测量加速度、速度、不平衡量，同时进行直径可自动调节的单点标记 ；适配器松开轮胎，升

降台上移，轮胎由传送装置沿进给方向移动，下一个进入的轮胎被放在适配器上，完成检测，如此循环。

设备标定装置配套一种校准环及认证砝码，如 EVD100R/A 机型配置 14 吋、EVD300R/A 机型配置

20 ＂校准环及各自认证砝码，对于其他规格需要测试的轮胎，同样需要配置相应规格的标准环、认证

砝码并进行提前设备校正。平衡机通过使用标准环、校准砝码和带有自动零点校正的校准系统来调整

测量设备，从而消除数据误差在数据计算中的影响。

3.2 控制系统及软件

平衡机采用西门子 S7 PLC，还包括测量电子设备、打印机、驱动器、接触器、变压器、工业 PC 等。

平衡机控制和测试的标准软件采用开放统计程序，通过该软件，可以很容易确定平衡机的质量标

准符合 ISO9001 的要求。

以指示器指示静态不平衡量从 0.1g 到 200kg，指示不平衡位置值以 0.1°标定。平衡机测试期间

转子变形或变化可自动测试和自动校准。

3.3 适配器夹具

轮胎内径范围取决于 ：A 型夹紧装置 ；C 型夹紧装置 ；D 型夹紧装置 ；F 型夹紧装置 ；夹紧装置有

6 个铝夹爪。根据夹爪的类型及相应的夹紧装置，可以对不同内径的轮胎进行测试。

夹紧装置和相关夹爪的标准组合，以 EVD100R/A 平衡机为例 :

A 型夹紧装置 ：轮辋直径 12＂ -15＂ A 型一套

C 型夹紧装置 ：轮辋直径 15＂ -18＂ C 型一套

D 型夹紧装置 ：轮辋直径 17＂ -20＂ D 型一套

F 型夹紧装置 ：轮辋直径 19＂ -21＂ F 型一套

3.4 轮胎定心及上料系统

在自动程序中，单个轮胎通过摩擦辊式输送机送入平衡机中心站，采用四爪夹具对中定位。完整

的轮胎定心和上料系统基本包括以下组件 ：框架、摩擦输送机、辊道、中心站、夹紧装置等。

3.5 操作工艺

航空轮胎被传送到平衡机的中心站，并被中心固定。升降台下降，六爪适配器调整夹紧轮胎，设

备加速旋转，测量不平衡并标记。停止旋转后，松开加紧的轮胎，升降台向上移动，轮胎被传送到下

一工位。

3.6 技术数据

包括 ：轮胎的最大重量 ；轮胎外径 ( 最小、最大 ) ；轮胎宽度 ( 最小、最大 ) ；平衡速度 ；主驱动

额定功率 ；电动机转速 ；测量精度 ；静态不平衡标准量偏差 ；静态不平标准角度偏差 ；测试周期等。

EVD100R/A 和 EVD300R/A 系列航空轮胎自动平衡机利用动平衡原理测试静平衡差度值，测试过程

使用夹爪适配器代替动平衡试验机上的专用轮辋，节省费用，减少轮胎充气这一工作环节。同时，航

空轮胎自动平衡机标定配置校准环和砝码，对适配器等相关组件进行偏心校正、零校正，相对动平衡

试验机的轮辋校正相对简单，操作可行性强。自动平衡机平均测量精度不大于 25g.cm，测量偏差不大

于 10g.cm，角度偏差 1 ～ 5°，在保证与动平衡试验机同等级测量精度、测量偏差的情况下，自动平

衡机测量周期小于 18s/ 条，相对动平衡试验机测试轮胎平均用时 45s/ 条计算，检测效率提升 2.5 倍。

目前，国内的主要航空轮胎生产厂家对 EVD100R/A 和 EVD300R/A 系列进口自动平衡机都有采购意

向，但设备高昂的费用限制了设备的普及，据了解，单台自动平衡机配套相关规格适配器，费用在 90

万欧元以上。

王超群·航空轮胎静平衡差度检测方法

143

4 使用全钢、半钢子午胎动平衡试验机测试航空轮胎静平衡差度

为了测量航空轮胎成品检测静平衡差度，可利用现有的汽车轮胎动平衡试验机进行检测。检测项

目包括上不平衡量及角度、下不平衡量及角度、总静不衡量及角度、力偶不平衡量及角度，还有跳动

度及角度等，航空轮胎静平衡差度是指合成静不平衡量是其中一项，从结构原理、工装配备、测量方法、

测量精度等方面论证，具有可行性。

测试航空轮胎必须配备专用测试静平衡轮辋，航空轮胎外径、断面宽、胎圈直径、重量必须满足

设备技术性能要求，同时通过零位标定、量标定、偏心校正、零校正等相关校验。

图 3 全钢载重子午胎动平衡试验机

4.1 载重子午胎动平衡试验机简介

国内各轮胎生产厂家都有动平衡试验机，以国外进口为主。现以日本国际计策公司生产的 FDBRC6142TB-R 型全钢载重子午胎动平衡试验机为例进行介绍（图 3）。

（1）机械部分

主要有轮胎输入工位、轮胎定中润滑工位、动平衡 / 跳动度测量工位、轮胎分级打标工位以及分

级输出工位五个部位组成，测量工位是整个试验机的核心 [3]。

（2）电气控制系统

电气控制系统包括 ：伺服电机及伺服控制器、变频电机及变频控制器、工业控制计算机、可编程

控制器、气缸及气动元件、低压电气元件、各种传感器以及编码器等。

（3）测控系统

上位机软件用来处理采集到的数据，并进行存储、滤波、运算、显示，还可进行规格选取、生成

报表并打印等功能。

（4）核心计算方法

根据动平衡机刚性转子的两平面平衡原理，可设定上、下轮辋为上、下校正平面，轮辋宽度为校

正面的间距，轮辋半径为校正平面的半径，轮胎的不平衡量就可等效为校正平面上、并且距轴线校正

半径处的平衡量 [3]。如图 4 静平衡差度测试原理 ：

144

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图 4 静平衡差度测试原理

标定计算是动平衡试验机计算的核心，决定测量数据的准确性，分为量标定和偏心校正。

量标定是利用在上下轮辋特定位置加装标准重量的砝码的方法来计算压电传感器输出的电压值与

实际不平衡量之间的比例关系。

偏心校正过程是实际测量的轮胎和主轴系统（包括轮辋和主轴）产生的不平衡量与主轴系统自身

的不平衡量矢量差，即为被测轮胎的不平衡量。

通过在轮胎法码处的不平衡量，计算机可转换到轮胎子口出的等效不平衡量，即为计算机测得到

的不平衡量值。其单位为克（g），也可通过设定，将轮胎不平衡量单位设定为 N·cm，是指轮胎固有

的不平衡量特征。

4.2 测试航空轮胎静平衡差度及修补工艺流程

将修剪好的航空轮胎由输入工位进入，润滑工位将轮胎子口润滑方便脱胎，输送至测量工位，夹

爪自动将轮胎定中。此时，升降台下降，轮胎下落至下轮辋，上轮辋、中心轴下降锁死轮胎，充气定型，

达到设定气压后，轮胎开始旋转至 400 r/min 速度，在此旋转速度下进行压电传感器的数据采集，可

计算出航空轮胎上不平衡量及角度、下不平衡量及角度、总静平衡差度及角度。轮胎减速并停止转动，

放气，轮胎运送至打标工位，在总不平衡量轻点角度位置标记，整个数据采集过程结束。航空轮胎检

测静平衡差度及修补工艺流程如图 5 ：

图 5 航空轮胎静平衡差度测试和修补工艺流程

4.3 使用全钢载重胎动平衡试验机检测航空轮胎静平衡差度的可行性

航空轮胎要求静平衡量达到 GB/T-13655*2004《航空轮胎静平衡差度实验方法》中标准要求 ：

王超群·航空轮胎静平衡差度检测方法

145

对于主轮胎，静平衡差度 M 满足

M ≤ 0.00383 D2

w N·cm (2)

对于其他轮胎，静平衡差度 M 满足

M ≤ 0.00274 D2

w N·cm (3)

Dw—轮胎最大充气外直径 cm

例如：对于 49×19R20 主轮，静平衡差度 M 满足（2）式，已知轮胎最大充气外直径 D 为 121cm，得：

M ≤ 56N·cm

使用全钢载重胎动平衡试验机测试航空轮胎静平衡差度，只是使用动平衡试验机中的一项检测功

能，对于力偶不平衡度、跳动度等参数，可同时测量，但只作为参考。

使用全钢载重胎动平衡试验机测试航空轮胎静平衡差度，具有可行性，依据以下几个方面判断 ：

（1）航空轮胎规格参数符合要求

航空轮胎相关参数，如轮辋直轮辋宽度、轮胎外径、断面宽度、轮胎重量等参数符合全钢载重胎

动平衡试验机测试数据。

（2）测试条件相同

航空轮胎和全钢载重胎在测量转速、测量压力、测量分辨率、测量范围、结果分级等方面可以执

行相同的测试条件。

（3）配套测试轮辋

全钢载重胎动平衡机测试轮胎动平衡值，要根据不同规格轮胎轮辋直径、轮辋宽度配置测试轮辋，

航空轮胎同样可按照相关要求制作测试轮胎静平衡值的专用轮辋，要求轮辋段差等关键参数与动平衡

试验机匹配，并满足轮辋本身静不平衡量要求。

（4）测试原理相同

航空轮胎测试专用轮辋要求安装正确，能够顺利进行量标定、偏心校正、零校正，并能够满足测

量值和角度值在标准范围之内，为准确测量航空轮胎静不平衡值做好充分准备。

4.4 航空轮胎静平衡差度检测方法

（1）测试前准备

提前进行动平衡机专用航空轮胎轮辋测试，包括准确安装、量标定、偏心校正、零校正等工作。

提前将硫化好的航空轮胎轮胎进行割胶毛、修整轮胎胶边等工作。

（2）测试过程

将修整好的航空轮胎，输送到载重胎动平衡试验机输入工位，经过润滑工位，将轮胎子口部位加

油润滑，再到测试工位进行轮胎静平衡值、力偶不平衡值、跳动度等参数测量，并做好记录，重点记

录轮胎总静平衡差度值及角度。动平衡试验机显示总静不平衡差度值是轮胎重点数值，按照动平衡机

相同执行步骤，打标工位将轮胎静不平衡量轻点角度进行打标，精度偏差 ±8° .

（3）检测结果校正

a. 修补数据测算

使用动平衡试验机测试出的航空轮胎静平衡差度，超过航空轮胎静平衡差度标准的需要修正后重

新检测。可按照如下公式进行修补 ：

(4)

M 补——航空轮胎静平衡差度修补量，g ；

M 静——特定规格航空轮胎静平衡差度，N·cm ；

Dn ——特定规格航空轮胎胎顶内侧直径，cm ；

若检测数据超过此数值，需要进行修补校正，按公式（4）计算克数进行修补。

b. 修补方法

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在航空轮胎修补现场，使用动平衡试验机修饰液进行修补，修饰液呈胶糊状，其配比如下 ：胶料

15kg ；辛基酚醛增粘树脂 4.6kg ；间接法氧化锌 48kg ；120# 汽油 125±10kg。修饰液涂刷在航空轮

胎轻点角度胎顶内侧，修补克数通过小型电子台秤称量，单位精确到“g”。

另一种方法是贴平衡补片，可通过专业代理机构采购航空轮胎修补专用平衡片，分为 0.5oz、

1oz、2oz、3oz、4oz、5oz、6oz 等 7 种规格，由修补“克”数折算出相应规格平衡片，按照航空轮

胎安装平衡片工艺程序，使用采购的专用化学药水，柔性轴砂轮、鼓风砂轮、轮廓型轮、钢丝刷等专

用工具，进行贴平衡片修补。

（4）应用实例

本实例选用了 49×19R20 航空轮胎进行静平衡差度检测，具体如下 ：

49×19R20 航空轮胎，其最大充气外直径 =121.0cm，胎顶内侧直径 =114.0cm ；

（a）航空轮胎预处理 ：对 49×19R20 航空轮胎轮胎进行割胶毛和修整轮胎胶边工作 ；

（b）动平衡试验机轮辋测试 ：包括机器准确安装、量标定、偏心校正和零校正 ；

（c）将修整好的航空轮胎输送至动平衡试验机输入工位，经过润滑工位，将轮胎子口部位加油润

滑后，测定并记录航空轮胎的静不平衡差度值及角度，并在对称角度位置进行打标，其静不平衡量为

105.72N·cm，对应角度为 183°；

（d） 由 静 平 衡 标 准 公 式（2） 得 ：49×19R20 航 空 轮 胎 静 平 衡 差 度 标 准 值 M ≤ 56N·cm， 再 将

上述静平衡差度标准值（M=56N·cm）代入修补公式（4）中，计算得到航空轮胎允许静平衡差度为

100.25g ；

（e）将步骤（3）中测得的静不平衡量（105.72N·cm）代入修补公式（4）中，得到修补质量

189g 与步骤（4）中测得的允许静平衡差度（100.25g）比较，可知实际测得的静不平衡量＞允许静

平衡差度，故判定此航空轮胎需要进行修补 ；

（f）根据修补公式（4）计算得出，需要修补到此角度对称打标位置的修补量 189g ；

（g）再次利用动平衡机测量静不平衡质量数据为 67g，满足＜静平衡差度标准值（100.25g）的要求，

故该航空轮胎修补、测试合格。

选用现有的载重子午线轮胎动平衡试验机，通过测量航空轮胎质心偏移旋转造成的偏心力矩检测

数据，经过严格、周密的计算得到航空轮胎静平衡差度，充分利用了动平衡机的检测原理。基于现有

的轮胎动平衡试验机的测试方法，结合静平衡量标准公式和修补公式进一步对测定不合格的轮胎进行

修补并再次验证，最终保证了航空轮胎的静平衡差度满足 GB/T-13655*2004 相关标准。公司采用此

方法对不同规格、大量的航空轮胎进行静平衡差度测试，并对检测结果进行判定、对不合格品进行修补，

取得了良好的检测效果，保证了航空轮胎试制和研发进度。

5 结语

本文提供了航空轮胎静平衡差度三种检测方法。采用简易静平衡机测定航空轮胎静平衡差度结构

原理、工装配备相对简单，存在着测量效率低、精度差等缺陷，难以在航空轮胎静平衡测量领域得到

广泛应用 ；其次，采用自动平衡机检测航空轮胎效率高、精度高，但设备关键技术被国外垄断，且价

格十分昂贵，在短时间内很难普及应用。

选用现有的载重、半钢子午线轮胎动平衡试验机检测航空轮胎静平衡差度试验方法不仅保证了航

空轮胎静平衡差度的检测精度和效率，还大大降低了企业购入机器成本，在航空轮胎静平衡差度检测

领域有十分广阔的应用前景。

参考文献 ：

[1] 王超群，朱延国 . 航空轮胎主要翻新设备和投资建议 [J]. 轮胎工业，2014(8).

[2] 韦莉莉 . 轮胎动平衡测量原理及方法分析 [J]. 中国橡胶，P33,2009(16).

[3] 胡会杰 . 全自动轮胎动平衡试验机的研制 [D]. 青岛 : 中国石油大学 ,2011:17-30.

张脉永·四种全钢子午线轮胎成型工艺分析

147

全钢丝载重子午线轮胎具有滚动阻力小、节油、行驶里程高、耐磨性好、耐切割、耐刺扎、荷载力高、

抓着力好、行驶安全舒适、延长运输车辆的使用寿命、经济效益显著等优点。自 2000 年之后国内全

钢子午线轮胎生产在国家相关政策推动下快速发展，通过消化吸收国外引进技术和自主研发逐步形成

较为完善的全钢子午线轮胎制造技术体系。其中全钢子午胎胎胚制造工序作为轮胎制造流程重要环节

各家轮胎公司都十分重视成型工艺技术积累和完善，经过装备和工艺技术人员的努力建立起有效的全

钢子午胎胎胚成型工艺标准，有利的促进全钢子午线轮胎稳定生产。

1 全钢子午线轮胎断面结构组成

典型的全钢子午胎断面结构见图 1，从断面结构图看全钢子午线轮胎主要由胎冠区域、胎侧区域、

胎圈区域组成。其中各部件作用如下 ：

1.1 胎面作用

（1）保护带束层和胎体。

（2）具有耐磨，缓冲和抗冲击、防滑、驱动和制动等作用。

图 1 全钢载重子午胎断面结构图

1.2 垫胶作用

垫胶起支撑作用。

四种全钢子午线轮胎成型工艺分析

张脉永

（双钱集团（安徽）回力轮胎有限公司，安徽 芜湖 238312）

148

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

1.3 胎侧作用

胎侧起保护胎体作用。

1.4 胎圈部件作用

胎圈部件起把轮胎箍紧在轮辋上的作用。

1.5 胎体作用

（1）承受轮胎的气压。

（2）支撑轮胎的负荷。

（3）承受和缓冲外来的冲击力

1.6 带束层作用

（1）是胎面与胎体的过渡区。

（2）缓和冲击力。

（3）承受外来应力。

1.7 内衬层作用 ：

内衬层起气体密封和保护胎体。

1.8 三角胶芯主要作用 ：

三角胶芯主要起支撑胎体的作用。

从以上结构组成看全钢子午线轮胎结构复杂，其中胎圈区域和胎冠肩部区域较胎侧区域胶部件组

成多，如何达到成品胎断面材料分布要求则需要在成型过程中这两个部位时贴合精度和压合精度进行

有效控制，下面以四种全钢子午线轮胎成型工艺做具体分析。

2 四种全钢子午线轮胎成型工艺

在全钢子午线轮胎制造过程中胎胚成型是关键工艺，本文根据不同的成型工艺特点列出四种胎胚

成型方法分析，其中 ：

A 型一次法侧包冠成型工艺 ；

B 型一次法冠包侧成型工艺 ；

C 型二次法冠包侧成型工艺 ；

D 型二次法冠包侧成型工艺。

2.1 全钢子午线轮胎 A 型一次法侧包冠成型工艺

大多数全钢子午线轮胎生产企业使用全钢三鼓成型机或全钢两鼓成型机进行胎胚制造，并以全钢

三鼓成型机成为主流机型见图 2。其设备组成主要由胎体鼓、胎体传递环 ；成型鼓 ；带束鼓及带束层

传递环 ；滚压装置 ；及各种半制品供料架等，通过参数设定完成不同规格全钢丝子午胎胎胚制造。

图 2 全钢子午胎三鼓成型机

（1）胎面带束层复合件工艺步骤见图 3-A1 贴合示意图，按照施工表在一个径向伸缩的带束鼓上

分别贴合 1#，2#，3#，4# 带束层自动裁断、压合接头，胎面手动拾取至胎面供料架自动上料，贴合

完成后手工对接胎面接头，完成滚压后由带层传递环自动拾取移动至等待位。

（2）胎体复合件工艺步骤见图 3-A2 贴合示意图，按照成型工艺施工表操作人员手动将胎圈放置

到位于平鼓两侧的左右撑圈器上，并在径向伸缩的胎体平鼓上贴合胎侧 / 子口，内衬层，子口包布加

强层，胎体帘布、贴合胎肩垫胶。胎体传递环自动移到胎体平鼓上，将胎体组合件转移到胎体传递环内，

胎圈移到平面宽位置并涨紧。

张脉永·四种全钢子午线轮胎成型工艺分析

149

（3）胎胚成型工艺步骤见图 3-A3-A4-A5 成型示意图，将胎体复合件由胎体传递环移到成型鼓中

心，成型鼓首先将胎体组合件和胎圈撑紧，充气预定型。带束层传递环将带束层和胎面带束层复合件

转移到成型鼓中心，充气定型，带束传递环移至等待位，超定型完成后再分别滚压三角胶芯和胎冠部件。

成型鼓反包胎侧并滚压胎侧。全部完成后自动卸胎至存胎器。

图 3 A 型一次法侧包冠成型工艺示意图

2.2 全钢子午线轮胎 B 型一次法冠包侧成型工艺

B 型一次法冠包侧成型工艺采用与 A 型侧包冠成型机类似，也是由胎体鼓、胎体传递环、带束鼓、

带束传递环、成型鼓及各种料卷供料架组成。成型工艺主要在胎体鼓、带束鼓和成型鼓三个工位完成。

其成型工艺步骤见下图 4。

图 4 B 型一次法冠包侧成型工艺示意图

（1）胎面带束层复合件工艺步骤见图 4-B1 贴合示意图，按照成型工艺施工表在一个径向伸缩的

带束鼓上分别贴合 1#，2#，3#，4# 带束层自动裁施工胎面接头，完成滚压后由带层传递环自动拾取

移动至等待位。

（2）胎体复合件工艺步骤见图 4-B2 贴合示意图，按照成型工艺施工表操作人员手动将胎圈放置

到位于平鼓两侧的左右撑圈器上，并在径向伸缩的胎体平鼓上贴合胎侧 / 子口，内衬层，子口包布加

强层，胎体帘布、胎肩垫胶。胎体传递环自动移到胎体平鼓上，将胎体组合件转移到胎体传递环内，

胎圈移到平面宽位置并涨紧。

（3）胎胚成型工艺步骤见图 4-B3-B4-B5 成型示意图，将胎体复合件由胎体传递环移到成型鼓中心，

成型鼓首先将胎体组合件和胎圈撑紧，充气预定型。带束层传递环将带束层和胎面带束层复合件转移

到成型鼓中心，充气定型，带束传递环移至等待位，超定型完成后成型鼓反包胎侧并滚压，最后进行

150

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

滚压胎面带束层复合件。胎胚全部完成后自动卸胎至存胎器。

2.3 全钢子午线轮胎 C 型二次法冠包侧成型工艺

C 型二次法冠包侧成型工艺区别于一次法成型工艺是采用两段机型完成全钢丝子午胎胎胚制造，

其中一段机配有多工位供料装置、平鼓和一段成型鼓，通过不同工艺动作分别完成胎体复合件和胎圈

区域的成型，制作成一段胎体。二段成型机配有旋转供料架和成型鼓，一段胎体在二段成型鼓上锁紧

后充气定型，达到工艺参数分别贴合带束层和胎面并滚压压实，胎胚制作完成后进入下道工序。详见

图 5 C 型二次法冠包侧成型工艺示意图。

图 5 C 型二次法冠包侧成型工艺示意图

（1）一段胎体复合件制备，按照工艺施工表要求，在平鼓上分别贴合气密层、过渡层、下子口包补、

胎体帘布，分层压实后完成一段胎体复合件，见图 5-C1 胎体贴合示意图。

（2）一段胎体复合件通过胎体传递环置于一段成型鼓上，一段成型鼓膨胀锁住胎体复合件，然后

分别贴合垫胶和三角胶芯，钢丝圈定位于三角胶芯两侧锁紧定位，胎体帘布端部通过机械反包与三角

胶芯贴合压实，见图 5-C2 胎体反包示意图。

（3）一段胎体帘布端点压实后，再贴合上子口包布、胎侧子口复合件，分别压实后从一段成型鼓

上卸下胎体筒并移到专门装置进行子口胶的正包和压实，从而完成一段胎体制备。见图 5-C3-C4 贴合

示意图。

（4）一段胎体转移至二段成型机的成型鼓上锁紧后充气定型，达到工艺参数后分别贴合一至四层

带束层并每层压实，胎面定长裁断后贴合带束层上方接头并滚压压实，完成胎胚制造后卸胎进入下道

工序。见图 5-C5-C6 胎胚成型示意图。

2.4 全钢子午线轮胎 D 型二次法冠包侧成型工艺

D 型二次法冠包侧成型工艺采用与半钢二次法成型工艺类似，其中一段成型机包括 ：胎体平鼓及

多工位供料装置 ；胎体传递环 ；径向涨缩金属鼓和正反包扣圈装置 ；压合装置等组成，完成一段胎体

的制备。二段成型机包括 ：二段成型鼓、滚压装置 ；带束鼓及带束层传递环 ；带束层和胎面供料架等。

通过不同工艺参数的设定完成不同规格全钢丝子午线轮胎制造。见图 6D 型二次法冠包侧成型工艺示

意图。

张脉永·四种全钢子午线轮胎成型工艺分析

151

图 6 D 型二次法冠包侧成型工艺示意图

（1）一段胎体复合件制备，按照工艺施工表要求，在平鼓上分别贴合内衬层子口胶复合件、子口

包布、胎体帘布，分层压实后完成一段胎体复合件，见图 6-D1 胎体贴合示意图。

（2）通过胎体传递环将一段胎体复合件涨紧定位于一段金属鼓，胎体帘布端部正包扣胎圈复合件，

滚压下三角胶后贴合上三角胶芯并压实，再通过胶囊反包装置反包胎体端部并压实，然后贴合垫胶胎

侧复合件滚压压实，一段胎体制作完成并卸胎。见图 6-D2-D3 成型示意图。

（3）胎面带束层复合件工艺步骤见图 6-D4 贴合示意图，按照表在一个径向伸缩的带束鼓上分别

自动贴合 1#，2#，3#，4# 带束层，自动定长裁断胎面贴合接头压实，完成滚压后由带层传递环自动

拾取移动至等待位。

（4）一段胎体由自动输送定位装置送至二段成型鼓，二段成型鼓膨胀锁紧子口部位充气定型，并

与胎面带束层复合件贴合滚压压实，见图 6-D5-D6 成型示意图，完成后的胎胚进行检查后存放。

3 四种全钢子午线轮胎成型工艺特点及分析

3.1 成型工艺特点及分析

以上四种全钢子午线成型工艺对硫化后的成品的使用性能有不同程度的影响，根据不同成型工艺

特点汇总，如表 1 所示。

表 1 四种全钢子午线轮胎成型工艺特点

特点

类型 生产效率 工艺稳定性 不圆度影响 轮胎均匀性影响

A 型 高 较好 较大 较好

B 型 高 较好 较小 较好

C 型 低 好 小 好

D 型 较低 较好 小 好

3.2 成型工艺影响因素分析

主要有半制品和成型过程中受力作用两个方面。

（1）半制品部件对成型工艺的影响有以下几个因素 ：

a. 半制品及骨架材料物理性能指标符合工艺标准。

b. 胶部件尺寸重量在标准范围内，以保证成型过程中均匀拉伸变形。

c. 半制品部件贴合精度尺寸控制在施工表标准内。

d. 半制品在圆周上接头分布均匀且接头牢固。

e. 不同部件之间的粘性保证防止成型实个别部件的位移。

152

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

（2）四种成型工艺胎体复合件充气定型胎胚成型滚压区域顺序 ：

a.A 型胎胚滚压见图 7，胎体充气定型后滚压三角胶芯， 滚压胎冠区域 胎侧反包

胎侧滚压 卸胎

图 7 A 型胎胚成型滚压图

b.B 型胎胚滚压见图 8，胎体充气定型后。 胎侧反包 胎侧滚压 胎冠区域滚

压 卸胎

图 8 B 型胎胚成型滚压图

张脉永·四种全钢子午线轮胎成型工艺分析

153

c.C 型胎胚滚压顺序，胎体充气定型后。 带束层贴合滚压 胎面贴合滚压 卸

胎

d.D 型胎胚滚压顺序，胎体充气定型后与胎面带束层复合件贴合。 胎冠区域滚压

卸胎

（3）A 型胎胚成型过程中受外力作用分析（以 295/80R22.5 为例）:

a. 胎体定型时充气内压力 0.8kg/cm2

, 建立胎胚内压受力模型（图 9），计算胎体帘布沿胎圈周向

所受的拉力。

F 水平 =π*（475×475/100-280×280/100）×P=4625.21P = 3700kg

则胎胚周向帘线拉力 F 拉 =F 水平 /cos60.57=7530kg

图 9 胎胚内压受力模型图

b. 滚压胎面带束层复合件时后压辊对胎体的水平推力（图 10）。后压辊对胎胚压力计算 ：设定气

缸压力为 P，气缸直径为 8cm，所以气缸推力 ：F 总 =π*4*4P=50.24P 单个后压辊对胎胚的水平压合

力 F=F 总 *188/279=50.24P*188/279=33.85P，设定后压辊气压 P=1 Kg/cm2

-3 Kg/cm2

-4 Kg/cm2

-5

Kg/cm2

-6.0 Kg/cm2 则单个后压辊低压时 ：F=33.85 ～ 108.32kg ；

中压时 ：F=101.55 ～ 135.4kg ；

高压时 ：F=169.25 ～ 203.kg ；

双后压辊对胎体最大推力为 406kg

图 10 后压辊滚压胎体示意图

c. 胎面带束层复合件滚压结束后旋转制动在钢丝圈底部产生的扭力计算（见图 11）。根据成型鼓

154

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

设定参数及施工表参数，滚压结束前成型鼓转速 110rpm, 制动时间 1600 毫秒，胎面带束层转动惯量

计算 J=6.259kgm, 成型鼓制动角加速度 a=7.2rad/s2

，则胎面带束层复合件对胎体作用力矩为 ：

M=J×a≈45.1kgm

按照施工表钢丝圈内直径为 573.6mm, 半径 R=0.2868m 假设胎体帘布充气后为刚性体，则计算单

侧钢丝圈胎体帘布与成型鼓撑块之间的周向扭力为 ：

F=M/R/2 ≈ 78.6kg

图 11 胎面带束层复合件滚压图

d. 上述 A 型胎胚成型工艺在胎侧反包前胎体帘布受到三种以上力的作用，会造成胎体帘布局部上

抽或帘布反包端点移位，进而影响成品胎性能。

通过上述四种全钢子午线轮胎成型工艺分析，ABCD 四种成型方式各有特点。其中 C 型和 D 型均

为二次法成型工艺，因为半制品制备流程和成型装备复杂，仅有少数轮胎厂家采用 ；B 型一次法冠包

侧成型工艺与 A 型类似，但是胎面制备需要采用三复合挤出机，三角胶芯与钢丝圈贴合工艺，故 B 型

一次法冠包侧成型工艺仅在某外资企业采用。A 型一次法侧包冠成型工艺在国内轮胎厂使用最广，自

八十年代我国引进国外轮胎制造技术，不断消化吸收和改进工艺技术，优化成型设备和工艺参数，使

得全钢丝子午线轮胎质量稳定提高。

参考资料 ：

[1] 马良清 .《国内外轮胎产品现状浅析》.2020 年中国轮胎技术暨剖析云论坛 .

[2] 浦哲，边慧光 . 成型过程对全钢载重子午线轮胎动平衡的影响 . 轮胎工业 2013 年第 33 卷 .

[3] 张明香，宋喜政，赵新伟 .295 ／ 80R22．5 全钢载重子午线轮胎结构设计 . 新疆化工 ：2015 年第 4 期 .

刘玉龙 等·基于 CAE 仿真技术的某硫化机产品锁模套紧固螺栓断裂分析及结构优化

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0 引言

近几年，中国轮胎企业发展迅速，众多企业在国内外持续扩张提升产能，抢占市场。与之相对应的，

对于轮胎生产制造设备的需求也逐年攀升。轮胎硫化是轮胎生产制造的关键环节，完成该工序的核心

设备为硫化机，其稳定及可靠程度影响整个轮胎生产的效率及最终产品的质量。

计算机辅助工程技术（CAE）作为现代机械产品设计的有效手段，在硫化机关键部套的强度疲劳分

析及温度场仿真方面也得到广泛应用。冯水安 [1] 利用 ANSYS 建模对液压双层力车胎硫化机的主体框

架进行了应力分析，有效地提升结构强度，减少部套材料使用 ；刘才生 [2] 则利用 I-DEAS 对巨型胎硫

化机底座进行仿真校核，并实现结构的优化设计。李军亮等 [3] 研究了硫化机螺旋锁模系统升降螺母螺

纹受力情况，对指导硫化机锁模系统的设计和疲劳寿命评估有重要意义。杨传远、管业峰 [4] 和徐京豫、

孙宝寿等 [5] 学者分别利用传热仿真技术对硫化机热板温度场及均匀性进行了创新性研究，对改善热板

温度均匀性提供有力指导。而赵永瑞等 [6] 人则采用 ANSYS 实现对硫化机活络模模具的结构优化设计，

有效地提升了模具温模效率，同时模具的温度均匀性和对称性也得到了良好的改善。

此外，有山东大学的邢晓静 [7] 对硫化机整机主承力部套的强度及有关受热部件的热应力进行了仿

真计算，从而指导现有结构的优化改进；广东工业大学的朱胜娟 [8] 则建立了硫化机架体的参数化模型，

并开展了强度及热 - 力耦合计算。

可见，在硫化机产品的结构设计方面，CAE 仿真技术获得众多学者的认可，也产生非常多成熟的

研究成果。本文以某硫化机关键件——锁模套为研究对象，从产品现场紧固螺栓的失效为研究切入点，

通过结构强度及疲劳仿真技术分析螺栓失效原因，并对锁模套组件结构及螺栓布置形式进行优化改进，

有效地提升锁模装置的强度及疲劳寿命，实现硫化机产品可靠性和稳定性的改善。

1 螺栓失效问题描述

轮胎在硫化过程中存在开、合模及保压等主要工况，各工况的切换通常基于锁杆和锁模套的不同

连接状态实现。图 1 给出了双瓣锁模套的三维结构模型，通过紧固螺栓连接上、下面与锁模套盖板

使其成为一个整体。图 1 所示为锁模组件之间的装配关系，当锁模套与锁模杆贴合之后油缸进行合

模加载，实现硫化和保压工况 ；当锁杆旋转一定角度之后，各锁齿之间错位分离进而实现开模。

基于 CAE 仿真技术的某硫化机产品

锁模套紧固螺栓断裂分析及结构优化

刘玉龙，杨慧丽，丁振堂，刘云成

( 软控股份有限公司，山东 青岛 266045)

156

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

图 1 部套结构示意图

整个轮胎硫化过程中，硫化机不断的重复“开模 - 合模 - 保压”循环工况，其中在合模及保压工况下，

单组锁模组件将承受近几十吨的等效负载。基于实际现场反馈，在硫化机循环到一定次数之后出现紧

固螺栓的断裂故障，断裂情况如图 2 所示，从断口可以明显看出存在疲劳源及瞬间断裂区，初步判定

螺栓存在疲劳失效。

图 2 断裂螺栓示意图

针对上述紧固螺栓的断裂故障，建立 CAE 仿真模型分析断裂原因，考察各关键部件在合模工况下

的应力及变形状态，并完成故障问题的结果复现。

2 仿真计算与结果分析

2.1 静力学计算

针对断裂故障建立仿真分析模型，建模过程主要包括几何简化、材料及网格选择、接触及约束设置。

(1) 几何简化

硫化机整机模型较为复杂，模型包含众多工艺、装配附件以及微小几何特征，考虑计算目的及计

算精度对模型进行简化处理，删除不必要的小孔及圆、倒角，同时由于整机的对称性，选择 1/4 模型

进行计算，提高计算效率。

(2) 材料及网格选择

计算中主要材料涉及 Q235 及 42CrMo，其材料属性参数如表 1 所示。

表 1 材料属性参数表

材料 弹性模量 /MPa 泊松比 密度 /10-9t/mm3 δs/MPa δ b/MPa

42CrMo 2.12e5 0.29 7.86 550 800

Q235 2.12e5 0.29 7.85 235 375

备注 ： 1. 材料属性数据来源于机械设计手册 2. 材料属性数据为常温数据

刘玉龙 等·基于 CAE 仿真技术的某硫化机产品锁模套紧固螺栓断裂分析及结构优化

157

各部件计算采用实体单元，其中螺栓、锁模套及锁模套盖板采用二次四面体单元，其他部件采用

六面体单元，最终分析模型包含节点数 567054 个，实体单元 397704 个。

(3) 接触及约束设置

模型之间建立接触关系实现载荷的传递。在锁模套及锁模杆之间设置可滑动的面 - 面接触，考虑

锁模套盖板与锁模套的平均设计间隙。此外，油缸杆与锁模套径向平均间隙在计算中也予以考虑，其

他连接区域则视为无相互滑动的绑定关系。

本计算中包含两组工况 ：

1）Step1—完全泄压工况，受重力和紧固螺栓预紧力作用 ；2）Step2—保压工况，受合模力、重

力和紧固螺栓预紧力作用。

由于计算模型为对称模型，因此需要设置对称边界条件，同时将与机座连接的螺栓孔进行固定，

边界条件施加结果如图 3 所示。

图 3 边界约束施加示意图

2.2 结果分析

通过仿真计算获得结构变形及应力结果，下面分别针对结构变形及应力进行分析。

（1）变形结果分析

图 4（a）所示为结构变形全局放大示意图，黑色虚线表示未变形前，在合模力作用下，上主板向

下弯曲，下主板向上弯曲，锁模杆、锁模套以及油缸杆向中心倾斜。

图 4（b）为锁模套和锁模套盖板紧固螺栓局部变形放大图，通过图 4（b）可以看出锁模套上部在

合模力作用下发生外翻变形，锁模套紧固螺栓发生弯曲变形，由此产生的弯曲应力应该是导致螺栓失

效的一个原因。

图 4 变形结果示意图

158

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（2）应力结果分析

由于应力幅对结构疲劳寿命的影响最为关键，所以主要考察合模力对螺栓载荷的影响，即 Step2

的应力减去 Step1 的应力，如公式 (1) 所示。应力云图如图 5 所示，以 ∆σ 作为后续改进措施效果的评价。

∆σ=σStep2-σStep1 （1）

图 5 螺栓应力云图

图 6 云图为螺栓危险区域相对位置，大致处于螺栓与锁模套旋合起始位置，与实际故障现象基本

吻合。

图 6 螺栓危险区域相对位置示意云图

结合变形和应力分析，可以大致得出螺栓失效的原因为合模力作用下，锁模套上部区域外翻变形，

导致锁模套紧固螺栓发生弯曲变形，在螺纹旋合初始位置产生弯曲应力。整个硫化过程中，螺栓在弯

曲应力的反复作用下导致疲劳断裂失效。

3 锁模套结构优化改进

3.1 改进方案说明

经过对初始结构紧固螺栓失效的分析，采取相应的措施对结构进行优化改进，提出以下 4 种改进

方案（如图 7 所示）：

（1）增加四颗 Φ10 圆柱销，圆柱销与销孔配合为 Φ10H7/m6，销钉长度 30mm ；

（2）锁模套与锁模套盖板圆柱接触面由间隙配合改为过渡配合 ；

（3）锁模套壁厚增加 10mm，过渡圆角增大 3mm，此时螺栓由 M8 改为 M12，螺栓等级为 8.8 级 ；

（4）综合考虑 B 与 C 方案，B+C 组合。

刘玉龙 等·基于 CAE 仿真技术的某硫化机产品锁模套紧固螺栓断裂分析及结构优化

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图 7 改进方案示意图

3.2 改进方案强度分析

以 ∆σ 作为评价改进效果的指标，分别对各个改进方案进行评估分析，螺栓应力值改进效果如图 8

所示。对比各个方案与初始故障问题方案对比，其对比结果如图 9 所示。

图 8 螺栓应力值改进结果云图

160

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图 9 各方案改进效果对比

结合图 8 和图 9 可以看出，方案 A 改进效果不明显，方案 B 和方案 C 有良好的改进效果。考虑实

际情况，方案 B 改动小，周期短，方案 C 改动大，周期长。以方案 B 和方案 B+C 作为暂定后续改进方案，

并进行其余风险点的探测分析。

图 10 为各个方案锁模套盖应力云图，改进措施 B，在锁模套盖板与锁模套之间配合改为过渡配

合之后，锁模套盖板承受的力增加，在螺栓台阶孔侧壁区域应力达到 334Mpa，超出材料屈服强度

235Mpa，存在极大的断裂破坏失效风险，建议不采用方案 B。改进措施 B+C，锁模套盖板台阶孔侧壁

的应力水平在限值以内，满足要求。

图 10 锁模套盖板应力

3.3 改进方案疲劳分析

通过 3.2 节的分析对比，我们选用方案 D（组合 B+C）作为最终优化方案，考虑到结构的疲劳寿

命要求（无限疲劳寿命设计），我们基于德国 FKM 标准对组合部套进行疲劳寿命计算。

刘玉龙 等·基于 CAE 仿真技术的某硫化机产品锁模套紧固螺栓断裂分析及结构优化

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疲 劳 计 算 应 力 输 入 来 源 于 泄 压 和 保 压 工 况（Step1 和 Step2）。 锁 模 杆 和 锁 模 套 均 采 用 材 料

42CrMo，参照国家标准，材料最小抗拉强度为 800Mpa，材料最小屈服强度为 550Mpa。螺栓等级为

ISO 8.8 级，材料最小抗拉强度为 800Mpa，材料最小屈服强度为 640Mpa。其余材料疲劳性能参数根

据 FKM 标准生成。

图 11 为方案 D（组合 B+C）螺栓和锁模套高周疲劳安全系数计算结果云图，最小安全系数分别为 1.3

和 1.4，满足设计要求。结合实际反馈，采用该方案现场实施效果良好，未出现同类故障问题。

图 11 螺栓及锁模套安全系数

4 结论

针对硫化机关键部套的紧固螺栓断裂问题进行 CAE 仿真故障复现和详细分析，总结出以下结论 ：

（1）锁模套紧固螺栓失效的原因为硫化机在循环开合模工况作用下，锁模套紧固螺栓发生弯曲变

形，在螺纹旋合初始位置产生反复的弯曲应力，从而导致螺栓发生疲劳失效。

（2）采用将锁模套与锁模套盖板圆柱接触面由间隙配合改为过渡配合，同时增大锁模套壁厚及圆

角的设计方案，能够使螺栓应力大小减小近 66%。

（3）该优化方案中各关键部件设计达到无限寿命设计要求，现场效果运行良好，未再发现同类故

障问题，有效地提升硫化机产品的稳定性。

参考文献 ：

[1] 冯水安 . 基于 ANSYS 的 BOM 胶囊式液压双层力车胎硫化机框架有限元分析 [J]. 橡塑技术与装备，2011（2）：1-3.

[2] 刘才生 . 巨型工程轮胎硫化机底座有限元分析与优化设计 [J]. 橡塑技术与装备，2013（7）：60-61，64.

[3] 李军亮，吕柏源，危卫华 . 轮胎定型硫化机螺旋锁模机构螺母螺纹受力有限元分析 [J]. 橡胶工业，2005（52）：304-307.

[4] 杨传远，管业峰 . 场协同理论在硫化机热板上的应用 . 机械设计与制造，2019（5）：167-170.

[5] 徐京豫，孙宝寿 . 油压机热板温度场均匀性研究 . 机械设计与研究，2019（1）：200-204.

[6] 赵永瑞，刘迎，潘川 . 活络模具结构设计分析及优化 . 控制工程，2020（4）：648-655.

[7] 邢晓静 . 基于 ANSYS 的轮胎硫化机受力部件有限元分析及优化设计研究 [D]. 山东大学，2009.

[8] 朱胜娟 . 液压轮胎硫化机有限元分析及参数化优化设计 [D]. 广东工业大学，2010.

162

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

轮胎，典型橡胶制品，并随着经济的快速发展，已经成熟应用在各个领域。随着轮胎需求不断多

样化，复杂化，轮胎的生产工艺也在不断变化，目前的工艺已经无法满足多样复杂的使用环境，新型

生产工艺正在衍生，并使用在不同轮胎市场。本文主要对胎面缠绕技术在半钢胎、全钢胎，以及非公

路胎上的使用情况进行分析，并探索缠绕贴合优势以及不同轮胎结构间缠绕技术的应用区别。

1 胎面结构介绍与分析

胎面分为冠部和基部，其中冠部直接与路面接触，具有良好的耐磨性和抓地力，起到防滑、牵引、

制动作用。基部保护带束层和胎体，具有良好的散热性、抗撕裂能力和钢丝黏着性 [1]。胎面胶主要有

低生热型、标准型、抗切割型，由于抗切割型胎面中含有大量丁苯橡胶，表面粘性差，层贴会产生大

量气泡，甚至脱层 [2]。所以需要采用挤出缠绕方式进行贴合，保证胎面接头处的牢固性。

不同的轮胎类型，胎面结构以及形状尺寸也有所不同。如图 1 是半钢胎、全钢胎以及非公路轮胎

的截面形状示意图，半钢胎胎面平整，全钢胎具有胎肩形状，非公路胎面形状最为复杂。

a 半钢胎 b 全钢胎 c 非公路轮胎

图 1 轮胎截面形状示意图

由于半钢胎、全钢胎以及非公路胎的使用场景与工况不同，所以胎面的主要性能也就有所区分。

对于半钢胎主要满足高速性和舒适性，非公路轮胎主要满足耐磨性能，全钢胎则两者并存。影响胎面

性能的一大重要参数就是胎面厚度，不同轮胎结构的胎面厚度不同，将决定胎面缠绕的工艺选择，如

表格 1 所示不同轮胎类型的厚度范围。

表 1 不同轮胎类型的胎面常用厚度范围

轮胎类型 胎面厚度范围 /mm

半钢胎 5~15

全钢胎 12~35

非公路胎（包含巨胎） 15~120

2 胎面缠绕技术介绍

2.1 胶片模型

在进行胎面搭接缠绕之前必须确定胶片口型。一般情况下，缠绕胶片的形状采用梯形，便于搭接

量的控制与调整。胶片模型如图 2 所示。在缠绕过程中，可以选择调整梯形的几何尺寸来改变缠绕的

厚度精度与质量精度。

胎面缠绕技术在不同轮胎结构上的

应用分析

贾旗，李利

( 青岛科技大学机电工程学院，山东 青岛 266061)

贾旗 等·胎面缠绕技术在不同轮胎结构上的应用分析

163

图 2 胶片模型

2.2 胶片搭接模型

胎面缠绕主要是应用胶片搭接模型，并赋予一定的搭接算法，控制搭接量。胶片在搭接过程中，

胶片的搭接量主要根据胎面的厚度自动计算。一般情况下，胎面尺寸厚，胶片搭接量大，胎面尺寸薄，

胶片搭接量小。搭接原理模型如图 3 所示。

图 3 搭接原理图

2.3 缠绕控制过程

首先指定缠绕三维坐标，如图 4 所示，X 轴表示轮胎径向，Y 轴表示轮胎轴向，Z 轴表示轮胎旋转

方向。然后通过胎面截面形状，在三维坐标内建立数学模型。最后按照数学模型驱动缠绕轨迹，采用

厚度、宽度优先的方式在模型内部填充胶片，拟合胎面形状，确定搭接规则。

图 4 缠绕三维坐标定义图

控制端采用 PID 控制原理，实现对挤出机转速的 PID 条件，保证挤出胶条尺寸稳定性。程序上

采用电子凸轮技术，简化程序控制，使得缠绕轨迹更加准确。并且，采用电子凸轮技术有利于根据胎

面形状快速改变缠绕轨迹，缩短用户胎面研发周期。

2.4 缠绕仿真

如图 5，开发仿真软件，胎面分析控制胎面点坐标解析轮廓曲线，找到缠绕起点。然后通过胎肩

半径以及转角位置计算胎肩轨迹，实现胎肩准确贴合，胎肩部位的圆滑性则通过边缘控制实现。

图 5 缠绕仿真软件界面图

3 胎面缠绕在不同轮胎结构上的应用分析

164

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

目前，胎面缠绕技术已经使用在半钢，全钢以及非公路轮胎上。由于轮胎结构不同，胎面缠绕形

式以及结构也有所不同，并且最终缠绕出的效果与问题也表现各异。

3.1 胎面缠绕在半钢胎上的应用分析

3.1.1 结构布局与生产流程

半钢胎胎面在中间区域具有一块导电胶，将胎面结构分成左中右三块区域。所以在缠绕布局上必

须布置三台挤出机满足使用。其结构布局如图 6 所示。

图 6 半钢胎面缠绕布局示意图

一般情况下，胎面胶料温度超过 60℃，在一定外力作用下，胶料容易蠕动变形，具有不可逆性。

半钢胎在缠绕热贴后，虽然出胶温度高达 120℃以上，由于半钢胎的胎面厚度在 10~15mm，相对较薄，

在成型鼓上可以将缠绕温度快速冷却至 60℃以下，保证滚压不变形。胎面缠绕流程如图 7 所示，由喂

料架进行供料至挤出机进行塑化，经过齿轮泵，机头挤出胶条缠绕。

图 7 半钢胎面缠绕工艺流程

3.1.2 缠绕条件

a. 口型尺寸

b. 缠绕路径

半钢胎采用单向一层缠绕形式。

3.1.3 缠绕结果

半钢胎面缠绕效果如图 8 所示，表面平整光滑，气泡少。

贾旗 等·胎面缠绕技术在不同轮胎结构上的应用分析

165

图 8 半钢胎面缠绕效果图

3.1.4 缠绕优势

与传统的胎面供料贴合相比，半钢胎面缠绕具有以下优势 :

（1）采用缠绕贴合，胎面接头不易开胶。

（2）采用缠绕贴合，胎面与带束层间不易窝气。

（3）采用齿轮泵进行控制出胶量，可以将胎面质量精度控制 100g 以内。

（4) 采用缠绕贴合，轮胎整体均匀性，动平衡性好。

3.1.5 突出缠绕问题分析

采用缠绕贴合，会出现相应的胶料与技术问题，主要突出问题如下 ：

问题一 ：一般超过 100rpm 的高速挤出条件下，整体塑化不好。

分析 ：由于半钢通常采用的是 75 规格挤出机。在高速情况下，胶料在机内的停留时间较短，达不

到充分塑化要求。

解决方案 ：可采用 90 挤出机，在相应挤出量情况下，可以增大塑化时间 ；适当降低螺杆速度，实

现充分塑化。

问题二 ：胎面肩部封边造成肩部厚，肩部不易滚压。

分析 ：由于半钢胎面表面相对平整，肩部收尾处封边无法滚压。

解决方案 ：目前肩部厚度对称性偏差 0.5mm 以内，满足使用要求，后期可研究缠绕方式来优化封

边问题。

3.2 胎面缠绕在非公路胎上的应用分析

3.2.1 结构布局与生产流程

非公路胎面厚度一般大于 30mm，相对较厚，采用缠绕热贴，容易造成高温问题，无法匹配后面的

多种滚压动作。所以必须采用缠绕冷贴方式。

缠绕冷贴一般由胶料挤出、传送、压型、冷却和缠绕 5 个工序组成。挤出机挤出胶片后，经过压

型机压出胶片形状，然后胶片经过冷却鼓冷却后，通过缠绕主机与缠绕鼓的复合运动缠绕出胎面。在

缠绕过程中，通过安装胶片测宽装置，实时监测胶片的宽度进行闭环调节挤出机的转速，从而有效的

控制胶片几何尺寸。其工艺流程如图 9 所示。

图 9 非公路胎面缠绕工艺流程

3.2.2 缠绕条件

a. 口型尺寸

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2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

b. 缠绕路径

非公路胎采用双向侧 U 型缠绕形式。

3.2.3 缠绕结果

非公路胎胎面缠绕效果如图 10 所示。

图 10 非公路胎面缠绕效果图

3.2.4 缠绕优势

与传统的胎面贴合相比，非公路胎面缠绕具有以下优势 ：

（1）采用缠绕贴合，解决人工贴合出现的贴不实、存气多、接头凸凹不平等问题。

（2）采用缠绕贴合，可以将胎面质量精度控制 1.5% 以内。

（3）采用缠绕贴合，轮胎对称性控制 ±2mm 以内，整体均匀性好。

（4）采用缠绕贴合，可以实现胎面的自动贴合。

3.2.5 突出缠绕问题分析

采用缠绕贴合，会出现相应的胶料与技术问题 ：

问题一 ：胶条拉伸率大，超过 10%。

分析：由于挤出机挤出胶条需要经过冷却，输送等各种过渡装置，在此过程中，胶条具有一定张力，

所以造成过度拉伸。

解决方案 ：适度降低张力。

问题二 ：肩部形状不易控制，尺寸精度差

分析 ：由于 PLC 控制无法行进出真实曲线。

解决方案 ：通过改善缠绕方式与路径与搭接量，提高模拟精度 [7]。

3.3 胎面缠绕在全钢胎上的应用分析

3.3.1 结构布局与生产流程

目前，市面上还未出现全钢胎使用挤出缠绕工艺，主要因为全钢胎的胎面厚度在 20~30mm，相对

贾旗 等·胎面缠绕技术在不同轮胎结构上的应用分析

167

较厚。与非公路胎一样，一旦采用热贴，必然出现高温问题，无法满足滚压需求。但是全钢胎对于质

量以及尺寸精度要求高于非公路胎，采用冷贴，胶片拉伸率高，质量精度达不到要求。

但由于缠绕贴合工艺相对传统工艺优势巨大，已有部分公司开始研发新型工艺，如图所示，将基

部胶采用供料架贴合，胎冠胶采用挤出缠绕热贴。

图 11 全钢胎面贴合布局示意图

由于全钢胎与半钢胎相同，精度要求高，故胎冠胶缠绕工艺流程与半钢胎相同，需要采用齿轮泵

控制质量精度。

3.3.2 缠绕条件

a. 口型尺寸

b. 缠绕路径

全钢胎面肩部凸出，采用“S”型路径，保证胎面对称性。

3.3.3 缠绕结果

全钢胎面缠绕效果如图 12 所示。

图 12 全钢胎面缠绕效果图

3.3.4 缠绕优势

与传统的胎面贴合相比，全钢胎面缠绕具有以下优势 ：

168

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

（1）采用缠绕贴合，胎面接头处不易出现开胶、缺胶以及凹凸不平现象。

（2）采用齿轮泵进行控制出胶量，可以将胎面质量精度控制 100g 以内。

（3）胎冠胶采用缠绕贴合，实现全钢胎面自动贴合。

3.3.5 突出缠绕问题分析

采用缠绕贴合，会出现相应的胶料与技术问题，主要突出问题如下 ：

问题一 ：胶料温度高

分析 ：由于全钢胎面胶料要达到塑化要求，温度一般需超过 60℃，如表 2 所示。而且齿轮泵温度

低于 90℃时，容易损坏，造成寿命降低。

表 2 不同温度下的胶料塑化情况

解决方案 ：适当降低泵前压力，降低因为高压回流导致的温升 ；适当增加口型板与缠绕鼓之间的

距离，降低缠绕前温度 ；通过额外增加冷风机等设备进行缠绕胶片冷却。

问题二 ：肩部气泡多

分析 ：由于全钢胎肩部形状凸出，层与层间气体不易排出，较容易产生气泡 [7]

解决方案 ：缠绕前，挤出机充分吐胶，保证挤出机与胶料达到最佳状态 ；优化缠绕路径，减少肩

部高度的急剧增加带来的影响，降低气泡产生率；通过增加滚压设备，在温度冷却至 40℃前进行滚压，

易于排出层间气体。

4 结论

通过对比分析半钢、全钢以及非公路轮胎截面形状以及厚度尺寸，分析挤出缠绕技术的应用原理

与条件可知 ：轮胎结构不同，胎面缠绕的结构布局与生产工艺流程将产生很大区别。

(1) 半钢胎通常采用胎面缠绕热贴技术，通过齿轮泵控制质量精度在 100g 以内，对称性 ±1mm 以

内，轮胎均匀性能好 ；

(2) 非公路论坛通常采用胎面缠绕冷贴技术，无齿轮泵，整体质量精度较差，采用各种冷却鼓以

及过渡辊，拉伸率 10% 左右 ；

(3) 全钢胎目前正在探索新型工艺，基部胶供料贴合，胎冠胶使用挤出热贴，实现胎面自动贴合，

有齿轮泵，整体质量精度控制在 ±0.5，对称性 ±2mm 以内，轮胎均匀性好。

而且，胎面缠绕技术采用 PID 控制与电子凸轮技术，缠绕准确性与稳定性高。相对于传统轮胎贴

合方式，通过胎面缠绕的轮胎在均匀性与动平衡性都得到大幅度提升，得到各大轮胎厂家青睐。

参考文献 ：

[1] Zheng D．Prediction of tire tread wear with FEM steady state rolling contact simulation[J] ．Tire Science and

Technology，2003，31（3）：189-202．

[2] 刘晓芳 , 全钢工程机械轮胎胎面缠绕技术的研究与应用 ". 万力杯 - 第 20 届中国轮胎技术研讨会论文集 . 2018, 382-385.

[3] 张鹏 . 基于 B 样条曲线的轮胎胎面缠绕仿真系统设计 [D]. 青岛大学 ,2020.

[4] 马腾飞 , 李波 , 王同亮 . 全钢载重子午线轮胎胎面挤出热喂料自动供胶的改进 [J]. 轮胎工业 ,2020,40(02):117-120.

[5] 徐云慧 , 吕军 , 萨支青 . 工程轮胎胎面缠绕生产工艺的优化 [J]. 橡胶科技市场 ,2006(22):19-21.

杨洋·胎胚立库堆垛机常见故障及处理对策分析

169

堆垛机作为胎胚输送立体仓库中重要的起重、搬运设备 , 其在立库管理系统控制下根据先进先出

的原则可以实现货物的自动化出入库。由于堆垛机控制比较复杂，运行中干扰因素多，并且要求堆垛

机能够高速运行，精准定位，运行还要平稳故障少，当有摩擦和负载变化等不确定因素时，还能够继

续平稳运行，避免出现定位异常，运行闯动等异常故障。若其发生故障不仅会使设备损坏、货物损失 ,

胎胚输送效率降低 , 还将直接影响整个立体仓库的正常运转 , 造成胎胚过期等物料损失，甚至严重影

响整个企业的生产安排。由此可见 , 对堆垛机的故障分析、诊断十分重要。

由于堆垛机的故障发生具有模糊性和不准确性的特点 , 排查起来比较困难 , 对技术人员的专业水

平要求较高。为了及时发现堆垛机故障并进行有效的处理 , 防止故障的扩散与恶化 , 笔者采用故障树

分析法 , 通过对堆垛机的故障建树与分析 , 以尽早发现堆垛机在工作中所发生的故障 , 并及时加以排

除 , 确保堆垛机的正常运行。

1 堆垛机结构及运行原理

胎胚库堆垛机为双立柱有轨堆垛机，地上轨道、上部导轨、载货台、操作面板以及升降行走电动

机均属于堆垛机的组成部分如图 1，且堆垛机与上位管理系统、控制系统相连，可以实现货物出入库

的自动化。堆垛机与上位机采用红外通讯模式，行走巷道之间无须布置太多导线，具备较强的抗干扰

能力。西门子 S7-1500 PLC 作为堆垛机的控制系统，可以及时响应中控机发布的指令，在最短时间内

与上层计算机建立通讯联系 [1]。

2 故障树分析法

故障树分析法 ( Fault Tree Analysis, FTA ) 是系统安全性分析、风险评价及可靠性研究中

常用的一种重要方法。在系统设计过程中 , 将要分析的设备故障事件作为第 1 级 ( 称为顶事件 ); 将

导致该事件发生的直接原因 ( 包括硬件故障、环境因素、人为差错等 ) 并列作为第 2 级 , 并用适当事

件 ( 称为中间事件 ) 符号表示 , 然后用适当的逻辑门把它们与设备故障事件连接起来 ; 再将第 2 级各

故障事件发生的原因分别并列在第 2 级故障事件下面作为第 3 级 , 如此展开 , 直到把最基本的原因都

分析出来 , 把不能再分解的基本事件称作底事件 , 这样的一张逻辑图称为故障树 [2]。对于大型系统一

般采用计算机建树 , 小型系统采用人工建树。然后以故障树为工具 , 通过定性及定量分析 , 确定故障

发生的概率 , 找出系统的薄弱环节 , 提出有效的防止措施 [3]。

3 堆垛机故障及解决措施

通过对胎胚库堆垛机 2019 年故障统计和分析 , 根据堆垛机的运行及控制原理 , 广泛收集故障历史

胎胚立库堆垛机常见故障及处理

对策分析

杨洋

( 合肥万力轮胎有限公司，安徽 合肥 230000)

170

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

资料数据 , 分析得到堆垛机系统发生的故障现象主要包括货叉不能正常伸缩、24V 电源故障、堆垛机

定位不准、光电开关失灵、电机失控、变频器故障、PLC 与上位机数据通讯错误等。笔者以堆垛机控

制系统发生的故障为例建立故障树 , 以堆垛机控制系统不能正常工作为顶事件 , 建立故障树 ( 见图 2)。

3.1 机械故障

3.1.1 载货台歪斜

胎胚库堆垛机采用钢丝绳卷筒提升，由电机侧滚筒牵引钢丝绳经滑轮带动载货台完成升降动作，

载货台两侧牵引导轮各有一根钢丝绳。因此，当钢丝绳因受力产生形变拉伸时，载货台两侧将高低不平。

载货台歪斜工作会产生升降动作异响，堆垛机升降动作无法定位，货叉碰撞托盘等严重故障，需要及

时排除。载货台歪斜调整应采取预防性检修为主，定期检查。载货台两侧高度差应在 10mm 以内。

3.1.2 电机机械传动故障

电机机械传动故障主要包括行走轮跑偏，导向轮磨损，行走大轴轴承，轴体磨损，电机传动轴磨损，

轴键磨损等，运行中需密切关注堆垛机异常的震动和声音。

3.1.3 货叉歪斜

货叉歪斜主要由三种情况导致，一是检测光电检测异常，包括光电歪斜，污损等。二是入库时托

盘不在货叉中间位置，堆垛机检测光电检测到货物超限，对入库平台进行相应调整，摆正入库托盘位置。

三是由载货台歪斜导致货叉在取放货动作中碰撞到货架托盘，使托盘歪斜。载货台检测光电有货物虚

1—上部导轮 ；2—上横梁组件 ； 3—松绳与过载安全保护机构 ；4—立柱 ； 5—维护爬梯 ；6—载货台 ； 7—断绳安全保护装置 ；

8—货叉机构 ；9—操作室及电器控制 ；10—走轮及运行驱动装置 ； 11—下横梁 ；12—载货台升降距离检测装置 ；13—红外通讯装置 ；

14—水平运行距离检测装置 ； 15—下水平导轮 ；16—起升驱动装置

图 1 堆垛机机械结构图

杨洋·胎胚立库堆垛机常见故障及处理对策分析

171

实探测和货物超限检测。

3.1.4 货叉中位无动作

货叉中位无动作需要分析以下三方面原因 ：一是货叉工作状态是否正确。二是堆垛机行走轴和升

降轴是否正确到达取货位位置区间。三是检查堆垛机任务状态与系统中任务是否一致，任务状态是否

未正常更新。

3.1.5 货架支撑调整

在胎胚库日常维护过程，偶尔会发现立库货架支撑杆有被错误反向安装的情况，此问题会造成堆

垛机放货歪斜超限和货叉歪斜报警。应调整支撑杆安装方向并与一侧的其余支撑杆保持在同一水平高

度。

3.1.6 松绳过载

堆垛机的松绳过载报警是堆垛机钢丝绳张力检测装置检测到钢丝绳受力不规则变化的预警提示，

包括过载和无负载检测报警，当起升钢丝绳（起升链条）由于某种原因使其张力超过有货满载荷值的

25% 以上或小于无货空载载荷的 75% 以下时，过载与松绳保护装置（超载限制器）将动作发出信号。

在堆垛机正常运行过程中，张力报警器实时检测钢丝绳所受拉力，张力报警器主要由报警装置和张力

检测器组成。钢丝绳张力值调整需遵循一下原则，一是在载货台手动上下匀速动作时张力值无明显变

化，稳定在 1T 左右，码值若有较大偏差可通过天轨处钢丝绳张力检测器调整 ；二是在载货台被支撑

起来，钢丝绳不受拉力时，张力报警器码值应稳定显示 0 值，不可跳动。

注 :

T. 堆垛机不能正常工作 ; E1. 机械故障 ;

X11. 载货台歪斜 ;X12. 电机机械手传动故障 ; X13. 货叉歪斜 ; X14. 货叉中位无动作 ; X15. 货架支撑调整 ; X16. 松绳过载 ;

X17. 安全钳误触发 ; E2. 电气故障 ;

E21. 变频器输出故障 ; E22. 电气元件故障 ; E23. 程序运行故障 ;

X211. 变频器开关量输出异常 ;X212. 出库口定位失控 ; X213. 货叉伸出超限 ; X214. 累积误差大于十 ; X221. 传感器故障 ;

X222. 变频器硬件故障 ; X223. 电源电路故障 ;X224. 制动电阻短路 ; X225. 数据通信故障 ; X231. 货叉任务状态未更新 ;

X232. 任务重复执行 ;

图 2 胎胚库故障树分析图

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2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

3.1.7 安全钳误触发

为防止由于链条或钢丝绳全部折断，或由于载货台超载严重而发生的载货台坠落事故，需要在堆

垛机设计时考虑限速器和安全钳装置。限速器是速度反应和操作安全钳的装置，当载货台运行速度超

过限定值时，限速器产生机械动作，由于限制器的作用，使装在载货台吊架上的安全钳的楔块制动机

构在杠杆和弹簧等的作用下钳住前后升降导轨， 制止载货台下落并将其支持在升降轨道上，以保证现

场人员与货物的安全，安全钳装置安装在载货台的垂直吊架上，由钳座、碟形弹簧、静钳块、弹簧活

动钳块、滑槽等组成，其最大的夹紧力由碟形弹簧决定，弹簧用于安全钳释放时钳块复位 [4]。

胎胚库堆垛机安全钳误触发可能由载货台歪斜导致的升降动作异常震动，或者双立柱升降导轨卡

阻造成。故障发生后应及时检查机械抱闸是否变形影响工作，同时测量载货台水平。

3.2 电气故障

3.2.1 变频器输出故障

（1） 变频器开关量输出异常

西门子 G120_CU240 控制单元有三个数字量输出 DO0-DO2，可以分别通过 P0730- P0732 参数设

置相应功能，必须将数字量输出与选中的二进制互联输出（“BO”）连接在一起，才可以更改数字量输

出的功能，例如将 DO1 与故障信息相连，可以通过数字量输出 DO1 来输出变频器的故障信息 ：如设置

p0731=52.3。变频器开关量输出常见问题有无控制输出，输出有响应但开关功能故障失灵等。故障处

理需程序在线监控控制量变化，结合输出点高低电平变化判断开关量输出功能。

表 1 西门子变频器的二进制互联输出 BO（部分）

0 禁用数字量输出 r0052.9 PZD 控制

r0052.0 就绪 r0052.10 实际频率≧ p1082( 最大频率 )

r0052.1 变频器运行就绪 r0052.11 报警 ：电机电流 / 转矩限制

r0052.2 变频器正在运行 r0052.12 制动生效

r0052.3 出现变频器故障 r0052.13 电机过载

r0052.4 OFF2 生效 r0052.14 电机正转

r0052.5 OFF3 生效 r0052.15 变频器过载

r0052.6 “ 接通禁止 ” 生效 r0053.0 直流制动生效

r0052.7 出现变频器报警 r0053.2 实际频率 >p1080( 最小频率 )

r0052.8 “ 设定 - 实际值 ” 差 r0053.6 实际频率≧设定值（设定频率）

（2） 出库口定位失控

出库口定位失控是指行走轴电机在出库口位置发生异常闯动，而此时行走功能块并没有发送需要

控制电机到达目标位置的模拟量输出，即变频器在定位保持过程中产生了异常输出。故障原因经现场

调试观察确定为新时达变频器 PID 调节低速环的参数设置不合理造成。

（3）货叉伸出超限

堆垛机货叉伸出取放货伸出码值为 1540，故障时货叉码值达到 1580，手动可复位。博途监控货

叉变频器报警代码 A07409，故障原因 ：由于超出了电流极限，V/f 中的电流限值控制器被激活。解

决方法 ：1、提高电流限值（p0640），2、降低货叉负载，3、延长设定转速的加速斜坡。

（4）累积误差大于十

累积误差大于十报警并非距离上大于 10mm，而是行走轴变频器定位码值在目标位区间内外反复偏

差达到十次，触发定位超时报警，故障原因为新时达变频器有参数 P40.10 加速圆角 Ts0、P40.11 加

速圆角 Ts1、P40.12 减速圆角 Ts0、P40.13 减速圆角 Ts1 来对电机加减速进行调节控制，与 PID 调

节叠加使用造成电机控制响应输出异常，将加减速圆角时间删除后故障恢复。

3.2.2 电气原件故障

（1）传感器故障

杨洋·胎胚立库堆垛机常见故障及处理对策分析

173

堆垛机使用传感器主要有货物超限检测和虚实检测，货叉位置检测，条码带扫描，激光测距等。

堆垛机传感器故障以光电歪斜误感应为主，条码带污损造成的读取数值错误也会影响设备运行安全。

日常维护需要注意条码带，光电开关发射端和反光板清洁。

（2）变频器硬件故障

变频器硬件组成包括控制单元和功率单元。

控制单元出现问题有电源正常无法开机，数字量输出口故障无法正常输出等，更换相应控制模块

并设置通讯参数。功率单元出现硬件问题 , 绝大部分是整流桥或 IGBT 模块烧坏。处理上述故障时更

换相应备件后将损坏硬件送专业维修人员检修，确定原因排除现场隐患。

（3） 电源电路故障

堆垛机内部电路有 24v 控制电路和 380v 动力电路，在日常运行期间需做好设备保养和检修。需

注意电缆老化和异常磨损，杜绝破皮，虚接造成的故障，减少非计划性维修。

（4） 制动电阻短路

变频器制动电阻是用于将电动机的再生能量以热能方式消耗的载体 , 变频器制动电阻可用在变频

器控制电机减速和制动的电路中，通常外接电阻器可以将来自电动机和负载的多余能量消耗掉，以变

频器的过压保护。当供电停止后，变频器的逆变电路就反向导通，把这些剩余电能反馈到变频器的直

流母线上来，直流母线上的电压会因此而升高，当升高到一定值的时候，变频器的制动电阻就投入运行，

使这部分电能通过电阻发热的方式消耗掉，同时维持直流母线上的电压为一个正常值。制动电阻短路

会使再生电能直接作用在变频器中间直流部分，导致整流模块炸机。胎胚库堆垛机制动电阻位于电柜

顶部，采用螺丝固定安装，PM 维护检修应关注波纹电阻器对机柜绝缘情况。

（5）数据通信故障

仓库控制系统主要利用以太网连接，堆垛机的以太网接口连接至路由网关，接上位机的出入库分

配指令以及上位机的载荷报警状态。信号传输期间会因堆垛无法与上位机连接以及配方库货物重复入

库等问题而出现信号传输失败问题，此时技术人员应及时采用规范措施解决。

3.2.3 程序运行故障

（1） 货叉任务状态未更新

根据堆垛机工作步骤，堆垛机货叉任务状态有分为取货、放货、完成三种，堆垛机依靠传感器现

场采集的位置和信号数据完成状态切换。货叉任务状态未更新主要是指货叉步骤动作完成后货叉任务

状态未及时切换，故障处理结合程序进行判断。货叉状态转换程序判断条件有取放货目标位地址、高

度和载货台货位检测信号，堆垛机载货台歪斜，放货过程堆垛机位置偏移均可能造成货叉状态转换失

败。

（2）任务重复执行

任务重复执行故障是堆垛机在放货切换至完成状态时发生错误造成的，堆垛机只判断载货台无货

而重新执行上位机发送指令，造成任务号与所载货位不匹配，即任务已执行缺未正常结束，故障处理

可根据现场监控确定故障原因。

4 结语

笔者应用故障树分析法对胎胚输送立体仓库中堆垛机的主要故障进行诊断，并将其成因形象地表

现出来 , 具有灵活性强、直观等优点 , 解决问题思路清晰，在实际设备维修中发挥了较好的作用 ,

具有一定的推广价值。

参考文献 ：

[1] 潘琛 . 自动化立体仓库中堆垛机的常见故障及维修对策分析 . 科学与信息化 ,2019(15):118-119.

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174

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

混炼，是以轮胎为典型代表的橡胶制品生产的源头工序，也是核心工序。对比其它工序，混炼有

如下特点 ：

(1) 电能消耗大。混炼，是将电能转化成胶料内能的过程，起到剪切、分散和分布等作用。混

炼设备的驱动功率较大，尤其是轮胎厂使用的大规格密炼机，所配套主电机的功率动辄 1250kW 、

2500kW 甚至更大。估算一台 430L 密炼机，一天消耗的电能就可达 3 万 Kw.h。从实践来看，以轮胎生

产制作为例，混炼设备所消耗的电能往往占到整个工厂的 40% 以上 ；

(2) 厂房造价高。根据下落式密炼机的工作特点，以及发挥上辅机的优势考虑，混炼车间的厂房

高度一般都在二十多米，最常见为 4 层、24m 设计。对比后端的其他生产工序，混炼的厂房建设成本

较高 ；

(3) 环保要求高。典型的橡胶混炼过程，会产生大量的烟气、粉尘、异味等，需要对其进行充分

的收集和处理。

另外，混炼还决定了最终橡胶制品的品质、精度以及整个公司的生产效率和产能。所以，对混炼

生产线进行科学的规划，对混炼设备进行科学的选型，是很有必要的工作。

自 2017 年起，笔者主要负责公司成套总包项目的规划、技术方案制定和执行工作，先后实施了陕

西科隆、厦门正新、中山日丰、中山日丰、来安亨通、河北万达等多个重大橡胶混炼生产线的成套总

包项目，对混炼线生产线的规划与选型积累了一定的经验。通过本文与行业分享，以期为民族橡胶工

业的进步出一份力。

混炼生产线的整体规划、设备的选型，与很多因素有关系。要因地制宜，才能制定出最优化的技

术方案，详见图 1。

图 1 典型的混炼生产线设备流程、厂房规划图

橡胶混炼生产线的规划与选型

韩帮阔 1

，杨菲 1

，刘金一 2

（ 1 . 大连橡胶塑料机械有限公司，辽宁 大连 1 1 6 0 3 6 ；

2. 青岛群金恒智能装备科技有限公司，山东 青岛 266000）

韩帮阔 等·橡胶混炼生产线的规划与选型

175

1 密炼机的选定

密炼机是橡胶混炼生产线的核心设备，其余设备以密炼机为基准进行选型。

1.1 转子形式

自 1916 年标准意义上的密炼机诞生至今，其技术进行了多次的升级和优化。但密炼机的基本理论

没变 ：两个带有螺旋棱的转子，以相同或者不同的速度进行相向旋转，从而产生对胶料的剪切、搅拌、

折卷和切割等作用。所以，转子是密炼机的核心零部件，决定了整台密炼机也即是整条混炼生产线的

生产效率、品质和能耗等。

从大类来分，转子分啮合型和非啮合型两种。在这两个大的分类下，又细分了很多种不同类型的

转子，以满足不同工况的需要。

1.1.1 啮合型转子

图 2 啮合型转子

图 2 啮合型转子，综合了切线型转子（即非啮合型转子）与开炼机的特点在一起。设计、制作难度大，

采购成本高，生产效率相对低（典型意义上讲，吃料慢、温升慢、排料慢）。

目前主流的有 PES-3 和 PES-5 两种型式，PES-5 相对更先进，温度控制能力更好，混炼品质和效

率更高，应当优先考虑。

另外，近年来串联密炼机组深受市场欢迎。串联密炼机机组主要用于生产白炭黑高填充的配方，

亦可用于传统胶料的减段。因为下位机没有上顶栓，为了提升吃料能力，现在还出现了 PES-6 结构的

啮合型转子。

1.1.2 非啮合型转子

图 3 典型非啮合型转子之四棱高效型

也就是常说的切线型转子，一般以每根转子上的螺旋棱数量进行分类，见图 3。

（1）两棱 ：目前主要应用在 50L 等小规格密炼机上，生产效率相对较低 ；

（2）四棱 ：有四棱高效（长棱、短棱的轴向长度比为 4:1）、四棱标准（长棱、短棱的轴向长度比

为 2:1）、同步技术和 ZZ2 多种型式 ；

176

2022 年“青科大 . 高机杯”第十二届中国（国际）橡塑技术、装备与市场高峰论坛

（3）六棱 ：变间隙混炼技术转子，目前主要应用在 370L 等大规格密炼机的塑炼、混炼工况。

总体来说，啮合型转子是质量型转子，非啮合型转子是产量型转子。以前，非轮胎橡胶制品工况，

应用啮合型转子比较多。近几年来，随着高档轮胎配方中的白炭黑填充份数越来越高，硅烷化反应等

需求使得轮胎企业大量采购啮合型转子密炼机使用，其中各规格串联密炼机机组以及大规格的 320E

单机、440E 单机、580E 单机等产品为主流。

从密炼机的工作特点来看，在做方案设计时，优先考虑切线型转子。当切线型转子实在不能满足

工况要求时（如白炭黑硅烷化反应要求的恒温、高档刹车片物料混炼等），才考虑啮合型转子，以提

高设备生产效率和经济性。

1.2 容积

密炼机的容积，决定了单条混炼线的产能（图 4）。可根据项目的计划年产能，综合 330 个工作日

/ 年、24h 工作 / 天的给定前提推荐下进行计算。

图 4 密炼机总容积（被封闭的白色区域）示意

切线型密炼机打胶快，可按 3 ～ 4min/ 车进行计算。啮合型型密炼机打胶相对慢一些（吃料慢，

排料慢。剪切力小、冷却能力强，温升慢），可按 4 ～ 5min/ 车进行计算。

例如，规划年产 1 万 t 的混炼胶项目（只打加炭黑的 A 胶，不打加硫磺的 B 胶），兼顾设备的停机

检修等因素，则应该考虑切线型四棱转子的 110L 密炼机。名义产量计算：108L（总容积）×0.75（经

验填充系数）×1.15（胶料比重）×60/4×24 ≈ 33.5t/ 天。

目前，“大橡塑”已批量生产的密炼机规格系列如下 :

（1）啮合型转子密炼机

90E、135E、160E（全世界首创）、190E、270E、320E、440E、580E ；

（2）切线型转子密炼机

50L、80L、110L、160L、270L、330L、370L、430L、650L ；

（3）串联密炼机组

320E/580ET、440E/800ET、580E/1000E。

1.3 其余配置

1.3.1 上顶栓

液压式，对比气动式，具有动作快、精度高、压力高、节能等突出的优势，生产效率快，炼胶品质高。

目前，配置气动上顶栓的新制作密炼机，基本已彻底消失。80L 等小规格密炼机，标配也已经是液压

上顶栓结构 ；

1.3.2 主电机

优先推荐目前最节能的永磁同步电机。从目前的数据看，在同等炼胶工艺条件下，永磁同步电机

比普通变频电机节能 6% ～ 10% 左右（综合永磁电机采用水冷，没有冷却风机的因素），对比直流电机