圖：“密煉機+連續(xù)混煉機”裝備
我國是世界第一大輪胎生產(chǎn)與消費國，2023年輪胎產(chǎn)量約占全球56%，已成為中國制造的重要標志。近年來，歐美等發(fā)達國家通過輪胎標簽法、輪胎“雙反”調(diào)查以及技術壁壘等手段來制約中國橡膠輪胎行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。
基于此，青島科技大學聯(lián)合益陽橡膠塑料機械集團有限公司、中策橡膠集團股份有限公司、青島雙星輪胎工業(yè)有限公司、浦林成山(山東)輪胎有限公司和特拓(青島)輪胎技術有限公司等單位組建研究團隊，成功研發(fā)出高性能子午線輪胎生產(chǎn)體系的關鍵技術裝備與產(chǎn)業(yè)化，并在30余家企業(yè)中獲得產(chǎn)業(yè)化應用，相關產(chǎn)品銷往歐美等100多個國家和地區(qū)，為中國輪胎由“中國制造”邁向“中國創(chuàng)造”奠定了技術基礎。該技術于日前獲得2024年度中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會科技進步一等獎。
據(jù)該成果第一完成人青島科技大學汪傳生教授介紹，如今全球橡膠輪胎行業(yè)競爭，技術創(chuàng)新是關鍵。為此，研究團隊緊緊圍繞橡膠輪胎行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的痛點難點問題開展技術攻關，實現(xiàn)了技術裝備、輪胎設計和工藝技術三方面的重大創(chuàng)新。
一是技術裝備創(chuàng)新，發(fā)明出子午線輪胎膠料高質(zhì)高效連續(xù)混煉方法與成套裝備。
輪胎膠料的混煉過程中，填料的均勻分散和橡膠基質(zhì)分子鏈的適宜長度是決定輪胎性能的關鍵因素。橡膠材料對剪切的高度敏感性增加了混煉過程的復雜度。在混煉時，橡膠容易迅速升溫，進而導致在高溫條件下發(fā)生分子鏈氧化斷鏈，這對保持材料性能穩(wěn)定性構成了巨大挑戰(zhàn)。此外，剪切變稀現(xiàn)象導致膠料黏度下降，使得納米級填料聚集體難以有效破碎和均勻分散，從而影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。傳統(tǒng)的“密煉—停放—密煉”多段混煉模式，雖解決了溫度控制問題，卻導致生產(chǎn)效率大幅降低，多次加熱和冷卻產(chǎn)生的無效熱歷程極大浪費了能源，混煉過程能耗占據(jù)了輪胎制造總能耗的55%左右。這不僅反映了橡膠混煉技術的復雜性和加工難度，也凸顯了行業(yè)迫切需要技術創(chuàng)新，以實現(xiàn)高效、低碳、可持續(xù)發(fā)展。
面對這一挑戰(zhàn)，研究團隊攻堅克難，在國際上首次提出了串聯(lián)式連續(xù)混煉新概念和恒溫強剪切反應混煉新機制，發(fā)明了“空間適時遷移”的模塊化組合式混煉方法與技術，研制了功能性轉(zhuǎn)子的系列串聯(lián)式連續(xù)混煉成套裝備，攻克了混煉恒溫調(diào)控與剪切速率協(xié)調(diào)平衡難題。與傳統(tǒng)混煉技術相比，新技術產(chǎn)能提升40%以上，能耗降低25%以上，分散度提高2至3級，綜合性能提高15%~20%。依托該技術，在益陽橡機建成國內(nèi)首個密煉機數(shù)字化制造基地，成為我國橡膠機械行業(yè)數(shù)字化制造標桿。
二是輪胎設計創(chuàng)新，研發(fā)出高性能子午線輪胎趾口和胎肩耐脫層系列新結構。
輪胎是多種材料復合而成的柔性殼體。在輪胎退賠的所有質(zhì)量問題中，占比80%以上的趾口和胎肩脫層問題嚴重影響輪胎使用壽命和行車安全，成為子午線輪胎的一大頑疾。
面對這一難題，研究團隊迎難而上，厘清了輪胎脫層問題主要源于輪胎幾何結構、物理非連續(xù)及使用過程應力、疲勞、熱、氧的綜合循環(huán)作用。由此，研究團隊首次提出并建立了“輪胎疲勞失效熱力耦合”模型，并結合自主研發(fā)的熱力學仿真軟件，創(chuàng)新結構優(yōu)化設計方法，發(fā)明了系列新結構，解決趾口和胎肩應力集中與熱聚集難題，在國際上形成中國輪胎抗載安全的特色和優(yōu)勢。與國際輪胎巨頭相比，采用該結構的輪胎耐久性提高20%以上，胎圈耐久性提高3倍以上，產(chǎn)品性能國際領先。
三是工藝技術創(chuàng)新，開發(fā)出高性能子午線輪胎生產(chǎn)體系成套工藝技術軟件包。
輪胎制造加工工藝也是影響輪胎質(zhì)量的重要因素。混煉膠質(zhì)量批次不穩(wěn)定、膠料半成品中的氣孔、雜質(zhì)、凝膠等微缺陷是誘發(fā)輪胎脫層、降低輪胎耐久性和抗載性的根本原因。而現(xiàn)有的輪胎制造工藝技術難以滿足高性能子午線輪胎的質(zhì)量穩(wěn)定性、智能化生產(chǎn)和數(shù)字化管理等一系列需求。
基于這些需求，研究團隊凝心聚力，成功構建了輪胎全生命周期數(shù)字化設計管理平臺，開發(fā)了智能制造成套工藝包，形成了智能設計、智能控制、智能生產(chǎn)的輪胎制造全產(chǎn)業(yè)鏈技術路線與工藝流程，建成了綠色輪胎智能制造試點示范線，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
