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橡塑技术与装备（橡胶） CHINA RUBBER/PLASTICS TECHNOLOGY AND EQUIPMENT (RUBBER)

轮胎硫化温度场数值模拟

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张金云 ，刘肖英 ，王伯刚 ，李尚帅 ，谭晶 2
（1. 三角轮胎股份有限公司，山东 威海 264200 ；
2. 北京化工大学，北京 100029)
摘要 ： 建立了硫化仿真有限元模型，其中胶料热物性参数和硫化动力学参数均为实测值，为最大可能考虑橡胶和帘线复合材
料的结构特征，其导热系数采用正交各向异性模型，模型中加入了橡胶硫化过程中的反应热。三维轮胎模型的有限单元均采用六
面体或者五面体单元，最大程度保证模型的计算精度。利用该仿真模型分析关键点仿真温度场和硫化程度场，历程曲线与实验值
高度一致，硫化时间最大误差为 4.8%，说明有限元模型能够高度反映实际硫化过程。
关键词 ： 硫化方针 ；热物性 ；正交各向异性 ；反应热
中图分类号 ： TQ332 文章编号 ： 1009-797X(2019)11-0030-07
文献标识码 ： B DOI:10.13520/j.cnki.rpte.2019.11.007

1 轮胎硫化动力学理论
轮胎硫化过程中胶料的物理机械性能随硫化程度
深入由差变好再变差，胶料性能达到最优点的时间称
为胶料的正硫化时间。正硫化时间的测定方法有物理 -
化学法，物理机械性能法，专用仪器法，本文选用专
用测试橡胶硫化特性的实验仪器——MDR 流变仪测试
胶料的正硫化时间，其工作原理为在胶料硫化过程中
施加一定幅值的剪切应变，测量过程中的剪切应力，
直观的评价参数为转矩 M t ，反应了硫化过程中胶料的
剪切模数，该参数与交联密度成正比，因此，M t 同交
联密度类似，在橡胶的交联反应阶段符合一级反应动 图 1 胎面胶硫化曲线（150℃）
力学规律 ：
能可利用阿累尼乌斯方程求得，方程如下 ：
M r =M ∞ (1-e -kt ) （1）
E
M t 为任意时刻的转矩，为最大转矩，t 为硫化时 k=A×e- （3）
RT
间，k 为硫化反应速度常数，对应理论正硫化时间， 式中 k 为硫化反应速率常数，A 为阿累尼乌斯常
90% 对应 t 90 为工艺正硫化时间。 数，E 为胶料的活化能，R 为摩尔常数，T 为温度，将
流变仪中实际的工艺正硫化时间计算方法为 ： 式 3 等号两侧取自然对数，并令 lnk=y，1/T=x 得：
t 90 =M L +(M H -M L )×90% （2） E
y=- x+lnA （4）
R
其中 M L 为最低扭矩，M H 为最高扭矩，t 10 和 t 50
一般取 k=1/t 90 ，图 2 为 140 ℃、150 ℃、160 ℃、
同样采用上述计算方法，其硫化曲线如图 1 示，表 1
170℃四组不同温度下胎面胶的 t 90 代入式 4 拟合得出
为上述方法测试的 255/30R22 所有胶料的 t 90 。
的直线图，利用该直线的斜率计算胎面胶料的活化能。
表 1 不同胶料的工艺正硫化时间
同上计算其余胶料的活化能，结果如表 2 示。
胎面 胎侧 子口 胶芯 冠带层 带束层 胎体 内衬层
t 90 /min 16.6 16.1 10.5 13.4 13.7 14.4 21.6 38.6
活化能是指诱导阶段，硫磺分子、促进剂体系、 作者简介 ：张金云，博士研究生，研究方向为轮胎设计与
橡胶大分子之间反应生成活性更大的中间物的过程吸 制造工艺。
收稿日期 ：2018-10-26
收的能量，是计算硫化程度所必须的胶料常数，活化

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