轮胎带束层高速压延敷胶的实验分析及多尺度模拟

发布时间：2020-09-14 18:15

　　轮胎带束层是由轮胎混炼胶通过四辊压延技术对钢丝帘线双面敷胶而成的,是轮胎的主要承力结构。压延是聚合物材料的基本成型工艺之一,学术界与轮胎工业界已对其进行了数十年的研究。然而对于轮胎带束层压延工艺,人们至今尚未全面理解其流变学行为;由于带束层胶料具有复杂的非线性粘弹性能,偶尔会在高速压延时出现粘辊现象。为了提高带束层生产效率,本文结合企业技术需求,采用实验研究和多尺度数值模拟相结合的方法,对轮胎带束层高速压延敷胶过程进行相关研究。具体研究内容如下:1.利用四辊压延机在不同压延速度下对不同批次的轮胎混炼胶进行了生产测试,然后通过轮胎混炼胶的一系列流变性能测试、分子结构测试以及辊筒操作性能测试,综合分析粘辊现象产生的原因。结果表明:由不同产地、不同批次的生胶所制得的混炼胶的加工性能难以保持一致。采用门尼粘度仪与RPA2000橡胶加工分析仪测试分析了混炼胶的流变性能,较全面地揭示了混炼胶的弹性模量、粘性模量、损耗因子、复数粘度等随振荡频率、剪切应变和温度的变化关系。在小振幅的动态剪切流场下,轮胎混炼胶表现出明显的粘弹性能,而且易粘辊混炼胶的弹性模量、粘性模量高于可以正常生产的混炼胶的弹性模量、粘性模量。在塑炼效果一致的前提下,天然生胶分子量越小,则粘性越高、越易粘辊;分子量分布越宽,在低剪切速率区粘度越高,越不易粘辊。2.胶料与辊筒之间的相互作用能是两者之间粘附性的重要指标。使用分子动力学模拟软件Materials Studio搭建了天然橡胶模型,并利用溶度参数、玻璃化转变温度验证了天然橡胶模型的可靠性。然后建立了聚合物-金属层模型,分别计算在不同压力下聚合物层表面能、金属层表面能、两者总表面能,然后计算得到天然橡胶与辊筒之间的相互作用能。结果表明:压力会影响天然橡胶与辊筒间的相互作用能;压力值越大,两者的相互作用能绝对值越高,宏观表现为两者的粘附力越大。3.利用仿真软件Polyflow,数值模拟了在压延成型过程中混炼胶在两个辊筒间的流变过程,采用符合混料胶这一颗粒填充弹性体特点的Leonov粘弹性模型,对钢丝帘线的敷胶过程进行了二维剖面的数值模拟,详细地分析了带束层压延敷胶过程中的流场、剪切速率场和粘性生热效应。结果表明:胶料在钢丝帘线上下分别呈现出“超前速度分布”,胶料-辊筒接触面以及胶料-帘线接触面存在较高的剪切速率;由于高剪切速率的影响,粘性生热效果明显。本文还通过有限元模拟的压力数据,得到了压延理论分析中的单位宽度辊筒分离力,分析了压延速度、胶料温度以及辊筒温度等工艺参数对压延敷胶的影响。此外,通过控制几何模型在脱辊处的胶料厚度,数值模拟了带束层压延粘辊过程,分析了带束层压延粘辊机理,并提出了生产建议。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ336.1
【部分图文】：

示意图,轮胎带束层,辊筒,示意图

Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｆｏｕｒ－ｒｏｌｌ邋ｃａｌｅｎｄｅｒｉｎｇ邋ｏｆ邋ｔｉｒｅ邋ｂｅｌｔ逡逑人们对压延问题己经进行了邋６０多年的研宄。Ｇａｓｋｄｌ［６］最早对二维压延过程逡逑进行了理论分析，分析了压延过程并给出了控制方程。对于牛顿型流体流经对称逡逑两辊筒间隙，取直角坐标系如图１．２所示，设辊距为２说，辊筒表面上各点的坐逡逑标可以表示为ｘ的函数，辊筒半径为见辊筒表面线速度为Ｖ。由于辊筒半径及逡逑远大于执，在辊筒中心不远的流道内，流道宽度变化不大，；ｃ方向是流体流动的逡逑主要方向，＞■方向是剪切应力变化的主要方向。因此，就可以把原本物料在ｘ－ｙ逡逑平面的二维流动简化为只沿ｘ方向的一维流动。这种简化假定称为润滑近似假逡逑定，在此假定下，忽略重力和惯性力，流体的运动方程为：逡逑Ｈ0逦（１－１）逡逑ｄｘ邋ｄｙ逡逑其中，为流体压力，ｃｙ？为切向应力分量。逡逑此，１．２脱处的的坐标；Ｑ是一殊的坐标值，这个位逡逑

示意图,间隙,坐标系,辊筒

／邋Ｂｏｔｔｏｍ邋＼逡逑＼邋ｏｆｆｓｅｔ邋ｒｏｌｌ邋Ｊ逡逑图１．１轮胎带束层的四辊压延敷胶示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｆｏｕｒ－ｒｏｌｌ邋ｃａｌｅｎｄｅｒｉｎｇ邋ｏｆ邋ｔｉｒｅ邋ｂｅｌｔ逡逑人们对压延问题己经进行了邋６０多年的研宄。Ｇａｓｋｄｌ［６］最早对二维压延过程逡逑进行了理论分析，分析了压延过程并给出了控制方程。对于牛顿型流体流经对称逡逑两辊筒间隙，取直角坐标系如图１．２所示，设辊距为２说，辊筒表面上各点的坐逡逑标可以表示为ｘ的函数，辊筒半径为见辊筒表面线速度为Ｖ。由于辊筒半径及逡逑远大于执，在辊筒中心不远的流道内，流道宽度变化不大，；ｃ方向是流体流动的逡逑主要方向，＞■方向是剪切应力变化的主要方向。因此，就可以把原本物料在ｘ－ｙ逡逑平面的二维流动简化为只沿ｘ方向的一维流动。这种简化假定称为润滑近似假逡逑定，在此假定下，忽略重力和惯性力，流体的运动方程为：逡逑Ｈ0逦（１－１）逡逑ｄｘ邋ｄｙ逡逑其中，为流体压力，ｃｙ？为切向应力分量。逡逑此外

曲线,混炼胶,门尼粘度,储能模量

Ｆｉｇ．２．１邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ邋ｏｆ邋Ｍｏｏｎｅｙ邋ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ邋ｏｆ邋ＮＲ邋ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ逡逑２．４．３胶料动态粘弹性能对压延生产性能的影响逡逑图２．２为９＃、１０＃混炼胶分别在７％和７０％应变振幅条件下储能模量的频率逡逑扫描曲线。其中，７％应变振幅与门尼粘度测试的应变值相同，而在７０％应变振逡逑幅下的频率扫描结果能反应胶料在高应变条件下的动态粘弹性能。由图２．２可知，逡逑两种混炼胶的储能模量随频率升高而增大，ＲＰＡ２０００测试中频率的高低对应实逡逑际压延生产中胶料发生形变的频率，即加工速度的快慢，频率越高对应压延速度逡逑越快。当压延速度升高时，ＮＲ混炼胶的储能模量升高，胶料抵抗变形的能力增逡逑强。与应变振幅为７％时两种混炼胶的储能模量相比，应变振幅为７０％时混炼胶逡逑的储能模量值较小，在高频区域弹性模量增长趋势渐缓，这是由于Ｐａｙｎｅ效应的逡逑影响

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