圖：“密煉機(jī)+連續(xù)混煉機(jī)”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(biāo)志。近年來，歐美等發(fā)達(dá)國家通過輪胎標(biāo)簽法、輪胎“雙反”調(diào)查以及技術(shù)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(xué)聯(lián)合益陽橡膠塑料機(jī)械集團(tuán)有限公司、中策橡膠集團(tuán)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(shù)有限公司等單位組建研究團(tuán)隊，成功研發(fā)出高性能子午線輪胎生產(chǎn)體系的關(guān)鍵技術(shù)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(yīng)用，相關(guān)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(shù)基礎(chǔ)。該技術(shù)于日前獲得2024年度中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會科技進(jìn)步一等獎。

據(jù)該成果第一完成人青島科技大學(xué)汪傳生教授介紹，如今全球橡膠輪胎行業(yè)競爭，技術(shù)創(chuàng)新是關(guān)鍵。為此，研究團(tuán)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(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)了技術(shù)裝備、輪胎設(shè)計和工藝技術(shù)三方面的重大創(chuàng)新。

一是技術(shù)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(guān)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(fù)雜度。在混煉時，橡膠容易迅速升溫，進(jìn)而導(dǎo)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(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。此外，剪切變稀現(xiàn)象導(dǎo)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(dǎo)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(shù)的復(fù)雜性和加工難度，也凸顯了行業(yè)迫切需要技術(shù)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(tuán)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(yīng)混煉新機(jī)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(shù)，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(shù)相比，新技術(shù)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(shù)，在益陽橡機(jī)建成國內(nèi)首個密煉機(jī)數(shù)字化制造基地，成為我國橡膠機(jī)械行業(yè)數(shù)字化制造標(biāo)桿。

二是輪胎設(shè)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(jié)構(gòu)。

輪胎是多種材料復(fù)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(yán)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(tuán)隊迎難而上，厘清了輪胎脫層問題主要源于輪胎幾何結(jié)構(gòu)、物理非連續(xù)及使用過程應(yīng)力、疲勞、熱、氧的綜合循環(huán)作用。由此，研究團(tuán)隊首次提出并建立了“輪胎疲勞失效熱力耦合”模型，并結(jié)合自主研發(fā)的熱力學(xué)仿真軟件，創(chuàng)新結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，發(fā)明了系列新結(jié)構(gòu)，解決趾口和胎肩應(yīng)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(jié)構(gòu)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(lǐng)先。

三是工藝技術(shù)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(shù)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?；鞜捘z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(shù)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(tuán)隊凝心聚力，成功構(gòu)建了輪胎全生命周期數(shù)字化設(shè)計管理平臺，開發(fā)了智能制造成套工藝包，形成了智能設(shè)計、智能控制、智能生產(chǎn)的輪胎制造全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)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。