Производство пневматических шин: процесс и компоненты.

Введение

Процесс изготовления шин

Пневматические шины производятся с использованием относительно стандартизированных процессов и оборудования, примерно на 455 шинных заводах по всему миру. С ежегодным производством более 1 миллиарда шин во всем мире, шинная промышленность является крупным потребителем натурального каучука. Производство шин начинается с больших объемов сырья, таких как синтетический каучук (60–70% от общего количества каучука в шинной промышленности), технический углерод и химические вещества, из которых изготавливаются многочисленные специализированные компоненты, которые затем собираются и вулканизируются. Шина представляет собой сборку из множества компонентов, которые наращиваются на барабане, а затем вулканизируются в прессе под воздействием тепла и давления. Тепло способствует реакции полимеризации, которая сшивает мономеры каучука, образуя длинные эластичные молекулы.

Внутренний слой

Внутренний слой изготовлен из каландрированного листа галобутилкаучука с добавками, обеспечивающими низкую воздухопроницаемость. Этот внутренний слой гарантирует удержание шиной воздуха под высоким давлением без использования внутренней камеры, минимизируя диффузию воздуха через структуру резины.

Корпусная пластина

Корпус шины – это календарный лист, состоящий из одного слоя резины, одного слоя армирующей ткани и второго слоя резины. Первым использованным текстилем был хлопок, позже стали применять вискозу, нейлон, полиэстер и кевлар. В пассажирских шинах обычно один или два слоя корпуса. Слои корпуса обеспечивают прочность конструкции шины. Шины для грузовиков, внедорожные и авиационные шины имеют прогрессивно большее количество слоев. Тканевые корды обладают высокой гибкостью, но относительно низкой эластичностью.

Боковые

Боковые стенки — это неармированные экструдированные профили с добавками, обеспечивающими хорошую износостойкость и устойчивость к воздействию окружающей среды. В состав резиновых смесей для боковых стенок входят антиоксиданты и антиозонанты. Экструзия боковых стенок несимметрична и предусматривает наличие толстого слоя резины для формования выступающих букв. Боковые стенки обеспечивают шине устойчивость к внешним воздействиям. Боковая стенка играет важную роль в усилении конструкции шины.

Бусы

Бусы – это ленты из высокопрочной стальной проволоки, заключенные в резиновый состав. Проволока буса покрыта специальными сплавами бронзы или латуни. Покрытия защищают сталь от коррозии. Медь в сплаве и сера в резине образуют химическую связь, в результате которой получается сульфид меди, улучшающий сцепление буса с резиной. Бусы негибкие и неэластичные, они обеспечивают механическую прочность, необходимую для надежной посадки шины на колесо. Резиновый состав буса содержит добавки для максимального увеличения прочности и износостойкости шины.

Вершина

Вершина — это треугольный экструдированный профиль, который примыкает к бусине. Вершина служит амортизатором между жесткой бусиной и гибкой внутренней подкладкой и каркасом. Также может называться "наполнитель" (как показано на диаграмме выше).

Пакет ремней

Пояса – это каландрированные листы, состоящие из слоя резины, слоя плотно расположенных стальных кордов и второго слоя резины. Пояса придают шине прочность и сопротивление деформации от ударов, сохраняя при этом её гибкость. Пассажирские шины обычно изготавливаются с двумя или тремя поясами.

Подтекст

Протектор – это толстый экструдированный профиль, окружающий каркас шины. Составы резиновой смеси протектора содержат добавки для обеспечения износостойкости и сцепления с дорогой, а также устойчивости к воздействию окружающей среды. Разработка состава резиновой смеси протектора – это поиск компромисса, так как составы с высокой твердостью обладают длительным сроком службы, но низким сцеплением, в то время как составы с низкой твердостью обеспечивают хорошее сцепление, но быстро изнашиваются.

Колючая резинка

Многие шины с высокими характеристиками включают экструдированный элемент между каркасом и протектором для изоляции протектора от механического износа, вызванного стальными брекерами.

Другие компоненты

Методы конструирования шин несколько различаются по количеству и типу используемых компонентов, а также по составу резиновых смесей для каждого из них, в зависимости от назначения шины и её ценовой категории. Производители шин непрерывно внедряют новые материалы и методы конструирования для достижения более высоких характеристик при снижении себестоимости.

Производственный процесс

Производство шин традиционно разделяется на пять подразделений, выполняющих специализированные операции. Как правило, они функционируют как самостоятельные предприятия внутри одного завода. Крупные производители шин могут размещать отдельные заводы на одной площадке или группировать заводы в пределах одного региона.

Подготовка компонентов

Компоненты подразделяются на три класса в зависимости от способа производства: каландрирование, экструзия и изготовление бортовок, аналогично производству шин. Экструдер состоит из шнека и цилиндра, шнекового привода, нагревателей и фильеры. Экструдер создает два вида давления. Шнек экструдера также обеспечивает дополнительное перемешивание резиновой смеси за счет сдвигового действия шнека. Резиновая смесь продавливается через фильеру, после чего экструдированный профиль вулканизируется в непрерывной печи, охлаждается для прекращения процесса вулканизации и затем наматывается на катушку или нарезается на заданную длину. Протекторы часто экструдируются с использованием четырехкомпонентного экструдера (квадроплекс), оснащенного четырьмя шнеками, перерабатывающими четыре различных резиновых смеси: обычно базовую, сердечную, резиносмесь для протектора и боковую. Экструзия также применяется для изготовления профилей боковин и внутренних прокладок. Каландр представляет собой систему из нескольких валов большого диаметра, которые сжимают резиновые смеси в тонкие листы, обычно шириной около 2 метров. Тканевые каландры производят верхний и нижний резиновые слои с прослойкой ткани между ними. Стальные каландры делают то же самое, используя стальные корды. Каландры используются для производства корд-слоев и брекеров. Крил-комната – это помещение, в котором размещены сотни бобин с тканью или проволокой, подаваемых в каландр. Каландры используют дополнительное оборудование для обрезки и соединения каландрированных компонентов.

Производство шин

Сборка шин – это процесс монтажа всех компонентов на барабан для сборки шин. Машины для сборки шин (TBM) могут быть ручными или полностью автоматическими. Типичные операции TBM включают в себя первую стадию, на которой внутренний слой, слои каркаса и боковины оборачиваются вокруг барабана, устанавливаются борта, и сборка заворачивается поверх бортов. На втором этапе каркас шины надувается, после чего наносятся пояс и протектор. Все компоненты требуют соединения. Внутренний слой и слои каркаса соединяются с квадратным перекрытием. Протектор и боковины соединяются скошенным соединением, при котором соединяемые концы срезаются под углом. Пояса соединяются конец в конец без перекрытия. Соединения, которые слишком массивные или несимметричные, приводят к дефектам, влияющим на изменение силы, баланс или выпуклость. Слишком слабые или открытые соединения могут привести к визуальным дефектам и, в некоторых случаях, к разрушению шины. Конечный продукт процесса TBM называется "сырой" шиной, где термин "сырой" означает необработанное состояние. Компания Pirelli разработала специальный процесс под названием MIRS, который использует роботов для позиционирования и вращения барабанов сборки под станциями, наносящими различные компоненты, обычно посредством экструзии и намотки ленты. Это позволяет оборудованию производить шины разных размеров последовательно, без необходимости смены инструмента или настроек. Этот процесс хорошо подходит для мелкосерийного производства с частыми изменениями размеров. Крупнейшие производители шин разработали собственные автоматизированные машины для сборки шин, чтобы получить конкурентные преимущества в точности конструкции, высокой производительности и снижении трудозатрат. Тем не менее, существует большое количество производителей машин для сборки шин.

Лечение

Вулканизация – это процесс придания окончательной формы «зеленой» шине путем ее прессования в форме под давлением и воздействия тепловой энергии для стимулирования химической реакции между резиной и другими материалами. В этом процессе «зеленая» шина автоматически перемещается на посадочное место нижней части формы, внутрь шины вставляется резиновая камера, и форма закрывается, при этом камера надувается. По мере закрытия и фиксации формы давление в камере увеличивается, заставляя «зеленую» шину заполнять форму, приобретая рисунок протектора и надписи на боковине, выгравированные на форме. Камера заполняется циркулирующим теплоносителем, таким как пар, горячая вода или инертный газ. Температура составляет около 350 градусов по Фаренгейту при давлении около 350 PSI. Вулканизация пассажирских шин занимает примерно 16 минут. В конце вулканизации давление сбрасывается, форма открывается, и шина извлекается из формы. Шина может быть помещена на пост-вулканизационный надувщик (PCI), который будет поддерживать шину полностью надутой во время охлаждения. Существуют два основных типа вулканизационных прессов: механические и гидравлические. Механические прессы удерживают форму закрытой с помощью рычажных механизмов, в то время как гидравлические прессы используют гидравлическое масло для привода машины и фиксируют форму с помощью затворного механизма. Гидравлические прессы оказались наиболее экономически эффективными, поскольку конструкция пресса не должна выдерживать давление при открытии формы и, следовательно, может быть относительно легкой. Существуют два основных типа форм: двухсоставные и сегментные. Крупногабаритные внедорожные шины часто вулканизируются в печах со временем вулканизации, приближающимся к 24 часам.

Окончательная отделка

После вулканизации шины проводятся несколько дополнительных операций. Измерение однородности шины – это испытание, при котором шина автоматически устанавливается на половинки диска, надувается, испытывается на имитированной дорожной поверхности и измеряется изменение усилия. Измерение балансировки шины – это испытание, при котором шина автоматически устанавливается на половинки диска, вращается на высокой скорости и измеряется дисбаланс. Шины для крупногабаритных грузовиков и автобусов, а также некоторые легковые и грузовые шины, проверяются с помощью рентгеновских аппаратов или машин, использующих магнитную индукцию, которые способны проникать сквозь резину для анализа структуры стального корда. На заключительном этапе шины визуально осматриваются для выявления многочисленных дефектов, таких как неполное заполнение формы, открытый корд, пузыри, дефекты поверхности и другие.

Производители шин

Для списка компаний, производящих шины, обратитесь к статье Список компаний по производству шин, а для рейтинга крупнейших производителей шин – к статье Список крупнейших производителей шин.

Карциногенное воздействие в промышленности по производству шин

При производстве резиновых шин образуются различные канцерогенные вещества, в том числе нитрозамины и дибензопирены.