在轮胎硫化过程中，需要在硫化机上下热板、活络模具的模套汽室及中心机构的胶囊中通入蒸汽，对轮胎胎坯进行加热硫化。硫化过程中经常出现模具零件与胎坯接触的型腔面上下温度不均匀的情况，影响轮胎的硫化质量。
现利用有限元热传递分析模块，分析轮胎硫化过程中模具温度场的分布情况，针对分析结果对模具结构进行优化，改善模具在使用过程中的热传递效率和模具的受热的均匀性。有限元分析技术在轮胎模具中的应用可使模具的优化设计更加直观、可控，对轮胎硫化质量和硫化效率的提升提供保障。
1.上盖 2.上侧板 3.上滑块 4.上盖开滑板 5.上盖闭滑板 6.安装环 7.上热板 8.模套 9.导向条 10.滑块 11.模套滑板 12.底座 13.底座滑板 14.花纹块 15.下侧板 16.下热板
基于Workbench有限元分析软件，对常见的规格11R22.5轮胎活络模具的预热过程进行热传导有限元分析。使用Solidworks进行轮胎活络模的三维建模，然后将模型导入有限元分析软件中，考虑轮胎活络模具的对称性，取三维模型的1/9进行模拟分析，图1所示为轮胎活络模具的基本结构。在Workbench中设定轮胎模具各零件的材料属性，如表1所示。有限元模型采用正六面体划分网格，网格划分完成后，共生成1015999个节点，655053个单元，单元大小10mm。有限元模型边界条件的设置为上热板、下热板以及模套汽室提供的热源温度为150℃；模具外圆部位与外界有热辐射。
设置模具预热时间为4h，即预热14400s左右后，模具温度可达到稳定状态，随着时间推移，温度变化轻微。在模具使用过程中，由于花纹块和上下侧板是与轮胎胎坯直接接触的零件，这些模具零件的温度变化将直接影响轮胎的硫化质量，现以最具代表性的花纹块为试验对象，分析模具的预热温度变化对轮胎硫化质量的影响。图2所示为预热4h后的花纹块不同位置的温度云图。图3所示为花纹块最低和最高温度随时间变化的曲线。表2所示为花纹块在不同的预热时间点的最低温度与最高温度的变化情况数据记录。
模具温度达到稳定状态后，花纹块的最高温度位于上口径处为147.24℃，最低温度位于下口径背面为139.94℃，下口径处温度约为144.56℃，花纹块上、下口径温差约3℃，花纹块型腔面温差大约为6℃。这种温度场分布对轮胎硫化不利，可能会出现温度高的位置过硫现象，温度低的位置欠硫、窝气现象，影响轮胎硫化质量。
热能传递方式有3种：热对流、热辐射、热传导，其中热传导的热传递效率最高。在模具预热的过程中，3种热传递方式都存在，从传递效率方面考虑，应充分利用热传导方式进行模具零件间的传热，同时降低模具外表面与外界环境的热辐射和热对流。现主要从模套汽室的结构、位置，滑块和模套滑板、底座滑板的配合位置以及模套和底座的间隙等方面进行结构优化。
模具结构的优化结果有以下几方面：模套滑板与滑块的接触面积增加15%，提高模套汽室热量传递给花纹块的效率；底座滑板与滑块的接触面积增加10%，提高下热板热量传递给花纹块的效率；优化模套与底座结构，减小模套和底座的间隙，从而减少模具与外部环境的热对流、热辐射；改进模套结构，增加模套汽室容积，并将模套汽室下移，从而增加热源能量，缩短热传递路线。优化后的模具结构如图4所示。
模具预热4h左右，模具整体温度达到稳定状态，再随着时间推移，温度变化轻微。图5所示为预热4h后的花纹块不同位置的温度云图。图6所示为花纹块最低和最高温度与时间的关系曲线。表3所示为优化后花纹块在不同的预热时间点的最低温度与最高温度的变化情况数据记录。
模具温度达到稳定状态后，花纹块的最高温度位于上口径处为149.47℃，最低温度位于型腔中心线以下为147.04℃，下口径处约为148.80℃，花纹块上、下口径有0.7℃温差，花纹块型腔面有1.6℃的温差。模具温度达到稳定状态后，花纹块上、下口径及整个型腔面的温差很小，有效降低了模具温差对轮胎硫化质量的影响，使轮胎的硫化质量得到提高。
通过对轮胎活络模具的预热过程进行热传导有限元分析，模拟了轮胎模具的预热升温过程，为轮胎实际硫化前预热过程的控制提供指导，分析的数据对轮胎模具结构进行优化能提供帮助。
分析结果也证明，通过增加滑块与模套滑板、底座滑板的配合面积，能够提升模具硫化过程中的热传递效率；通过增加模套汽室容积，并将模套汽室位置下移，减小模套与底座间隙等措施，能够将模具花纹块型腔面各位置的温差降低为原来的26.7%，将温差控制在1.6℃以内；同时，将花纹块型腔面最低温度提高7.1℃，最高温度提高2.2℃，使模具零件与胎坯直接接触的型腔面温度更均匀，对提高轮胎硫化效率、提高热量利用率以及提升轮胎硫化质量有帮助。
▍原文作者:刘志兰1,2、张伟 1,2、赵阳1
▍作者单位：1.山东豪迈机械制造有限公司；2.山东省轮胎模具关键技术重点实验室
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