2011年08月25日

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世界轮胎工业技术的发展及我国的应对建议

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世界轮胎工业发展已走过140余年的历史,无论是生产技术、工装检测和产品系列,均日趋完善,世界轮胎大企业之间的技术差异也在逐渐缩小。世界轮胎工业史上新一轮技术革命已开始,轮胎后工业化时代已经来临。

    中国经济的发展,尤其是汽车工业的迅速发展,促进了轮胎工业的发展。加入WTO后,中国市场进一步开放,国外大轮胎企业纷纷进入,我国已成为世界轮胎生产大国,轮胎行业的发展是机遇,更面临着挑战,发展自主知识产权的技术,提高产品技术附加值,提高品牌效应,是根本出路。这就要求众多轮胎企业加强机制创新、管理创新和技术创新。本文主要分析国内外轮胎技术发展情况及我国企业存在差距,提出几点应对意见。

一、国外轮胎技术的新进展

1.子午线轮胎的发展

    各国轮胎的发展与该国汽车的发展密切相关,美国、日本、西欧汽车十分发达,也是轮胎业发达的地区。汽车轮胎已实现100%子午化,以法国为首的西欧国家最早实现子午化,其次是美国(2000年)、日本(2002年),而我国2004年全国子午线轮胎产量超过1亿条,但子午化率仅约52%。国外高性能(HP)和超高性能(UHP)子午线轮胎逐步增多,Z、W、Y速度级轮胎已是常见,以适应现代的轿车一般要求200km/h以上的要求,因而轮胎断面越来越低,轿车已出现了35系列产品,载重汽车也使用了60系列产品。因此,轮胎制造商都将低断面子午线轮胎作为市场竞争的优势,不断开发和生产高档次低断面轮胎。55系列及其以下、速度级为V、Z、W、Y的轮胎,1998年全球销售不到1000万条(922万条),而2003年增长到1815万条,5年中翻了一番。全球高性能轮胎的销售在欧洲占51%,美洲占22%,日本占15%,亚洲/太平洋地区占10%,非洲占2%。

2.特殊产品日益增多

特殊功能的轮胎新产品日益增多,以下为几种典型品种。

(1)智能轮胎

智能轮胎是近年兴起的新产品,通常具有一项或多项功能:

实时监测轮胎充气压力;

通过植入射频标识(FID),可追溯记录从制造到使用的全过程;

自动补充轮胎内压;

实时监测轮胎温升;

实时监测轮胎的受力、变形,向汽车自动驾驶系统提供信息。

这种轮胎已实际投入使用多年,受到消费者的好评。

(2)安全轮胎

这里指的是“跑气保用轮胎”,已商品化的有如下几种:

自体支撑式安全轮胎

A.  需要安装特制轮辋,以日本普利司通的Expedia轮胎-轮辋总成为代表。

B.  不需要安装特制轮辋,如意大利倍耐力的e轮胎和Eufori轮胎、住友的CTT轮胎。 

加物支撑式安全轮胎

A.  需要安装特制轮辋,如法国米其林的PAX系统。

B.  不需安装特殊轮辋,如大陆的CWS轮胎、倍耐力的EMI轮胎。

自体支撑+加物支撑式安全轮胎

自封式安全轮胎

在胎腔密封层内预先涂装或贴足量密封剂。轮胎遭外物刺穿后,密封剂自动堵塞洞孔,阻止轮胎漏气。如大陆的GenSeal轮胎、米其林的Tiger Paw Nailgard轮胎。 

    我国自封式不漏气轮胎就是利用密封层内喷涂一层记忆性高分子材料,效果很好。如天衣轮胎公司已有一些产品上市,华南橡胶轮胎公司则采用胎侧加支撑体。

活节式轮胎

    近几年安全轮胎技术有了新的突破,米其林公司PAX系统取得了实质性的进展,已有10万条轮胎投放市场,中国在这方面也研发了有自己特色的安全轮胎。

(3)防水滑轮胎 

(4)冬用轮胎

    冬用轮胎指的是非镶钉的冬用轮胎,欧洲、北美、日本等都大量使用。我国大部分地区冬天也极需要使用冬用轮胎,以保证汽车在雪地上安全高速行驶。

(5)绿色轮胎

    绿色轮胎是指可降低油耗并可减少汽车废气排放量的轮胎。绿色轮胎技术主要从选择合适的胶种和配合剂改进胎面胶配方入手,再辅以减薄胎体、优化轮胎轮廓等结构设计手段,达到降低轮胎滚动阻力的目的。

    白炭黑在绿色轮胎的胎面胶中应用已很普遍,成为主要补强剂,CB用量降到20PHR以下,而白炭黑达到60PHR以上,                            

3.高新制造技术的进展

    米其林等世界轮胎大公司已纷纷开发出与传统轮胎生产技术不同的创新技术,目前公诸于世的有:

(1)米其林C3M技术

     C3M是Command+Control+Communication&Manufacture的缩写,亦即“指挥+控制+通讯&制造一体化系统”。可节省基本建设投资50%,减少原材料损耗90%。

     C3M技术包含五项创新内容:连续低温混炼、直接挤出橡胶部件、成型鼓上编织/缠绕骨架层、预硫化环状胎面、轮胎电热硫化。

    (2)固特异IMPACT技术

    IMPACT是Integrated Manufacturing Precision Assembly Cellular Technology的缩写,亦即“集成加工精密成型单元技术”。与现有生产线兼容,产品一致性达到100%。IMPACT技术有四大要素(又称4大单元),即热成型机;改进控制技术,提高生产效率;自动化材料输送;单元式制造。

    与传统技术相比,该技术的最大特点是加工精度可提高43%,产品一致性达到100%,提高生产效率70%,裁减用工42%,降低成本20%,减少库存50%,节约原材料15%,缩短硫化时间20%。

    (3)普利司通BIRD技术

    BIRD是Bridgestone Innovative Rational Development的缩写,亦即“普利司通发明的合理改进”,填补了轮胎成品外观检查全自动化的空白。

    BIRD技术包含:①ATMSS系统,即从部件到硫化的自动化制造系统;②AIMS系统,即对轮胎成品实施外观检查的自动化检查系统;③FOA系统,即对整个体系进行实时监测的网络系统。

    BIRD技术的优势在于:生产线结构紧凑,占地面积减少25%~30%;生产规模小型化,盈亏平衡点向下移动10个百分点;适合小批量生产,工厂节能40%,有利于环保。

   (4)大陆MMP技术

    MMP是Modular Manufacturing Process的缩写,亦即“积木式成型法”。与传统工艺技术相比,MMP技术的最大特点是创造出一种贴近市场的新型生产模式,而且可降低生产成本60%。

    该技术的最大特点是:“基本构件生产厂+总装厂”的新模式。平台(基本构件生产厂)设在劳动力成本低的地区,利于降低生产成本;卫星厂(总装厂)设在技术发达的地区或处于市场战略位置的地区,一来保障产品质量,二来达到成品市场就地供货的目的。

    (5)倍耐力MIRS技术

    MIRS是Modular Integrated Robotized System的缩写,亦即“积木式集成自动化系统”。只有3道工序,盈亏平衡下移88个百分点。

    MIRS技术的核心是:①以成型鼓为中心,组织生产;②多组挤出机配合遥控机械手,实现胶料挤出到成型鼓直接成型;③用胎坯气密层代替胶囊进行硫化,亦即无胶囊硫化。

     MIRS技术优势:工厂占地面积缩小80%,基建投资下降15%;生产工序由4道变为3道,成本节约25%,生产效率提高80%;盈亏平衡点由3200条轮胎下降到375条,相当于下移了88个百分点。

(6)三海CCC技术

    CCC是Continuous Cold Compounding的缩写,亦即“低温连续混炼成型技术”,可实现从混炼到胎坯缠绕成型全程低温自动化操作。

    CCC技术的精华集中体现在:①连续低温混炼;②挤出机群构成供料生产线,实现胶料挤出到成型鼓直接成型。

    (7)横滨/东洋不二精工轮胎新工法

    这些技术各有不同特点,但都对现在的传统生产工艺有了新的变革,大大节省了能源,提高了生产效率和轮胎质量水平,已从布点试验进入到全面产业化时期,而我国仍处于空白,差距相当大。

4.轮胎设计理论与方法的进展

    由于有限元分析方法和计算机的发展,已由传统的设计理论发展到许多新的设计理论和方法,如RCOT理论、DSOC-S理论、DSOC-T理论、SCL理论、CSSOT理论、GUTT理论等,将轮胎结构设计从经验、半经验阶段推向数学化、理论化阶段,使设计理念更新,设计深度跨越。我国也开展了这方面的研究工作,并取得一定进展,但基础软件是引进的,还需支付产权使用费。同时在预测技术通过试验验证方面还很缺乏。

二、从具体产品案例看国外技术进展

    在北美、欧洲市场的典型产品中,Smithers公司都做了及时的分析,从分析报告能看出国外轮胎技术进展的一个侧面。

1.胎面花纹

    轮胎的外形设计非常新颖,胎面花纹与轮胎性能有密切关系,特别是轿车轮胎,花纹日新月异。205/55R16和225/40ZR18两种规格轮胎花纹,表现出各公司强劲的开发能力和不断创新的成果。国内也开始重视轮胎的外形设计,但大部分仍是模仿较多,整体创新的不多,这涉及我国开发手段的不足,包括轮胎试验场、噪声试验室、滚动阻力与防滑性能的检测等,只有完整的试验手段,才能真正优化设计新的花纹,才能不断推出新的花样品种。国内轮胎企业、研究院所、大学在这方面力量单薄,有必要联合起来,建立轮胎试验场和较完整的、先进的轮胎试验室,这是我国成为轮胎生产强国必不可少的。

2.材料进展

(1)纤维材料

 芳纶帘线和芳纶复合(混杂)帘线

    由于芳纶的抗张强度是钢丝的5倍,而密度仅为钢丝的1/5,是轮胎的理想骨架材料,世界都很关注芳纶在轮胎中的应用。有报道称,全用芳纶帘线作载重子午线轮胎,大大减轻了轮胎质量。我国也成功地开发了芳纶轿车子午线轮胎,不仅降低了滚动阻力,达到绿色轮胎的标准,同时提高了乘坐舒适性。

    固特异公司将芳纶与锦纶或聚酯复合帘线用于子午线轮胎带束层,通用公司用于工程机械轮胎缓冲层,还有更多公司用于子午线轮胎冠带层,如米其林公司的235/35ZR19、225/40ZR18、225/45ZR17等都用芳纶复合帘线作冠带层,帘线结构为“1500/1两股芳纶+1260/1一股锦纶”,断裂强力达547N,冠带层均采用连续缠绕工艺。芳纶复合帘线在航空轮胎中也得到了应用。

代替人造丝的聚酯帘线

    许多超高性能轮胎仍采用人造丝,随着高性能和跑气保用轮胎的发展,人造丝的需求量增大,如德国Cordenka公司人造丝帘布年产能扩大到3.2万吨。而人造丝的新型代替材料A360聚酯帘线的蠕变性能优于人造丝,易于加工,成本比人造丝低20%以上。该材料值得重视。

(2)钢丝材料

    钢丝帘线的结构、品种繁多,但总的趋势是采用高强或超高强钢丝帘线,结构简单,渗胶性能好,并改善耐疲劳性能。

    钢丝帘线取代胎圈钢丝用于胎圈。如米其林的235/35ZR19、225/45ZR17等采用了3层1*2+7*0.35钢丝帘线作胎圈。

    胎圈钢丝断面为矩形的在载重子午线轮胎中应用,胎圈结构也为矩形,如米其林在11R24.5和385/65R22.5中均采用矩形钢丝2.0×1.3mm分别组成8×5和9×7的矩形胎圈;又如倍耐力在315/80R22.5中采用矩形钢丝2.77×1.35mm组成6×7的矩形胎圈。

(3)白炭黑的大量应用

    在轿车轮胎胎面胶中,补强材料已经以白炭黑为主,这对节省石油资源和减少汽车油耗很有意义。如在235/35ZR19轮胎胎面中,大陆轮胎公司的白炭黑用量达74份(炭黑6份),米其林为65份(炭黑7份)、固特异为51份(炭黑32份)、邓禄普为62份(炭黑16份)。用量如此之大,表明其材料和工艺相当先进。

其次,一些新材料包括环保型助剂的进展,在此不再一一列举。

三、发展我国轮胎行业技术的几点建议

    我国已成为全球轮胎生产的基地,每年生产的轮胎有1/3以上出口到世界各地,约2/3国内消耗。世界大轮胎公司在我国建立了生产厂,并有进一步扩大的强劲势头,中国处于世界轮胎业的“躯干国”地位,消耗大量的能源和材料。综观我国轮胎行业的具体条件,是有可能成为世界轮胎业“首脑国”的,从现在起,就要重视创新,并全面理解创新的含义。要由外延型发展转入内涵型发展,向建设轮胎强国目标发展。现就技术发展方面提出几点建议。

1.关于载重子午线轮胎

    首先在现有基础上,使轮胎质量稳定。根据不同使用条件,形成不同系列产品。改进设计,以提高轮胎翻新率和翻新次数,充分发挥子午线轮胎综合里程高的优越性,从而提高其经济性,也是体现循环经济的战略性要求。

    其次,形成公制无内胎轮胎系列完整的、先进的配套技术,进一步发展品牌战略,逐步提高载重子午线轮胎技术附加值进入国际市场,最终使我国载重子午线轮胎处于世界先进行列。

2.关于轿车子午线轮胎

目前与国外品牌产品有较大差距,开发各种新技术,推出新产品,包括安全轮胎、节能轮胎、冬用轮胎以及各种高性能轮胎等。

在轮胎外型设计和胎面花纹开发方面,需加大投入力度。

    在新材料方面,对合成橡胶、补强材料、胎体骨架材料等开展研究,积极推广新材料,重视环保型、轻质型、可回收型材料的研发。

    其实,在安全轮胎、仿生花纹轮胎等方面,国内已有很多自己的专利技术,有的领先于国外先进水平,需要企业家或金融机构在资金方面给予积极的支持,可以很快实现产业化。总之,在发展轿车子午线轮胎上要有自信,要有创新。

3.关于工艺技术和装备

    目前轮胎生产过程和沿用的装备都是传统型的,国外已经变革并将大规模产业化,对减少能耗、提高生产效率、提高质量、降低成本都具有重要意义。目前国内仍处于单机的设计制造上,应从整个生产过程的角度考虑研发新的联动装置,改变传统的生产工艺。

现将目前较为成熟的对节能减排有显著效果的工艺技术推荐如下:

    (1)开炼低温连续混炼工艺技术

    炼胶工序是轮胎企业能耗最大的一个工序,尤其子午胎胶料一般需三段或者更多混炼次数,即加热—冷却—加热,如此循环,做了许多无用功。如由传统的混炼工艺改为开炼低温连续混炼工艺,则节能效果极佳,胶料质量大大提高,一台密炼机仍用高温(160℃左右)混炼三分钟,就排到第一台混练机在80℃~100℃内加硫,自动倒胶,辊距自动放大,如并联五台开炼机,则每台开炼机有15分钟的加硫时间,最终排到一台开炼机上出片,炼出来的胶料黑亮密实,据三角轮胎实际应用比传统工艺节能27%,轮胎耐磨性提高10%以上,值得在行业中加大推广力度。

(2)电子辐射仪硫化技术

    纤维压延、内衬层生产过程中,采用电子辐射仪硫化技术,这在日美轮胎企业已推广应用,目前我国湖北久瑞核技术有限公司已能制造这种设备,打破了国外的技术垄断。玲珑集团正在安装两条生产线,很快实现产业化,既可以节省大量橡胶资源,也保证了轮胎部件的尺寸精度;首创集团实验表明,该技术可提高高性能子午胎的均匀性、速度性和耐久性。据分析,以年产500万条乘用子午胎的企业为例,每年节省生产成本4796万元。 

(3)充氮高温硫化工艺

    在乘用胎中采用充氮高温硫化工艺已很成熟,内温低于200℃(直接蒸汽16MPa,冲入氮气提高内压),外温采用175℃左右,硫化周期一般在16分钟以内,提高生产效率要一倍以上,节省硫化机投资一半,同时免除了建高压过热水系统的投资,节省大量能源。在载重子午胎中采用充氮高温硫化工艺,只要采用相应的措施,同样也可以实现,国内的双钱、华南已取得了很好的经验。

    以上三项工艺技术在《轮胎十二•五发展规划指导意见》中已明确提出,要求轮胎企业在“十二•五”中实现产业化。

4.关于轮胎试验场

    建议由国家或与地方合作,大轮胎企业联手,尽快建设轮胎试验场,以满足轮胎工业现代化的需求。目前我国原始创新能力不强,重要原因是缺乏科学试验手段的支持。轮胎试验场试验功能较齐全,试验条件稳定,试验方法科学先进,是轮胎理论研究与轮胎实用性能相结合的最佳试验手段和场地,是中国成为世界轮胎强国的重要标志之一。

5.关于轮胎工程中心

   拿来主义”战略在发展我国子午线轮胎生产中已起到了很大作用,但在此基础上,应把战略重点放在自主创新上,开发具有自主知识产权的技术。

    鉴于目前国内轮胎企业的现状,产、学、研的轮胎研发力量分散,自主创新能力不强,建议创建国家轮胎工程研究中心,站在国内和世界技术前沿,形成很强的自主创新能力,有较完善的研发手段,开发先进的轮胎生产技术和设备加工制造技术,乃至新材料开发与应用技术。轮胎工程中心以市场经济运作,建立一支高层次工程技术人员和技术集成人才的队伍,建设成现代科学的人才培养机制基地,成为工程技术人员施展才华的理想平台。这是保证中国轮胎工业可持续发展的需要。

6.开展对废旧轮胎的综合利用

    我国每年将产生成近亿条废旧轮胎,今后的数量将进一步增加,这将对环境造成极大的威胁。开展这方面的综合利用研发具有战略意义,需进行跨行业联合攻关,尤其是胶粉在公路或建筑材料方面的应用应成为重点。政策上鼓励各方面的创新发展,迅速开拓出各种综合利用的途径。