轮胎微波硫化的影响因素分析及温度场模拟

摘要

硫化是轮胎等橡胶制品在制造加工过程中必不可少的一道工序，对橡胶等制品的实际应用具有非常重要的意义。目前，传统的轮胎硫化方式主要有直接蒸汽硫化罐硫化、热空气硫化和过热水压力硫化。这些传统的硫化方式主要依靠热传导将热量逐渐传到轮胎内部。因此，对轮胎这样热的不良导体而言，不可避免地会延长硫化时间。如果要提高硫化效率就必须提高外部热源的温度，由此又会导致轮胎外部烧焦而内部不熟的现象，这样会大大降低轮胎的使用性能。
　　微波硫化是一种新型的橡胶硫化方式，主要是借助于微波硫化的绿色化、高效性、可连续化生产优势，使橡胶制品在外加高频电磁场的作用下，内部偶极子发生旋转，产生一种“类摩擦”的作用，最终以热的形式释放出来。因此，不同于传统依靠热传导进行硫化的方式，微波硫化的速度更快，效率更高。因此，设计一种专用于轮胎硫化的微波加热装置具有重要的现实意义。在本文中，为了为今后设计轮胎微波硫化装置提供参考与指导，主要是对以下几个方面进行了相关研究:
　　(1)根据谐振腔的模式数、简并比、品质因数等参数以及电磁场、温度场建立合适的微波谐振腔模型，并对所建模型进行结构优化，发现对谐振腔切除一定半径的圆角，可以增强微波聚能的效果。
　　(2)研究了单、双波导及其放置角度等微波硫化装置结构对微波硫化效果的影响，发现在微波入射功率一定的前提下，双波导相比单波导的加热效率更高，受热物料的温度分布更为均匀。
　　(3)研究了微波入射频率、功率及双波导功率分配等可调工艺参数对微波硫化效果的影响，发现微波的入射功率增大可以加快受热物料的温升速率，而对微波加热效率基本无影响，而且双波导的功率分配一致性越强，微波的加热效果越好。
　　(4)研究谐振腔内受热胶料的电磁参数和热物性参数以及胶料反应热对微波硫化过程中电场、温度场及温升的影响。最终发现:热物性参数主要影响受热物料的温升速率，而对温度分布基本无影响;而电磁参数主要影响其温度分布，其中主要是介电常数的贡献。最终确定:为增加模拟结果的可信度需限定微波入射频率，且不可忽略各胶料的热物性参数以及胎面、胎肩、带束层胶料的反应热对微波硫化效果的影响。
　　(5)对轮胎微波硫化装置进行改进，设置多波导功率可调式微波硫化装置，使之可以通过调节各个波导的功率实现对轮胎不同部位、不同性质、不同厚度的胶料进行选择性的热量供给。

目录

摘要

1 绪论

1．1 橡胶的硫化

1．2 各种硫化方式及其优缺点

1．3 微波概述

1．4 微波加热的机理及特点

1．5 微波加热器件组成

1．6 国内外在微波硫化橡胶的发展情况

1．7 微波谐振腔的基本特性参数及约束条件

1．8 本课题的研究内容与方案设计

2 小型单耦合口橡胶微波加热腔的模拟

2．1 箱型橡胶微波谐振腔尺寸选择

2．2 传热模拟研究

2．3 模拟结果与讨论

3 波导及可调工艺参数对微波加热效果的影响

3．1 不同圆角半径下波导放置角度对微波加热效果的影响

3．1．1 建立模型

3．1．2 模拟结果与讨论

3．2 单、双波导配合谐振腔不同圆角半径的加热效果比较

3．3 单波导功率对微波加热效果的影响

3．4 微波频率对微波加热的影响

3．5 双波导功率分配对微波加热的影响

3．6 波导尺寸对微波加热的影响

3．7 本章小结

4 箱体式谐振腔中胶料物性参数对模拟结果的影响

4．1 胶料电磁参数的影响

4．1．1 电磁参数的实验测定

4．1．2 胶料损耗角正切值随微波频率的变化

4．1．3 胶料介电常数随微波频率的变化

4．2 胶料热物性参数的影响

4．2．1 胶料热物性参数的实验测定

4．2．2 胶料热物性参数对微波加热的影响

4．3 胶料反应热对微波加热模拟的影响

4．4 本章小结

5 轮胎箱体式微波硫化模拟优化

5．1 轮胎简化模型及其参数

5．2 轮胎箱体式微波硫化的模拟

5．3 成因分析

5．4 解决方案

5．4．1 模型建立

5．4．2 多波导功率可调型微波硫化的数值模拟

5．5 与传统硫化工艺的比较

5．6 本章小结

6 总结与展望

6．1 本研究的创新点

6．2 本研究的主要结论

6．3 展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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