Способ модульного производства крупногабаритных пневматических шин

В.Е. Евзович, канд. техн. наук, чл./корр. АПК

А.С. Барсегян, директор ООО «СП/Сервис» (сервисная компания по КГШ шинам)

В.Е. Шехтер, инженер/технолог шинного производства

Cегодня СКГШ в России не изготавливают. Растущую потребность отечественных предприятий (в первую очередь горнорудной промышленности, добычи ископаемых открытым способом) – удовлетворяют поставками КГШ и СКГШ радиальных конструкций ведущих мировых компаний – Bridgestone, Michelin, Goodyear, Triangle [1].

Стоимость этих шин, включая таможенные расходы, чрезвычайно высокая. Цена каждой превышает цену легкового автомобиля средней мощности. Например, цена шины 33.00R51 указанного эталона – 1320 тыс. руб. Затраты на СКГШ, наряду с топливом, являются наиболее расходными статьями при эксплуатации специальной техники (вторая статья в бюджете горнодобывающего предприятия).

Менее дорогие крупногабаритные шины других производителей из года в год теряют свои позиции в России из-за относительно небольших пробегов [1]. Одна из причин снижения долговечности КГШ и СКГШ – их недостаточная однородность. При изготовлении шины традиционным способом во время её вулканизации в процессе формирования рисунка протектора резиновая смесь затекает в углубления гравировки рабочей поверхности пресс-формы и увлекает резиновую смесь подканавочного слоя, нарушается его толщина вдоль профиля шины. Особенно у шин с глубоким расчленённым рисунком протектора в плечевой зоне. У радиальных шин с таким рисунком возможно смещение нитей корда брекера, подъём его кромок (рис. 1а). Нарушается однородность шины, падают её эксплуатационные свойства, долговечность и ремонтопригодность. Характерно для СКГШ .

Рис. 1 Срезы серийных (а) и модульных (б) шин: 1 – протектор; 2 – подканавочный слой из белой резины; 3 – брекер; 4 – каркас

Рис. 1 Срезы серийных (а) и модульных (б) шин: 1 – протектор; 2 – подканавочный слой из белой резины; 3 – брекер; 4 – каркас

Неоднородность шины способствует возникновению локальных очагов повышенного теплообразования и разрушения шины. Особенно это опасно для высоко-нагруженных крупногабаритных шин, склонных к перегреву до температуры выше критической. Теплоотвод от их внутренних слоёв крайне ограничен, вследствие большой толщины стенок шины и ее массы (от 1,3 до 5 т), обусловленной массивностью каркаса и брекера, выдерживающих нагрузки от 18 до 63 т, и тяжёлым протектором (30-40% всей массы шины).

Большая толщина покровной резины крупногабаритных шин, особенно в плечевой зоне, препятствует выходу (диффузии) из каркаса газообразных веществ: воздуха, захваченного при сборке шины, паров растворителя клея, не успевших улетучиться, водяных паров и газов, образующихся во время вулканизации, являющихся причиной внутренних дефектов (пузырей, расслоений, пористости).

В России были созданы современные предприятия по восстановительному ремонту крупногабаритных шин формовым и бесформовым (горячим и холодным) способами [2]:

- «Поволжская шинная компания» (ПШК) (Тольятти, Самарская обл.) – применяет формовой способ восстановления с вулканизацией шины в секторной пресс-форме, как в производстве новых шин;

- «Экопромсервис» (Кемерово) – восстановление шин бесформовым «горячим» способом с наложением протектора навивкой узкой ленты резиновой смеси, вулканизацией в автоклаве и последующей нарезкой рисунка протектора;

- «Ретрейдинг Технолоджи Сервис» (РТС) (Всеволожск, Ленинградская обл.) – восстанавливает шины бесформовым «холодным» способом с наложением секторов вулканизованных протекторов методом Rosler. Однако, шины восстановленные методом Rosler в зарубежной и российской практике не нашли применения в тяжёлых условиях горнодобывающих предприятий. Из-за трудностей сбора ремонтопригодных крупногабаритных шин созданные мощности по их восстановлению используются неэффективно, менее 40%, и находятся в сложном положении [1].

Преодолеть указанные трудности и недостатки, снизить затраты на КГШ и СКГШ у их потребителей и устранить импортозависимость последних может «модульное» производство шин, подробно изучавшееся в НИИ шинной промышленности, в т.ч. способ «двухстадийной сборки и вулканизации шин» [3, 4]: сначала собирают и вулканизуют в «гладкой» пресс-форме (без гравировки рабочей поверхности) не полную заготовку шины – «модуль» – без протектора и с уменьшенной толщиной подканавочного слоя и боковины, а затем полностью собранную шину вулканизуют в серийной секторной пресс-форме. В первой стадии исключается указанное выше течение резиновой смеси во время вулканизации модуля, облегчается «выход» газов через тонкий слой его покровной резины. Все конструктивные элементы шины фиксируются в заданном при сборке положении, которое не изменяется в процессе второй стадии производства модульной шины (рис. 1б).

Табл. 1 Масса покровной резины крупногабаритных шин (по данным [6])

Табл. 1 Масса покровной резины крупногабаритных шин (по данным [6])

В результате получают шину с повышенной однородностью, хорошими эксплуатационными качествами и высокой ремонтопригодностью.

В настоящей статье рассматриваются особенности технологического процесса производства модульных КГШ и СКГШ, их эффективность для изготовителей и потребителей, порядок и условия экспериментальной проверки эффективности модульного производства.

Табл. 2 Расчёт эффективности модульного способа производства СКГШ 33.00R51 на примере ГОКа в Красноярском крае средней мощности

Табл. 2 Расчёт эффективности модульного способа производства СКГШ 33.00R51 на примере ГОКа в Красноярском крае средней мощности

Представляется наименее затратный способ изготовления опытных модульных шин в два этапа:

1 этап – производство «модуля», на шинном заводе-изготовителе сравнительно дешёвых СКГШ 33.00R51 радиальной конструкции (в Китае, Индии, Белоруссии), например на заводе СКГШ в СНГ, шины 33.00R51 которого при цене почти на 40% меньше цены эталона (табл. 2) имеют ограниченный сбыт в России;

2 этап – изготовление модульной шины – на ШРЗ в России.

Таким образом, в перспективе будут импортировать не готовые шины, а их заготовки (полуфабрикаты – «модули»), при нулевой таможенной пошлине. Изготовление из этого полуфабриката собственно модульной шины в России одновременно с повышением качества СКГШ будет способствовать их импортозамещению, постепенному переходу к отечественному производству СКГШ, созданию дополнительных рабочих мест и полной загрузке имеющихся мощностей ШРЗ.

1. Особенности опытного модульного производства КГШ и СКГШ в два этапа

1.1. Изготовление опытных модулей на шинном заводе - изготовители КГШ и СКГШ

Шинный завод (ШЗ) изготовит модули по принятой технологии серийного производства крупногабаритных шин [5] с использованием имеющегося штатного комплекта оборудования, дополненного «гладкой» пресс-формой, для вулканизации модуля. Пресс-форма несекторная с экваториальным разъёмом и негравированной рабочей поверхностью соответствующего профиля. Стоимость таких пресс-форм и их обслуживания, по меньшей мере, вдвое ниже стоимости секторных пресс-форм, применяемых в традиционной технологии [1, 6].

Изготовленный ШЗ «модуль» содержит все элементы шины, кроме беговой части протектора, примерно, половины толщины боковин и подканавочного слоя, которые составляют около 40% массы крупногабаритной шины (табл. 1).

Доля стоимости резин, без которых изготавливают модули, составляет примерно 30% стоимости новых серийных шин [6]. Осуществляют не полную вулканизацию внутренних слоёв модуля.

Известно, что для получения монолитного резинового изделия без пор, степень его вулканизации в пресс-форме при необходимом давлении должна быть в пределах 30–40% оптимума [2, с.477; 5, c.353.]. Кроме того, поскольку период нагревания заготовки до нужной температуры (основная доля режима вулканизации СКГШ) пропорционален массе изделия, время подвулканизации модуля в 2–3 раза меньше режима вулканизации серийной шины (даже при полуторном запасе). Соответственно, более, чем вдвое снижаются расходы энергоносителей, вулканизационных диафрагм и др. расходных материалов. Вместе с тем, при этом степень вулканизации наружной и внутренней поверхностей модуля достигают оптимума. Наружная поверхность модуля пригодна для механической обработки при изготовлении модульной шины, а вулканизованный внутренний слой позволяет применять экономичный бесформовой и прогрессивный бездиафрагменный формовой способы вулканизации модульных шин в ШРЗ.

Изготовленные ШЗ модули по указанным выше причинам будут отличаться более высокой однородностью и стабильным качеством по сравнению с шинами, выпускаемыми ШЗ традиционным способом; понижается вероятность появления во время вулканизации внутренних дефектов (раковин, расслоений, пористости и др.), вызываемых газообразными веществами (см. выше); сокращаются производственные потери на изготовление отбраковываемой продукции и её переработку; снижается выделение в атмосферу вулканизационных и др. газов пропорционально уменьшению массы модуля по сравнению с серийными шинами.

ШЗ будет выпускать крупные партии однотипных модулей вместо мелких партий разных моделей серийных шин, которые изготовят на втором этапе производства модульных шин, – в ШРЗ.

Существенно снижаются затраты на обслуживание, переналадку оборудования с модели на модель изготавливаемых шин. Обеспечивается стабильная централизованная поставка продукции на российский рынок крупным потребителям (ШРЗ). Облегчаются проблемы логистики, сбыта и хранения готовой продукции.

ШЗ поставит ШРЗ модули в комплекте с материалами, применявшимися в их производстве и необходимыми для завершения сборки модульной шины.

Производство модулей, наряду с отмеченным улучшением качества продукции и экологической безопасности, позволит повысить технико-экономическую эффективность ШЗ. С учётом только факторов, связанных со снижением массы и режимов вулканизации модулей, по сравнению с серийными шинами затраты на изготовление модулей КГШ, СКГШ оцениваются на уровне 60% стоимости серийных шин [6]. Можно ожидать, что на практике себестоимость производства модулей будет заметно ниже. Ожидаемая цена модуля 33.00R51 составит 400 тыс. руб, или 48,5% цены её новой шины (см. табл. 2), а шин 27.00R49 – 262 тыс. руб. (47,6%) [1].

1.2. Изготовление опытных модульных шин на ШРЗ, освоившим восстановительный ремонт КГШ и СКГШ

Изготовление опытных модульных шин: наложение на модуль полученных от ШЗ резиновых смесей (прослоечной, брекерной, протекторной, боковин) и вулканизацию шины – проведут на ШРЗ с использованием имеющегося оборудования по его технологии со следующими изменениями:

Исключены из технологического процесса:

- сбор ремонтопригодных шин, их мойка, сушка, разбраковка;

- ремонт местных повреждений (для СКГШ трудоёмкость сопутствующего ремонта многочисленных повреждений составляет 85–90% от всей трудоёмкости их восстановления), исключается расход материалов на выполнение этой операции.

Удаление остатков изношенного протектора и шероховка (обычно до середины подканавочного слоя и боковин) заменены менее затратной тонкой шероховкой (зачисткой) поверхности покровной резины модуля глубиной до 1,5 мм снижается загрязнение окружающей среды (шероховальными газами и пылью), характерными для восстановительного ремонта, особенно крупногабаритных шин.

Удешевляется процесс вулканизации:

- сокращаются режимы вулканизации модульных шин на долю степени подвулканизации модуля и, соответственно, уменьшаются расход энергоносителей и выделения вулканизационных газов;

- снижается опасность расслоений и др. дефектов во время вулканизации из-за избыточной влажности каркаса, свойственной изношенным, восстанавливаемым шинам.

В результате по сравнению с восстановлением шин, примерно, вдвое уменьшаются собственные технологические затраты ШРЗ на производство модульных шин; снижаются отходы производства, загрязнение окружающей среды на указанных технологических операциях и, в т.ч., отбракованными шинами с эксплуатационными и производственными дефектами.

Существенная особенность технологического процесса производства модульных шин – выполнение операции обрезинивания его поверхности непосредственно после её механической обработки – «зачистки» абразивным инструментом (бархатной шероховки).

Указанная «зачистка» модуля наряду с удалением с его поверхности окисленной плёнки, образующейся в период после его изготовления, и созданием развитого микрорельефа, повышающего площадь контакта с накладываемой резиновой смесью, инициирует образование химически активных центров – свободных радикалов молекул полимера, обеспечивающих высокую прочность связи с резиновой смесью [2, с. 45]. При традиционной технологии восстановления шин после их шероховки, в период длительного сопутствующего ремонта местных повреждений, радикалы быстро окисляются и практически теряют свою реакционную способность ещё до защитного обрезинивания подготовленной поверхности.

Модуль не требует местного ремонта. Обрезинивание свежезашерохованного модуля непосредственно после механической обработки позволяет сохранить его поверхностную активность и, соответственно, достичь максимальной прочности связи.

Рис. 2 Образец сборочного станка Base Consructor фирмы VMI Group для «обрезинивание каркаса» КГШ и СКГШ

Рис. 2 Образец сборочного станка Base Consructor фирмы VMI Group для «обрезинивание каркаса» КГШ и СКГШ

Первое и обязательное условие получения высокой прочности связи между модулем и накладываемой на него резиновой смесью – их полный, плотный контакт, достигаемый затеканием резиновой смеси в мельчайшие углубления развитого микрорельефа шерохованной поверхности.

Полный контакт резиновой смеси с каркасом при сборке шины обеспечивает прогрессивный метод обрезинивания каркаса перед наложением протектора – метод «СТС» (Cushion to Casing, прослойка к каркасу) фирмы VMI Group (Голландия) [2, с. 387]: путём прямого шприцевания на подготовленную поверхность короны каркаса наносят тонкий слой адгезивной резиновой смеси (прослоечной, брекерной) температурой 80–95°С. При этом за счёт «вращающегося запаса» смеси перед профилирующей гранью формующей головки экструдера резиновая смесь буквально «вмазывается» в рельеф шерохованной поверхности каркаса, достигается полный, плотный контакт смеси с каркасом, затекание её в мельчайшие углубления шерохованной поверхности без какого-либо захвата воздуха, наблюдаемого при традиционной технологии. Обеспечивается высокая прочность связи.

Этот способ не нашёл применения при восстановлении СКГШ из-за большого числа их крупных сопутствующих повреждений. В описываемом модульном способе производства этого препятствия нет. Компанией VMI создана установка Base Constructor для «обрезинивания» каркасов КГШ и СКГШ (рис. 2), которую можно с успехом применять на втором этапе сборки шины с последующим наложением протектора методом «Orbitread» (рис. 3).

Рис. 3 Наложение протектора навивкой узкой лентой резиновой смеси методом «Orbitread»

Рис. 3 Наложение протектора навивкой узкой лентой резиновой смеси методом «Orbitread»

Метод «СТС» существенно повысит производительность и качество сборки. Достигаемая максимальная прочность связи адгезивной резиновой смеси с поверхностью модуля позволяет исключить операцию нанесения клея.

Кроме изложенных выше, важными факторами, определяющими качество шин, являются запас работоспособности каркаса и совместимость соединяемых материалов: - каркас восстанавливаемых ШРЗ шин, как правило, ослабленный (утомлённый) в процессе их доремонтной эксплуатации, с многочисленными механическими повреждениями имеет ограниченную работоспособность. Модуль не имеет этих недостатков;

Рис. 4 Установка для вакуумной ширографии КГШ и СКГШ в условиях производства ООО «Поволжская шинная компания» (Тольятти, Самарская обл.)

Рис. 4 Установка для вакуумной ширографии КГШ и СКГШ в условиях производства ООО «Поволжская шинная компания» (Тольятти, Самарская обл.)

- при совулканизации резиновой смеси с каркасом восстанавливаемых шин разных изготовителей с разной рецептурой покровных резин, подвергшихся старению в процессе доремонтной эксплуатации, невозможно обеспечить совместимость соединяемых материалов и прочность связи между ними, аналогичную изготовлению модульной шины с использованием резиновых смесей, применявшихся при изготовлении модуля и полностью совместимых с его покровной резиной. Гарантией качества опытных модульных шин послужит неразрушающий контроль каждого модуля и готовой шины современным способом – вакуумной ширографии КГШ и СКГШ на уникальной установке в ПШК (рис. 4), в которой лазерным лучом сканируют внутреннюю поверхность шины при атмосферном давлении и в вакууме. По взаимному наложению полученных голограмм выявляют самые мелкие (до 5 мм) скрытые внутренние дефекты (расслоения, пузыри, пористость, инородные включения, очаги коррозии металлокорда, его смещения и другие нарушения однородности), которые нельзя обнаружить другими известными способами неразрушающего контроля.

В итоге, существенно повышается качество продукции ШРЗ. Можно с уверенностью принять пробег модульной шины не менее ныне достигнутого уровня ходимости восстановленных шин: 80% наработки эталонной новой шины в тех же условиях [1, 3, 4]. Вместе с тем можно ожидать пробег 100%, требующий экспериментальной проверки.

Себестоимость модульной шины 33.00R51, включая стоимость ее модуля – 400 тыс. руб. [1, 6], будет 556 тыс. руб. Допустимо принять отпускную цену этой модульной шины в размере 50% стоимости эталона (660 тыс. руб.), т.е. на нынешнем уровне цен их восстановительного ремонта. При этом рентабельность ШРЗ будет 18,6%.

Ритмичная поставка на ШРЗ основного сырья (модулей и резиновых смесей для завершения сборки модульной шины) освобождает его от зависимости неэффективного сбора ремонтопригодных изношенных шин, обеспечивает загрузку его мощностей и возможность полного удовлетворения потребности ГОКа средней мощности в модульных шинах (750 шт. в год), заменяющих используемые им эталонные шины. При этом прибыль завода составит 78 млн руб. в год (см. табл.2).

2. Технико-экономическая эффективность модульных шин для их производителей

Горнодобывающее предприятие с переходом на использование модульных крупногабаритных шин, освободится от импортозависимости в обеспечении потребностей в КГШ и СКГШ, снизит свои затраты на шины. Вместо дорогостоящих импортных шин получит не уступающие им аналогичные модульные шины, выпускаемые отечественными ШРЗ, с существенно меньшей ценой. Исключит потери, связанные с дальними перевозками шин из-за рубежа и таможенными расходами.

Выпуск качественных шин на ШРЗ, приближенных к потребителям, позволит полнее и мобильнее удовлетворять их запросы в части оперативной поставки шин требуемых моделей, так как обеспечивается возможность мелкосерийного производства при, сравнительно, небольших трудовых затратах на переналадку оборудования. Улучшается обратная связь с потребителем в вопросах повышения качества шин, рассмотрения претензий и информаций о пробегах шин разных моделей в конкретных условиях эксплуатации.

В табл. 2 представлены результаты расчёта прогнозируемой эффективности модульных шин на примере ГОКа средней мощности в Красноярском крае с ежегодным потреблением эталонных шин 33.00R51 – 600 шт. в год. Принимается, что цена модульной шины – 50% цены эталона, а её пробег – 80% пробега эталона, т.е. на уровне пробегов и цен сегодня восстанавливаемых СКГШ (см. выше). При этом стоимость 1 км пробега модульной шины 33.00R51 по сравнению с эталоном снижается на 3,992 руб/км или на весь её пробег – на 495 тыс. руб/шт., а экономия на весь годовой объём потребления ГОКом эталонных шин 33.00R51 600 шт. в год составит 297 млн руб. (37,5% от сегодняшних затрат ГОКа на шины, см. табл. 2). Ежегодно в РФ импортируется около 7700 шин 33.00R51 в год [1], поэтому экономия составит 3,8 млрд руб. в год.

Кроме того, в оценке эффективности производства модульных шин, следует учитывать повышение ремонтопригодности по сравнению с серийными шинами в силу их однородности и, соответственно дополнительное снижение стоимости 1 км пробега шин.

Заключение

1. Двухэтапный способ производства модульных шин позволит повысить однородность и работоспособность шин, снизить импортозависимость горнодобывающих предприятий в обеспечении СКГШ. Улучшит экологическую безопасность.

Создание собственного завода СКГШ требует больших финансовых затрат, времени и сегодня не реально. Предложенный способ, требует минимальных капиталовложений – используются имеющиеся мощности и их штатное оборудование.

Производство модульных шин отечественными ШРЗ из сравнительно дешёвых полуфабрикатов – «модулей», наряду с ускорением импортнозамещения, будет способствовать созданию дополнительных рабочих мест, загрузке имеющихся мощностей ШРЗ и постепенному переходу к полному циклу производства СКГШ в России.

Прогнозируется высокая эффективность для производителей и потребителей модульных шин.

2. Приведенные в статье расчёты и прогнозы ожидаемого эффекта подлежат экспериментальной проверке по результатам сравнительных испытаний модульных и серийных шин.

Опытные модульные шины изготовят описанным наименее затратным способом: модули 33.00R51 изготовят на шинном заводе в СНГ, сравнительно недорогие крупногабаритные шины которого имеют ограниченный спрос в России; опытные модульные шины – изготовят в России на ШРЗ формовым и (или) бесформовым горячим способом. Сравнительные лабораторно-стендовые испытания головных образцов модулей и модульных шин проведут по методикам оценки качества серийных шин (их однородности, работоспособности, соответствия требованиям действующих стандартов на КГШ и СКГШ). Предполагается в Поволжской шинной компании осуществить голографический контроль однородности и внутренних дефектов всех модулей и модульных шин на имеющемся ширографе для КГШ и СКГШ. Эксплуатационные испытания проведут в условиях работы горнодобывающих предприятий, обслуживаемых указанными ШРЗ и использующих аналогичные шины традиционного производства ведущих мировых фирм, а также партии серийных шин производства шинного завода – изготовителя опытных модулей.

По результатам практики изготовления опытных партий модульных шин и их испытаний будет оценен фактический уровень их технико-экономической эффективности для производителей и потребителей, степень экологической безопасности (снижение загрязнения окружающей среды), выбран наиболее эффективный способ производства модульных шин.

3. Затраты на изготовление и испытание модульных шин 33.00R51 составят 10 млн руб., в т.ч. изготовление и лабораторно-стендовые испытания головных образцов – 3 млн руб. Возможно проведение предварительных испытаний модульных шин 24.00R35, для которых указанные затраты составят, соответственно, 4,0 и 1,5 млн руб.

Во всех случаях включена стоимость изготовления «гладких» прессформ для вулканизации модулей 33.00R51 – 1800 тыс. руб., 24.00R35 – 760 тыс. руб. [1].

Литература:
1. Барсегян А.С. Директор ООО «СП-Сервис»: Сведения о поставках и использовании КГШ шин в России, 26.06.19 - 07, 17.07 2019 г.; итоги встречи со специалистами завода СКГШ в СНГ 11.05.2018 г.
2. Евзович В.Е. Восстановление изношенных пневматических шин. М: Автополис-плюс, 2005. 627 с.
3. Евзович В.Е., Россин В.Д. Способ изготовления пневматических шин. Патент РФ на изобретение 2552412, 2015
4. Евзович В.Е., Барсегян А.С., Россин В.Д. Заявка на патент Method of Manufacturing Pneumatic Tyres. WO2016/122344 CT/RU2015/000051. Международное патентное бюро WIPO 04.08.2016.
5. Осошник И.А., Карманова О.В., Шутилин Ю.Ф. Технология пневматических шин. Воронеж: ВГТА, 2004. - 508с
6. Экспертная оценка гл. конструктора завода СКГШ в СНГ по стоимости изготовления «модуля» для двухэтапного производства КГШ и СКГШ шин. 15 марта 2017г.
Ключевые слова: производства крупногабаритных шин, СКГШ, КГШ, производство

Журнал "Горная Промышленность"№5 (147) 2019, стр.57