摘要：介绍了集约型超大规模高性能轿车子午线轮胎生产系统及工程关键技术研发的背景及意义，分析了该研发的技术原理，列举了研发的主要内容，包括工程总体方案研究、总体设计、各专业技术集成设计研究、公用工程集成创新技术、建造关键技术等，总结了该项研究的主要技术特征和总体性能指标。该研究对轮胎企业提高技术水平、促进技术进步、节约成本、节能降耗、提高供给竞争力有着很好的作用，可供同行借鉴。

　　关键词：集约型；超大规模；高性能；轿车子午线轮胎；自动物流；建筑结构

0.1　研发的意义

　　改革开放以后，我国轮胎行业经过30多年的发展已取得了巨大的成就，2015年我国轮胎产量接近全球产量的1/5，产品质量接近世界先进水平。然而，随着全球经济一体化和中国加入WTO后对外的开放程度越来越高，市场面临严峻挑战，轮胎生产企业也面临着严峻的挑战。2008年金融危机爆发后，各国为了维护自身的眼前利益展开了一场又一场没有硝烟的技术贸易战。2009年美国首次引发了针对中国轮胎生产企业的轮胎特保案。我国轮胎行业先后面临产能过剩、胶价下滑、美国“双反”等不利影响，出口下挫较重。而产品同质化竞争白热化，中低端轮胎结构性产能严重过剩，成本上升，价格成为主要竞争手段，赢利能力大幅降低，生产经营压力越来越大的业内现状，更是严重打击了整个轮胎行业的市场景气，轮胎生产行业进入了另一个发展瓶颈期。

　　在这样的背景下，轮胎生产企业只有寻求新的发展模式，或采用先进的制造工艺、采购先进的生产设备、引入先进的管理理念及系统等方式来提高企业管理水平，减少对劳动力的依赖程度，降低生产成本，提高自身的抗风险能力，增强企业的核心竞争力来应付市场的严峻挑战。

0.2　市场前景与需求分析

　　据中国汽车工业协会统计，2015年我国汽车产销总体平稳增长，全年汽车产销分别完成2 450.33万辆和2 459.76万辆，连续7年蝉联全球第一，创历史新高，比2014年分别增长3.3%和4.7%，总体呈现平稳增长态势。庞大的汽车需求量促进了轮胎行业的快速增长，汽车产量决定了汽车轮胎配套市场的容量，而汽车保有量则决定汽车轮胎替换市场的容量。虽然我国乘用车市场近年已获得较大的发展，但预计今后每年仍有25%的增长空间。因此，作为乘用车配套和消费的乘用胎市场也一定会有相应的市场需求空间，市场前景广阔。

　　2015年，我国轮胎生产5.65亿条，占全球轮胎产量的17.27%。同时，全球轮胎制造产业向亚太地区转移趋势明显，长期利好我国优质轮胎企业。然而现今能源危机逐步加剧、土地资源日趋稀缺、人力成本快速上升、天然橡胶价格不断上涨等因素又制约了企业的发展。轮胎生产恰恰又是一个工艺性极强的生产过程，提高企业的行业竞争力不仅仅要靠优化产品结构、降低生产成本、优化生产工艺流程、提高生产效率也是一个非常必要地手段。近些年，国内部分轮胎企业开始有意识地从改善生产组织模式和提高信息化建设入手来优化轮胎的生产流程，从而达到实现提高生产效率的目标，在部分引进国外新的生产设备的情况下，少数轮胎厂开始着手研究一种创新性的解决方案，即将先进的信息化管理完美地结合到生产组织模式的变革中，通过开发一种全自动的智能化生产流程来达到节能降耗、减小占地面积、减少用工量、稳定和提高产品质量从而大幅度地降低生产成本并提高生产效率。目前轮胎市场的消费个性化趋势不断增强，传统的流水线应对市场需求往往反应慢、成本高。

0.3　国内外发展现状

0.3.1　国外研究发展现状

　　国际橡胶轮胎巨头已经开始实施先进制造装备技术和企业级信息化管理系统，正在引导轮胎制造业由劳动密集型向技术密集型转化，一场新的技术革命正在兴起，设备更新换代也正在向信息化、智能化、网络化、集成化方向发展。

　　轮胎制造过程的信息化控制方面，是国外轮胎企业在制造领域形成先发优势的重要原因。通过标准化、模块化、可灵活组合的软硬件平台，将生产过程控制系统、制造业执行系统和企业资源计划系统三者有机地整合起来，由完成单一设备控制功能向整体的解决方案转化，获得标准化的可扩展设计、通用的设计开发工具、精简的文档资料和接口，从而降低项目周期费用，减少设备开发、调试工作量，实现统一高效的工程开发。

　　世界轮胎工业技术创新得到了巨大的发展。子午化、扁平化、无内胎化已趋于成熟，轮胎全自动生产技术发展迅速。轮胎生产正向低能耗、高效率、高精度、全自动化的现代化方向发展，具有代表性的有：米其林C3M（指挥控制通信制造）技术、固特异IMPACT(集合加工精密成型单元)技术、普利司通BIRD（自动连续轮胎成型系统）技术、大陆MMP（积木式成型）技术、倍耐力MIRS（积木式自动化系统）技术、横滨／东洋不二精工轮胎新工法等。

　　（1）米其林C3M技术：集指挥、控制、通讯及制造一体化系统。通过以成型鼓为核心，配置特种编织机组和挤出机组实现，减少轮胎成型工序，提高产能。

　　（2）大陆MMP技术：MMP的全称为积木式成型法。MMP打破传统轮胎厂四大工序齐备的模式，将四大工序分割成两大块来操作。执行第一块生产任务的工厂被称之为“平台”，执行第二块生产任务的工厂被称之为“卫星厂”。通常一个平台可配置多间卫星厂，构成辐射网络，MMP技术对传统工序进行了整合，达到了合理搭配的效果。

　　（3）固特异的IMPACT技术：IMPACT有四大要素：①热成型机；②改进控制技术，提高生产效率；③自动化材料输送；④单元式制造。上述四要素既可以单独使用，也可以组合使用，无论是某个要素还是整个系统与现有的轮胎工艺流程都能紧密结合成一体。

　　（4）倍耐力MIRS技术：MIRS的全称为积木式集成自动化系统。MIRS技术以成型鼓为中心，组织生产；多组挤出机配合遥控机械手，实现从胶料挤出到成型鼓直接成型；用胎胚气密层代替胶囊进行硫化。

从上述可以看出，国外轮胎的生产制造技术已走在了前列，集成了指挥、控制、通讯及制造一体化的系统，可根据轮胎厂自身的需求进行订单智能下达，并根据不同规格进行合理匹配。

0.3.2　国内研究发展现状

2006年我国就已经成为世界第一轮胎生产大国，但轮胎工业整体技术水平与世界先进水平还有一定差距，中国轮胎产业正处于技术制约的发展阶段。随着汽车工业的高速发展，人们对轮胎的安全、节能、环保、耐久等性能提出了更高的要求。欧美等发达国家相继出台了标签法，强制通过技术贸易壁垒限制中国轮胎产品的出口与发展，因此怎样提高中国轮胎制造的各项技术水平成为了中国轮胎企业的唯一出路和新的挑战。集成化工厂、纳米技术、产品智能化、绿色轮胎和现代化生产己成为产业科技的主攻方向。

回顾我国子午线轮胎技术进步和发展历程，主要是通过轮胎企业对引进技术的消化吸收，转化为生产力，进行产、学、研三结合，充分发挥科研机构、大专院校的科技资源，与企业进行“整合创新”。同时，原化工部多次组织子午线轮胎生产技术的科技攻关和对引进设备的消化吸收再创新，使生产技术与工艺装备的有效融合和设备国产化率快速提升，降低项目投资成本，增加经济效益。主要有三个方面：

综上所述，我国轮胎工业走过了100年的艰难路程，经过几代轮胎人的努力和拼搏，实现了走进世界轮胎工业大国的梦想。轮胎生产已由传统的劳动密集型为主上升为现代化的集劳动与技术密集为一身的生产，成为国民经济发展不可缺少的一个重要部分。但是，必须清醒地看到我国轮胎工业尚未达到国际化、全球化的程度。中国要走向世界轮胎工业强国，必须突出科技创新，加快转型升级步伐，由量的简单增长转向质的内在提高，走集约型经济增长方式之路，也就是质量效益型发展。

　　轮胎工业生产系统技术是生产的关键。轮胎生产设备的集群化和生产过程的连续化对生产系统技术设计提出新的要求，其中最突出的一点就是对生产系统长度的需求不断提高。

　　对于高性能轿车子午胎生产系统，当前国际上大都采用单层钢结构大厂房平面间断式流水型布置，总建筑面积一般在10万m2以内，年产规模不超过1 000万条，存在着生产能力小、厂区占地面积大、生产要素不集中、物流不合理、能源消耗大、运行成本高、质量控制难等不足，不符合集约型生产发展思路及充分利用土地资源、节能环保和打造现代化的先进制造业基地的国家发展鼓励政策。因此作为中国轮胎行业的龙头企业，中策橡胶集团有限公司联合中国化学工业桂林工程有限公司和同济大学、上海同吉建筑设计工程有限公司共同研究开发集约型超大规模高性能轿车子午胎生产系统及工程关键技术，采用产、学、研合作自主创新模式，在掌握国内外发展动态和趋势及各合作单位已有研究设计、实施成果的基础上，采用理论研究分析、数值仿真、试验、总体方案设计、各专业技术集成设计（含工艺、建筑、结构、物流运输、采暖通风、给排水、动力与工业管道、供配电、自动控制、通讯、热能工程、环境保护、信息化等专业技术）、施工优化设计等多种方法相结合的手段来进行技术创新。

 

1　研究内容

1.1　技术原理

　　集约型经济是一种新型经济，集约型经济增长方式是指在生产规模不变的基础上，采用新技术、新工艺，改进机器设备，加大科技含量的方式来增加产量，这种经济增长方式又称内涵型增长方式。其基本特征是依靠提高生产要素的质量和利用效率，来实现经济增长。以这种方式实现经济增长，消耗较低，成本较低，产品质量能不断提高，经济效益较高。 其实质是以提高经济增长质量和经济效益为核心。

　　生产系统是企业经营和发展的关键，在整个企业的运行中占有及其重要地位，是企业产品质量、成本控制最基础、最直接的部分。生产系统水平的高低，在一定程度上决定了企业的竞争能力。因此，非常有必要构建以集约型生产理念为指导的生产系统。而生产系统是集约型生产理念贯彻的基础，按照贯彻十二五规划关于转变经济增长方式要求，以集约型生产理念为指导，研究开发基于集约型生产系统优化生产系统运行机制，提高企业生产现场的管理水平，提升企业的竞争力都具有十分重要的意义。

　　本研究分析中策公司现有子午线轮胎生产系统现状，并将基于集约型生产的生产系统运用到实际生产中，深入研究该生产系统在现代化生产中存在的问题及形成原因，并针对问题提出了切实可行的措施和方法来解决问题，提高生产系统的运行水平和管理水平，从而达到提高企业经济效益的目的。

1.1.1　问题的提出

　　党的十七大明确提出：“加快转变经济发展方式，推动产业结构优化升级促进经济增长由主要依靠增加物质资源消耗向主要依靠科技进步、劳动者素质提高、管理创新转变。”也就是使经济发展方式由粗放型向集约型转变。生产系统是从事产品生产的最基本的系统，是集约型生产及增长方式转变的基础。落实党的十七大关于经济发展方式转变的要求追根溯源是如何使生产系统的资源消耗由粗放型向集约型转变。因此研究开发集约型超大规模轿车子午线现代化生产系统将起到至关重要的作用。  

　　另一方面，从企业自身角度来看，随着国外先进制造技术和管理理念的不断发展，产品的生产逐渐由卖方市场向买方市场的转型，对企业的生产组织形式提出了新的挑战，使得企业的成本结构发生了巨大的变化并使得传统的生产工艺难以适应，研究开发集约型超大规模高性能轿车子午胎生产系统和工程是非常必要的。 

1.1.2　研究的意义 

　　（1）研究的理论意义  

　　子午线轮胎生产工艺形式较多，且大多数的工艺是从国外引入的。而我国企业正处于转型升级阶段，虽然大多数企业也做了一些生产现场改进工作，但不是很完善也不够系统，有些企业还没有真正达到科学生产的层面。因此，我们不能照搬国外的理论，而应该寻找和探究一套符合我国国情和企业现实情况的理论。集约的相关理论在我国已提出多年，但大多应用于经济增长方式及土地集约方面，而很少应用到企业当中，应用于生产系统的则少之又少。

　　意识到生产系统技术先进的重要性，建立一套适合自己企业的科学的生产模式是关键。因此，结合我国企业的实际生产现状，将集约型的理念应用到现场作业生产系统，作为生产系统及工程设计的指导思想与经济效益的评价标尺，可以丰富与延伸轮胎生产系统，同时可以为生产系统及工程设计提供一个较为科学的目标。

　　（2）研究的实践意义 

　　通过研究分析了轮胎生产系统及工程设计特点，在深刻剖析了现有生产系统及工程的基础上，构建了基于集约型生产的现场生产系统及工程设计框架，分析生产系统各生产单元组成及特性，对生产单元的特性及重要性进行了重新划分，构建了体现现场生产系统集约化的工程集成设计体系，为工程设计注入了新的理念，同时也为高性能轿车子午胎生产系统提供了全新的改进措施和方法。

1.1.3　研究的方法

　　（1）相关理论借鉴和延伸的方法。“集约”的理念在我国提出了好多年，但大都应运于经济增长与土地管理方面。集约型生产到目前为止，还没有一个统一的概念界定，只是停留在概念阶段，因此，要想把集约的理念应用到生产系统及工程设计中，必须借鉴相关理论，并依托相关理论进行再延伸的方法，构成本项目创新的坚实的理论基础。

　　（2）理论分析和实践分析相结合的方法。研究企业生产系统及工程既要有理论上的指导，又要有具体实践来验证和充实，在对集约型生产相关理论的指导下通过对生产系统研究及工程集成化设计，达到高性能轿车子午线轮胎生产系统各单元高度集中，机械化、自动化、智能化充分体现。

1. 2　研发的主要内容

1.2.1　集约型超大规模高性能轿车子午线轮胎生产系统关键技术研究生产系统及工程技术是轮胎工业生产的关键

　　轮胎生产设备的集群化和生产过程的智能化、连续化对生产系统技术及工程设计提出新的要求，其中最突出的一点就是对生产系统要素的集约化和长宽度的要求不断提高。对于高性能子午胎生产系统及工程,一般国际上均采用钢结构单层大厂房，总面积一般在10万m2以内，规模不超过年产1 000万条轮胎，其流程图见图1，原材料、半制品及成品存放需占用较

图1　传统子午线轮胎生产系统流程图

　　大面积，各生产区域之间物流采用人工工装小车，造成其生产线长度不断增加，存在着生产能力小、生产要素不集中、厂房占地面积大、 物流不合理、能耗大、运行成本高、质量控制难等缺点。而本项目研究开发了三层混凝土结构超大规模生产系统（年产1 380万条高性能轿车及轻卡子午胎生产系统及工程），将传统的大型间断流水型平面生产改为现代化、连续化的模块化空间立体排列, 将原材料存放布置在二层，压延的导开工序也布置在二层，使钢帘线、纤维帘布直接在二层自动连续供给一层的压延生产线，减少了一层大量存放及操作面积。成型胎坯从成型机上直接通过智能物流系统送上二层进行自动喷涂后再返回一层进入硫化区域，硫化后成品通过智能成品物流系统自动送入检验区域进行自动检验、智能分检。合格产品一部分直接装车发货，其余送往三层暂时存放、配货、发货，不合格产品直接送外部处理。空间立体布局突破了平面布局的传统概念，结合智能产品物流等技术，变间断式、流水型平面生产为连续化、模块化空间立体组合生产，对提高产品质量 、提高生产效率、改善生产环境、缩短生产线长度、实现MES生产管理信息化等起到关键作用。各工序、生产单元有机结合，各区域独立成单元空间组合，满足各区域不同工艺要求，并精确控制，成型区域温度控制23±5℃，湿度≤60％，各区域紧密联系并可独立运行，创造了具有专业化、智能化、自动化、高效化、 集约化和强大系统柔性等特征的全球最大的高性能轿车子午线轮胎生产系统（简称中策ZJCZ），参见图2。

图2　集约型超大规模高性能轿车子午线轮胎生产系统流程图
 

　　生产系统的技术水平和正常运行，生产设备是关键之一，本生产系统全部采用国际、国内最先进的设备，如意大利进口的努道夫的大四辊纤维压延机组和钢丝帘布压延机组，德国费舍尔的纤维帘布裁断机和钢丝帘布裁断机，美国的钢丝圈缠绕机，德国HF的一次法成型机（图3）和广东巨轮的液压硫化机（图4）等以及美国MP均匀性试验机，日本国际计测的动平衡试验机等在线检测设备。这些设备智能化、自动化程度高控制精度高，运行稳定可靠，是生产系统技术水平和正常运行的基本保障。
 

图3　德国HF公司一次法成型机


图4　广东巨轮公司液压式硫化机
 

　　根据本项目整体方案设计特点，特别融入了智能化物流理念，在轮胎质量影响最大的成型区域和普通劳动力需求最大的成品检验区域采用智能化物流生产系统，实现了实时排产、省人省力、预防差错、可追溯性等目标，成为国内最早实现该目标的轮胎企业之一。生产线路短、运行可靠的智能物流系统，保障各区域能紧密联系的同时又可以独立运行，为向自动化、智能化和生产管理系统集约化方向发展提供了基本条件。

　　胎坯自动物流系统(图5)是目前国内唯一的一条蝶形工装胎坯全自动物流系统，其高效立体的物流输送达到世界一流水平。它颠覆了传统胎坯输送的模式，采用特殊设计的蝶型工装，最大程度减少了胎坯变形；完全消除了人工搬运过程中对胎坯的损坏，大幅提高了产品质量的稳定性；通过高速提升装置和高速空中传输装置实现了明快通畅、有序可控的物流体系，改善了生产环境，降低劳动强度；节省了大量台车、搬运人员和电梯的使用，解决了影响生产效率的瓶颈和节约场地空间，并为今后无人化工场的实现做好了前期准备。
 

图5　胎坯自动物流系统
 

　　成品轮胎自动分栋检验物流系统（图6）具有修剪、外观检查、次品胎剔除、成品胎分检、存储、信息监测管理等功能，是一条集现代化技术、信息、工艺于一体的自动化流水线。系统合理利用硫化和均匀性之间的狭小场地，突破平面物流的传统概念，实现诸多功能且满足我公司的工艺要求。
 

图6　成品轮胎自动分栋检验物流系统
 

　　从成品胎的自动扫描、自动分拣、检测设备的自动识别、自动调整检测参数到自动入库系统，通过计算机系统检测、控制，实现了对成品胎的信息化管理。节约了大量的人力资源，实现了无人化操作。

　　采用MES生产管理信息系统实现生产管理的全面信息化，产品全程可追溯和持续控制。建立一套生产管理信息化系统，由生产计划模块（APS）、生产管理模块（MES）和半制品流转管理模块（LTS）组成，实现MES生产制造的标准化管理。管理系统和现场设备实时通讯，与控制系统相连，实现生产计划、物料计划下达到生产机台，现场生产机台接收指令生产，并上传反馈实际生产信息，将过程参数信息和设备状态进行发布共享。同时对生产物流进行全过程监控，从密炼原材料、终炼胶、半成品、成型胎坯、轮胎、出入库信息、销售三包的全流程追溯管理。此项目应用物联网技术实现对生产管理的重大技术改进，实现生产管理的全面信息化，是物联网的应用成果。配合智能化自动物流，达到精准、智能化、自动化、机械化、连续化生产目的。

　　本研发可集约化充分利用土地资源, 节能降耗, 提高生产能力和产品质量, 所生产高性能轿车子午线轮胎其产品性能达到美国DOT标准，通过ECE等国际产品认证和国家3C认证，达到国际同类产品先进水平。打造现代化的超大规模高性能轿车子午线轮胎先进制造业基地。

1.2.2　针对实施集约型超大规模高性能轿车子午线轮胎生产系统的工程总体方案研究、总体设计、各专业技术集成设计研究

　　集约型超大规模的轮胎生产设备的集群化和生产过程的智能化、连续化对生产系统技术及工程设计提出新的要求，其中最突出的一点就是对生产系统要素的集约化和长宽度的要求不断提高。

　　研究开发了三层双单体混凝土结构超大规模生产系统（年产1 380万条高性能轿车生产系统及工程），将传统的大型间断流水型平面生产改为连续化的模块化和立体化排列, 达到专业化、 效率化，也对相应的工程技术提出了新的要求。本研究项目对总体方案研究、总体规划设计、工程技术集成、建筑节能设计及各专业集成技术的研究，使得本项目在高性能轿车子午线轮胎生产工艺流程与生产设备、动力设备及各种辅助设备及物流输送、管线布局科学、合理，配合智能化自动物流，达到精准智能化、自动化、连续化生产目的，满足了集约型超大规模高性能轿车子午线轮胎生产系统对工程的要求。

1.2.2.1　建筑结构设计技术

　　（1）“二”字形中廊三层双单体建筑解决方案

　　轿车子午胎生产系统国际上一般规模不超过年产1 000万条轮胎，均采用钢结构单层大厂房和单项库房的建筑方案，总面积一般在10万m²以内，以某年产1 000万半钢丝子午胎生产车间系统为例分析通用设计方案的不足之处（车间平面图见图7）。
 

图7　年产1 000万半钢丝子午胎生产车间平面图
 

　　一般传统的单层联合大车间宽度往往超过120 m,如图7中所示的厂房宽度达到156 m， 而辅房依据生产需要设计为二层，这就带来了如下问题：车间的辅房一侧完全依靠人工照明，能耗高且工人舒适度差；同时厂房中部生产在宽度方向的物流长度较长（最长达到了78 m），带来了物流费用的增加。

　　集约型超大规模高性能轿车子午线轮胎生产工艺的立体化，模块化排列的特点，传统单层大厂房方案已无法满足要求，必须按多层建筑进行设计，同时考虑到子午胎车间按工序分为不同的模块，其模块内部基本不能布置墙体，同多层水平位置的上下楼层功能不同，对于防火分区的设置和消防疏散的布置都提出了更复杂的要求，必须将防火分区与工序模块完美的结合起来。

　　通过深入的调研分析，多方全面研究，考虑建筑通风、采光的需求，同时为了满足多层防火分区疏散距离，多层单体的宽度不宜太大，经综合分析，创造性地提出三层双单体建筑解决方案，形成“二”字形中廊设计，缩短了底层临时物流的输送，中部通道有利于消防救援，中廊保证了足够的通风采光的空间，缓解了大车间大空间生产人员的不适感。

　　本项目的工程实例中（见图8车间（二）建筑平面示意图），将子午胎车间分为北楼（宽度95 m）与南楼（宽度88 m），两者之间间距11 m，实现了较好的效果。

 图8　车间（二）建筑平面示意图
 

　　a.形成“二”字形，中部11 m通道可通行车间底层内短期临时物流，从中部向南楼、北楼底层的工艺工段中的设备生产提供快速支持。

　　b.合理利用建筑空间，布置综合管廊和现代物流系统，使得建筑内部空间的利用科学、合理、有序，南楼、北楼的二、三层采用5处连廊连接，既保证了相对的独立性，又充分满足了超大型工艺生产系统所需要流动性和灵活性，实现了建筑与生产系统完美结合。

　　c.北楼的北侧设置辅房，布置办公、浴室、更衣、卫生辅助功能，满足生产管理使用功能要求，同时在辅房标高6~8.5 m之间设置高达2.5 m的外部开敞空间，不设置墙体，保证大车间的进新风与采光，参见图9。

图9　北楼辅房侧建筑剖面图
 

　　满足橡胶工厂建筑节能规范要求，对建筑外围护结构采用节能建筑设计，减少建筑使用能耗，降低建筑使用期间的运行成本。

　　本研究开发了超长双向预应力混凝土结构厂房技术（图10），为设计年产1 380万条高性能轿车子午胎的生产系统及工程，单体厂房总建筑面积26.6万m²，是目前世界单体面积最大的轮胎厂房之一，建筑总高23.5 m，总长度460 m，宽度190 m，最大跨度22 m，一层层高8.5 m，楼面荷重≥2 000 kg，满足生产要素集约型超大规模高性能轿车子午线轮胎生产工艺要求，减少占地面积，节能降耗，节省投资成本和运行成本。

图10　超长双向预应力混凝土结构厂房
 

　　(2)集约型超大规模轿车子午胎工程关键结构技术

　　集约型超大规模高性能轿车子午线轮胎生产系统的三层双单体建筑解决方案，对于结构方案提出了新的要求，主体结构须满足以下要求：

　　a.工艺布置的需要，主体柱网最大跨度达到22 m,楼面荷载达到2 000 kg/ m²;

　　b.由于楼层需要布置设备，楼面变形需严格控制，主次梁挠度有较高要求，不得大于1/600；

　　c.轮胎生产过程对温度湿度非常敏感，为避免施工质量与防水材料老化等原因出现的结构分缝位置漏水，主体结构须尽量少设置分缝，满足超长结构的需求。

　　把常用的主体结构方案：重钢结构、钢筋混凝土结构和预应力钢筋混凝土结构进行比较，并对所需要的设计条件下进行分析比较，见表1。 

表1　集约型超大规模半钢子午胎主体结构方案对比表

项次	比较内容	重钢结构	普通钢筋混凝土结构	预应力钢筋混凝土结构
1	结构说明	钢结构梁、屋面板、柱；钢-混凝土组合楼板	钢筋混凝土结构梁、屋面板、柱、楼板	大跨度重载超长预应力结构体系
2	大跨度（22 m）	适用	不适用	适用
3	挠   度	无法满足工艺要求	无法满足工艺要求	能满足工艺要求
4	超长结构	不能满足工艺要求，需设置多道伸缩缝	不能满足工艺要求，需设置多道伸缩缝	可以满足工艺要求，不设缝或少设缝
5	重载	基本能满足要求，但经济性差	基本能满足要求，但经济性及空间利用都很差	能满足要求
6	屋面防水性能	一般	一般	防水性优于普通混凝土结构
7	防火涂料	需要	不需要	不需要
8	日常维护	需要	基本不需要	基本不需要
9	施工工期	工期较短	工期较长	合理安排，可实现与普通混凝土相同的工期甚至更短
10	造   价	考虑后期维护成本，费用高	费用一般	费用低

　　从表1可看出大跨度重载超长预应力结构体系拥有适用于重载、大跨度结构的特点，同时能克服设置伸缩缝带来的耐久性、耐火性、施工性和可维修性等困难，改善工艺设备布局，具有十分明显的效果，完全可以满足集约型超大规模半钢子午胎生产系统对结构形式的要求。

　　(3)大跨度重载超长预应力结构体系需要研究的课题

　　轮胎工业生产系统技术是生产的关键，轮胎生产设备的集群化和生产过程的连续化对生产系统技术设计提出新的要求。

　　为满足生产工艺要求，减少占地面积同时解决工程结构超长所带来的抗裂问题，采用双向预应力混凝土结构研究成果进行工程的设计与施工，并取得了成功应用，节能降耗，节省投资成本和运行成本。工程验证表明，该项研究成果对提高梁中有效预应力，改善有效预应力的分布，减小预应力对竖向构件的影响，减少施工周期和施工难度，降低工程造价，提升使用空间和土地有效利用等方面有明显效果。

　　以此实际工程项目为背景，对大跨度、超长预应力混凝土结构设计中的关键问题进行研究，建立相应的理论与计算分析体系，为大跨度、超长预应力混凝土结构设计提供相应的理论和试验依据，力求解决工程中难点。

　　 本研究课题为实现集约型超大规模厂房特点与工艺生产的要求，选用超常规设计方案，利用多种先进分析手段与软件对大跨度重载预应力框架与超长预应力应力进行结构受力分析，考虑了由于温度作用和混凝土本身的收缩，实现了大跨度重载多层预应力框架设计与超长多层重载创新结构设计（国内首次）。该设计先进、合理，不但保证了车间使用空间，整个464 m长度仅设置了3条伸缩缝，最大不设缝长度达到了280 m,避免了一般结构伸缩缝多、维护费用高、易漏水的弊病。

1.2.2.2　公用工程集成创新技术

　　集约型超大规模的生产系统，其厂房面积大，建筑呈多层布置，与常规的单层建筑设计有较大差别，因此其送、排风系统的设计有一定的难度。不仅要结合多层、大面积厂房的特点，而且要将节能降耗的理念充分的贯彻到系统的设计中。本课题通过工程实例深入探讨了集约型超大规模的生产系统的公用工程节能技术，分析总结并以此为依据主编修订了国家标准，形成了科学技术成果（《橡胶工厂节能设计规范》GB50376—2015）。

　　（1）通风空调系统设计技术

　　硫化岗位送风系统：常规的送风系统，采用的是连续送风的方式，每台硫化机都设置一个送风口，且不管有没有工人操作，每个风口都在连续送风，因此送风量大，能耗高。本项目将硫化机的送风系统与硫化机的开、合模过程进行自动联锁，保证在开模状态有工人操作时，送风口开启，而无人操作的时间送风口关闭，使系统的送风量减少了85%，节约了大量的电能。

　　硫化排风系统：硫化工段设在车间一层，硫化机散发大量的热量，车间温度高，工作环境比较差，传统的排风系统无法满足排风要求。针对车间建筑特点，在硫化车间内设置了通往屋顶的砖烟囱，车间排风由安装在屋顶的自然通风器抽至室外排放。自然通风器属于无动力设备，不需要任何运行费用，通风效果又好。此外，自然通风器可兼作硫化工段火灾排烟之用，节省了采买排烟风机设备的费用。该排风系统运行后，车间排热风效果良好。

　　（2） 动力系统设计

　　采用氮气硫化技术和深冷制氮技术，硫化需要的氮气的制备，以往工程多采用传统的变压吸附技术，本项目在国内（轮胎行业首次大规模）率先采用了深冷制氮技术。深冷制氮技术是通过精馏的方式制备高纯度的氮气，相比变压吸附技术，不仅纯度高，品质稳定，而且能耗低，具有明显的优势。两种技术的对比如表2。

表2　变压吸附与深冷制氮技术对比表

对比内容	变压吸附技术	深冷制氮技术	说 明
氮气纯度	中等纯度，90%~95%	高纯度，99.995%	深冷制氮纯度高
胶囊使用寿命	短	长	深冷技术可提高胶囊使用寿命
气氮比（指所消耗的压缩空气与产氮的比例）	5~8:1	2.8:1	深冷技术的气氮比更低
能耗	高	低	深冷节能50%以上

　　空压集群控制系统技术：针对轮胎生产工艺所需压缩空气的特点，设计上采用了空压集群控制系统，对压缩空气用户的流量、压力进行实时监控，并通过信息化、自动化、智能化等多种手段，对空压机的运行实施群控，使系统运行压力稳定，避免了由于空压机频繁加、卸载而造成的管网压力波动，空压机运行平稳，运行能耗大幅降低；同时通过运行数据的自动对比，对系统的压缩空气泄漏情况进行准确判断，以便及时检修，减少了泄漏损失。通过空压集群控制系统的有效运行，整个工厂的压缩空气用量可减少20%以上。

　　供热系统余热综合利用技术：蒸汽在轮胎厂综合能耗中所占的比例超过70%，因此对蒸汽能源实施梯级利用，对降低系统的综合能耗有着至关重要的意义。硫化车间是全厂蒸汽的最大用户，其用汽量占全厂的85%以上。全厂设置了高效的蒸汽热能回收系统：将硫化机的外压蒸汽凝结水全部进行密闭回收，并将其二次闪蒸汽（0.35 MPa）回收利用，作为轮胎的定型用汽；同时将绝大部分内压蒸汽凝结水进行回收。内、外压凝结水的余热，在冬季用于采暖，在夏季及过渡季节用于加热锅炉补水及浴室洗澡水，最后凝结水全部回至厂区循环冷却水系统进行重复使用。

　　（3）其他系统节能设计技术

　　研究生产用冷却水循环使用，并经水质的稳定处理，使水的循环使用率达98％以上。

　　通过实施以上一系列节能降耗的措施，该项目单位综合能耗达到了310 kgce/t轮胎，远低于国家标准《轮胎单位产品综合能源消耗限额》GB29449—2012中规定的先进值380 kgce/t。 

1.2.3　超大体量工业设施建造关键技术研究

　　在收集和分析国内外既有研究资料的基础上，对大跨度、重载及超长预应力混凝土结构开展研究，研究成果获得多项专利，并被引入相关国家或地方标准。主要包括有：

　　（1）全面考虑次内力的预应力混凝土结构的设计方法，进而分析了预应力框架结构次内力与连续梁结构次内力的不同点在于次轴力的存在。

　　（2）推导规则结构温度作用和后张预应力效应的简化计算方法，提出预应力可以改变结构的约束分布，得到超长结构临界约束系数结果与具有离散约束刚度的框架结构结果相同。

　　（3）基于传热学和温度场的基本理论，采用热传导方程推导和有限元分析的方法，研究建筑结构在采用不同构造做法时，混凝土楼板和梁的温度分布规律。

　　依据热传导方程推导周期性气温作用下混凝土结构准稳态温度响应，采用半无限体假定的温差影响深度结果表明，由于几何尺寸较小，无论是否有楼面构造层，建筑结构构件内部均会受外界温度变化影响。

　　（4）通过预应力型钢混凝土框架的竖向静力试验和竖向低周反复荷载作用下的拟静力实验的研究分析，得出对预应力型钢混凝土框架的破坏形态、特征荷载、恢复力模型、变形恢复能力、位移延性、刚度退化、耗能能力和黏滞阻尼系数等性能特征，研究预应力型钢混凝土框架在加载过程中的裂缝、挠度等使用性能以及承载能力极限状态时的内力重分布，系统得出预应力型钢混凝土结构的设计方法。

　　（5）结合用“抗”、“放”和“防”的方法解决超长结构温度应力的问题。“抗”一般指提高混凝土的抗拉强度，即在混凝土结构中施加预应力的方法解决。而“放”指释放结构的约束，只能解决超长结构早期温度应力的释放，对于中后期及超长整体结构的温度应力则贡献不大。 “防”即通过合理布置约束，良好的约束分布，讨论从本质上预防超长结构裂缝的产生。 

　　建立超长预应力混凝土结构设计理论，以指导工程实践通过分析计算和理论推导，总结出较为便捷和具相当精度的约束系数计算方法，以及在设计中合理考虑温度、收缩徐变等间接作用的方法，建立通过合理安排设计与施工方案以减小上述间接作用的设计一般原则和通用步骤，最终形成可以较为完善的解决超长预应力混凝土结构设计的通用理论与方法，同时形成可用于分析复杂平面超长预应力混凝土结构的理论方法，在原来“抗”、“放”控制原则中，加入了“防”，组成了“抗”、“放”、“防”超长结构控制综合体系。“防”是利用约束和约束分布对超长结构进行良好控制，是超长结构本质在设计控制原则中的体现，进一步完善了控制原则中的体系建设。如图11所示。

 

 图11　“抗”、“放”、“防”三者之间的联系

1.3　研发的主要技术路线

　　本研发是中策橡胶集团有限公司集约型经济增长和发展的一个关键项目，对企业技术创新、转型升级具有重大意义。因此中策橡胶集团有限公司联合中国化学工业桂林工程有限公司、上海同济大学和上海同吉建筑设计工程有限公司进行产、学、研合作技术攻关。

1.4　技术特点

　　（1）建设集约型的超大规模现代化生产系统，有利于工艺生产流程的合理安排和自动化连续化生产。轮胎加工生产工艺流程虽不象化工厂生产工艺那样，在管道和容器内连续反应，但它的各个工序之间的关系远比机械加工等行业密切得多，所有的生产工序都布置在一个厂房内，这就给生产的自动化和连续化创造了十分有利的条件。

　　（2）超大面积的生产系统有利于工艺设备的灵活布置与技术改造。这对于适应新工艺、新技术的飞速发展，对今后工艺设备的更新换代，以至整个工艺流程的改变都带来了很大的灵活性通用性。

　　（3）采用国内外先进生产设备和检测设备，本项目大部分生产设备和检测设备采用国际先进的进口设备，具有智能化、自动化、程度高、控制精度高、运行可靠等特点。确保产品质量的均一性和生产效率。

　　（4）采用胎坯智能物流系统和成品轮胎智能分拣检测物流系统，具有高效、立体、智能、自动等特点，为集约化超大规模的现代化生产系统打下良好基础，实现了对半成品、成品物流的信息化管理。

　　（5）采用MES生产管理信息系统实现生产管理的全面信息化，产品全程可追溯和持续控制，应用物联网技术，配合智能化自动物流，实现精确、智能化、自动化、机械化、连续化生产目的。

　　（6）轿车子午胎厂房采用预应力技术后，可满足结构承受重载的设计要求，将原本需建单层厂房的建筑方案改为三层厂房，占地面积小，土地利用率高。项目土地使用面积约84 912 m²，建筑面积 26.6万m²，与普通的单层工业厂房相比节约大量建设用地。

　　（7）预应力混凝土结构与普通钢筋混凝土结构相比，充分利用了钢绞线高强度的特点，可在实现同样柱网布置的前提下降低构件截面尺寸，如主梁高从1 800~2 200 mm降至1 450~1 700 mm，降低20%以上。提高建筑空间利用，节约混凝土和普通钢筋等建筑材料。

　　（8）降低环境因素对产品质量的影响。环境因素指的是生产过程中存在的自然因素，如：潮气、阳光、紫外线、温度和外来杂质等。轮胎是由多个部件组成，使用条件苛刻，要在使用过程保持结构的整体性，各部件间的相互黏着紧密极其重要。如果黏合不好，出现帘布层间脱空，将严重影响产品的使用寿命和轮胎的翻新率。

　　轮胎生产厂房应用超长结构后，可避免伸缩缝处产生水密性问题。在大多数情况下，镀黄铜钢帘线与橡胶黏着力的下降，主要是由于水份对界面的腐蚀所致，在钢丝子午线轮胎的制造与使用过程中，水份对钢帘线与橡胶的黏合自始至终起到破坏作用。粘胶帘线的最大缺点是吸湿率高，标准条件下含湿率11%，而且湿态下的强力低伸长变形大，与橡胶的黏合性能差，工艺要求粘胶帘线进入压延机前的含水率保持在1%以下，甚至垫布都要求采用吸湿性小的织物，且要求开包后马上使用。聚醋帘线容易受水解作用而使性能下降，与橡胶的黏合性差。

　　集约型超大规模轮胎生产系统，轮胎半成品不需要再经过室外运输，大大缩短了半成品运输距离和时间，避免了露天运输中日光、紫外线、粉尘等对半成品造成的污染，有利于提高产品质量。

　　（9）减少占地面积。将各个车间合并为一个大型厂房，减少车间之间的道路，进而减少厂区用地。充分利用土地资源，符合当前国家集约用地政策。

　　（10）缩短了室外道路和各种管线长度。轮胎生产厂的各类管线较多，有给水、排水、蒸汽、凝结水、高低压水、过热水、通风、采暖和压缩空气等管线。缩短管线长度对节约投资和减少能源损失都有重要意义。

　　（11）减少了厂房围护结构面积。大型厂房的外墙面积比同面积的几个分散建筑厂房的外墙面积要小得多。因外墙面积的减少，冬季热损耗和夏季制冷损耗也会相应减少，对节约能源，环境保护有利。

　　（12）成型区域采用恒温、恒湿控制（温度控制23°±5℃，湿度控制≤60%）、防紫外线。整体工艺设备布置科学合理，物流顺畅，通风良好，环境清洁、优美。温控、通风系统运行节能。满足高性能轿车子午线轮胎生产工艺的特殊环境要求。

　　（13）超长预应力混凝土结构体系：与普通混凝土结构相比，预应力结构的主要优点有：可承受重载，减少结构构件尺寸，增大跨度，减小乃至消除结构裂缝，消除或缓解温差、混凝土收缩徐变等间接作用。预应力结构是实现集约型超大规模生产厂房建设的具体结构形式，是实现厂房建设节地、节材、节能的技术保障。

1.5　项目实施周期及来源

　本项目列入2009年浙江省重点技术创新项目计划[浙经信技术（2009）56号文]，并经浙江省科技厅批准为浙江省企业重点技术创新团队（中策橡胶高性能子午线轮胎技术创新团队）研发子项目之一。

本项目研究实施起止时间为2009.6~2015.5。

 

2　主要技术特征和总体性能指标

2.1　主要技术特征

　　（1）以集约型生产理论为基础，将高性能轿车子午线轮胎生产系统从传统的大型间断流水型平面生产改为现代化、连续化的模块化空间立体组合，运用各专业技术联合集成设计，采用先进的轮胎制造技术和设备，以及智能自动物流系统，MES生产管理信息系统等创造了全新的具有自主知识产权的专业化、智能化、自动化、集约化、高效化、强大系统柔性等特征的集约型超大规模高性能轿车子午线轮胎生产系统，简称“中策ZJCZ生产技术”。

　　（2）采用总体方案研究、总体设计、各专业技术集成设计。达到高性能轿车子午线轮胎生产工艺流程和生产设备、动力设备及各种辅助设备和物流输送、管线布局科学、合理，关键生产区域温湿控制符合生产工艺技术要求。

　（3）研究开发了超长双向预应力混凝土结构厂房技术，单体厂房总建筑面积达26.6万m2，最大跨度22 m，充分利用了钢绞线高强度的特点，可在实现同样柱网布置的前提下降低结构裁面尺寸，提高建筑空间利用，节约混凝土和钢筋等建材，满足生产要素集约型超大规模高性能轿车子午线轮胎生产工艺要求，减少占地面积，节能降耗，节省投资成本和运行成本。

2.2　总体性能指标

　　（1）关键生产区域温度控制在23+5℃，湿度控制在≤60％范围内。

　　（2）主要产品高速性能、耐久性能、噪音、滚动阻力等性能指标达到或超过美国DOT标准、欧盟ECE117产品第二阶段的国际绿色轮胎标准。

　　（3）生产系统总面积≥26.6万m²，总高度≥23.5 m，长度≥460 m，宽度≥190 m，最大跨度22 m，一层层高8.5 m，楼面荷重≥2 000 kg/ m²。

　　（4）不设缝混凝土结构长度280 m，梁截面高度较普通混凝土梁降低20%~30%，梁相对挠度≤1/550 L。 

 

3　结论

　　本项目完成节约占地面积165 600 m2（约合248.6亩），节约建设资金18 500万（节约投资成本33%），新增高性能轿车子午胎年生产能力1 500万条，产值375 000万元，利税34 660万元，人均劳动生产率提高30%。产品综合合格率提高0.5%，与传统轮胎生产系统相比轮胎单位产品能耗下降18%，经济效益十分显著（参见图12、图13）。 

　　轮胎工业是汽车工业的重要组成部分，是国民经济发展的必需的产业，作为汽车轮胎的世界第一大国，实现轮胎生产技术的世界领先，轮胎工业强国梦目标具有十分重要和深刻的意义。而同时轮胎生产技术对轮胎产品性能又起着决定性作用。因此在当前企业技术创新、转型升级的关键阶段显得更为重要。本项目研发成果是产学研合作研究开发的一个实例，以企业为主体，以市场为导向，推进科技创新和科技成果转化，促进轮胎企业技术进步，提高轮胎生产技术水平，提高土地利率，节约投资成本和运行成本，节能降耗，提高生产效率和产品质量，提高轮胎产品的国际竞争力，促进中国轮胎工业发展。

来源：《橡塑技术与装备》2017年1期（1月橡胶）