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2020 中国橡胶机械行业自动化市场研究报告

2021-05-18 20:28:17 出版:睿工业

【2020 中国橡胶机械行业自动化市场研究报告】

     本次调研的行业主要参照国家统计局和行业协会的定义,橡胶机械行业是典型的OEM行业。橡胶生产是一个复杂的过程,涉及到很多的生产工艺段。在各个工艺段上会用到相应的专用装备。这些装备除了炼胶、成型、硫化是一些相对较为独立的工段外,其他工段在其相对应的上下辅机的协同下,构成一个个生产联动线。

  A.工艺段和对应的橡胶机械

  按照从原材料胶的小料混配,生胶经过混炼直到成品

  的生成,可以大致划分为以下的几个工艺段:

  A-1.配料

  (1) 主要完成原料胶的称重、小药料的混配以及原材料的输送。

  (2) 主要设备有配料和小料称重系统,原料输送系统。

  A-2.混炼

  (1) 生胶塑炼是通过机械应力、热、氧或加入某些

  化学试剂等方法,使生胶由强韧的弹性状态转变为柔软、便于加工的塑性状态的过程;混炼是指在炼胶机上将各种配合剂均匀地混到生胶中的过程。在橡胶工业中,最常用的塑炼方法有机械塑炼法和化学塑炼法。机械塑炼法所用的主要设备是开放式炼胶机、密闭式炼胶机和螺杆塑炼机;化学塑炼法是在机械塑炼过程中加入化学药品来提高塑炼效果的方法,目前在机械式塑炼的过程中加入小粉料的方法越来越多地被使用,以便于提高炼胶的效率和质量。

  (2) 主要设备类型有开炼机、密炼机、螺杆塑炼机、上下辅机等。

  A-3.挤出

  (1) 挤出工艺是通过挤出机机筒筒壁和螺杆件的作用,使胶料得到挤压以及实现初步造型的目的,挤出工艺也称为压出工艺。

  (2) 主要设备类型是压型挤出机、滤胶挤出机、塑炼挤出机、混炼挤出机、造粒挤出机、脱硫挤出机、压干挤出机、压片挤出机、电缆挤出机、钢丝挤出机(轮胎胎圈表面包覆橡胶)、排料挤出机(供密炼机配套)、供胶挤出机(为高速压延机供胶)、复合胎面挤出机(复合胎面的压出)、复合围条挤出机、排气挤出机、压出机–螺杆挤出机等。

  A-4.压片、压延

  (1) 压延是将混炼胶在压延机上制成胶片或与骨架

  材料制成胶布半成品的工艺过程,它包括压片、贴合、压型和纺织物挂胶等作业,使混炼后的可塑性的橡胶辊压成胶片或者胶辊。

  (2) 所使用到的设备类型有压延机,以及压延作业联动生产线(目前广泛使用在一些中大型的橡胶生产企业中)。

  A-5.成型

  (1)主要是注射工艺和压铸工艺完成橡胶制品的成型,制造出半成品。

  (2)使用到的主要设备类型是各种型号的成型机。

  A-6.硫化

  (1) 在橡胶制品生产过程中,硫化是最后一道加工工序。硫化是胶料在一定条件下,橡胶大分子由线型结构转变为网状结构的交联过程。硫化方法有冷硫化、室温硫化和热硫化三种。大多数橡胶制品采用热硫化。热硫化的设备有硫化罐、平板硫化机等。

  (2) 使用到的主要设备类型是硫化机(也称热压机)。硫化机是使成型的半成品经过硫化达到设定的强度和韧性的机械设备。

  A-7.检测

  (1)主要完成成品的质量检测,通常,成品的质量检测要求较高,并且进行检测的成本也较高。所以对于检测,不是每一个公司都有对应的完整的检测解决方案。

  (2)使用到的主要设备有X光机检测设备等。

  在以上所有这些工艺段中,需要有相关的科研处室的参与和合作,特别是对于配料监测以及模具工艺段,需要相关的设计科室的参与,主要提供以下几个方面的设计输入:

  • 各种原材料的配比参数(橡胶设计)

  • 混炼的温度、时间参数的设计

  • 各种添加的纤维以及相应的热处理的参数设计

  • 溶剂的制备和使用

  • 骨架和模具(模具设计)

  • 硫化时间和温度参数(橡胶设计)

  • 成品检测,橡胶质量检测,以及成品的相关物理特性的检测

  其中:由于检测需要的成本高,对于很多的橡胶制品厂家,不会在这上面增加成本;同时,大多数的橡胶制品生产企业没有合适的科研力量,使得关于橡胶设计、质量检测等方面的业务,都是采取外包的形式,让具有资质的科研院所以及生产厂家进行检测。

  A-8.各工艺段应用的橡胶设备(见表1)

  

各工艺段应用的橡胶设备

  表 1 各工艺段应用的橡胶设备

  B.橡胶生产工艺流程

  B-1.通用橡胶生产工艺流程(见图1)

  

通用橡胶工艺流程图

  图 1 通用橡胶工艺流程图

  B-2.轮胎工艺流程(见图2)

  

轮胎工艺流程图

  图 2 轮胎工艺流程图

  (1)混炼工序

  • 工作原理:

  混炼工序就是把碳黑、天然/合成橡胶、油、添加剂、促进剂等原材料混合到一起,在密炼机里进行加工, 生产出“胶料”的过程。所有生产的胶料在进入下一工序—胶部件准备工序之前,都要进行测试,被放行以后方可进入下一工序。

  • 主要产品:胶料。

  • 主要机械配置(以半钢法生产轿车胎,60万条/年的产量为例):

  挤出机一套、切胶机一套、密炼机 1套,上辅机 1 套,开炼机 1套,胶片冷却装置 1套、输送喂料系统等。

  (2)胶部件准备工序

  • 工作原理:

  胶部件准备工序包括6个主要工段。在这个工序里, 将准备好组成轮胎的所有半成品胶部件,其中有的胶部件是经过初步组装的。这6个工段分别为:

  ◆ 工段一:挤出。胶料喂进挤出机头,从而挤出不同的半成品胶部件:胎面、胎侧/子口和三角胶条;

  ◆ 工段二:压延。原材料帘线穿过压延机并且帘线的两面都挂上一层较薄的胶料,最后的成品称为“帘布”;

  ◆ 工段三:胎圈成型。胎圈是由许多根钢丝挂胶以后缠绕而成的;

  ◆ 工段四:帘布裁断。在这个工序里,帘布将被裁断成适用的宽度并接好接头;

  ◆ 工段五:贴三角胶条。在这个工序里,挤出机挤出的三角胶条将被手工贴合到胎圈上;

  ◆ 工段六:带束层成型。这个工序是生产带束层的。在锭子间里,许多根钢丝通过穿线板出来,再和胶料同时穿过口型板使钢丝两面挂胶。挂胶后带束层被裁断成规定的角度和宽度。

  • 主要机械配置(以半钢法生产轿车胎,60万条/年的产量为例):

  帘布/钢丝压延机 各1套,小角度裁断机 1套,钢丝裁断机 1套,三复合挤出机 1套,钢丝圈生产线 1套。

  (3)轮胎成型工序

  • 工序原理:

  轮胎成型工序是把所有的半成品在成型机上组装成生胎,这里的生胎是指没经过硫化的半成品。生胎经过检查后,运送到硫化工序。

  • 主要产品:生胎。

  • 主要机械配置(以半钢法生产轿车胎,60万条/年的产量为例):

  一段成型 6台,二段成型 6台(或者半钢一次法成型机 4-5台)。

  (4)硫化工序

  • 工序原理:轮胎加硫工序,指将生胎装到硫化机上,在模具里经过适当的时间以及适宜的条件,从而硫化

  成成品轮胎。硫化完的轮胎即具备了成品轮胎的外观—— 图案/字体以及胎面花纹。

  • 主要产品:成胎。

  • 主要机械配置(以半钢法生产轿车胎,60万条/年的产量为例):硫化机 16-18台。

  (5)最终检验工序

  • 工序原理:

  在检测工序,轮胎首先要经过目视外观检查,然后是均匀性检测,均匀性检测完之后要做动平衡测试,最后轮胎要经过X-光检测,然后运送到成品库以备发货。

  • 主要产品:成胎。

  • 主要机械配置(以半钢法生产轿车胎,60万条/年的产量为例):

  动平衡试验机 1台,X光检测机 1台,里程试验机 1台。

  • 成品检测工序属于非生产必需设备,因此不是所有厂家都会有这道工序。

  C.主流橡胶机械介绍

  C-1. 炼胶机

  炼胶机分为开放式和密闭式两类。开放式炼胶机主要用于橡胶的热炼、压片、破胶、塑炼和混炼等,它的结构比较简单;密闭式炼胶机主要用于橡胶的塑炼和混炼,它比开放式炼胶机多一个密炼室。机型配置图见图3(以密炼机为例)。

  通常情况下,一台炼胶机(密炼机)上会使用1个PLC、1个HMI、1个变频器 ,伺服没有应用。

   密炼机配置图


  图 3 密炼机配置图

  C-2. 压延机

  橡胶压延机是橡胶制品加工过程的基本设备之一,橡胶压延机及其联动装置在橡胶机械中属于大、重、精密型机械设备。压延机设有两个或两个以上按一定方式排列的辊筒,其运转速度及工作温度可以调节。在橡胶加工工艺过程中,压延机主要用于胶片压延(压片、压型、贴合)、纤维织物与钢丝帘布的挂胶等橡胶半成品的生产。机型配置图见图4(以钢丝帘布压延机为例)。

  

钢丝帘布压延机配置图

  图 4 钢丝帘布压延机配置图

  通常情况下,一台压延机上会使用1个PLC、1个HMI、4~10个变频器、3~6个伺服。

  C-3. 裁断机

  裁断机用于将压延挂胶后的纤维帘布、帆布、细布及钢丝帘布裁成一定宽度和角度,供各种橡胶制品半成品的成型使用。目前纤维胶布裁断机的导开、送布、定长、裁断基本上为半自动化操作,钢丝帘布的裁断、拼接、包边的生产线已经实现机械化和半自动化。

  从功能和结构上分,裁断机主要分成:立式裁断机、卧式裁断机和钢丝帘布裁断机三种。机型配置图见图5

  (以钢丝帘布裁断机为例)。

  

钢丝帘布裁断机配置图

  图 5 钢丝帘布裁断机配置图

  通常情况下,一台钢丝帘布裁断机上会使用1个PLC、1个HMI、8~15个变频器、6~12个伺服。

  D.橡胶机械行业产业规模概述

  2018和2019年,是橡胶机械行业波动较大的年份。

  2018 年中国橡胶机械全行业受橡胶轮胎行业放缓和走出去建厂的拉动影响,国外橡胶机械需求增大,各大橡胶橡机产品出口产值上升趋势明显,非巨胎、非子午胎、橡胶制品机械突显增涨;进入2019年,行业主要受到两股力量的拉扯,第一股为行业走势放缓,第二股为国外橡胶机械需求加大,拉动橡胶机械出口;但整体看,2019年中国橡机行业仍属于下行状态。

  2019年中国橡胶机械行业总销售收入约为135亿元

  (图6),纯橡机销售突破100亿元,分别较2018年下降10%以及16.67%。按销售收入排名,前10 名企业依次是山东豪迈、软控股份、大连橡塑、萨驰集团、磐石油压、天津赛象、青岛双星、巨轮智能、桂林工程、桂林橡胶。前10 强的销售收入为104.9亿元。

  

橡胶机械行业历年销售收入及预测(百万元)

  图 6 橡胶机械行业历年销售收入及预测(百万元)

  E.橡胶机械行业产业规模概述

  目前在橡胶机械上使用的自动化产品主要有控制系统、传动控制、运动控制、现场总线、人机界面和低压电器这几大类,具体包括:

  (1)控制系统:PLC;

  (2)传动控制:变频器;

  (3)运动控制:伺服;

  (4)人机界面:文本显示器、触摸屏、平板电脑。对于中高端橡胶机械生产企业,其自动化水平相对较高,通常会和一些主要的自动化产品提供商有很深的合作。选用的自动化产品为:PLC、现场总线、变频器、伺服、传感器等,集中在Siemens, Mitsubishi, Rockwell,Rexroth等品牌。

  对于新发展起来的中型企业,由于要考虑性价比, PLC通常选取Siemens,Omron, Mitsubishi等市场上普及率相对较高的品牌。

  对于中小橡胶机械生产企业,其主要的用户是分布在山东、浙江一带的民营橡胶生产企业,这些用户对自动化要求不高,通常选用Mitsubishi,Omron的中小型PLC。

E-1. 自动化市场规模细分

  2019年整个橡胶机械行业的自动化市场规模是10.58亿元(图7),其中控制系统产品市场规模是2.03亿元, 传动控制产品市场规模是3.47亿元,运动控制产品市场规模是4.25亿元,人机界面产品市场规模是0.83亿元。由于新冠病毒疫情影响,2020年橡胶机械销售收入下降可能性偏大。

  

橡胶机械行业主要自动化产品市场规模(百万元)

  图 7 橡胶机械行业主要自动化产品市场规模(百万元)

  F.控制器市场描述

  F-1.橡胶机械行业控制器应用

  橡胶制品的生产过程中,相对独立的三个工艺段是:

  炼胶工艺段、成型工艺段和硫化工艺段。在橡胶制品生产中,自动化的水平相对较低。而其他的一些工艺段可以配合其对应的上下辅机构成生产联动线,这些生产联动线的自动化水平相对较高,在提高生产效率的同时也增加了产品质量的稳定性。

  除了在单机上使用大量PLC外(图8),其设备和相关辅助机械构成的联动生产线也使用了大量的控制产品,用以控制设备之间的协调运转,如炼胶过程中对辅料小料进行计量,以及原辅料输送,密炼机主电机的辅助系统的控制,各个设备的控制系统作为子站接入控制系统,部分用户还采用了现场总线技术。

  对于那些建厂时间比较早,自动化程度比较低的橡胶企业,面对着技术改造和系统升级,他们在自动化的选择上更趋于选择技术成熟度更高的产品和技术,同时价格因素也是他们重点考虑的方面。这样可以在有限的承受能力下,实现生产的稳定和产能的提高,这部分市场是很有潜力的。

  在整个橡胶产品的生产过程中炼胶、挤出、延压三个工序的控制相对简单,一般只需要监控温度、压力、传动方面的一个或几个参数,一般具有模拟量IO的小型PLC就能够满足要求;而成型和硫化工序的控制相对比较复杂, 需要对位置、温度、压力、速度等参数进行精确控制,其中,成型机的控制重点在位置和速度,协调运动控制产品;硫化机的控制重点在分时段温度和压力精确控制及开合模的位置控制。

  中国橡胶机械行业 PLC 市场增长判断(2016-2021)


  图 8 中国橡胶机械行业 PLC 市场增长判断(2016-2021)

  

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F-2.橡胶机械行业HMI应用

  橡胶机械上使用最多的HMI产品是触摸屏、带按键的图文终端和文本显示器。其中文本显示器主要用于各种单机设备,触摸屏和图文终端主要用于大型设备和控制系统。

  HMI是Human Machine Interface的简称,其实在广义的解释就是“使用者与机器设备沟通、传达及接收信息的一个接口”。一般而言,HMI系统必须有几项基本的功能:

  (1) 实时的资料趋势显示——把撷取的资料立即显示在屏幕上。

  (2) 自动记录资料——自动将资料储存至数据库中,以便日后查看。

  (3) 历史资料趋势显示——把数据库中的资料作可视化的呈现。

  (4) 报表的产生与打印——能把资料转换成报表的格式,并能够打印出来。

  (5) 图形接口控制——操作者能够透过图形接口直接控制机台等装置。

  (6) 警报的产生与记录——使用者可以定义一些警报产生的条件,比方说温度过高或压力超过临界值,在这

样的条件下系统会产生警报,通知作业员处理。 HMI产品在橡胶机械上使用的主要目的是参数设置、状态监控和数据记录。

  橡胶机械上应用的HMI以触摸屏为主,目前在橡胶机械上使用HMI的比例呈上升趋势,在整个橡胶机械行业, HMI的普及率正逐步提高(图9)。

  中国橡胶机械行业 HMI 市场增长判断(2016-2021)


  图 9 中国橡胶机械行业 HMI 市场增长判断(2016-2021)



供稿:睿工业

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