侯朋

(軟控股份有限公司，山東 青島 266042)

載重輪胎X射線檢驗機擴子口裝置設(shè)計

Design of bead expanding device for truck tire X-ray inspection machine

侯朋

(軟控股份有限公司，山東 青島 266042)

從載重輪胎X射線檢驗機擴子口裝置應(yīng)用的必要性、擴子口裝置的結(jié)構(gòu)功能和測試過程中發(fā)生的問題以及后續(xù)的分析優(yōu)化方面對此裝置進行介紹。并且針對擴子口裝置在測試過程中暴露的問題，參照反饋校核計算和有限元分析結(jié)果，結(jié)合實際使用工況進行分析，對該結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，有效的保證了該裝置的使用壽命。

載重輪胎；X射線；擴子口；擴胎；測試；有限元；優(yōu)化

隨著我國公路交通突飛猛進的發(fā)展，具有高安全性、高速適應(yīng)性及高超載性的高質(zhì)量子午線新型輪胎逐漸占領(lǐng)市場，對輪胎進行檢測則是輪胎高質(zhì)量的重要保證。載重輪胎X射線檢驗機能夠通過對輪胎內(nèi)部簾線排列狀況、鋼絲帶束層排布情況、胎面與帶束層的貼正等檢驗完成輪胎骨架材料完好性和輪胎部件位置誤差的檢驗，是確保輪胎高性能的必檢項目。

軟控股份有限公司為迎合市場需要，研發(fā)設(shè)計了載重擴子口X射線機，其具有結(jié)構(gòu)先進、工藝成熟、性能穩(wěn)定的優(yōu)點，結(jié)束了該類產(chǎn)品依靠進口的狀況，提高我國車輛制造行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備國產(chǎn)化的比例和水平。輪胎進行X光檢測時，為了保證檢測圖像質(zhì)量，使檢測者能夠準(zhǔn)確了解輪胎的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，要求X光管發(fā)射口與輪胎各個點的相對位置盡可能的相近，并要求發(fā)射的X射線盡可能的與輪胎輪廓曲線垂直，因此，X光管必須能夠伸入輪胎內(nèi)部。受X光管自身體積的限制，對小子口間距的輪胎進行檢測時，必須將輪胎子口撐開后X光管才能進入，因此，對新式X光機進行擴子口裝置的研發(fā)非常重要。

本文通過對X射線檢驗機原理進行分析，針對小子口輪胎，設(shè)計了擴子口裝置，同時，針對擴子口裝置在測試過程中絲杠易斷問題，根據(jù)實際負(fù)載反饋進行校核計算，并結(jié)合有限元分析結(jié)果，優(yōu)化了該裝置的結(jié)構(gòu)，對延長絲杠的壽命具有重大意義。

1 擴子口裝置的設(shè)計

1.1 X射線檢驗機原理

X射線檢驗機的原理是利用X射線穿透物質(zhì)后強度會衰減，而衰減程度與被穿透物質(zhì)的厚度及該物質(zhì)的吸收特性有關(guān)。正是由于穿透后的射線強度差異，穿透后的X射線經(jīng)探測器接收并轉(zhuǎn)換數(shù)字信號后，由計算機進行圖像處理，最終會在顯示屏上顯示出輪胎內(nèi)部信息的圖像，（如圖1）。在輪胎結(jié)構(gòu)中，金屬骨架（鋼絲）密度大，相應(yīng)的X射線透過量就少，而橡膠材料密度小，X射線透過量就大，如果橡膠內(nèi)部有氣泡，此處會比正常的橡膠材料透過的X射線量更大一些。因此，在輪胎X射線圖像中，能夠顯示出輪胎內(nèi)部鋼絲的情況和較大的氣泡。

1.2 擴子口裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

經(jīng)過對輪胎性能、X光檢驗機原理等的分析，設(shè)計了擴子口裝置。該裝置主要執(zhí)行兩個動作過程：擴胎動作和擴子口動作。其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

擴胎絲杠與驅(qū)動電機的選用如下：

圖1 輪胎X光成像示意圖

圖2 擴子口裝置圖

1.2.1 擴胎絲杠

型號DIR2505-6；導(dǎo)程5 mm；外徑Φ25 mm；階梯軸Φ17 mm；材料45號鋼調(diào)質(zhì)。材料性能見表1。

表1 材料性能參數(shù)

1.2.2 驅(qū)動電機

額定扭矩9.55 Nm；額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min；電機與絲杠傳動比10:3。電機后期測試過程中預(yù)測：最大使用轉(zhuǎn)速為2 400 r/min；最大扭矩為60%的額定扭矩。通過減速裝置后傳遞到絲杠上：最大轉(zhuǎn)速為720 r/min；最大扭矩為19.1 Nm。

1.3 擴胎動作設(shè)計

圖3是擴胎結(jié)構(gòu)示意圖。擴胎動作原理為：驅(qū)動電機帶動擴胎絲杠升降，擴胎絲杠通過固定塊連接到滑動架上，擴胎絲杠升降時帶動滑動架升降，滑動架通過連接桿實現(xiàn)4個導(dǎo)桿體擴張，從而實現(xiàn)擴胎功能。此結(jié)構(gòu)以固定座為載體，固定座上的導(dǎo)軌在滑動架升降過程中起到導(dǎo)向作用。

圖3 擴胎結(jié)構(gòu)示意圖

擴胎動作過程為：擴胎絲杠通過連接桿拉動導(dǎo)套張收，讓子口卡盤和子口卡盤2的小徑處能夠貼緊輪胎內(nèi)徑，從而起到對輪胎延直徑方向的擴張作用，如圖4所示。

圖4 擴胎過程示意圖

1.4 擴子口動作設(shè)計

只有卡盤小徑貼近輪胎內(nèi)徑，擴子口動作才能起到將輪胎子口撐開的作用，所以擴子口動作必須在擴胎動作完成后進行。

擴子口動作過程：擴胎動作完成后，導(dǎo)桿前伸，帶動子口卡盤2外移，導(dǎo)致子口卡盤1和子口卡盤2的相對位置增大，從而將卡在子口卡盤1和子口卡盤2的臺階處的輪胎子口撐開，方便X光管進入，如圖5所示。

圖5 擴子口過程示意圖

2 擴子口裝置優(yōu)化

擴子口裝置在使用過程中，擴胎絲杠的階梯過渡處頻繁出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，參看圖6?，F(xiàn)根據(jù)反饋校核計算反向分析絲杠的速度校核、抗拉強度、扭轉(zhuǎn)強度從而分析選用類型的絲杠安全系數(shù)是否滿足要求。同時，利用有限元分析分析絲杠斷裂原因，并提出解決方案。經(jīng)過驗證，改進后的結(jié)構(gòu)能夠延長絲杠壽命。

圖6 絲杠斷裂

2.1 反饋校核計算

電機實際測試過程中：最大轉(zhuǎn)速為2 400 r/min；最大扭矩為70%的額定扭矩。通過減速裝置后傳遞到絲杠上：最大轉(zhuǎn)速為N=720 r/min；最大扭矩為T=22.3 N·m。

根據(jù)實際使用過程中電機反饋的最大轉(zhuǎn)速和最大扭矩進行反向計算絲杠的使用壽命。

2.1.1 絲杠轉(zhuǎn)速校核

（1）絲杠危險速度下的容許轉(zhuǎn)速為：

式中：

λ2——與絲杠安裝方法相關(guān)的系數(shù)；

d1——絲杠軸螺紋的小徑；

lb——絲杠安裝間距。

（2）絲杠由DN值決定的容許轉(zhuǎn)速為：

根據(jù)公式（1）、公式（2）得，N1=15 595 r/min，N2=2 718 r/min，實際轉(zhuǎn)速 N=720 r/min＜min（N1，N2），所以，速度校核滿足要求。

2.1.2 階梯軸處強度校核

（1）按抗拉強度校核（按最大拉應(yīng)力理論）：

實際使用過程中傳到絲杠上的扭矩：T=22.3 Nm，則傳遞到絲杠階梯軸上的軸向力為：

得出：F=25 207 N。

傳遞到階梯軸處的最大拉應(yīng)力為：

（2）按彎扭合成應(yīng)力校核（按最大切應(yīng)力理論）：

階梯軸處的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為：

（3）精確校核軸的疲勞強度

其中,綜合系數(shù)值，有效應(yīng)力集中系數(shù)κτ=1+qτ(ατ-1)=2.256，剪切疲勞極限τ-1= 155 MPa，理論應(yīng)力集中系數(shù)ατ=2.57，軸的材料敏性系數(shù)qτ=0.85，扭轉(zhuǎn)系數(shù)ετ=0.92，表面質(zhì)量系數(shù)βτ=0.92，根據(jù)碳鋼特性系數(shù)查得φτ=0.05。

由于安全系數(shù)與電機扭矩成反比，故當(dāng)電機扭矩達到額定值時Sca=2.2×0.7=1.54，因此，所以計算絲杠安全系數(shù)符合要求。

2.2 有限元分析

2.2.1 彎矩力分析

根據(jù)反饋校核計算可知，從設(shè)計角度來看，不會在短期內(nèi)出現(xiàn)絲杠階梯軸處斷裂現(xiàn)象?，F(xiàn)分析加工安裝使用過程中的異常情況：

（1）在加工和裝配過程中，安裝工藝要求導(dǎo)軌和絲杠的平行度在0.06 mm以內(nèi)，而由于受零件加工精度和鉗工自身裝配能力的影響，有些擴胎結(jié)構(gòu)在出廠前導(dǎo)軌、絲杠的平行精度要遠(yuǎn)超過0.06 mm，從而引起絲杠端部受到較大的彎矩力，會造成導(dǎo)軌和絲杠平行度誤差，產(chǎn)生一定的彎矩力；

（2）擴胎過程中絲杠的軸向力較大，引起固定底座變形，導(dǎo)致導(dǎo)軌、絲杠的平行度發(fā)生變化，從而引起絲杠端部受到一定的彎矩力。

因此，實際使用過程中，絲杠受力除理論分析得到的軸向拉力和扭矩力，還包含安裝過程產(chǎn)生的彎矩力，如圖7。當(dāng)附加彎矩力后，若絲杠所受綜合應(yīng)力過高，超過材料的疲勞強度極限，材料就會加速破壞。

圖7 擴胎絲杠彎矩示意圖

2.2.2 有限元分析

考慮到各個環(huán)節(jié)中的異常狀況引起的導(dǎo)軌、絲杠平行度的誤差，以導(dǎo)軌和絲杠底部為基準(zhǔn)，當(dāng)絲杠端部的偏移量分別為0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm時，取絲杠端部和螺母距離分別為兩個極限位置150 mm、50 mm時進行有限元分析，得到絲杠端部不同的偏移量造成的相應(yīng)的應(yīng)力附加值。

絲杠端部偏移量示意圖見下圖8。整體擴胎結(jié)構(gòu)的有限元分析如圖9所示。

圖8 絲杠端部偏移量示意圖

圖9 擴胎結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分析圖

絲杠端部和螺母距離為150 mm，不同安裝誤差引起絲杠端部的附加應(yīng)力（MPa）：0.1 mm為55 MPa；0.3 mm為162 MPa；0.5 mm為170 MPa。如圖10所示。

絲杠端部和螺母距離為50 mm，不同安裝誤差引起絲杠端部的附加應(yīng)力（MPa）：0.1 mm為76 MPa；0.3 mm為226 MPa；0.5 mm為381 MPa。如圖11所示。

圖10 安裝偏移量為0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm時附加應(yīng)力值

圖11 安裝偏移量為0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm時附加應(yīng)力值

由上述計算可看出：

（1）安裝誤差能夠添加較大的附加應(yīng)力值，隨著安裝誤差增大，最大應(yīng)力基本呈線性關(guān)系增長。

（2）排除安裝誤差，絲杠固定端與螺母的距離越小產(chǎn)生的附加力越大。

因此，當(dāng)絲杠安裝誤差較大在運行過程中就容易出現(xiàn)絲杠斷裂現(xiàn)象。如圖12所示。

圖12 附加應(yīng)力造成的絲杠斷裂示意圖

按彎扭強度校核，假設(shè)由于安裝誤差造成的附加應(yīng)力為X，要使疊加后絲杠端部的應(yīng)力值≤[σ-1]，則

所以為了保證絲杠使用壽命，要使絲杠端部附加的應(yīng)力值小于65 MPa，絲杠和導(dǎo)軌的平行度誤差應(yīng)該控制在0.085 mm以內(nèi)。參照我們的安裝規(guī)范，將絲杠和導(dǎo)軌的平行度誤差控制在0.06 mm以內(nèi)是合理的，后期應(yīng)該加強此方面的檢驗要求。

2.3 擴胎絲杠結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

通過前面的計算分析，將加工安裝原因造成的絲杠導(dǎo)軌的平行度誤差控制在0.06mm。同時，重新設(shè)計零件結(jié)構(gòu)，改變絲杠端部的受力方式，減小局部高應(yīng)力水平，使最大應(yīng)力控制在安全范圍之內(nèi)。絲杠受力狀況得到較大改善。

修改前后的部件結(jié)構(gòu)對比如圖13所示。

圖13 擴胎結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對比圖

將絲杠導(dǎo)軌的平行度誤差設(shè)定為0.06 mm，對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行有限元分析，分析結(jié)果如圖14，絲杠端部最大應(yīng)力為175 MPa＜[σ-1］。理論上滿足使用要求。

圖14 絲杠端部的受力方式為“拉伸+扭轉(zhuǎn)+彎曲”，最大應(yīng)力175 MPa

通過對絲杠彎曲的控制減少了絲杠受到的彎矩，提高了絲杠的使用壽命，后期測試沒再出現(xiàn)絲杠斷裂現(xiàn)象。

3 結(jié)論

本文首先從載重輪胎X射線檢驗機擴子口裝置應(yīng)用的必要性、擴子口裝置的結(jié)構(gòu)功能對此裝置進行介紹。然后，針對測試過程中出現(xiàn)的擴子口裝置的絲杠易斷問題，根據(jù)反饋校核計算及有限元分析進行解決。在控制住零部件的加工誤差和絲杠導(dǎo)軌的安裝誤差前提下，優(yōu)化擴胎結(jié)構(gòu)，使絲杠端部的受力方式發(fā)生較大改變，解決了由于受彎曲變形引起的高應(yīng)力問題，大大延長絲杠使用壽命，具有重要意義。

(R-03)

TQ330.4

1009-797X(2015)21-0059-06

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.21.012

侯朋（1982-），男，工程師，主要從事橡膠機械設(shè)計工作。

2015-08-03