劉常

摘要：撐胎支架是纏胎機(jī)的重要受力部件，為設(shè)計(jì)出合理可靠的結(jié)構(gòu)我們借助Solidworks、simulation等設(shè)計(jì)軟件，對(duì)其進(jìn)行實(shí)體建模、有限元分析，并根據(jù)結(jié)果對(duì)此進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：撐胎支架；有限元分析；Solidworks；Simulation

1.引言

隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的舊輪胎正在污染著我們的環(huán)境，如何把舊輪胎重新利用起來(lái)是輪胎產(chǎn)業(yè)的重要課題。纏胎機(jī)是舊輪胎修補(bǔ)及重新利用的重要設(shè)備之一，它將磨削掉花紋的輪胎重新纏繞上生膠，再進(jìn)入硫化機(jī)硫化成型。其中負(fù)責(zé)支撐輪胎的主要受力部件就是撐胎支架，為了保證撐胎支架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，我們采用了Solidworks對(duì)設(shè)備進(jìn)行建模，采用其內(nèi)置的有限元分析模塊Simulation對(duì)撐胎支架進(jìn)行力學(xué)分析。

2.撐胎支架的設(shè)計(jì)

2.1 纏胎機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

纏胎機(jī)占地面積為5米*2.6米，高為3米。所翻修輪胎規(guī)格為輪胎外徑為2650～3235 mm，輪胎最大斷面寬是990mm。設(shè)計(jì)承載輪胎重量約3t，在計(jì)算機(jī)中用Solidworks構(gòu)造出方案的實(shí)體模型。

2.2 撐胎支架的要求及設(shè)計(jì)

纏胎機(jī)撐胎裝置的功能是實(shí)現(xiàn)巨型輪胎在主軸上的固定并實(shí)現(xiàn)輪胎旋轉(zhuǎn)。設(shè)備的設(shè)計(jì)承載質(zhì)量為3噸，采用箱型結(jié)構(gòu)。為了方便輪胎的裝卸，撐胎支架上的主軸是一個(gè)懸臂結(jié)構(gòu)，單邊的框架設(shè)計(jì)也使這種結(jié)構(gòu)也承受了較大的彎矩。另外，由于輪胎胎面有弧度要求，纏繞時(shí)撐胎支架的回轉(zhuǎn)中心就不在輪胎重心正下方，這樣對(duì)底板受力也有很高的要求。

3.撐胎支架的力學(xué)分析及優(yōu)化

3.1 撐胎支架的有限元分析準(zhǔn)備

為縮短運(yùn)算時(shí)間要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。首先，去除不相干的零件，例如緊固件和護(hù)罩等；之后，去除系統(tǒng)受力可以自相抵消的部件，例如液壓缸、主軸和支撐臂構(gòu)成的撐胎系統(tǒng)，其在主軸軸向上的受力相互抵消；最后簡(jiǎn)化形狀復(fù)雜的零件為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，例如把主軸上由液壓缸驅(qū)動(dòng)的環(huán)形支撐套簡(jiǎn)化為環(huán)形套，去掉設(shè)備上所有沒(méi)用的螺紋孔，簡(jiǎn)化軸承的結(jié)構(gòu)等。

分別賦予不同零件不同的材料，主軸的材料為45#，主軸箱的材料為Q235A。夾具為固定回轉(zhuǎn)支撐接觸面，施加載荷為垂直向下，30000N的力在軸承套上。

3.2 撐胎支架的有限元分析結(jié)果

執(zhí)行網(wǎng)格化及運(yùn)算，運(yùn)行算例之后得到VonMises應(yīng)力結(jié)果。本算例中，撐胎支架最大應(yīng)力為83.4MPa（圖1），安全系數(shù)為2.82，由此看出此結(jié)構(gòu)安全。

從合位移圖解來(lái)看，軸端變形量達(dá)到5.74mm，合位移圖解不能反映主軸傾斜程度，需要添加Y位移圖解，并通過(guò)探測(cè)傳感器測(cè)量主軸同一高度上不同位置上的實(shí)際Y方向位移量，在相距499mm的距離上Y方向位移差值為2.13mm，即可計(jì)算出主軸傾角。

按照Y方向位移圖解計(jì)算出傾角，再推算到輪胎外緣，左右高度差在4.3mm左右，這樣纏繞之后的輪胎會(huì)出現(xiàn)厚度不均勻現(xiàn)象，需要采取措施增加撐胎支架的剛度措施。添加設(shè)計(jì)算例對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，嘗試改變不同特征參數(shù)，增大能提高撐胎支架剛度的尺寸，主要選擇了前面筋板的高度、前后壁板材的厚度以及側(cè)壁厚度，設(shè)置約束使其監(jiān)視Y方向位移。

由于活動(dòng)情形比較多，先選擇幾個(gè)情形進(jìn)行試算。經(jīng)試算后發(fā)現(xiàn)前后壁厚度對(duì)撐胎支架剛度影響最為主要，其次是側(cè)壁厚度，筋板高度影響較小。為了加工方便側(cè)壁厚度和前后壁取相同的厚度，而筋板高度則不變。同時(shí)修改前后壁厚度和側(cè)壁厚度，由5mm增加到10mm時(shí)撐胎支架剛度增加明顯，10mm到16mm時(shí)變化趨于緩慢，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。預(yù)計(jì)前后壁厚度為10mm時(shí)即可滿(mǎn)足工藝要求，不需要增加到16mm。

對(duì)壁厚10mm的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，最終在Y位移圖解通過(guò)探測(cè)得到相距499mm的距離上Y方向位移差值為1.136mm（圖2）。這樣纏繞之后的輪胎左右高度差在2.2mm左右，并測(cè)量Z方向的位移1.7mm，均可以滿(mǎn)足工藝需求。

4.小結(jié)

本文通過(guò)Solidworks Simulation對(duì)纏胎機(jī)的撐胎支架進(jìn)行了有限元分析，得知了設(shè)計(jì)的不足之處，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，根據(jù)所得數(shù)據(jù)篩選出最經(jīng)濟(jì)有效的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法，提高了撐胎支架剛度，使其滿(mǎn)足了工藝要求。從研究結(jié)果來(lái)看，該研究為纏胎機(jī)的撐胎支架的設(shè)計(jì)優(yōu)化及安全評(píng)估提供了一定的理論依據(jù)，在實(shí)際工程應(yīng)用上具有一定的指導(dǎo)意義。

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