陸堯 雷君相

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)硫化機(jī)的膠囊對(duì)膠料和能源損耗過(guò)高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型內(nèi)模直壓機(jī)構(gòu)用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)硫化機(jī)的膠囊。利用上下雙盤絲機(jī)構(gòu)分別驅(qū)動(dòng)大小金屬成型鼓并使其完成復(fù)雜的軸徑向收縮運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了硫化機(jī)無(wú)膠囊的硫化過(guò)程。以大小金屬成型鼓的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)，完成了內(nèi)模直壓機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的功能，同時(shí)有效地避免了機(jī)構(gòu)各零部件之間產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉。用ANSYS軟件對(duì)內(nèi)模直壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，根據(jù)模擬仿真的分析結(jié)果對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使機(jī)構(gòu)滿足了硫化狀態(tài)下的強(qiáng)度要求。

關(guān)鍵詞：盤絲驅(qū)動(dòng)內(nèi)模直壓機(jī)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);靜力學(xué)分析

中圖分類號(hào)：TH 122文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

輪胎硫化是生產(chǎn)輪胎的最后一道工序，對(duì)改善成品胎的性能極其重要。目前，我國(guó)輪胎硫化機(jī)的發(fā)展十分迅速。但現(xiàn)有的硫化機(jī)多采用往膠囊中充放過(guò)熱水、蒸汽和混合氣體來(lái)實(shí)現(xiàn)膠囊的脹縮，并以此為硫化過(guò)程中的胎坯提供壓力和熱量。膠囊是一種柔性材質(zhì)，在反復(fù)膨脹加壓過(guò)程中容易損壞，使用壽命低，加大了膠料的損耗，并且很難精確控制供給輪胎的壓力和熱量，使得輪胎產(chǎn)生質(zhì)量不均等缺陷。因此發(fā)展新型精密硫化機(jī)已經(jīng)成為了輪胎行業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

固特異IMPACT技術(shù)雖仍然使用膠囊進(jìn)行硫化，但用氮?dú)饬蚧孢^(guò)熱水和蒸汽，大大減少了硫化時(shí)間。米其林C3M技術(shù)用電加熱方式進(jìn)行硫化，大大減少了能耗。倍耐力MIRS技術(shù)直接利用胎坯的氣密層代替膠囊進(jìn)行硫化，減少了膠料的損耗。

為解決傳統(tǒng)硫化機(jī)膠囊的膠料和能源損耗過(guò)高的問(wèn)題，在充分借鑒國(guó)內(nèi)外新型硫化技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種新型盤絲驅(qū)動(dòng)內(nèi)模直壓機(jī)構(gòu)，利用盤絲驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了成型鼓的軸徑向收縮運(yùn)動(dòng)，對(duì)內(nèi)模直壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)和靜力學(xué)分析。

1盤絲驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理

盤絲驅(qū)動(dòng)內(nèi)模直壓機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。機(jī)構(gòu)采用上下兩個(gè)盤絲分別驅(qū)動(dòng)大小成型鼓形成內(nèi)模直壓。大成型鼓和大卡爪連接，安裝在大卡爪導(dǎo)向盤中，由大旋轉(zhuǎn)盤絲驅(qū)動(dòng);小成型鼓和小卡爪連接，安裝在小卡爪導(dǎo)向盤中，由小旋轉(zhuǎn)盤絲驅(qū)動(dòng)。大小成型鼓處于分離狀態(tài)，其間的垂直距離大于生胎的高度。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)軸I和軸Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軸I上的大波發(fā)生器在軸I的帶動(dòng)下在大柔性齒輪內(nèi)旋轉(zhuǎn)并迫使柔性齒輪變形。在大波發(fā)生器橢圓長(zhǎng)軸方向，大柔性齒輪與大剛性齒輪完全嚙合。此時(shí)，齒輪副將運(yùn)動(dòng)傳至大柔性齒輪，而大柔性齒輪將運(yùn)動(dòng)直接傳給大旋轉(zhuǎn)盤絲，使得大旋轉(zhuǎn)盤絲轉(zhuǎn)動(dòng)。盤絲副將大旋轉(zhuǎn)盤絲的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為徑向運(yùn)動(dòng)傳至大成型鼓，使大成型鼓獲得徑向的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，軸Ⅱ上的小波發(fā)生器在軸Ⅱ的帶動(dòng)下在小柔性齒輪內(nèi)旋轉(zhuǎn)并迫使柔輪變形，經(jīng)齒輪副和盤絲副將運(yùn)動(dòng)傳至小成型鼓。小成型鼓作徑向的運(yùn)動(dòng)。

在大小成型鼓作徑向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的上半部分在壓力機(jī)帶動(dòng)下下移至與大小成型鼓處于同一水平面時(shí)停止。機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)終了狀態(tài)如圖2所示，大小成型鼓處于極限脹開(kāi)位置，大小成型鼓的分割面緊密貼合，所有成型鼓的外表面形成和輪胎內(nèi)壁一樣的形狀，并且配合外模對(duì)輪胎施加硫化所需的壓力。

當(dāng)硫化結(jié)束后，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，使大小盤絲反向轉(zhuǎn)動(dòng)，大小成型鼓收縮。同時(shí)內(nèi)模直壓機(jī)構(gòu)的上半部分（小成型鼓）上移至裝胎的高度。此時(shí)取下成品胎，換上生胎并重復(fù)上述步驟。

盤絲驅(qū)動(dòng)內(nèi)模直壓機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)如下：

機(jī)構(gòu)采用剛性成型鼓代替柔性膠囊，可節(jié)省膠料和能源損耗，并可為輪胎硫化提供更大的壓力。

機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)卡盤分別驅(qū)動(dòng)大小成型鼓，對(duì)大小成型鼓運(yùn)動(dòng)的可控性更強(qiáng)，可以提高硫化機(jī)對(duì)輪胎的適用性，打破一機(jī)一胎的限制。

機(jī)構(gòu)的大小成型鼓收縮時(shí)處于上下兩個(gè)平面，可擴(kuò)大運(yùn)動(dòng)空間，更有效的避免干涉。

機(jī)構(gòu)上半部分的上下運(yùn)動(dòng)可為胎側(cè)子口施加壓力。

2 內(nèi)模直壓機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1成型鼓的設(shè)計(jì)計(jì)算

本研究選擇235/35R22型輪胎。成型鼓結(jié)構(gòu)如圖3所示，A為大成型鼓，B為小成型鼓。由實(shí)線組成的大、小成型鼓處于極限脹開(kāi)位置。由虛線組成的大、小成型鼓處于極限收縮狀態(tài)。D為成型鼓的徑向?qū)?R₁為成型鼓位于極限脹開(kāi)位置時(shí)，所有成型鼓外側(cè)圓弧所組成圓的半徑;r1為成型鼓位于極限收縮位置時(shí)，大成型鼓外側(cè)圓弧的外接圓半徑;r2為成型鼓位于極限收縮位置時(shí)，小成型鼓外側(cè)圓弧的外接圓半徑;r3為成型鼓位于極限收縮位置時(shí)，小成型鼓內(nèi)側(cè)圓弧的外接圓半徑;H₁為大成型鼓的最大徑向收縮位移;H₂為小成型鼓的最大徑向收縮位移;θ₁為大成型鼓圓心角;θ₂為小成型鼓的圓心角;₃為大成型鼓分切線之間的夾角。

成型鼓各參數(shù)間的關(guān)系如式（1）-（5）所示：式（1）-式（5）中：λ為收縮比，反映成型鼓的收縮程度;z為成型鼓總數(shù)，本次設(shè)計(jì)中為14塊。

235/35R22型輪胎的內(nèi)腔直徑為345.90mm，取R₁為345.90mm，胎圈直徑為279.40mm，取r₁為274.50mm，取r2為213.00min。將R₁，r1，r2和Z值代人式（1）和式（5）中得到的成型鼓結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

為了確保輪胎的順利安裝和卸取，大、小成型鼓的縱向位移須保證大、小成型鼓之間的垂直間距大于輪胎的斷面寬度。因此其縱向位移為342.00mm。

2.2 盤絲與卡爪的設(shè)計(jì)

盤絲和卡爪的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4和圖5所示。

2.2.1卡爪牙的齒距

為保證運(yùn)動(dòng)過(guò)程的平穩(wěn)，盤絲和卡爪的初始和終了狀態(tài)均至少要有3個(gè)齒嚙合。因此將齒數(shù)設(shè)定為3。牙弧齒距S_k過(guò)大會(huì)使盤絲外徑超出大成型鼓極限收縮狀態(tài)內(nèi)弧半徑;S_k過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致齒厚太小，使牙弧齒容易發(fā)生變形。因此將大導(dǎo)向件的牙弧距S_k1設(shè)為22.70mm，將小導(dǎo)向件的牙弧距S_k2設(shè)為12.30mm。

2.2.2盤絲的幾何尺寸

盤絲曲線選擇漸開(kāi)線，漸開(kāi)線的方程如式（6）所示：

式中：a為基圓半徑;ψ為滾動(dòng)角;x為橫坐標(biāo);y為縱坐標(biāo)。

漸開(kāi)線盤絲的自定心嚙合有兩個(gè)條件控制：卡爪牙弧的偏心距等于基圓半徑;卡爪牙弧的牙距與盤絲螺距相等，且均等于2IIa。因此大旋轉(zhuǎn)盤絲基圓半徑a₁為3.61mm，小旋轉(zhuǎn)盤絲基圓半徑a₂為1.96mm。

螺旋曲線外弧的最大曲率半徑Pmax必須小于大成型鼓極限收縮時(shí)的內(nèi)弧半徑，同時(shí)盤絲和成型鼓之間要有足夠的空間用來(lái)放置機(jī)架。因此大小旋轉(zhuǎn)盤絲螺旋曲線外弧的最大曲率半徑pmax均設(shè)為180.00mm。

Pmin與Pmax之差必須足夠大，以保證終了狀態(tài)卡爪的三個(gè)齒全部與盤絲嚙合。因此大旋轉(zhuǎn)盤絲的最小曲率半徑P1min為24.00mm，小旋轉(zhuǎn)盤絲的最小曲率半徑P2min為9.00mm。

2.2.3卡爪牙的大小弧

為了防止卡爪牙與盤絲漸開(kāi)螺旋曲線內(nèi)外弧邊緣的不良接觸和楔緊現(xiàn)象的產(chǎn)生，卡爪牙大小弧半徑需滿足式（7）和式（8）。

將大小盤絲的最大和最小曲率半徑值代入式（7）和式（8）可得大卡爪的大弧半徑R_b1大于179.00mm，小弧半徑R_sl小于23.00mm，小卡爪的大弧半徑R_b2大于179.00mm，小弧半徑R_s2小于8.00mm。因此取R_b1為185.00mm，R_s1為21.00mm，R_b2為185.00mm，R_s2為7.00mm。

3 機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析與優(yōu)化

內(nèi)模直壓機(jī)構(gòu)在硫化過(guò)程中會(huì)受到膠料對(duì)它的反作用力。如果機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度不夠會(huì)導(dǎo)致其硫化過(guò)程中發(fā)生塑性變形，最終會(huì)影響成品胎的質(zhì)量。因此進(jìn)行靜力學(xué)分析是內(nèi)模直壓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

為了使上述設(shè)計(jì)的內(nèi)模直壓機(jī)構(gòu)最終滿足強(qiáng)度要求，本文使用ANSYS軟件對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。ANSYS軟件采用的有限元分析法是將計(jì)算域劃分為有限個(gè)單元，在每個(gè)單元中選擇合適的節(jié)點(diǎn)作為求解函數(shù)的插值點(diǎn)，將微分方程中的變量改寫為由各變量和選用的插值函數(shù)所組成的線性表達(dá)式，借助變分原理或加權(quán)余量法求解微分方程，得到結(jié)果。因此，ANSYS軟件在單元數(shù)量足夠多的情況下，其求解值可以達(dá)到精確值，從而可以在無(wú)試驗(yàn)的條件下驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，節(jié)省試驗(yàn)所消耗的人力、物力和財(cái)力。

3.1內(nèi)模直壓機(jī)構(gòu)計(jì)算模型的建立

機(jī)構(gòu)包含的零部件較多并且形狀和受力較為復(fù)雜，這就導(dǎo)致對(duì)完整的機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬是很困難的。因此需要在滿足實(shí)際條件的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)構(gòu)作如下的簡(jiǎn)化：

（1）因?yàn)榇笮〕尚凸脑谥芟蚓鶆蚍植?，所以每個(gè)大成型鼓和每個(gè)小成型鼓的受力情況是相同的。計(jì)算模型只取一個(gè)大成型鼓和一個(gè)小成型鼓。

（2）在輪胎硫化過(guò)程中，機(jī)構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)機(jī)構(gòu)的主要受力部件是成型鼓、連接件、卡爪、盤絲以及卡爪導(dǎo)向盤，并且成型鼓所受的載荷可換算到連接件上。因此建立計(jì)算模型只考慮連接件、卡爪、盤絲以及導(dǎo)向盤，并對(duì)這幾個(gè)零件進(jìn)行簡(jiǎn)化。

使用CATIA軟件進(jìn)行三維建模，并導(dǎo)人ANSYS軟件進(jìn)行前處理。

機(jī)構(gòu)的材料選用50Cr。在840℃油淬、520℃回火油冷的熱處理狀態(tài)下，50Cr的彈性模量為206.00GPa，泊松比為0.30，屈服強(qiáng)度為930.00MPa。安全因數(shù)取1.30，許用應(yīng)力為715.30MPa。

對(duì)導(dǎo)人ANSYS軟件的模型用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，劃分好的模型如圖6所示。

對(duì)劃分好的模型設(shè)置邊界條件。剛性內(nèi)模對(duì)膠料施加的壓力為3.25MPa，換算到大小連接件表面上的均布載荷分別為8.11MPa和3.34MPa。對(duì)卡爪導(dǎo)向盤的底面和中心圓弧面以及盤絲的中心圓弧面施加固定約束。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖7中的小成型鼓盤絲驅(qū)動(dòng)內(nèi)模直壓機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力635.45MPa小于許用應(yīng)力715.30MPa。而大成型鼓盤絲驅(qū)動(dòng)內(nèi)模直壓機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力1178.67MPa超過(guò)了材料的許用應(yīng)力715.30MPa。圖8中的大連接件和大卡爪導(dǎo)向盤的最大應(yīng)力311.71和424.58MPa，都在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。而大盤絲和大卡爪最大應(yīng)力789.68和949.63MPa，都超過(guò)了材料的許用應(yīng)力。由此可見(jiàn)模型中超過(guò)許用應(yīng)力的應(yīng)力集中在盤絲和卡爪上，并且最大應(yīng)力發(fā)生在卡爪和盤絲嚙合的部分。發(fā)生這種現(xiàn)象是由于卡爪的高度過(guò)高，導(dǎo)致卡爪受到了過(guò)大的彎矩作用，使得盤絲和卡爪嚙合的部位，以及卡爪的導(dǎo)向槽部位產(chǎn)生了過(guò)大的應(yīng)力。雖然在簡(jiǎn)化的計(jì)算模型中只要降低卡爪的高度便可以降低應(yīng)力，但是在完整的內(nèi)模直壓機(jī)構(gòu)中，一旦降低卡爪的高度，成型鼓脹縮時(shí)便會(huì)與卡爪導(dǎo)向盤發(fā)生干涉。這就導(dǎo)致要想降低應(yīng)力，必須改變連接件的結(jié)構(gòu)。

3.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析結(jié)果，對(duì)連接件的結(jié)構(gòu)作如圖9（c）所示的改進(jìn)。在連接件的底部增加支架。圖9中的大卡爪的最大應(yīng)力為656.26MPa，大盤絲的最大應(yīng)力為543.36MPa，大連接件的最大應(yīng)力為498.19MPa，大卡爪導(dǎo)向盤的最大應(yīng)力為489.05MPa。所有零件的最大應(yīng)力均在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。這是由于改進(jìn)后的連接件底部增加了支架，支架在卡爪中間部位與卡爪接觸并對(duì)卡爪施加橫向作用力，而原本卡爪頂部承受的橫向作用力變成豎直的作用力。這就使原本很大的彎矩降低，從而使機(jī)構(gòu)的應(yīng)力降低。

4結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型盤絲驅(qū)動(dòng)內(nèi)模直壓機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了輪胎硫化機(jī)無(wú)膠囊的硫化過(guò)程。以235/35R22型輪胎的徑向收縮成型鼓的運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，完成了盤絲、卡爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的功能。新機(jī)構(gòu)能提供平穩(wěn)、可靠、高精度的運(yùn)動(dòng)，提高硫化機(jī)對(duì)輪胎的適用性，擴(kuò)大運(yùn)動(dòng)空間，更有效的避免干涉，為胎側(cè)子口施加壓力。對(duì)內(nèi)模直壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)分析，并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化了連接件的結(jié)構(gòu)以及連接件與卡爪的連接方式，降低了卡爪的彎曲應(yīng)力，使整個(gè)機(jī)構(gòu)的應(yīng)力分布均處于許用應(yīng)力以下，滿足了強(qiáng)度要求。