轮胎定型硫化机结构优化设计

基于CAE的机械式双模轮胎定型硫化机底座结构分析与优化张志;侯文超;张晓琳;刘全泽
【期刊名称】《橡塑技术与装备》
【年(卷),期】2024(50)6
【摘要】机械式双模轮胎定型硫化机作为主要的轮胎硫化设备之一目前在我国轮胎行业中大量使用,虽然其传动结构特性导致精度不如新兴的液压结构硫化机高,但是其凭借较低的成本价格仍然有较可观的市场价值。

因此对于现有机型设备挖掘提升其精度也是技术升级的一个重要方向。

本文基于专业CAE软件ansysworkbench,对机械双模硫化机现有部分机型中底座的结构进行结构静态力学分析,着重对于影响合模精度的底座刚度变形进行仿真和优化,为CAE参与已有设备优化升级提供参考借鉴。

【总页数】5页(P65-69)
【作者】张志;侯文超;张晓琳;刘全泽
【作者单位】青岛海琅智能装备有限公司;陕西延长石油集团橡胶有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TQ330.8
【相关文献】
1.轮胎定型硫化机底座的有限元优化设计
2.机械式轮胎定型硫化机有限元分析
3.B 型双模机械式轮胎定型硫化机动力系统的改进
4.机械式轮胎定型硫化机常见故障与分析
5.B型机械式轮胎定型硫化机大修常见问题、原因分析及维修方法
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169新型多工位工程机械轮胎硫化后充气定型机的设计卜凡雷1，孟海狮2*，韩　翠2，郑　颖2，张云灿3，郑清文2（1.徐州地森机械有限公司，江苏 徐州 221011；2.徐州徐轮橡胶股份有限公司，江苏 徐州 221011；3.南京工业大学，江苏 南京 211800）摘要：介绍新型多工位工程机械轮胎硫化后充气定型机的设计。

研发的定型机主要由机架、动/定卡盘、十字头卡盘锁紧机构、上托机构和推动气缸等组成，采用双气源供气。

每个工位可以单独控制，设有不同压力的进气管道，实现人工装胎、定型、锁紧充气、松锁放气、卸胎的全过程动作，提高了工程机械轮胎生产的机械化和自动化水平，降低了劳动强度，且大幅提高了轮胎质量。

关键词：工程机械轮胎；硫化后充气定型机；机械设计；电气设计中图分类号：TQ330.4＋6 文章编号：2095-5448（2024）03-0169-04文献标志码：A DOI ：10.12137/j.issn.2095-5448.2024.03.0169近年来，汽车工业已经成为我国的支柱产业，而汽车工业中新技术和新材料的不断应用，对轮胎的稳定性、安全性等也提出了越来越高的 要求。

目前，由于工程机械轮胎体积大，没有专用的定型设备，工程机械轮胎硫化完成后靠自然冷却定型，整体轮胎的变形较大，严重影响工程机械轮胎质量，因此我公司设计了新型多工位工程机械轮胎硫化后充气定型机[1-4]，简要介绍如下。

1　设备概述根据轮胎生产厂家的要求，分别设计和生产五工位和四工位工程机械轮胎硫化后充气定型机，根据所生产轮胎规格可分为17.5-25，23.5-25，11-32等不同型号。

2　机械设计在综合考虑装胎、硫化、定型、卸胎以及后充气冷却等因素的基础上研发的新型工程机械轮胎硫化后充气定型机主要由机架、动/定卡盘、十字头卡盘锁紧机构、上托机构和推动气缸等组成。

机架采用18#槽钢、120 mm ×60 mm ×5 mm 矩形管焊接，既保证刚性，又使其结构紧凑，外观美观。

一、活络模具设计依据的基本参数及技术标准1 10.00R20轮胎外胎的基本参数：1)轮胎的外径D:φ10602)轮胎断面宽度B：2763)钢圈子口直径d：20”4)轮胎花纹深度：7.82 外胎定型硫化机加热方式的选择：目前国内轮胎制造企业通常采用加热方式为《热板加热式》或《蒸锅加热式》活络模。

热板加热式具有高效、节能、加热均匀、生产安全性好等优点，是目前轮胎制造企业采用的主要加热方式。

即通过对硫化机上、下热板加热，经模具的上盖、底板传导给成型件上、下胎侧花纹板和通过对中模套的加热，经滑块传导给花纹板。

从而实现模具的整体加热，实现轮胎的硫化。

根据硫化轮胎的规格，选择LL-B1525/430X2的热板式外胎定型硫化机。

其相关的主要技术规格为：1) 最大合模力：2×430吨2) 中心机构形式： B型3) 加热方式：热板式4) 隔热罩内径：φ15255) 硫化模型高度： 255～6356) 适应钢圈直径：16”～24”7) 采用活络模硫化轮胎最大直径：φ11358) 胶囊最大伸直行程： 8959) 托胎最大行程(下环)： 54810) 过热水压力： 2.8 MPa3 B型子午胎硫化胶囊的选择：根据轮胎的规格和选择B型硫化机的条件，选择胶囊代号为BR20－5的B型子午胎硫化胶囊。

相关尺寸如下：夹缘内径dB＝φ374 ：夹缘高度a＝22.0 ：夹缘宽度b＝13.5 ；颈部厚度to＝13 。

4 活络模向心机构设计所采用的技术规格标准：轮胎外胎活络模的设计、制造，采用化工行业标准HG/T3227.1-200X轮胎外胎模具中第一部分：《活络模具部分》。

a.圆锥导向活络模具规格为VIII；其主要技术参数如下；模具外径；1510 模具高度；520花纹块直径；1178 花纹块数量；9或10块花纹块行程；x＝68 y＝254 适用轮胎范围；≤φ1120X335b. 斜平面导向活络模具规格为63.5H380；其主要技术参数如下；模具外径；1510 模具高度；500花纹块直径；1188 花纹块数量；9或10块花纹块行程；x＝52 y＝194 适用轮胎范围；≤φ1130X320二63.5’硫化机活络模具向心机构参数的确定1 活络模向心机构花纹块的数量选择：子午线轮胎活络模花纹块的重量要便于加工、更换及合理的抽芯距离，按标准有分解成9或10块等。

现代化机械式轮胎硫化机脱模机构优化设计摘要近年来，我国科学技术得到很大的发展，这为我国研究人员进行技术创新工作提供条件，我国新型的施工技术和工艺层出不穷，为各行各业的发展提供有利的条件。

轮胎定型硫化脱模机构主要是作用于驱动中心机构下环升降的机构，以实现轮胎的定型、硫化后轮胎及实现模具的脱离，完成卸胎。

以杠杆式作为主要的结构形式，在中心机构中由杠杆脱模机构产生作用力，主要是产生垂直方向作用力和水平滚动摩擦阻力，借助摩擦阻力使其通过中心机构产生弯曲变形，如果进一步加快磨损会直接缩短其使用寿命。

鉴于此，为了提高机械的使用寿命，相关人员优化设计将其改进为直推式脱模机，降低发生弯曲形变的可能性，降低磨损，进而延长其使用寿命。

关键词机械式轮胎；硫化机脱模机；结构优化；设计引言随着我国新型施工工艺和施工技术的不断创新与应用，为我国各个行业的发展都提供有利条件。

轮胎定型硫化机技术进一步提高了我国空心轮胎的外胎硫化装备的工作效率和质量。

该项技术能提高装胎、定型、硫化及卸胎等一系列工作完成质量和效率。

现阶段轮胎定型硫化机主要分为机械式和液压式两种。

其中机械式轮胎定型硫化机主要是由主传动、机架、硫化室及中心结构等部分组成。

其中脱模机构主要作用于轮胎与下模具脱离，通过杠杆式形成作用力。

但是该模式存在一定的缺陷，就是使用一段时间后，容易出现弯曲变形的情况，同时发生磨损，降低其使用寿命，因此技术人员一定要根据这一问题，优化方案设计，延长其使用寿命，使其满足生产发展的需求。

1 杠杆式脱模机构分析1.1 杠杆式脱模机构的基本结构我们常说的轮胎硫化中心机构就是轮胎定型硫化机的定型机构的简称，也有技术人员根据它外形的特点将其称为胶囊操纵机构，或是救赎中心机构。

由于它是整个轮胎硫化机构的关键部分，因此也被称为心脏部分。

该机构主要的作用就是在进行硫化之前将用来通入内压的胶囊装入胎胚之中，并将其定型；硫化是胶囊内通过热蒸汽等内压硫化介质，使得胶囊紧贴生胎的内腔，保证生胎硫化成为成品的轮胎；在硫化结束后在配合卸胎机构使胶囊可以从轮胎中抽出，帮助轮胎模具实现脱离，然后移除硫化机。

双模轮胎定型硫化机机械手及其微机控制系统设计双模轮胎定型硫化机机械手及其微机控制系统设计本机属B型双模轮胎定型硫化机。

用曲柄连杆传动，采用蒸锅式（或热板式）加热，升降翻转式开合模。

胶囊伸直或收缩由中心机构操纵；机械手升降、转动、卸胎机构进出均采用水缸驱动；后充气采用二位四点式装置；控制系统采用PLC可编程控制程序控制。

本机主要由... 本机属B型双模轮胎定型硫化机。

用曲柄连杆传动，采用蒸锅式（或热板式）加热，升降翻转式开合模。

胶囊伸直或收缩由中心机构操纵；机械手升降、转动、卸胎机构进出均采用水缸驱动；后充气采用二位四点式装置；控制系统采用PLC可编程控制程序控制。

本机主要由机器、传动装置、中心机构、蒸汽室、装胎机构、卸胎机构、脱模机构、活络模操纵装置、管路系统、电气控制系统等组成。

序号项目参数 1 蒸汽室数目 2 个 2 蒸汽室内径1525 mm 3 最大合模力4220 X 2 KN 4 模型高度254635 mm 5 适用钢圈直径1624 in 6 主电机LG41-6 13 KW 890 r/min 7 机械手爪张开（闭合）直径630 （360）mm8 胶囊真空度0．05 MPa 9 过热水压力2．8 MPa 10 硫化蒸汽压力0．7（热板1.04）MPa 11 动力水压力0．7 ，1.0 ,1.4 MPa 12 动力空气压力2．12．5 MPa 13 控制气源压力0．35 MPa 14 最大充气压力1．4 MPa 15 开（合）模理论时间约90 s 16 垂直开模距离660 mm 17 抓胎器最大升降行程1620 mm 18 外型尺寸（长X 宽X 高）7000 X 5520 X 5950 mm 19 总重约60 t 技术参数〈四〉、机械手一、机械手工作原理机械手由钩爪，连杆及托架板汽缸等组成，机械手由双向液压驱动，当液缸向下时，四瓣钩胎爪张开至最大，当液压缸向上时，钩胎胚是不会脱落的，因为连杆在张开时接近一字行，足以平衡钩胎爪胚的作用力。

作者简介：郭懿宁（1991-），男，本科，主要从事机械设计工作。

*通讯作者收稿日期：2021-08-17轮胎作为随处可见的工业成品，在人们的日常生活中扮演着重要的角色。

一个轮胎的生产要经过密炼、胶部件准备、轮胎成型和硫化四道工序，从碳黑、橡胶、油、添加剂等原材料加工成为一个成型的轮胎，再经过最终检验和测试即可投入使用。

而轮胎成型这一步在四道生产工序中尤为重要，轮胎成型装备也是轮胎生产制造过程中最重要的设备之一。

福建建阳龙翔科技开发有限公司，是一家专业生产轮胎成型装备的工厂，是首批福建省轮胎成型设备重点实验室和工程技术研究中心，产品荣获国家专利三十多项，有着较为完善的轮胎成型装备生产流水线。

由该公司开发的斜交轮胎成型机中，轴类零件受载情况较为单一，在设计中没有进行同步的仿真分析及机械校核。

为了生产出的机械满足实际的工作需要，且强度、刚度等方面符合要求，其设计的零件所使用的材料过多，已经大大满足了实际的生产需求。

且在机器零件的受载能力及受载后应力、形变等情况上没有科学的分析依据。

本文对斜交轮胎成型机中的轴类零件进行优化设计，根据优化结果，在满足设计需求的基础上，节约生产原材料，降低生产成本，提高经济效益。

1　尾座主轴的三维模型尾座主轴由两段内径204 mm ，外径260 mm 的基于COMSOL 的斜交轮胎成型机轴类零件优化设计郭懿宁1，荣峰2,3，林伟青1*，谢宇忱2,3*(1.福建农林大学，福建 福州 350007；2.福建省建阳龙翔科技开发有限公司，福建 南平 354200；3.福建省轮胎成型装备重点实验室，福建 南平 354200)摘要：针对斜交轮胎成型机中轴类零件管壁过厚，使用生产原材料过多的问题。

本文在基于COMSOL 软件的基础上，对装备中的尾座主轴及扩导主轴两个轴类零件进行优化设计。

在满足原设计要求的同时，节约大量原材料，降低生产成本，提高公司的经济效益，为工厂设计提供了一种优化的方案。

轮胎定型硫化机的三维模型设计摘要：应用Pro/E等CAD/CAE软件建立轮胎定型硫化机模型，并对模型进行有限元结构分析、运动仿真及优化设计。

通过高效的设计手段，对加快新产品设计的速度和提高产品质量具有重要意义。

关键词：轮胎定型硫化机；三维模型；优化设计；可视化引言新开发某规格的轮胎定型硫化机属于大型橡胶机械装备，由于结构复杂，需要10多个设计人员共同参与设计。

传统的二维图设计方式，已经不适应企业在市场竞争中的发展形势。

借助不断发展的CAD/CAE计算机辅助设计的优势。

通过多人协同建立轮胎定型硫化机结构三维模型，并对模型的有限元分析、运动和干涉检查等，探索轮胎定型硫化机可视化和优化设计的方法。

一、轮胎定型硫化机组轮胎定型硫化机组，或称多模具轮胎硫化系统，是在定型硫化机基础上发展起来的，它具有定型硫化机的全部功能，并在结构上进行了改进，一个硫化机组具有数个硫化工位，一套或者两套的公用开合模和装卸机构，每个硫化工位各带有一套中心机构、胎模和锁合机构，从而达到在相同的生产能力情况下，充分利用公用机构，显著减少机组的钢材用量、机电配套产品、机械加工及装配工作量、占地面积的目的。

自20世纪70年代开始推出的硫化机组（或称为多模具轮胎硫化系统），由于受到当时的设备精度、仪表控制、工艺条件、操作维护等诸多问题约束而未能成功推广使用，至今仍未能被轮胎生产企业所接受。

然而随着计算机技术、设备加工及总体控制技术的发展，能源和土地资源问题的进一步尖锐化，曾被冷落一时的硫化机组又重新引起了人们的重视。

二、模型平台的建立2.1 确定设计结构、技术参数首先根据轮胎定型硫化机设计项目的机型结构、技术参数和技术要求等要素，在原有产品基础上，初步确定开发产品的设计结构，并分解成主传动、机械手、底座、硫化室、中心机构、脱模机构、卸胎机构、后充气、管路等部件，并将各部件分工到各位设计人员进行协同设计。

2.2 创建模型平台我中心的计算机系统是由SWITH将数十台计算机连接成局域网。

轮胎框式结构硫化机机架的Ansys连接结构优化摘要：本文利用Ansys软件对轮胎框式结构硫化机两种形式机架在不同吨位锁模力的作用下进行对比分析，实现硫化机机架结构的对比优化设计，解决机架结构刚度，强度等与产品质量，性价比有关的问题，并验证采用何种结构能够比较好的满足我们的需要。

关键词：Ansys；有限元分析；机架；轮胎；定型硫化机中图分类号：文献标识码：1 前言轮胎硫化作为轮胎成型的最后一道工序，直接决定着轮胎的质量及外观，而轮胎定型硫化机作为完成轮胎硫化的主要设备，已成为轮胎工业必备的设备之一，轮胎定型硫化机机架作为定型硫化机的主要承力部件，其整体变形直接影响合模精度、硫化质量及轮胎成品的合格率。

随着电动螺旋轮胎定型硫化机[1]的逐步发展，框式结构机架逐渐成为轮胎定型硫化机机架的发展方向，通过对硫化机框式结构机架的受力变形分析，可以很好地解决机架的应力集中及结构优化问题，从而降低生产成本。

2 模型理论分析及简化根据框式结构机架侧板与上横梁间的连接方式不同，可将机架分为闩键连接机架和嵌入连接机架，本文将在理论上采用有限元方法对两种连接形式机架进行应力和应变分析。

其连接方式示意图如图1所示，图中侧板与上横梁及底座之间均通过螺栓固定。

（a）闩键连接（b）嵌入连接图1 两种连接形式机架简化示意图2.1分析模型简化本文主要分析比较两种结构的应力应变，螺栓的存在将会大大增加CPU的负荷，减慢求解速度，螺栓连接在对比分析中的影响微乎其微，由于螺栓使得侧板与上横梁及底座紧密连接在一起，因此螺栓连接采用绑定接触对进行替代；同时，在对两种机架的结构分析中我们发现，两种结构均存在很大的结构对称性，因此为降低网格数量，加快求解速度，两种机架结构均取1/4进行分析。

2.2结构及受力参数本轮胎框式硫化机机架的结构设计中，两种形式机架的侧板厚度均为30mm，锁模力以200t为例，对两种形式的机架进行对比受力分析。

2.3材料特性的统一根据设计需求，侧板材料为20#钢，上横梁材料为35#钢，闩键材料为45#钢，经查作者简介：许金亮（1988-），男，青岛科技大学机电工程学院在读硕士研究生，主要从事高分子材料加工机证，三种材料弹性模量及泊松比相差不大[]2，故将材料统一化，即材料弹性模量取52.110MPa ⨯，泊松比取0.28，选择各向同性的线弹性静力学模型。

作者简介：滕辉（1993-），男，工程师，主要从事机械非标自动化设计及大数据的研究。

收稿日期：2021-09-02轮胎定型硫化机作为轮胎生产硫化工艺中的重要设备，对轮胎的动平衡、均匀性、外观质量等性能起着重要作用。

随着我国汽车工业和轮胎工业的发展，对轮胎动平衡、均匀性提出越来越高的要求，硫化机的工作精度越来越被人们所重视，特别是机械式双模硫化机抓胎装置的爪盘中心与卡盘中心的同轴度（±0.5 mm ）及抓胎装置爪盘中心与中心机构的同轴度（±0.5 mm ）及其重复精度（±0.3 mm ）低，左右抓胎装置同步性差，自动化程度低，严重影响硫化轮胎的质量及工作效率。

轮胎定型硫化机机械手通过将生胎从存胎器提起送至下模上定位，定型硫化，其对硫化生产的生产效率和轮胎对中性具有重要影响。

半钢硫化机变频机械手在东风升级改造硫化机项目中初始借鉴全钢变频机械手结构，但由于半钢机械式硫化机结构紧凑，中心距及空间较小，变频机械手采用原来全钢形式在轻量化设计后仍难以满足协议要求及生产需要（转入转出丝杠形式占用空间大，爪盘可调范围小），且存在生产声音较大，重复定中精度较低，最终决定进行结构改进，由此本文提出一种新型电动变频控制的轻量化装胎机械手。

1　全钢轮胎定型硫化机现有变频机械手结构全钢轮胎定型硫化机现有变频机械手结构如图1半钢轮胎定型硫化机变频机械手结构改进设计滕辉，孙明，孙贺，张成龙，冷于浩，张瑞华(青岛海尔工业智能研究院有限公司，山东 青岛 266400)摘要：提出了一种新型电动变频控制装胎机械手，机械手结构合理，全部采用电机驱动，通过配置三个接近开关信号，利用变频器进行速度的控制，可达到位置的准确控制。

电动抓胎装置与中心机构的对中度精确，有强制限位块进行强制定中，无需人工进行精确调整，只需进行接近开关感应块位置的调整，降低了工人劳动强度。

轻量化抓胎结构，满足半钢轮胎定型硫化机轮胎规格需求。

基于ANSYS的轮胎硫化机受力部件有限元分析及优化设计研究的开题报告一、研究背景随着汽车行业的发展，轮胎作为汽车的重要零部件，在车辆行驶过程中起着至关重要的作用。

轮胎的性能和品质直接影响着车辆的安全性、经济性和舒适性。

而轮胎的硫化机受力部件是影响轮胎质量的重要组成部分之一。

因此，对轮胎硫化机受力部件进行优化设计和有限元分析具有重要的理论和实际意义。

二、研究目的和内容本文旨在基于ANSYS有限元分析软件，对轮胎硫化机受力部件进行有限元分析和优化设计。

主要研究内容包括：1、轮胎硫化机受力部件的结构设计和参数确定；2、轮胎硫化机受力部件的有限元模型建立和模拟；3、对轮胎硫化机受力部件进行应力、应变和变形分析，找出其存在的弱点和问题；4、针对分析结果进行优化设计，提出改善方案；5、对优化后的轮胎硫化机受力部件进行有限元模拟和实验验证。

三、研究意义本研究对于提高轮胎硫化机受力部件的设计和生产质量，提高轮胎的舒适性、安全性和经济性具有重要意义。

同时，研究结果将为轮胎硫化机受力部件的优化设计和制造提供重要的参考和依据。

四、研究方法本研究采用有限元分析方法对轮胎硫化机受力部件进行分析。

主要步骤包括：建立轮胎硫化机受力部件的有限元模型、进行应力、应变和变形分析、进行优化设计和模拟和实验验证等。

五、研究进度计划本研究计划在6个月内完成。

具体的进度计划如下：第1个月，对轮胎硫化机受力部件的结构设计和参数确定进行研究和探讨；第2个月，建立轮胎硫化机受力部件的有限元模型以及进行分析；第3-4个月，进行应力、应变和变形分析，找出存在的问题和弱点；第5个月，对分析结果进行优化设计，提出改善方案；第6个月，对优化后的轮胎硫化机受力部件进行有限元模拟和实验验证，完成论文的撰写和论文答辩准备。

六、研究过程中可能遇到的问题和解决方案在研究过程中，可能会遇到以下问题：1、软件的使用问题。

解决方案：通过学习软件的使用教程和资料，多用多练，熟练掌握软件使用技巧。

轮胎硫化工艺条件的优化随着我国高速公路的开展和汽车性能的提高,人们对汽车行驶的平安性和舒适性提出了更高的要求,因此对轮胎的使用性能也有了更高的要求。

这就要求轮胎不仅在结构设计上要有所突破,而且轮胎硫化工艺的制定不能再停留在根据经验或半经验的方法上,沿用过去“宁过勿欠〞的观念,而是应利用计算机模拟轮胎的实际硫化历程并计算其各部位的硫化程度,确定合理的硫化条件,从整体上提高轮胎的性能。

这样不仅可提高轮胎质量,而且可节约大量能源,提高硫化设备的利用率。

轮胎有限元模型的建立、轮胎硫化过程温度场信息的模拟以及轮胎硫化程度的计算参见文献[1～3]。

本文仅讨论轮胎硫化程度的影响因素,并对硫化工艺条件进行优化。

1轮胎硫化过程模型的建立根据175/70R13半钢子午线轮胎的材料分布图,建立有限元分析的几何模型和材料模型,如图1所示。

定义模型与热板接触处为第一类边界条件,温度为165℃。

胶囊与过热水之间通过对流换热,由于橡胶的导热系数很小,因此传热的主要热阻是橡胶的热阻,此处也可简化为第一类边界条件[1,2],温度为180℃。

模型与外界空气之间有对流换热,由于模型外外表覆盖绝热保温材料,因此换热可忽略不计,此边界可作为绝热边界处理。

轮胎出模后与空气之间有自然对流换热和辐射换热[2]。

模具初始温度取80℃,轮胎初始温度为25℃,胶囊初始温度为100℃。

2硫化程度的影响因素2.1硫化时间应用轮胎硫化过程模拟有限元模型在边界条件不变的情况下(热板温度165℃,胶囊内过热水温度180℃,分别求出图1所示3点过热水循环)时间为10,12,14和16min时的温度2时间关系,将结果代入计算硫化程度的程序中,求出各点在不同过热水循环时间下的硫化程度,如图2所示。

由图2可见,在所研究的时间范围内,过热水循环时间与3个节点位置处的硫化程度均呈线性关系,但对各部位的影响程度不同,过热水循环时间对胎体层和带束层硫化程度的影响比对胎面胶硫化程度的影响大得多,这是因为在硫化过程中胎体层和带束层更靠近胶囊的缘故。