農(nóng)用子午線輪胎成型機(jī)胎體移送裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

伊啟中

摘要：針對農(nóng)用子午線輪胎成型機(jī)胎體移送裝置存在的不足，提出對夾持爪組件節(jié)材減重和減少夾持爪數(shù)量兩種優(yōu)化方案并進(jìn)行有限元分析。分析結(jié)果是，節(jié)材減重方案在Von Mises應(yīng)力和最大主應(yīng)變兩個(gè)方面均滿足要求，方案可行;減少夾持爪數(shù)量方案，由于減少夾持爪數(shù)量導(dǎo)致胎體變形大，該方案不可行。

Abstract： In view of the shortage of the transfer device of the tire body in the agricultural radial tire building machine， two optimization schemes are put forward to reduce the weight and quantity of the gripper and the finite element analysis is carried out. The results show that the material saving and weight reduction scheme can meet the requirements of Von Mises stress and maximum principal strain. The scheme of reducing the number of gripper is not feasible because the reduction of the number of gripper leads to large deformation of the matrix.

關(guān)鍵詞：農(nóng)用子午線輪胎成型機(jī);胎體移送裝置;優(yōu)化;Abaqus

Key words： agricultural radial tire building machine;tire body transfer device;optimization;Abaqus

中圖分類號(hào)：TQ336.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）27-0148-03

0 ?引言

輪胎是農(nóng)機(jī)裝備常用的部件，其中子午線輪胎因其具有接地面積大、對土壤壓實(shí)小、增加拖拉機(jī)牽引力、降低拖拉機(jī)油耗，是節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)品[1]。目前，子午線輪胎已經(jīng)占據(jù)了國內(nèi)外輪胎市場的絕對主流[2]。

福建建陽龍翔科技開發(fā)有限公司是一家集科研開發(fā)、生產(chǎn)制造于一體的創(chuàng)新型企業(yè)，專注于開發(fā)輪胎成型機(jī)。該公司開發(fā)的二段一次法子午線輪胎成型機(jī)[3]和巨型農(nóng)用輪胎成型機(jī)胎體移送裝置[4]，既保證了產(chǎn)品質(zhì)量、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，又明顯提高了巨型農(nóng)用子午線輪胎的生產(chǎn)效率。胎體移送裝置是將在一段機(jī)成型鼓上完成胎料貼合的輪胎胚胎（即胎體）接取并傳送至二段機(jī)貼合鼓上的中間裝置，目前，胎體移送裝置存在重量較大、費(fèi)材耗能的問題。本文針對該公司生產(chǎn)的某型號(hào)農(nóng)用子午線輪胎成型機(jī)胎體移送裝置，提出優(yōu)化方案并進(jìn)行有限元分析，判斷優(yōu)化方案的可行性。根據(jù)分析結(jié)果，在保證機(jī)械強(qiáng)度和使用性能前提下，實(shí)現(xiàn)節(jié)材降耗。

1 ?胎體移送裝置

胎體移送裝置通常包括環(huán)體、夾持爪組件、伺服電機(jī)組件、底板等主要零件組成，如圖1所示。其中，夾持爪組件主要包括夾持片、導(dǎo)柱、轉(zhuǎn)接座、齒條等零件，如圖2所示。工作時(shí)，伺服電機(jī)組件帶動(dòng)齒條運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接座、導(dǎo)柱、夾持片運(yùn)動(dòng)，最終通過夾持爪組件伸縮實(shí)現(xiàn)對胎體的夾持與松開。

2 ?優(yōu)化方案提出

目前，胎體移送裝置共有夾持爪組件12件，本文將從夾持爪組件的節(jié)材減重和減少數(shù)量兩個(gè)方向?qū)ζ溥M(jìn)行分析，研究優(yōu)化方案的可行性。

2.1 方案1：節(jié)材減重

夾持爪組件中導(dǎo)柱的形狀是尺寸為324×200×80mm的長方體，擬將中間挖空為一個(gè)矩形通孔，如圖3所示，挖空后分析其力學(xué)性能是否滿足要求。

2.2 方案2：減少數(shù)量

減少夾持爪組件數(shù)量，從當(dāng)前的12組減少為10組，此時(shí)需對胎體進(jìn)行主應(yīng)變分析和變形分析。

3 ?有限元分析

本文應(yīng)用Abaqus有限元軟件對方案1夾持爪組件優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和方案2減少夾持爪數(shù)量時(shí)胎體變形情況進(jìn)行有限元分析。

3.1 前置處理

夾持爪組件材料為45鋼，屈服強(qiáng)度為355MPa，密度7.85kg/m^3，彈性模量210GPa，泊松比0.269，載荷：夾持片左側(cè)面均布載荷0.10MPa;胎體在外側(cè)圓周均布12片截面尺寸為500×250mm的夾持片，均布載荷0.1MPa，如圖4所示。

3.2 結(jié)果分析

方案1：圖5、圖6分別為夾持爪組件優(yōu)化前后設(shè)計(jì)方案的Von Mises應(yīng)力和最大主應(yīng)變分析結(jié)果。

從圖5可以看出，夾持爪組件優(yōu)化前和優(yōu)化后的最大Von Mises應(yīng)力分別為188.1MPa、208.1MPa，最大應(yīng)力集中在導(dǎo)柱和夾持片連接處靠近有方孔一側(cè)，優(yōu)化后Von Mises應(yīng)力增加10.63%。對于45鋼，其屈服極限σs為360MPa（20℃），因此優(yōu)化前后的兩種結(jié)構(gòu)方案均能滿足強(qiáng)度要求。

然后，對夾持爪組件優(yōu)化前和優(yōu)化后的重量進(jìn)行分析。單個(gè)夾持爪組件優(yōu)化前體積為1.0236321e+07mm^3，質(zhì)量為79.843kg;優(yōu)化后體積為7.5637732e+06mm^3，質(zhì)量為58.997kg，單組夾持爪組件減重20.846kg，12組總減重為250.152kg，減重幅度26.11%。

從圖6可知，夾持爪組件優(yōu)化前的最大主應(yīng)變?yōu)?.0005107，優(yōu)化后為0.0005522，優(yōu)化后最大主應(yīng)變增大8.13%。根據(jù)上述可知，優(yōu)化后Von Mises應(yīng)力增加10.63%，而優(yōu)化后最大主應(yīng)變增大8.13%，最大主應(yīng)變的增幅小于Von Mises應(yīng)力的增幅，因此該方案可行。

方案2：圖7為當(dāng)夾持爪組件為12組和10組時(shí)胎體的最大主應(yīng)變分析結(jié)果。當(dāng)胎體從一段機(jī)成型鼓通過胎體移送裝置傳送至二段機(jī)貼合鼓時(shí)，在夾持片的作用下胎體產(chǎn)生變形。當(dāng)胎體移送裝置設(shè)計(jì)為12組夾持爪組件時(shí)，變形較均勻且較小，最大主應(yīng)變?yōu)?.804e-4;當(dāng)胎體移送裝置設(shè)計(jì)為10組夾持爪組件時(shí)，變形集中于夾持片與胎體接觸的兩端，此時(shí)最大主應(yīng)變?yōu)?.044e-4。這樣造成胎體變形大且不均，因此該方案不可行。

4 ?結(jié)論

本文從節(jié)材減重和減少數(shù)量兩個(gè)角度對胎體移送裝置進(jìn)行優(yōu)化，有限元分析結(jié)果表明：①節(jié)材減重方案，優(yōu)化前和優(yōu)化后的夾持爪組件在均可滿足強(qiáng)度要求的前提下，優(yōu)化后減重250.152kg，減重為26.11%，該方案可行。②減少數(shù)量方案，當(dāng)夾持爪數(shù)量由12改為10時(shí)，其力學(xué)性能不能滿足要求，而且胎體的變形達(dá)到，變形較大，該方案不可行。

通過對胎體移送裝置的優(yōu)化，在材料、生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用等環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)節(jié)材降耗，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，也與創(chuàng)新協(xié)調(diào)綠色開放共享的新發(fā)展理念相吻合。

參考文獻(xiàn)：

[1]李明明，石秀丹.子午線輪胎將是農(nóng)機(jī)應(yīng)用的趨勢——訪中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院拖拉機(jī)專家陳永毅研究員[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械，2012，42（22）：89-90.

[2]羅禮培，王曉慧，楊文波.淺談我國車用子午線輪胎發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].汽車工業(yè)研究，2016，23（08）：41-44.

[3]戴造成，沈國雄，劉杰.二段一次法子午線輪胎成型機(jī).中國專利，204640836U，2015-05-23.

[4]戴造成.巨型農(nóng)用輪胎成型機(jī)胎體移送裝置.中國專利，205326319U，2016-02-01.