工程輪胎后充氣裝置的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)*

廖桂松，沈中華，叢靜波

（1.桂林技師學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)，廣西 桂林 541004；3.廈門華僑大學(xué)，福建 廈門 361000）

0 引言

工程輪胎是主要應(yīng)用在裝載機(jī)、挖掘機(jī)、推土機(jī)等工程機(jī)械車輛上的輪胎。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，對(duì)工程車輛和工程輪胎的需求也在逐漸加大[1]。由于工作條件的限制，工程輪胎的行駛速度可以不是很高但對(duì)負(fù)載能力要求比較嚴(yán)苛。工程輪胎的結(jié)構(gòu)主要為斜交輪胎[2-3]，但也有少部分公司生產(chǎn)子午線工程輪胎，其造價(jià)要遠(yuǎn)高于斜交輪胎[4]。生產(chǎn)斜交工程輪胎的主要骨架材料為尼龍和聚酯纖維簾線[5]，它們的特點(diǎn)是彈性模量小，伸長(zhǎng)率大[6]，在輪胎的使用過(guò)程中，易導(dǎo)致輪胎胎體脹大。生產(chǎn)工程輪胎時(shí)，外胎的硫化是在一定的壓力和溫度下進(jìn)行，在輪胎硫化啟模后，輪胎的簾布層還有殘余熱量，如果此時(shí)輪胎未充氣保壓，任其在無(wú)外壓力狀態(tài)下自然冷卻，輪胎局部就會(huì)產(chǎn)生變形，導(dǎo)致生產(chǎn)出來(lái)的輪胎不合格[7-10]。為了生產(chǎn)出合格的輪胎，需要模擬輪胎的實(shí)際裝配狀況對(duì)硫化后的輪胎在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行充氣和保壓冷卻，此工藝稱為輪胎的后充氣。一般輪胎的后充氣壓力需大于輪胎使用壓力的20%，由于輪胎的后充氣過(guò)程模仿了輪胎與輪輞的裝配過(guò)程，在加壓冷卻保證輪胎正確尺寸的同時(shí)，檢察人員可以對(duì)輪胎進(jìn)行外觀質(zhì)量的檢查，找出可能產(chǎn)生的缺陷[11]。

工程輪胎后充氣裝置是輪胎硫化機(jī)的重要輔助設(shè)備[12]，是生產(chǎn)尼龍斜交輪胎不可缺少的裝置，已經(jīng)得到世界各國(guó)橡膠輪胎生產(chǎn)企業(yè)的廣泛應(yīng)用。它具有操作簡(jiǎn)便，勞動(dòng)強(qiáng)度低，現(xiàn)代智能化控制等優(yōu)點(diǎn)[13]。目前市面上大多工程輪胎后充氣裝置多采用臥式，占地面積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作不便，能耗高，并且適用輪胎型號(hào)單一。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

本文設(shè)計(jì)的工程輪胎后充氣裝置主要由6部分組成：（1）上梁、立柱和底座等組成的主體龍門框架部分；（2）升降平臺(tái)、四桿機(jī)構(gòu)和氣缸2等組成的輪胎升降部分；（3）活動(dòng)輪轂圓盤、不動(dòng)輪轂圓盤、輪盤平移臺(tái)和氣缸3組成的輪胎夾緊部分；（4）限位塊和氣缸4組成的限位部分；（5）輔助小車、限位護(hù)欄、輪胎通道坡板和氣缸1組成的輔助運(yùn)輸部分；（6）PLC控制部分。如圖1所示。

圖1 工程輪胎后充氣裝置結(jié)構(gòu)

工作原理：在進(jìn)行工程輪胎的后充氣處理時(shí)，將硫化后的輪胎垂直于地面放置，通過(guò)輪胎通道坡板，人工將輪胎滾動(dòng)到升降平臺(tái)上的輔助小車上，限位護(hù)欄可以防止輪胎由于慣性作用而滾出升降平臺(tái)。此時(shí)，啟動(dòng)控制程序，氣缸2的活塞桿伸出，升降平臺(tái)保持水平向上移動(dòng)，將輪胎升起至合適的高度，即輪胎中心線與輪轂圓盤中心線重合的位置。接下來(lái)氣缸3啟動(dòng)，推動(dòng)輪盤平移臺(tái)使兩輪轂圓盤相互靠近，輪胎便裝夾在兩輪轂圓盤之間，然后氣缸4啟動(dòng)，將限位塊緩緩降下，落在活動(dòng)輪轂圓盤和主體龍門框架的立柱之間。接下來(lái)便可通過(guò)不動(dòng)輪轂圓盤上的多個(gè)氣嘴對(duì)輪胎進(jìn)行充氣，充氣壓力由當(dāng)胎內(nèi)氣壓傳感器檢測(cè)，在管道供氣氣壓較高于輪胎設(shè)定氣壓并配有儲(chǔ)氣罐情況下，輪胎內(nèi)氣壓在1 min之內(nèi)即要達(dá)到設(shè)定值，此時(shí)傳感器給PLC發(fā)出指令停止充氣。當(dāng)傳感器檢測(cè)到由于輪轂圓盤精度問(wèn)題導(dǎo)致的漏氣或隨著輪胎溫度的下降而導(dǎo)致胎內(nèi)氣壓下降到設(shè)定值時(shí)，相應(yīng)的控制程序啟動(dòng)及時(shí)對(duì)輪胎進(jìn)行充氣，輪胎的氣壓在整個(gè)定型冷卻過(guò)程始終保持相對(duì)穩(wěn)定。在冷卻定型達(dá)到設(shè)定的時(shí)間后，釋放輪胎內(nèi)壓力，PLC控制氣缸4回縮，限位塊向上運(yùn)動(dòng)到初始位置，接下來(lái)控制氣缸3回縮，輪盤平移臺(tái)向左移動(dòng)到初始位置，緊接著控制氣缸1伸出，將輪胎頂下輪轂圓盤，這時(shí)控制氣缸2回縮，輪胎隨著升降平臺(tái)緩緩落下，通過(guò)輔助小車滑動(dòng)，將輪胎卸下。到此，工程輪胎的后充氣工序完成。整個(gè)后充氣過(guò)程除輪胎運(yùn)輸外全程均由PLC可編程控制器控制，實(shí)現(xiàn)了充氣過(guò)程的自動(dòng)化。

2 主要部件的設(shè)計(jì)

2.1 主體龍門框架部分

主體龍門框架由兩根上梁、4根立柱與底座焊接而成（圖1）。上梁與立柱均為矩形鋼管，矩形管的規(guī)格為200 mm×200 mm×6 mm，底座由50 mm×50 mm×5 mm槽鋼焊接成長(zhǎng)方體框架結(jié)構(gòu)并在上方鋪設(shè)鋼板，將底座焊接在4根立柱的下方。設(shè)計(jì)底座可以使裝置整體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

2.2 輪胎夾緊部分

輪胎夾緊部分由不動(dòng)輪轂圓盤和活動(dòng)輪轂圓盤組成。不動(dòng)輪轂圓盤和活動(dòng)輪轂圓盤，大小相等，方向相對(duì)設(shè)置，圓心處于同一軸線（圖1）。圓盤的大小和形狀與所充氣輪胎的輪輞尺寸相對(duì)應(yīng)，根據(jù)企業(yè)的需求，本裝置所適用工程輪胎的最大型號(hào)為23.5-25，查閱相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將輪轂圓盤的最大直徑取635 mm[14]。當(dāng)輪胎充氣完成后，為了使輪胎在輪盤平移臺(tái)后移的過(guò)程中更容易在輪轂圓盤上松脫下來(lái)并不被帶出升降平臺(tái)，因此不動(dòng)輪轂圓盤采用正公差設(shè)置，活動(dòng)輪轂圓盤采用負(fù)公差設(shè)置。兩輪轂圓盤分別通過(guò)螺栓固定在主體龍門框架的立柱上和輪盤平移臺(tái)上，需要更換不同規(guī)格型號(hào)輪胎進(jìn)行后充氣處理時(shí)可通過(guò)拆卸螺栓更換相應(yīng)的輪轂圓盤和固定圓盤的支座即可。

輪盤平移臺(tái)由圓柱形導(dǎo)向體、支撐架、托架座焊接而成。為了保證輪轂圓盤的對(duì)中性能，圓柱形導(dǎo)向體一端穿過(guò)主體龍門框架立柱上的滑動(dòng)軸承，另一端安裝在支撐架上，如此可有效防止輪盤平移臺(tái)由于輪轂圓盤的重力過(guò)大發(fā)生側(cè)翻而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生或損壞設(shè)備，同時(shí)還可以保證輪轂圓盤的對(duì)中性能和導(dǎo)向作用?；瑒?dòng)軸承可以減小輪盤平移臺(tái)移動(dòng)時(shí)的摩擦阻力。

支撐架和托架座都由矩形鋼管焊接而成，在托架座的下方設(shè)置有4個(gè)輪子，同樣可使輪盤平移臺(tái)在移動(dòng)時(shí)減小摩擦阻力，更加方便的實(shí)現(xiàn)平移運(yùn)動(dòng)。氣缸3的活塞桿端與支撐架相連接，氣缸3啟動(dòng)可以推動(dòng)輪盤平移臺(tái)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輪胎的夾緊。

2.3 限位部分

輪胎充氣時(shí)其胎體膨脹，輪胎的壓力會(huì)轉(zhuǎn)遞給輪盤平移臺(tái)，此時(shí)輪盤平移臺(tái)受到的壓力會(huì)非常高。本文設(shè)計(jì)的后充氣裝置在輪胎達(dá)到規(guī)定的氣壓時(shí)，輪胎對(duì)夾緊部分的壓強(qiáng)高達(dá)14 MPa，此時(shí)氣缸3無(wú)法承受過(guò)大的壓力，會(huì)引起輪盤平移臺(tái)后移，致輪胎不能夾緊在兩輪轂圓盤之間，故而設(shè)置限位部分（圖1）。限位部分由限位塊和氣缸4組成。限位塊為由12 mm的鋼板折彎成槽鋼樣，為增加其受力面積在槽鋼的兩端面沿徑向焊接有矩形三角板，為增加限位塊的抗彎強(qiáng)度，在槽鋼的內(nèi)部還焊接有加強(qiáng)肋板。槽鋼的上端中部焊接有一對(duì)耳板并開(kāi)通孔，氣缸4的活塞桿端通過(guò)銷釘與耳板相連，缸體固定在主體龍門框架的上梁上。通過(guò)控制氣缸4的運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)限位塊的上下快速移動(dòng)。限位裝置如圖2所示。

圖2 限位裝置

2.4 輪胎升降部分

輪胎升降部分主要由升降平臺(tái)、四桿機(jī)構(gòu)和氣缸2組成，升降平臺(tái)設(shè)置在不動(dòng)輪轂圓盤和活動(dòng)輪轂圓盤之間的空隙的下方，升降平臺(tái)是由矩形鋼管焊接而成的網(wǎng)格板和其下方焊接的加強(qiáng)肋板所組成，采用矩形鋼管使升降平臺(tái)在符合其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的前提下質(zhì)量較輕，設(shè)置的加強(qiáng)肋板進(jìn)一步提升了升降平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使其可以升起大重量輪胎。四桿機(jī)構(gòu)由連接座、短桿、長(zhǎng)桿和支撐座組成，四桿機(jī)構(gòu)與升降平臺(tái)連接關(guān)系的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 四桿機(jī)構(gòu)與升降平臺(tái)的連接關(guān)系

升降平臺(tái)焊接在連接座上，長(zhǎng)桿與短桿分別通過(guò)轉(zhuǎn)軸與連接座和支撐座相連接。長(zhǎng)桿、短桿、連接座和支撐座形成一個(gè)平行四邊形。支撐座固定在立柱上。氣缸2的缸體一端通過(guò)銷釘與立柱上的固定支座相連，活塞桿與長(zhǎng)桿伸長(zhǎng)端上的連接座相連。當(dāng)氣缸2啟動(dòng)時(shí)，長(zhǎng)桿通過(guò)支撐座形成杠桿（圖1），輪胎升降平臺(tái)便可保持水平向上升起。

2.5 輔助運(yùn)輸部分

在主體龍門框架的底座上焊接有輪胎通道坡板，輪胎通道坡板的上端與底座最上端緊挨平齊，下端與底板外側(cè)的地面緊貼。為了防止輪胎在進(jìn)入升降平臺(tái)后由于慣性滑出升降平臺(tái)，還對(duì)該后充氣裝置設(shè)置了限位護(hù)欄，限位護(hù)欄固定在底座上，且限位護(hù)欄與輪胎通道坡板在底座的兩側(cè)相對(duì)設(shè)置，為輔助輪胎裝卸，減小輪胎在升降平臺(tái)上左右滑移的摩擦阻力，在升降平臺(tái)上設(shè)置有一輔助小車，輔助小車由托盤和托盤下對(duì)稱分布的4個(gè)輪子組成。氣缸4的設(shè)置是為了方便將后充氣處理完成后的輪胎頂下不動(dòng)輪轂圓盤。

3 物理樣機(jī)試驗(yàn)

根據(jù)工程輪胎后充氣裝置的結(jié)構(gòu)總圖制作出實(shí)體樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，樣機(jī)如圖4所示。本次試驗(yàn)所選取的輪胎型號(hào)為23.5-25，與前述限位塊所對(duì)應(yīng)的輪胎型號(hào)一致。對(duì)該型號(hào)輪胎進(jìn)行后充氣處理，觀察整體裝置的運(yùn)行情況和限位塊是否可以達(dá)到限位效果。

圖4 工程輪胎后充氣裝置樣機(jī)

試驗(yàn)時(shí)供氣壓力為0.7 MPa，為使輪胎快速充氣，以1.2倍額定胎壓試驗(yàn)，23.5-25工程輪胎的額定胎壓為375 kPa，輪胎充氣壓力設(shè)置為0.45 MPa，由PLC可編程控制器控制整個(gè)輪胎后充氣定型過(guò)程，保證了胎內(nèi)的壓力達(dá)到設(shè)置值后保持相對(duì)穩(wěn)定。此恒壓過(guò)程為模擬工程輪胎正常工作時(shí)的滿載工況，然后讓輪胎在室溫下自然冷卻。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：在輪胎升降過(guò)程中，升降平臺(tái)始終保持水平。在輪胎充氣過(guò)程中，整體裝置表現(xiàn)穩(wěn)定，無(wú)明顯漏氣現(xiàn)象。在輪胎充氣完成后的相對(duì)恒壓過(guò)程中，主要受力部件限位塊、機(jī)架和輪轂圓盤無(wú)明顯變形。在輪胎后充氣處理完成后的拆卸過(guò)程中，輪胎夾緊在不動(dòng)輪轂圓盤上，未被輪盤平移臺(tái)帶出升降平臺(tái)。定型計(jì)時(shí)完成后，輪胎無(wú)收縮變形，保持了良好的形狀，達(dá)到了工程輪胎后充氣工藝的要求。該裝置目前已在桂林某企業(yè)正常運(yùn)行了1年多，證明新結(jié)構(gòu)能夠有效節(jié)約制造成本、滿足生產(chǎn)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)企業(yè)的需求，在參考國(guó)內(nèi)輪胎后充氣的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種立式工程輪胎后充氣裝置。本文介紹了其主要結(jié)構(gòu)及工作原理，并對(duì)主要部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，通過(guò)更換少量零部件就可適用其它規(guī)格型號(hào)的輪胎使用。輪胎在后充氣過(guò)程主要通過(guò)PLC控制并輔以少量的人工，可以方便實(shí)現(xiàn)充氣、保壓、卸荷，節(jié)約人工成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。通過(guò)在企業(yè)的加工制造和在輪胎廠的實(shí)際應(yīng)用，使用該裝置降低了工程輪胎硫化后的冷卻變形，證明新結(jié)構(gòu)能夠有效節(jié)約制造成本、滿足生產(chǎn)要求，給企業(yè)帶來(lái)了新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)。