液壓式硫化機(jī)承力部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與疲勞分析

劉玉龍 ，楊慧麗，官炳政

(軟控股份有限公司，山東 青島 266045)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對輪胎性能的要求越來越高，同時硫化是影響輪胎成品的重要工序之一。良好的硫化工藝裝備對提升成品輪胎的各項(xiàng)性能起著重要作用。硫化機(jī)的穩(wěn)定及可靠程度影響輪胎的生產(chǎn)效率及輪胎質(zhì)量。液壓式硫化機(jī)是通過液壓油缸驅(qū)動上橫梁帶動上模具做垂直運(yùn)動，液壓硫化機(jī)承力部件的位移、應(yīng)力以及疲勞強(qiáng)度直接影響硫化機(jī)的可靠性。

有限元分析作為現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的有效手段，通過有限元分析可以縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期及風(fēng)險，提高一次設(shè)計(jì)成功率。目前有限元分析在硫化機(jī)關(guān)鍵部件的強(qiáng)度疲勞分析方面得到了較為廣泛的應(yīng)用。

唐谷楓[1]利用理論計(jì)算、有限元分析的方法對大噸位多層平板硫化機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將工作板從實(shí)心平板結(jié)構(gòu)優(yōu)化為框架結(jié)構(gòu)有效的增加剛度并減輕了結(jié)構(gòu)重量。劉志剛等[2]則利用Hypermesh和Ansys對多接觸面輪胎定型硫化機(jī)進(jìn)行了模態(tài)分析、應(yīng)力和應(yīng)變分析，同時改進(jìn)了硫化機(jī)的結(jié)構(gòu)，達(dá)到了消除應(yīng)力集中、提高硫化機(jī)抗振性和工作穩(wěn)定性的目的。胡海明等[3]應(yīng)用Abaqus軟件對硫化工況下的輪胎模具底座進(jìn)行了熱力耦合和力學(xué)性能分析，應(yīng)用Fe-Safe軟件對不同厚度和滑板結(jié)構(gòu)的底座進(jìn)行疲勞損傷和使用壽命計(jì)算，研究發(fā)現(xiàn)可以通過增大底座和U形螺旋槽厚度的方法延長硫化機(jī)使用壽命。張正羅等[4]應(yīng)用Ansys軟件對機(jī)械式輪胎硫化機(jī)進(jìn)行有限元計(jì)算分析，研究了硫化機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)下各部件變形和應(yīng)力分布，為硫化機(jī)有限元仿真提供了一種可行的思路。

目前，在硫化機(jī)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，有限元分析獲得眾多學(xué)者的認(rèn)可。本文以液壓式硫化機(jī)研究對象，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性為切入點(diǎn)，通過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞仿真技術(shù)分析承力部件變形、應(yīng)力及疲勞強(qiáng)度是否滿足安全標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證液壓式硫化機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。

1 有限元模型

1.1 幾何模型

仿真計(jì)算的液壓硫化機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。液壓硫化機(jī)主要承力部件包括上梁、下梁、導(dǎo)向軸、滑塊、導(dǎo)軌、中鎖止環(huán)、下鎖止環(huán)等。

圖1 幾何模型

幾何模型中上梁、下梁材料為Q235A；上熱板、下熱板材料為Q345B；導(dǎo)向軸、滑塊、中鎖止環(huán)、下鎖止環(huán)材料為45鋼； 導(dǎo)軌、導(dǎo)軌安裝板材料為QT500-7。

1.2 硫化機(jī)各部件材料選用

計(jì)算中所用材料屬性如表2所示。

表2 材料屬性

1.3 接觸設(shè)置

導(dǎo)向軸與上梁、下梁、滑塊、中鎖止環(huán)及下鎖止環(huán)之間設(shè)置摩擦接觸?；瑝K與導(dǎo)軌和導(dǎo)軌安裝板之間設(shè)置摩擦接觸。其余部件之間設(shè)置綁定接觸。模型各部件之間接觸設(shè)置如圖2所示，對于摩擦接觸取摩擦系數(shù)為0.1。

圖2 接觸設(shè)置

1.4 網(wǎng)格劃分

取1/4模型利用對稱性進(jìn)行計(jì)算。使用實(shí)體單元和殼體單元劃分網(wǎng)格，實(shí)體單元類型為C3D8I和C3D10M，殼體單元類型為S8R, 網(wǎng)格數(shù)量為617403，有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格模型

1.5 邊界條件

根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用情況，完全固定下梁的下端連接法蘭面。在相應(yīng)對稱面施加對稱約束。在上、下熱板與油缸接觸位置施加鎖模力F1及反作用力F2，計(jì)算中使用的鎖模力大小為1 870 kN。模具重量3 500 kG， 考慮結(jié)構(gòu)自重，重量系數(shù)為g=9 806.6 mm/s2。

模型邊界條件如圖4所示。

圖4 邊界條件

2 結(jié)果分析

2.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析結(jié)果

圖5為液壓式硫化機(jī)承力部件在1 870 kN鎖模力作用下的結(jié)構(gòu)變形結(jié)果。最大變形為0.5 332 mm在精度控制允許范圍內(nèi)，最大變形發(fā)生在下梁位置。

圖5 整體變形情況

導(dǎo)向軸應(yīng)力云圖如圖6所示，最大應(yīng)力為267.4 MPa，導(dǎo) 向 軸 材 料 為45鋼，其 屈 服 強(qiáng) 度σs=355 MPa，其許用應(yīng)力[σ]=355/1.5=236.67 MPa。由圖6 可知，導(dǎo)向軸下部應(yīng)力集中處的Mises應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度會產(chǎn)生局部塑性變形，導(dǎo)向軸不滿足靜強(qiáng)度要求。

圖6 導(dǎo)向軸應(yīng)力結(jié)果

導(dǎo)向軸底部只有一個面與下鎖止環(huán)接觸（見圖2）導(dǎo)致此處應(yīng)力偏大。改進(jìn)導(dǎo)向軸及下鎖止環(huán)結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)向軸底部兩個面與下鎖止環(huán)接觸，如圖7所示。

圖7 改進(jìn)后導(dǎo)向軸與下鎖止環(huán)的接觸情況

其他條件不變，重新計(jì)算得到的導(dǎo)向軸應(yīng)力結(jié)果如圖8所示。除局部應(yīng)力集中區(qū)域外，導(dǎo)向軸上的應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，此時，導(dǎo)向軸滿足靜強(qiáng)度要求。

圖8 改進(jìn)后導(dǎo)向軸應(yīng)力結(jié)果

圖9所示的導(dǎo)向軸截面直徑φ=140 mm，則通過理論計(jì)算可得到在1 870 kN鎖模力作用下導(dǎo)向軸此截面處的名義應(yīng)力由圖9的應(yīng)力結(jié)果可知，導(dǎo)向軸頂部直徑140 mm截面處的應(yīng)力大小為48.2～79 MPa。

圖9 導(dǎo)向軸截面應(yīng)力

2.2 疲勞分析結(jié)果

疲勞壽命是結(jié)構(gòu)失效或者機(jī)械破壞時所對應(yīng)的循環(huán)載荷的次數(shù)或時間，疲勞破壞是工程機(jī)構(gòu)和機(jī)械失效的主要原因之一，如硫化機(jī)承力部件出現(xiàn)疲勞破壞會導(dǎo)致模具精度下降，進(jìn)而影響輪胎質(zhì)量。

首先提取應(yīng)力-應(yīng)變計(jì)算結(jié)果文件，輸入抗拉強(qiáng)度σb以及彈性模量E，得到S-N曲線，并對載荷進(jìn)行平均應(yīng)力修正，計(jì)算硫化機(jī)承力部件的疲勞壽命。

仿真計(jì)算得到各部件的疲勞安全系數(shù)云圖（圖10）及表2。從圖10和表2中可以看出各承力部件的疲勞安全系數(shù)的最小值均大于1.2滿足疲勞要求。

圖10 各部件疲勞安全系數(shù)

表2 各承力部件疲勞安全系數(shù)最小值

3 結(jié)論

根據(jù)液壓式硫化機(jī)實(shí)際工況對硫化機(jī)進(jìn)行有限元和疲勞分析，結(jié)果表明工作狀態(tài)下各部件的變形均符合許用標(biāo)準(zhǔn)，各部件應(yīng)力都低于屈服強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇都符合安全規(guī)范，各部件疲勞安全系數(shù)最小值均滿足設(shè)計(jì)。本文論述了硫化機(jī)有限元分析的步驟，為了硫化機(jī)仿真分析提供了一種思路，并通過仿真的手段優(yōu)化了硫化機(jī)的承力結(jié)構(gòu)。