許建中， 任克斌（上海橡膠機(jī)械一廠有限公司，上海 200129）

Solidworks在內(nèi)胎硫化機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

許建中， 任克斌
（上海橡膠機(jī)械一廠有限公司，上海 200129）

針對(duì)55"內(nèi)胎硫化機(jī)在使用中出現(xiàn)的問(wèn)題，通過(guò)運(yùn)用solidworks軟件的有限元分析與運(yùn)動(dòng)分析功能對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

solidworks； 內(nèi)胎硫化機(jī);有限元分析；運(yùn)動(dòng)分析；疲勞分析

內(nèi)胎硫化機(jī)用于內(nèi)胎的硫化，現(xiàn)在很多輪胎廠使用的內(nèi)胎硫化機(jī)很多都是20世紀(jì)生產(chǎn)的，在使用上存在一些不足之處需要進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，本次改進(jìn)設(shè)計(jì)的對(duì)象為55"內(nèi)胎硫化機(jī)。經(jīng)過(guò)用戶(hù)反饋主要有兩方面的問(wèn)題：①傳動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)法循環(huán)運(yùn)行；②主軸經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用會(huì)產(chǎn)生斷裂，需要更換。本文利用solidworks軟件針對(duì)內(nèi)胎硫化機(jī)的兩方面問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1　利用solidwork對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)

1.1結(jié)構(gòu)介紹

圖1　凸輪搖桿式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的內(nèi)胎硫化機(jī)有兩種結(jié)構(gòu)形式。一種為凸輪搖桿式的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（如圖1所示）。另一種為曲柄連桿式的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。現(xiàn)多為曲柄連桿式的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，本文主要針對(duì)圖中的曲柄連桿式的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

圖2　曲柄連桿式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.2運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分析

圖3為55"內(nèi)胎硫化機(jī)裝配示意圖，從圖中我們可以看出，開(kāi)模時(shí)，橫梁開(kāi)模與合模時(shí)的軌跡通過(guò)滑輪在導(dǎo)向槽中的移動(dòng)來(lái)控制的，現(xiàn)把圖3進(jìn)行簡(jiǎn)化為傳動(dòng)原理圖，以便于進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，如圖4所示。 當(dāng)開(kāi)模時(shí)大齒輪的B點(diǎn)繞A點(diǎn)沿逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)到B'點(diǎn)，達(dá)到了開(kāi)模位置，此時(shí)連桿已經(jīng)達(dá)到了極限位置，同時(shí)連桿的C點(diǎn)沿軌跡L運(yùn)動(dòng)到C'。當(dāng)合模時(shí)大齒輪順時(shí)針運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)，所有部件回到合模位置，此時(shí)大齒輪也已經(jīng)達(dá)到了極限位置。通過(guò)運(yùn)動(dòng)分析得出此機(jī)構(gòu)為搖桿滑塊機(jī)構(gòu)，其中大齒輪為搖桿沿圓弧BB'往復(fù)運(yùn)動(dòng)，橫梁為滑塊，沿軌跡L往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖3　內(nèi)胎硫化機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖4　傳動(dòng)原理圖

1.3存在問(wèn)題分析

在實(shí)際應(yīng)用中分別在B與B'出各設(shè)置一個(gè)接近開(kāi)關(guān)來(lái)限制此機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，但是如果當(dāng)接近開(kāi)關(guān)發(fā)生故障時(shí)，運(yùn)動(dòng)就會(huì)超出極限位置，此時(shí)會(huì)對(duì)機(jī)架造成沖擊，引起零部件的損壞。因此此次改進(jìn)設(shè)計(jì)的目的是把搖桿滑塊機(jī)構(gòu)改為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，即使當(dāng)接近開(kāi)關(guān)產(chǎn)生故障超出運(yùn)動(dòng)范圍時(shí)，也不會(huì)對(duì)設(shè)備造成沖擊。

1.4改進(jìn)設(shè)計(jì)

要變?yōu)榍瑝K機(jī)構(gòu)，那么當(dāng)達(dá)到運(yùn)動(dòng)極限位置時(shí)大齒輪與連桿的位置必須為在一直線上，此時(shí)有兩種選擇，分別為改變大齒輪或連桿的長(zhǎng)度與改變運(yùn)動(dòng)軌跡L的長(zhǎng)度，相比較而言，改變運(yùn)動(dòng)軌跡L的長(zhǎng)度更加方便與經(jīng)濟(jì)。運(yùn)動(dòng)軌跡L分為模具抬高的直線段與模具翻轉(zhuǎn)的圓弧，改變直線段會(huì)改變模具開(kāi)模的位置，只能通過(guò)加長(zhǎng)圓弧段來(lái)增加行程，改進(jìn)后的傳動(dòng)原理圖如圖5所示，圖中C'為開(kāi)模位置，C″為極限位置，改進(jìn)后的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)可以循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到了改進(jìn)的目的。

圖5　改進(jìn)后的傳動(dòng)原理圖

1.5solidworks的運(yùn)動(dòng)分析與驗(yàn)算

（1）solidworks中對(duì)55"內(nèi)胎硫化機(jī)建模，之后必須準(zhǔn)確的定義每個(gè)零件之間的配合，如果配合定義不正確會(huì)影響到之后的模擬算例，其中控制橫梁軌跡的滑輪與滑槽由于是不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)在配合定義中并不能準(zhǔn)確的定義，先暫時(shí)不定義配合。定義完成后新建運(yùn)動(dòng)算例，如圖6所示。

圖6　內(nèi)胎硫化機(jī)的建模

（2）在solidworks中最下方有模型，運(yùn)動(dòng)算例等選項(xiàng)卡，選擇運(yùn)動(dòng)算例并對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定義，添加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)部件設(shè)置為大齒輪的主軸，然后在左邊的馬達(dá)定義框內(nèi)定義運(yùn)動(dòng)方向與馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，如圖7所示。

圖7　運(yùn)動(dòng)算例的設(shè)定

（3）由于此連桿機(jī)構(gòu)的滑輪與滑槽的運(yùn)動(dòng)是不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，無(wú)法用solidworks的常規(guī)配合來(lái)定義，所以需要用到運(yùn)動(dòng)算例中的定義3D接觸，定義了3D接觸后才能準(zhǔn)確的限制導(dǎo)向輪在滑槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，如圖8所示。

圖8　定義3D接觸

（4）按運(yùn)動(dòng)算例工具欄中的計(jì)算按鈕，進(jìn)行計(jì)算運(yùn)動(dòng)算例，軟件會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)畫(huà)，檢查模擬運(yùn)動(dòng)是否與預(yù)想一致，如圖9。之后進(jìn)行干涉檢查，以驗(yàn)證零件裝配與運(yùn)動(dòng)是否有沖突，驗(yàn)證正確性，如圖10所示。

2　利用solidworks simulation對(duì)內(nèi)胎硫化機(jī)的主軸進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1結(jié)構(gòu)分析

內(nèi)胎硫化機(jī)主軸的結(jié)構(gòu)圖如圖11所示，主軸為左右各一根短軸組成，內(nèi)胎硫化機(jī)在合模位置時(shí)連桿機(jī)構(gòu)達(dá)到死點(diǎn)位置此時(shí)主軸承最大力，大小等于合模力，工作載荷合模力為1 500 000 N，每根主軸所承受的力為750 000 N，位置與方向如圖11中F所示，載荷系數(shù)KW根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中表1—1—88取值應(yīng)在1.4～1.8之間，本文取KW=1.4，每根主軸的所受力按F=750 000×1.4=1 050 000 N計(jì)算。

圖9　計(jì)算運(yùn)動(dòng)算例

圖10　干涉檢查

圖11　內(nèi)胎硫化機(jī)主軸結(jié)構(gòu)圖

2.2利用solidwoorks simulation進(jìn)行有限元分析

（1） 對(duì)主軸進(jìn)行建模，如圖12。

圖12　內(nèi)胎硫化機(jī)主軸的建模

（2） 根據(jù)受力情況定義約束與作用力，并定義材料為45#鋼，如圖13、14所示。

圖13　定義約束

圖14　定義作用力

（3） 進(jìn)行網(wǎng)格化并進(jìn)行有限元分析并查看結(jié)果，見(jiàn)圖15、16。從圖中可以看出主軸的安全系數(shù)為0.8，不符合設(shè)計(jì)要求，需要改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.3改進(jìn)設(shè)計(jì)

在不對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大的改動(dòng)的情況下，對(duì)主軸和機(jī)架進(jìn)行改造，把分體的主軸改為一體的通軸形式，主軸的兩邊對(duì)稱(chēng)受力，兩邊力F的大小各為1 050 000 N，具體結(jié)構(gòu)如圖17所示。

圖15　網(wǎng)格化

圖16　有限元分析

圖17　改進(jìn)主軸的結(jié)構(gòu)圖

2.4重新建模并使用solidworks simulation有限元分析

把新設(shè)計(jì)的主軸簡(jiǎn)化重新建模并定義邊界條件進(jìn)行有限元分析，如圖18所示，圖18中我們可以看到新結(jié)構(gòu)主軸的安全系數(shù)為1.48，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2.5疲勞分析

由于內(nèi)胎硫化機(jī)工作負(fù)荷較大，每天三班制工作，為了進(jìn)一步驗(yàn)證主軸的可靠性，再利用solidworks simulation對(duì)主軸進(jìn)行疲勞分析。

55"內(nèi)胎硫化機(jī)開(kāi)模時(shí)主軸的受力主要為橫梁、橫梁軸，連桿，滑槽等部件，這些部件的總重量為5 033 kg，開(kāi)模時(shí)受力方向與合模方向相反，力F= 5 033×10/2=25 165 N，開(kāi)模時(shí)受力與合模時(shí)受力的比值為25 165/1 050 000=0.02。

圖18　改進(jìn)主軸的有限元分析

在疲勞算例中添加載荷，以之前定義的算例1為載荷主體，次數(shù)設(shè)置為1 000 000萬(wàn)次，由于開(kāi)模與合模受力方向相反，加載比率為-0.02，如圖19所示。定義完成后進(jìn)行算例分析，結(jié)果如圖20所示，疲勞加載載荷1 000 000次的安全系數(shù)為1.53，符合設(shè)計(jì)要求。

3　結(jié)語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于工程設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)帶來(lái)了許多便利，此次內(nèi)胎硫化機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)就用到了solidworks的有限元分析與運(yùn)動(dòng)分析的功能，大大提高了設(shè)計(jì)的效率與準(zhǔn)確性。同時(shí)技術(shù)的發(fā)展也對(duì)工程技術(shù)人員提出了更高的要求，必須不斷的學(xué)習(xí)新的知識(shí)，不斷的進(jìn)步才能適應(yīng)新的發(fā)展。

SOLIDWORKS in the inner tube vulcanizer improvement design

SOLIDWORKS in the inner tube vulcanizer improvement design

Xu Jianzhong, Ren Kebin
(Shanghai Rubber Machinery Works No.1 Co.,Ltd., Shanghai 200129, China)

For 55 "inner tube vulcanizer problems occurred in use, this paper describes the improvement design by using fi nite element analysis and motion analysis functions of SOLIDWORKS software.

solidworks; inner tube vulcanizer; fi nite element analysis; motion analysis; fatigue analysis

圖19　疲勞分析的設(shè)定

圖20　疲勞分析

TQ330.47

1009-797X(2015)17-0050-05

B DOI:10.13520/j.cnki.rpte.2015.17.014

許建中（1981-），男，工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事橡膠機(jī)械設(shè)計(jì)與生產(chǎn)管理工作。

2015-07-02