宋傳璽 王守城

（青島科技大學機電工程學院 青島 266061）

1 引言

液壓輪胎硫化機的活絡模具一般由動模和定模兩部分組成，上模安裝在硫化機的固定模板上，在硫化機工作輪胎成型過程中，它隨硫化機的合模系統(tǒng)運動。下模安裝在硫化機的下固定模板上，固定在底座上。由于現(xiàn)有活絡模具的連接方法一般都用多個螺釘固定，而連接處的工作環(huán)境特別惡劣，長期處于高溫潮濕的環(huán)境中，蒸汽溫度約為150℃，螺釘很容易生銹，維修時要拆裝這么多的銹蝕、變形的螺釘也是一件很費力的事［1～2］。

另外活絡模的水缸軸工作時是往復運動的，固定法蘭的螺釘受到往復運動推拉，很容易滑絲或斷裂，導致模具和設備損傷；現(xiàn)有的活絡模具連接法蘭盤是一個整體，該連接盤自身的重量很重，維修或拆裝時需要三、四個維修人員方可進行操作，這個過程中連接安裝的時間長，且拆裝的時間也較長，這使得活絡模的硫化效率較低。

快速換模機構(gòu)由傳統(tǒng)的手動螺栓鎖模變更為液壓自動鎖模，通過液壓作用和彈簧復位作用，實現(xiàn)模具在硫化機上的安裝與拆卸，可通過操作控制盤的按鈕簡單地進行操作和控制，可以有效地預防工人因操作失誤出現(xiàn)故障，創(chuàng)造安全的生產(chǎn)環(huán)境，提高了更換模具效率。

2 換模機構(gòu)結(jié)構(gòu)及功能

2.1 換模機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成及功能

該裝置通過液壓作用和彈簧復位功能控制模具的鎖緊、拆卸，大大減少了生產(chǎn)過程中更換模具所需的時間，迅速、高效、精確及穩(wěn)定可靠地更換活絡模具，圖1為機構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖。

圖1 快速換模機構(gòu)剖視圖

該機構(gòu)更換模具的具體操作過程如下：首先通過螺栓將上安裝板與硫化機的上固定板連接固定，該機構(gòu)的鎖緊內(nèi)套的下底板與活絡模具的上模進行連接固定，之后把活絡模具安裝到下固定板上，在缸體的進油孔進油，活塞套在液壓作用下收縮彈簧被迫移動，此時將內(nèi)殼伸入到外殼內(nèi)，其中外殼周向通槽內(nèi)的鋼珠退至活塞套缺口處，然后缸體中的容腔通過回油口泄油，在彈簧的復位作用下，推動活塞套壓迫鋼珠向內(nèi)移動，推入到內(nèi)殼容納孔中，依靠摩擦力作用而鎖緊，隨硫化機的合模系統(tǒng)運動［2］。

圖2 松卸示意圖

圖3 鎖緊示意圖

2.2 換模機構(gòu)的主要零部件設計

2.2.1 鋼珠尺寸設計

在該機構(gòu)實現(xiàn)鎖緊功能的過程中，鋼珠起了關鍵性作用，一是可以用來定位固定鎖緊，二是分散結(jié)構(gòu)的壓力，減少產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，鋼珠的數(shù)量與機構(gòu)的鎖緊可靠性密切相關。從裝置承受力方面考慮，隨著力的增加，鋼珠的數(shù)目應適宜增加。該裝置具有較大的承受力，因此合理選擇鋼珠的數(shù)目，尺寸計算尤為重要。

鎖緊內(nèi)殼的外圓周上設置有與待安裝鋼珠數(shù)量相同，分布角度一致的鋼珠容納孔，在鎖緊外殼設有中心通孔，沿通孔周向設有與鋼珠容納孔數(shù)量相同，分布角度一致的軸向通槽；鋼珠的數(shù)量為Z，每顆鋼珠所承受的載荷為P。

根據(jù)赫茲理論［4］，鋼珠與內(nèi)殼容納孔的半徑分別為R1和R2，變形前鋼珠與容納孔在某接觸點相切，鋼珠與容納孔受到載荷P的作用，變形后鋼珠與容納孔的接觸區(qū)域為以圓形區(qū)域，半徑為a，由赫茲公式得［5～6］：

式中：E1、E2為材料的彈性模量；μ1、μ2為兩材料的泊松比。

又鋼珠與下安裝板的材料均為45鋼，E1=E2=E；μ1=μ2=μ=0.3，則

綜合曲率半徑為

式中：[σH]為鋼珠材料的許用接觸應力；P為接觸面上最大單位壓力；E為材料彈性模量。

根據(jù)實際所需：P=2000N，[σH]=475MPa，

E=2e5MPa，S=1.5，帶入計算得R ≥ 383.6mm。

因鋼珠與內(nèi)殼容納孔緊密接觸，故取R2=R1+0.3，計算可得鋼珠半徑R1≥10.7mm，取R1=11mm。

2.2.2 活塞套結(jié)構(gòu)設計

活塞套實現(xiàn)鎖緊功能的主要功能部件，在鎖緊過程中依靠活塞套的移動迫使鋼珠移動實現(xiàn)鎖緊功能。在活塞套上部連接有復位彈簧，推動活塞套退回到相應位置，左部與缸體之間留有容腔間隙，用于液壓作用吸油回油推動活塞套移動，右部留有一內(nèi)錐形缺口，在工作過程中使得外殼中心通孔中的鋼珠移動，其結(jié)構(gòu)剖面示意圖如圖4所示。

圖4 活塞套剖視圖

3 換模機構(gòu)有限元分析

由于該機構(gòu)模型包含的零件較多，因此只分析其中的主要部件。在模具鎖緊過程中，鎖緊內(nèi)套的下底板受到活絡模具自身的重力作用，處于靜力平衡狀態(tài)。另外，由于單個鋼球的分析比較困難，可以對鎖緊外殼、鋼珠與鎖緊內(nèi)殼裝配體進行整體分析，可以減少分析時的復雜程度，方便施加約束和載荷。

在該機構(gòu)實際工作中，存在兩種狀態(tài)，一是實現(xiàn)鎖緊功能時，該機構(gòu)受到活絡模具重力的作用，從而使得各部件承受較大載荷，為了保證機構(gòu)的工作安全性，對其關鍵部件靜力學分析；二是在硫化過程時，活絡模具到達工作位置，該機構(gòu)不再承受載荷作用，但由于硫化過程產(chǎn)生較大的熱量，使得該機構(gòu)零部件會發(fā)生變形，因此需要對該種情況進行熱應力分析。

3.1 換模機構(gòu)的靜力學分析

1）導入有限元模型

從Soildworks建好的裝配體模型中保留鎖緊外殼、鋼珠和鎖緊內(nèi)殼，直接導入ANSYS Workbench中打開。

2）定義材料屬性

根據(jù)材料屬性參數(shù)，選取45號碳素鋼為該構(gòu)材料，在Engineering Data中設置材料性能參數(shù)：密度ρ=7890kg∕m3，泊松比μ=0.3，彈性模量E=2e11pa。

3）網(wǎng)格劃分

鋼珠是實現(xiàn)鎖緊功能的關鍵部件，在網(wǎng)格劃分過程中，對于與鋼珠接觸的區(qū)域的網(wǎng)格要細化，其他區(qū)域可由自動網(wǎng)格劃分。

4）接觸設置

對于該機構(gòu)中，鋼珠與鎖緊外殼、鎖緊內(nèi)殼之間的接觸區(qū)域設置為有摩擦接觸，摩擦因數(shù)設置為0.1，接觸面為鋼珠表面，目標面為鎖緊外殼通孔面與鎖緊內(nèi)殼容納孔面，而外殼與內(nèi)殼的接觸區(qū)域設置為無摩擦接觸。

5）添加約束與載荷

在更換模具實現(xiàn)鎖緊功能的過程中，內(nèi)套的下底板承受活絡模具的重力作用，因此對8個螺栓安裝孔施加載荷G∕8，對外殼外表面添加固定約束。

6）有限元分析結(jié)果

從圖示結(jié)果可以看出，該機構(gòu)最大變形處出現(xiàn)在內(nèi)套下板處，此處螺栓孔連接處受有活絡模具重力，故有較大的變形，為0.829mm，其產(chǎn)生的變形與結(jié)構(gòu)尺寸相比可以忽略不計，最大應力出現(xiàn)在鋼珠與內(nèi)套接觸處，為106.89MPa，小于材料的許用應力［7］。

圖5 總變形圖

圖6 等效應力圖

3.2 換模機構(gòu)的熱仿真分析

硫化機在硫化過程中活絡模具由常溫加熱至170℃，該機構(gòu)上安裝板與硫化機的中心機構(gòu)相連，硫化過程上熱板加熱時，由硫化加熱時產(chǎn)生的熱量傳導至機構(gòu)外表面，使機構(gòu)產(chǎn)生很大的溫度，內(nèi)殼下底板與活絡模具通過螺栓連接，底部受到蒸汽溫度影響，也會受到較高的溫度影響［8～9］。該機構(gòu)受到的溫度通過對流的方式散發(fā)到外部環(huán)境當中，作為與硫化機連接的關鍵部件，在硫化過程中時時刻刻都與高溫環(huán)境接觸，在長時間高溫工作條件下，材料會出現(xiàn)損壞，降低材料的各種性能，影響硫化機的正常工作，需要對其進行熱應力分析，保證該結(jié)構(gòu)的設計合理性。

該機構(gòu)的溫度應力為穩(wěn)態(tài)溫度場，設定材料為45號鋼，平均對流換熱系數(shù)設定為300W∕（m2·℃），硫化過程中外部環(huán)境溫度為35℃～40℃，ρ=7890kg∕m2，μ=0.3，E=2e11pa，通過熱仿真得到如圖7所示熱模擬分析圖［10］。

圖7 熱模擬分析

快速換模機構(gòu)的熱應力分析以穩(wěn)態(tài)溫度場為基礎，將溫度場結(jié)合結(jié)構(gòu)靜力學進行分析，將上述熱分析得到的溫度場作為載荷導入到Static Structural，對外殼周向容納孔處添加固定約束，通過計算得到機構(gòu)傳熱產(chǎn)生的熱變形分布圖和熱應力分布圖如圖8～9所示［11］。

圖8 熱變形分布圖

受溫度變化的影響，該機構(gòu)的最大應力出現(xiàn)在放置鋼珠的容納孔四周，且最大應力為319.93MPa，由此可以分析出此處較容易發(fā)生較大的應力集中，因此需要對模型進行改進，增大外殼的厚度［12］，同時鋼珠受外殼厚度變化的影響也應隨之增大，現(xiàn)將厚度增加5mm，對改進后的機構(gòu)進行仿真，結(jié)果如圖10～11所示，此時最大應力處數(shù)值減小，保證了機構(gòu)工作的安全性。

圖9 熱應力分布圖

圖10 熱應力分布圖

圖11 熱應力分布圖

4 結(jié)語

本文對硫化機快速更換模具機構(gòu)進行設計，通過液壓和彈簧的作用實現(xiàn)模具的快速更換，節(jié)省了人力勞動時間，提高了工作效率。并根據(jù)實際工況對其進行靜力學分析和熱應力分析，最大應力發(fā)生在鋼珠與外殼容納孔接觸部位，對此處進行尺寸改進，減小了最大應力和變形，保證設計的合理性和安全性。