宋傳璽 王守城
(青島科技大學機電工程學院 青島 266061)
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。
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為機構結構原理圖。
圖1 快速換模機構剖視圖
該機構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
2.2.1 鋼珠尺寸設計
在該機構實現(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,二是分散結構的壓力,減少產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象,鋼珠的數(shù)量與機構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 活塞套結構設計
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,其結構剖面示意圖如圖4所示。
圖4 活塞套剖視圖
由于該機構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。
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)有限元分析結果
從圖示結果可以看出,該機構最大變形處出現(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)生的變形與結構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
硫化機在硫化過程中活絡模具由常溫加熱至170℃,該機構上安裝板與硫化機的中心機構相連,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外表面,使機構產(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,保證該結構的設計合理性。
該機構的溫度應力為穩(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
快速換模機構的熱應力分析以穩(wěn)態(tài)溫度場為基礎,將溫度場結合結構靜力學進行分析,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,對改進后的機構進行仿真,結果如圖10~11所示,此時最大應力處數(shù)值減小,保證了機構工作的安全性。
圖9 熱應力分布圖
圖10 熱應力分布圖
圖11 熱應力分布圖
本文對硫化機快速更換模具機構進行設計,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。