楊慧麗，劉玉龍，丁振堂，劉云成

(軟控股份有限公司，山東 青島 266045)

0 引言

近幾年，中國輪胎企業(yè)發(fā)展迅速，眾多企業(yè)在國內(nèi)外持續(xù)擴張?zhí)嵘a(chǎn)能，搶占市場。與之相對應(yīng)的，對于輪胎生產(chǎn)制造設(shè)備的需求也逐年攀升。輪胎硫化是輪胎生產(chǎn)制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，完成該工序的核心設(shè)備為硫化機，其穩(wěn)定及可靠程度影響整個輪胎生產(chǎn)的效率及最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

計算機輔助工程技術(shù)（CAE）作為現(xiàn)代機械產(chǎn)品設(shè)計的有效手段，在硫化機關(guān)鍵部套的強度疲勞分析及溫度場仿真方面也得到廣泛應(yīng)用。馮水安[1]利用ANSYS建模對液壓雙層力車胎硫化機的主體框架進行了應(yīng)力分析，有效地提升結(jié)構(gòu)強度，減少部套材料使用；劉才生[2]則利用Ⅰ-DEAS對巨型胎硫化機底座進行仿真校核，并實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。李軍亮等[3]研究了硫化機螺旋鎖模系統(tǒng)升降螺母螺紋受力情況，對指導(dǎo)硫化機鎖模系統(tǒng)的設(shè)計和疲勞壽命評估有重要意義。楊傳遠、管業(yè)峰[4]和徐京豫、孫寶壽等[5]學(xué)者分別利用傳熱仿真技術(shù)對硫化機熱板溫度場及均勻性進行了創(chuàng)新性研究，對改善熱板溫度均勻性提供有力指導(dǎo)。而趙永瑞等[6]人則采用ANSYS實現(xiàn)對硫化機活絡(luò)模模具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，有效地提升了模具溫模效率，同時模具的溫度均勻性和對稱性也得到了良好的改善。

此外，有山東大學(xué)的邢曉靜[7]對硫化機整機主承力部套的強度及有關(guān)受熱部件的熱應(yīng)力進行了仿真計算，從而指導(dǎo)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進；廣東工業(yè)大學(xué)的朱勝娟[8]則建立了硫化機架體的參數(shù)化模型，并開展了強度及熱-力耦合計算。

可見，在硫化機產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，CAE仿真技術(shù)獲得眾多學(xué)者的認可，也產(chǎn)生非常多成熟的研究成果。本文以某硫化機關(guān)鍵件——鎖模套為研究對象，從產(chǎn)品現(xiàn)場緊固螺栓的失效為研究切入點，通過結(jié)構(gòu)強度及疲勞仿真技術(shù)分析螺栓失效原因，并對鎖模套組件結(jié)構(gòu)及螺栓布置形式進行優(yōu)化改進，有效地提升鎖模裝置的強度及疲勞壽命，實現(xiàn)硫化機產(chǎn)品可靠性和穩(wěn)定性的改善。

1 螺栓失效問題描述

輪胎在硫化過程中存在開、合模及保壓等主要工況，各工況的切換通常基于鎖桿和鎖模套的不同連接狀態(tài)實現(xiàn)。圖1給出了雙瓣鎖模套的三維結(jié)構(gòu)模型，通過緊固螺栓連接上、下面與鎖模套蓋板使其成為一個整體。圖1所示為鎖模組件之間的裝配關(guān)系，當鎖模套與鎖模桿貼合之后油缸進行合模加載，實現(xiàn)硫化和保壓工況；當鎖桿旋轉(zhuǎn)一定角度之后，各鎖齒之間錯位分離進而實現(xiàn)開模。

整個輪胎硫化過程中，硫化機不斷的重復(fù)“開模-合模-保壓”循環(huán)工況，其中在合模及保壓工況下，單組鎖模組件將承受近幾十噸的等效負載?；趯嶋H現(xiàn)場反饋，在硫化機循環(huán)到一定次數(shù)之后出現(xiàn)緊固螺栓的斷裂故障，斷裂情況如圖2所示，從斷口可以明顯看出存在疲勞源及瞬間斷裂區(qū)，初步判定螺栓存在疲勞失效。

針對上述緊固螺栓的斷裂故障，建立CAE仿真模型分析斷裂原因，考察各關(guān)鍵部件在合模工況下的應(yīng)力及變形狀態(tài)，并完成故障問題的結(jié)果復(fù)現(xiàn)。

2 仿真計算與結(jié)果分析

2.1 靜力學(xué)計算

針對斷裂故障建立仿真分析模型，建模過程主要包括幾何簡化、材料及網(wǎng)格選擇、接觸及約束設(shè)置。

（1）幾何簡化

硫化機整機模型較為復(fù)雜，模型包含眾多工藝、裝配附件以及微小幾何特征，考慮計算目的及計算精度對模型進行簡化處理，刪除不必要的小孔及圓、倒角，同時由于整機的對稱性，選擇1/4模型進行計算，提高計算效率。

（2）材料及網(wǎng)格選擇

計算中主要材料涉及Q235及42CrMo，其材料屬性參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性參數(shù)表

各部件計算采用實體單元，其中螺栓、鎖模套及鎖模套蓋板采用二次四面體單元，其他部件采用六面體單元，最終分析模型包含節(jié)點數(shù)567 054個，實體單元397 704個。

（3）接觸及約束設(shè)置

模型之間建立接觸關(guān)系實現(xiàn)載荷的傳遞。在鎖模套及鎖模桿之間設(shè)置可滑動的面-面接觸，考慮鎖模套蓋板與鎖模套的平均設(shè)計間隙。此外，油缸桿與鎖模套徑向平均間隙在計算中也予以考慮，其他連接區(qū)域則視為無相互滑動的綁定關(guān)系。

本計算中包含兩組工況：

（1）Step1—完全泄壓工況，受重力和緊固螺栓預(yù)緊力作用；

（2）Step2—保壓工況，受合模力、重力和緊固螺栓預(yù)緊力作用。

由于計算模型為對稱模型，因此需要設(shè)置對稱邊界條件，同時將與機座連接的螺栓孔進行固定，邊界條件施加結(jié)果如圖3所示。

2.2 結(jié)果分析

通過仿真計算獲得結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力結(jié)果，下面分別針對結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力進行分析。

（1）變形結(jié)果分析

圖4（a）所示為結(jié)構(gòu)變形全局放大示意圖，黑色虛線表示未變形前，在合模力作用下，上主板向下彎曲，下主板向上彎曲，鎖模桿、鎖模套以及油缸桿向中心傾斜。

圖4（b）為鎖模套和鎖模套蓋板緊固螺栓局部變形放大圖，通過圖4（b）可以看出鎖模套上部在合模力作用下發(fā)生外翻變形，鎖模套緊固螺栓發(fā)生彎曲變形，由此產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力應(yīng)該是導(dǎo)致螺栓失效的一個原因。

（2）應(yīng)力結(jié)果分析

由于應(yīng)力幅對結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響最為關(guān)鍵，所以主要考察合模力對螺栓載荷的影響，即Step2的應(yīng)力減去Step1的應(yīng)力，如公式(1)所示。應(yīng)力云圖如圖5所示，以Δσ作為后續(xù)改進措施效果的評價。

結(jié)合變形和應(yīng)力分析，可以大致得出螺栓失效的原因為合模力作用下，鎖模套上部區(qū)域外翻變形，導(dǎo)致鎖模套緊固螺栓發(fā)生彎曲變形，在螺紋旋合初始位置產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。整個硫化過程中，螺栓在彎曲應(yīng)力的反復(fù)作用下導(dǎo)致疲勞斷裂失效。

圖6云圖為螺栓危險區(qū)域相對位置，大致處于螺栓與鎖模套旋合起始位置，與實際故障現(xiàn)象基本吻合。

3 鎖模套結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進

3.1 改進方案說明

經(jīng)過對初始結(jié)構(gòu)緊固螺栓失效的分析，采取相應(yīng)的措施對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，提出以下4種改進方案（如圖7所示）：

（1）增加四顆Φ10圓柱銷，圓柱銷與銷孔配合為Φ10H7/m6，銷釘長度30 mm。

（2）鎖模套與鎖模套蓋板圓柱接觸面由間隙配合改為過渡配合。

（3）鎖模套壁厚增加10 mm，過渡圓角增大3 mm，此時螺栓由M8改為M12，螺栓等級為8.8級。

（4）綜合考慮B與C方案，B+C組合。

3.2 改進方案強度分析

以作為評價改進效果的指標，分別對各個改進方案進行評估分析，螺栓應(yīng)力值改進效果如圖8所示。對比各個方案與初始故障問題方案對比，其對比結(jié)果如圖9所示。

結(jié)合圖8和圖9可以看出，方案A改進效果不明顯，方案B和方案C有良好的改進效果。考慮實際情況，方案B改動小，周期短，方案C改動大，周期長。以方案B和方案B+C作為暫定后續(xù)改進方案，并進行其余風險點的探測分析。

圖10為各個方案鎖模套蓋應(yīng)力云圖，改進措施B，在鎖模套蓋板與鎖模套之間配合改為過渡配合之后，鎖模套蓋板承受的力增加，在螺栓臺階孔側(cè)壁區(qū)域應(yīng)力達到334 MPa，超出材料屈服強度235 MPa，存在極大的斷裂破壞失效風險，建議不采用方案B。改進措施B+C，鎖模套蓋板臺階孔側(cè)壁的應(yīng)力水平在限值以內(nèi)，滿足要求。

3.3 改進方案疲勞分析

通過5節(jié)分析對比，我們選用方案D（組合B+C）作為最終優(yōu)化方案，考慮到結(jié)構(gòu)的疲勞壽命要求（無限疲勞壽命設(shè)計），我們基于德國FKM標準對組合部套進行疲勞壽命計算。

疲勞計算應(yīng)力輸入來源于泄壓和保壓工況（Step1和Step2）。鎖模桿和鎖模套均采用材料42CrMo，參照國家標準，材料最小抗拉強度為800 MPa，材料最小屈服強度為550 MPa。螺栓等級為ⅠSO 8.8級，材料最小抗拉強度為800 MPa，材料最小屈服強度為640 MPa。其余材料疲勞性能參數(shù)根據(jù)FKM標準生成。

圖11為方案D（組合B+C）螺栓和鎖模套高周疲勞安全系數(shù)計算結(jié)果云圖，最小安全系數(shù)分別為1.3和1.4，滿足設(shè)計要求。結(jié)合實際反饋，采用該方案現(xiàn)場實施效果良好，未出現(xiàn)同類故障問題。

4 結(jié)論

針對硫化機關(guān)鍵部套的緊固螺栓斷裂問題進行CAE仿真故障復(fù)現(xiàn)和詳細分析，總結(jié)出以下結(jié)論：

（1）鎖模套緊固螺栓失效的原因為硫化機在循環(huán)開合模工況作用下，鎖模套緊固螺栓發(fā)生彎曲變形，在螺紋旋合初始位置產(chǎn)生反復(fù)的彎曲應(yīng)力，從而導(dǎo)致螺栓發(fā)生疲勞失效。

（2）采用將鎖模套與鎖模套蓋板圓柱接觸面由間隙配合改為過渡配合，同時增大鎖模套壁厚及圓角的設(shè)計方案，能夠使螺栓應(yīng)力大小減小近66%。

（3）該優(yōu)化方案中各關(guān)鍵部件設(shè)計達到無限壽命設(shè)計要求，現(xiàn)場效果運行良好，未再發(fā)現(xiàn)同類故障問題，有效地提升硫化機產(chǎn)品的穩(wěn)定性。