廖桂松，沈中華，叢靜波

（1.桂林技師學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)，廣西 桂林 541004；3.廈門華僑大學(xué)，福建 廈門 361000）

0 引言

工程輪胎是主要應(yīng)用在裝載機、挖掘機、推土機等工程機械車輛上的輪胎。隨著我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，對工程車輛和工程輪胎的需求也在逐漸加大[1]。由于工作條件的限制，工程輪胎的行駛速度可以不是很高但對負載能力要求比較嚴苛。工程輪胎的結(jié)構(gòu)主要為斜交輪胎[2-3]，但也有少部分公司生產(chǎn)子午線工程輪胎，其造價要遠高于斜交輪胎[4]。生產(chǎn)斜交工程輪胎的主要骨架材料為尼龍和聚酯纖維簾線[5]，它們的特點是彈性模量小，伸長率大[6]，在輪胎的使用過程中，易導(dǎo)致輪胎胎體脹大。生產(chǎn)工程輪胎時，外胎的硫化是在一定的壓力和溫度下進行，在輪胎硫化啟模后，輪胎的簾布層還有殘余熱量，如果此時輪胎未充氣保壓，任其在無外壓力狀態(tài)下自然冷卻，輪胎局部就會產(chǎn)生變形，導(dǎo)致生產(chǎn)出來的輪胎不合格[7-10]。為了生產(chǎn)出合格的輪胎，需要模擬輪胎的實際裝配狀況對硫化后的輪胎在短時間內(nèi)進行充氣和保壓冷卻，此工藝稱為輪胎的后充氣。一般輪胎的后充氣壓力需大于輪胎使用壓力的20%，由于輪胎的后充氣過程模仿了輪胎與輪輞的裝配過程，在加壓冷卻保證輪胎正確尺寸的同時，檢察人員可以對輪胎進行外觀質(zhì)量的檢查，找出可能產(chǎn)生的缺陷[11]。

工程輪胎后充氣裝置是輪胎硫化機的重要輔助設(shè)備[12]，是生產(chǎn)尼龍斜交輪胎不可缺少的裝置，已經(jīng)得到世界各國橡膠輪胎生產(chǎn)企業(yè)的廣泛應(yīng)用。它具有操作簡便，勞動強度低，現(xiàn)代智能化控制等優(yōu)點[13]。目前市面上大多工程輪胎后充氣裝置多采用臥式，占地面積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作不便，能耗高，并且適用輪胎型號單一。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

本文設(shè)計的工程輪胎后充氣裝置主要由6部分組成：（1）上梁、立柱和底座等組成的主體龍門框架部分；（2）升降平臺、四桿機構(gòu)和氣缸2等組成的輪胎升降部分；（3）活動輪轂圓盤、不動輪轂圓盤、輪盤平移臺和氣缸3組成的輪胎夾緊部分；（4）限位塊和氣缸4組成的限位部分；（5）輔助小車、限位護欄、輪胎通道坡板和氣缸1組成的輔助運輸部分；（6）PLC控制部分。如圖1所示。

圖1 工程輪胎后充氣裝置結(jié)構(gòu)

工作原理：在進行工程輪胎的后充氣處理時，將硫化后的輪胎垂直于地面放置，通過輪胎通道坡板，人工將輪胎滾動到升降平臺上的輔助小車上，限位護欄可以防止輪胎由于慣性作用而滾出升降平臺。此時，啟動控制程序，氣缸2的活塞桿伸出，升降平臺保持水平向上移動，將輪胎升起至合適的高度，即輪胎中心線與輪轂圓盤中心線重合的位置。接下來氣缸3啟動，推動輪盤平移臺使兩輪轂圓盤相互靠近，輪胎便裝夾在兩輪轂圓盤之間，然后氣缸4啟動，將限位塊緩緩降下，落在活動輪轂圓盤和主體龍門框架的立柱之間。接下來便可通過不動輪轂圓盤上的多個氣嘴對輪胎進行充氣，充氣壓力由當(dāng)胎內(nèi)氣壓傳感器檢測，在管道供氣氣壓較高于輪胎設(shè)定氣壓并配有儲氣罐情況下，輪胎內(nèi)氣壓在1 min之內(nèi)即要達到設(shè)定值，此時傳感器給PLC發(fā)出指令停止充氣。當(dāng)傳感器檢測到由于輪轂圓盤精度問題導(dǎo)致的漏氣或隨著輪胎溫度的下降而導(dǎo)致胎內(nèi)氣壓下降到設(shè)定值時，相應(yīng)的控制程序啟動及時對輪胎進行充氣，輪胎的氣壓在整個定型冷卻過程始終保持相對穩(wěn)定。在冷卻定型達到設(shè)定的時間后，釋放輪胎內(nèi)壓力，PLC控制氣缸4回縮，限位塊向上運動到初始位置，接下來控制氣缸3回縮，輪盤平移臺向左移動到初始位置，緊接著控制氣缸1伸出，將輪胎頂下輪轂圓盤，這時控制氣缸2回縮，輪胎隨著升降平臺緩緩落下，通過輔助小車滑動，將輪胎卸下。到此，工程輪胎的后充氣工序完成。整個后充氣過程除輪胎運輸外全程均由PLC可編程控制器控制，實現(xiàn)了充氣過程的自動化。

2 主要部件的設(shè)計

2.1 主體龍門框架部分

主體龍門框架由兩根上梁、4根立柱與底座焊接而成（圖1）。上梁與立柱均為矩形鋼管，矩形管的規(guī)格為200 mm×200 mm×6 mm，底座由50 mm×50 mm×5 mm槽鋼焊接成長方體框架結(jié)構(gòu)并在上方鋪設(shè)鋼板，將底座焊接在4根立柱的下方。設(shè)計底座可以使裝置整體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

2.2 輪胎夾緊部分

輪胎夾緊部分由不動輪轂圓盤和活動輪轂圓盤組成。不動輪轂圓盤和活動輪轂圓盤，大小相等，方向相對設(shè)置，圓心處于同一軸線（圖1）。圓盤的大小和形狀與所充氣輪胎的輪輞尺寸相對應(yīng)，根據(jù)企業(yè)的需求，本裝置所適用工程輪胎的最大型號為23.5-25，查閱相關(guān)國家標準將輪轂圓盤的最大直徑取635 mm[14]。當(dāng)輪胎充氣完成后，為了使輪胎在輪盤平移臺后移的過程中更容易在輪轂圓盤上松脫下來并不被帶出升降平臺，因此不動輪轂圓盤采用正公差設(shè)置，活動輪轂圓盤采用負公差設(shè)置。兩輪轂圓盤分別通過螺栓固定在主體龍門框架的立柱上和輪盤平移臺上，需要更換不同規(guī)格型號輪胎進行后充氣處理時可通過拆卸螺栓更換相應(yīng)的輪轂圓盤和固定圓盤的支座即可。

輪盤平移臺由圓柱形導(dǎo)向體、支撐架、托架座焊接而成。為了保證輪轂圓盤的對中性能，圓柱形導(dǎo)向體一端穿過主體龍門框架立柱上的滑動軸承，另一端安裝在支撐架上，如此可有效防止輪盤平移臺由于輪轂圓盤的重力過大發(fā)生側(cè)翻而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生或損壞設(shè)備，同時還可以保證輪轂圓盤的對中性能和導(dǎo)向作用?；瑒虞S承可以減小輪盤平移臺移動時的摩擦阻力。

支撐架和托架座都由矩形鋼管焊接而成，在托架座的下方設(shè)置有4個輪子，同樣可使輪盤平移臺在移動時減小摩擦阻力，更加方便的實現(xiàn)平移運動。氣缸3的活塞桿端與支撐架相連接，氣缸3啟動可以推動輪盤平移臺移動，實現(xiàn)輪胎的夾緊。

2.3 限位部分

輪胎充氣時其胎體膨脹，輪胎的壓力會轉(zhuǎn)遞給輪盤平移臺，此時輪盤平移臺受到的壓力會非常高。本文設(shè)計的后充氣裝置在輪胎達到規(guī)定的氣壓時，輪胎對夾緊部分的壓強高達14 MPa，此時氣缸3無法承受過大的壓力，會引起輪盤平移臺后移，致輪胎不能夾緊在兩輪轂圓盤之間，故而設(shè)置限位部分（圖1）。限位部分由限位塊和氣缸4組成。限位塊為由12 mm的鋼板折彎成槽鋼樣，為增加其受力面積在槽鋼的兩端面沿徑向焊接有矩形三角板，為增加限位塊的抗彎強度，在槽鋼的內(nèi)部還焊接有加強肋板。槽鋼的上端中部焊接有一對耳板并開通孔，氣缸4的活塞桿端通過銷釘與耳板相連，缸體固定在主體龍門框架的上梁上。通過控制氣缸4的運動可以實現(xiàn)限位塊的上下快速移動。限位裝置如圖2所示。

圖2 限位裝置

2.4 輪胎升降部分

輪胎升降部分主要由升降平臺、四桿機構(gòu)和氣缸2組成，升降平臺設(shè)置在不動輪轂圓盤和活動輪轂圓盤之間的空隙的下方，升降平臺是由矩形鋼管焊接而成的網(wǎng)格板和其下方焊接的加強肋板所組成，采用矩形鋼管使升降平臺在符合其結(jié)構(gòu)強度和剛度的前提下質(zhì)量較輕，設(shè)置的加強肋板進一步提升了升降平臺的結(jié)構(gòu)強度，使其可以升起大重量輪胎。四桿機構(gòu)由連接座、短桿、長桿和支撐座組成，四桿機構(gòu)與升降平臺連接關(guān)系的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 四桿機構(gòu)與升降平臺的連接關(guān)系

升降平臺焊接在連接座上，長桿與短桿分別通過轉(zhuǎn)軸與連接座和支撐座相連接。長桿、短桿、連接座和支撐座形成一個平行四邊形。支撐座固定在立柱上。氣缸2的缸體一端通過銷釘與立柱上的固定支座相連，活塞桿與長桿伸長端上的連接座相連。當(dāng)氣缸2啟動時，長桿通過支撐座形成杠桿（圖1），輪胎升降平臺便可保持水平向上升起。

2.5 輔助運輸部分

在主體龍門框架的底座上焊接有輪胎通道坡板，輪胎通道坡板的上端與底座最上端緊挨平齊，下端與底板外側(cè)的地面緊貼。為了防止輪胎在進入升降平臺后由于慣性滑出升降平臺，還對該后充氣裝置設(shè)置了限位護欄，限位護欄固定在底座上，且限位護欄與輪胎通道坡板在底座的兩側(cè)相對設(shè)置，為輔助輪胎裝卸，減小輪胎在升降平臺上左右滑移的摩擦阻力，在升降平臺上設(shè)置有一輔助小車，輔助小車由托盤和托盤下對稱分布的4個輪子組成。氣缸4的設(shè)置是為了方便將后充氣處理完成后的輪胎頂下不動輪轂圓盤。

3 物理樣機試驗

根據(jù)工程輪胎后充氣裝置的結(jié)構(gòu)總圖制作出實體樣機進行試驗，樣機如圖4所示。本次試驗所選取的輪胎型號為23.5-25，與前述限位塊所對應(yīng)的輪胎型號一致。對該型號輪胎進行后充氣處理，觀察整體裝置的運行情況和限位塊是否可以達到限位效果。

圖4 工程輪胎后充氣裝置樣機

試驗時供氣壓力為0.7 MPa，為使輪胎快速充氣，以1.2倍額定胎壓試驗，23.5-25工程輪胎的額定胎壓為375 kPa，輪胎充氣壓力設(shè)置為0.45 MPa，由PLC可編程控制器控制整個輪胎后充氣定型過程，保證了胎內(nèi)的壓力達到設(shè)置值后保持相對穩(wěn)定。此恒壓過程為模擬工程輪胎正常工作時的滿載工況，然后讓輪胎在室溫下自然冷卻。

試驗結(jié)果顯示：在輪胎升降過程中，升降平臺始終保持水平。在輪胎充氣過程中，整體裝置表現(xiàn)穩(wěn)定，無明顯漏氣現(xiàn)象。在輪胎充氣完成后的相對恒壓過程中，主要受力部件限位塊、機架和輪轂圓盤無明顯變形。在輪胎后充氣處理完成后的拆卸過程中，輪胎夾緊在不動輪轂圓盤上，未被輪盤平移臺帶出升降平臺。定型計時完成后，輪胎無收縮變形，保持了良好的形狀，達到了工程輪胎后充氣工藝的要求。該裝置目前已在桂林某企業(yè)正常運行了1年多，證明新結(jié)構(gòu)能夠有效節(jié)約制造成本、滿足生產(chǎn)要求。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)企業(yè)的需求，在參考國內(nèi)輪胎后充氣的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計了一種立式工程輪胎后充氣裝置。本文介紹了其主要結(jié)構(gòu)及工作原理，并對主要部件的設(shè)計進行了闡述。該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，通過更換少量零部件就可適用其它規(guī)格型號的輪胎使用。輪胎在后充氣過程主要通過PLC控制并輔以少量的人工，可以方便實現(xiàn)充氣、保壓、卸荷，節(jié)約人工成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。通過在企業(yè)的加工制造和在輪胎廠的實際應(yīng)用，使用該裝置降低了工程輪胎硫化后的冷卻變形，證明新結(jié)構(gòu)能夠有效節(jié)約制造成本、滿足生產(chǎn)要求，給企業(yè)帶來了新的利潤增長點。