劉玉龍 ，楊慧麗，官炳政

(軟控股份有限公司，山東 青島 266045)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對輪胎性能的要求越來越高，同時硫化是影響輪胎成品的重要工序之一。良好的硫化工藝裝備對提升成品輪胎的各項性能起著重要作用。硫化機的穩(wěn)定及可靠程度影響輪胎的生產效率及輪胎質量。液壓式硫化機是通過液壓油缸驅動上橫梁帶動上模具做垂直運動，液壓硫化機承力部件的位移、應力以及疲勞強度直接影響硫化機的可靠性。

有限元分析作為現代機械產品設計的有效手段，通過有限元分析可以縮短產品設計周期及風險，提高一次設計成功率。目前有限元分析在硫化機關鍵部件的強度疲勞分析方面得到了較為廣泛的應用。

唐谷楓[1]利用理論計算、有限元分析的方法對大噸位多層平板硫化機的結構進行了優(yōu)化設計，將工作板從實心平板結構優(yōu)化為框架結構有效的增加剛度并減輕了結構重量。劉志剛等[2]則利用Hypermesh和Ansys對多接觸面輪胎定型硫化機進行了模態(tài)分析、應力和應變分析，同時改進了硫化機的結構，達到了消除應力集中、提高硫化機抗振性和工作穩(wěn)定性的目的。胡海明等[3]應用Abaqus軟件對硫化工況下的輪胎模具底座進行了熱力耦合和力學性能分析，應用Fe-Safe軟件對不同厚度和滑板結構的底座進行疲勞損傷和使用壽命計算，研究發(fā)現可以通過增大底座和U形螺旋槽厚度的方法延長硫化機使用壽命。張正羅等[4]應用Ansys軟件對機械式輪胎硫化機進行有限元計算分析，研究了硫化機實際工作狀態(tài)下各部件變形和應力分布，為硫化機有限元仿真提供了一種可行的思路。

目前，在硫化機產品的結構設計方面，有限元分析獲得眾多學者的認可。本文以液壓式硫化機研究對象，從產品設計的可靠性為切入點，通過結構強度及疲勞仿真技術分析承力部件變形、應力及疲勞強度是否滿足安全標準，驗證液壓式硫化機設計的合理性。

1 有限元模型

1.1 幾何模型

仿真計算的液壓硫化機結構如圖1所示。液壓硫化機主要承力部件包括上梁、下梁、導向軸、滑塊、導軌、中鎖止環(huán)、下鎖止環(huán)等。

圖1 幾何模型

幾何模型中上梁、下梁材料為Q235A；上熱板、下熱板材料為Q345B；導向軸、滑塊、中鎖止環(huán)、下鎖止環(huán)材料為45鋼； 導軌、導軌安裝板材料為QT500-7。

1.2 硫化機各部件材料選用

計算中所用材料屬性如表2所示。

表2 材料屬性

1.3 接觸設置

導向軸與上梁、下梁、滑塊、中鎖止環(huán)及下鎖止環(huán)之間設置摩擦接觸?；瑝K與導軌和導軌安裝板之間設置摩擦接觸。其余部件之間設置綁定接觸。模型各部件之間接觸設置如圖2所示，對于摩擦接觸取摩擦系數為0.1。

圖2 接觸設置

1.4 網格劃分

取1/4模型利用對稱性進行計算。使用實體單元和殼體單元劃分網格，實體單元類型為C3D8I和C3D10M，殼體單元類型為S8R, 網格數量為617403，有限元網格模型如圖3所示。

圖3 網格模型

1.5 邊界條件

根據結構的實際使用情況，完全固定下梁的下端連接法蘭面。在相應對稱面施加對稱約束。在上、下熱板與油缸接觸位置施加鎖模力F1及反作用力F2，計算中使用的鎖模力大小為1 870 kN。模具重量3 500 kG， 考慮結構自重，重量系數為g=9 806.6 mm/s2。

模型邊界條件如圖4所示。

圖4 邊界條件

2 結果分析

2.1 結構強度分析結果

圖5為液壓式硫化機承力部件在1 870 kN鎖模力作用下的結構變形結果。最大變形為0.5 332 mm在精度控制允許范圍內，最大變形發(fā)生在下梁位置。

圖5 整體變形情況

導向軸應力云圖如圖6所示，最大應力為267.4 MPa，導 向 軸 材 料 為45鋼，其 屈 服 強 度σs=355 MPa，其許用應力[σ]=355/1.5=236.67 MPa。由圖6 可知，導向軸下部應力集中處的Mises應力大于材料的屈服強度會產生局部塑性變形，導向軸不滿足靜強度要求。

圖6 導向軸應力結果

導向軸底部只有一個面與下鎖止環(huán)接觸（見圖2）導致此處應力偏大。改進導向軸及下鎖止環(huán)結構，使導向軸底部兩個面與下鎖止環(huán)接觸，如圖7所示。

圖7 改進后導向軸與下鎖止環(huán)的接觸情況

其他條件不變，重新計算得到的導向軸應力結果如圖8所示。除局部應力集中區(qū)域外，導向軸上的應力小于材料許用應力，此時，導向軸滿足靜強度要求。

圖8 改進后導向軸應力結果

圖9所示的導向軸截面直徑φ=140 mm，則通過理論計算可得到在1 870 kN鎖模力作用下導向軸此截面處的名義應力由圖9的應力結果可知，導向軸頂部直徑140 mm截面處的應力大小為48.2～79 MPa。

圖9 導向軸截面應力

2.2 疲勞分析結果

疲勞壽命是結構失效或者機械破壞時所對應的循環(huán)載荷的次數或時間，疲勞破壞是工程機構和機械失效的主要原因之一，如硫化機承力部件出現疲勞破壞會導致模具精度下降，進而影響輪胎質量。

首先提取應力-應變計算結果文件，輸入抗拉強度σb以及彈性模量E，得到S-N曲線，并對載荷進行平均應力修正，計算硫化機承力部件的疲勞壽命。

仿真計算得到各部件的疲勞安全系數云圖（圖10）及表2。從圖10和表2中可以看出各承力部件的疲勞安全系數的最小值均大于1.2滿足疲勞要求。

圖10 各部件疲勞安全系數

表2 各承力部件疲勞安全系數最小值

3 結論

根據液壓式硫化機實際工況對硫化機進行有限元和疲勞分析，結果表明工作狀態(tài)下各部件的變形均符合許用標準，各部件應力都低于屈服強度，結構設計和材料選擇都符合安全規(guī)范，各部件疲勞安全系數最小值均滿足設計。本文論述了硫化機有限元分析的步驟，為了硫化機仿真分析提供了一種思路，并通過仿真的手段優(yōu)化了硫化機的承力結構。