（机械设计及理论专业论文）全电动轮胎定型硫化机的设计研究.pdf

青岛科技大学研究叠学位论文。, 吣y 帆2 删0 洲4 0 1 16 全电动轮胎定型硫化机的设计研究 摘要 轮胎定型硫化是轮胎生产过程中的最后一道工序，轮胎硫化设备的好 坏直接影响到轮胎的质量。同时，随着轮胎技术的进步，发展高性能等级 的子午线轮胎，以及考虑到生产中节能降耗和保护环境的迫切要求，对硫 化机的技术提出了越来越高的要求。 本文系统阐述了轮胎硫化设备及其关键技术的技术进步和发展动向。 着重分析当前普遍使用的机械式轮胎定型硫化机的特点，指出了其存在的 不足和缺陷，本文对比分析了曲柄连杆形式的轮胎定型硫化机、液压式轮 胎定型硫化机及本文所设计的全电动轮胎定型硫化机的优缺点，表明全电 动轮胎定型硫化机具有明显的优点。 在全电动轮胎定型硫化机的设计研究课题中，做了大量相关的工 作和获得以下成果： 1 本课题首次设计了全电动轮胎定型硫化机。本设计吸取了曲柄连 杆式轮胎定型硫化机工作可靠和液压式轮胎定型硫化机精度高的特点，由 此克服了曲柄连杆式轮胎定型硫化机的钢材耗费量大、工作精度低和液压 式轮胎定型硫化机工作欠可靠、易泄漏、污染工作环境的缺点，进而设计 了具有综合优点的全电动轮胎定型硫化机。本次设计的全电动轮胎定型硫 化机具有结构简单、工作可靠、实现数字化操作和文明生产等优点。同时， 该设备在制造过程中可以节省4 5 的钢材，节省加工与安装过程4 0 的劳 动量，以及降低2 5 的成本。 2 本课题全新设计了轮胎定型硫化机的锁模装置，这种锁模装置首 次采用了滚珠丝杠螺旋副，其运动轨迹是垂直往复直线运动形式的。这种 锁模装置与先进的传感器技术结合，实现了轮胎定型硫化机的数字化操 作，突破了传统的机械式主令开关触点控制和液压式溢流控制的方法，使 得锁模装置具有运行稳定可靠、对中精度高、往复性能好和开合模速度快 等优点，是轮胎定型硫化机设计的一次创新。 3 本课题首次设计了全电动的中心机构，这种机构运用了现代工业 高精度的滚珠丝杠有机地结合电磁离合器性能的特点，成功地设计了全电 动中心机构，克服了传统液压式中心机构的设备庞大、泄漏等难题，为今 后轮胎定型硫化机中心机构更新换代奠定了基础。 全电动轮胎定型硫化机的设计与研究 4 本课题设计时运用了有限元法分析软件。对本设计关键部件进行 了有限元法分析，并对有限元法计算的结果进行比较，进而对设计的关键 件进行优化，使本设计的结构更加合理和可靠。 5 本课题设计时进行了参数化三维造型设计和动念过程模拟。利用 整机的运动仿真，以便发现和修改设计中存在的设计不合理、运动干涉等 现象，以便检验和优化设计，提高设计水平。 6 本课题通过系统分析轮胎定型硫化设备的发展和特点，根据轮胎 硫化的工艺要求，进行理论推导，建立了定型硫化系统的数学模型，并通 过常规计算确定相关尺寸和构型，利用i n v e n t o r 软件、a n s y s 软件和3 d s m a x 软件对产品进行优化设计、可靠性设计和运动仿真模拟设计，完成了 全电动轮胎定型硫化机的整个设计过程，为今后轮胎定型硫化机的设计提 供了重要依据和参考价值。 关键词：全电动轮胎定型硫化机设计研究螺旋升降机构中心机构 青岛科技大学研究生学位论文 t h ed e s i g na n dr e s e a r c ho fa l l e l e c t r i c t i r em o l d i n gc i 瓜i n gp r e ss a bs t r a c t t h et i r es h a p i n gc u r i n gp r e s si st h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n ti nt h et i r e p r o c e s s i n g t h eq u a l i t yo ft h et i r ed e p e n d so nt h eq u a l i t yo ft h ee q u i p m e n td i r e c t l y t h et i r ec u r i n ge q u i p m e n th a sb e e ni m p r o v e do ng r e a t l yd u r i n gt h ey e a r sa n dw h i c h i sw i l d l yu s e dt o d a y , i n c l u d i n gm e c h a n i s mc u r i n gp r e s sa n dh y d r a u l i cc u r i n g p r e s s t h et h e s i sp r o c e s s e ss o m ei n n o v a t i o ni nt h ed e s i g n i n go ft h ea l le l e c t r i ct i r e s h a p i n gc u r i n gp r e s sa tt h eg u i d a n c eo fi n n o v a t i o nm e t h o d t h ei n n o v a t i o np r o c e s s i np r e s sf r a m e w o r ka n dc a p s u l eo p e r a t i n gf r a m e w o r k ，t h en e wd e s i g n i n gm a k et h e s t r u c t u r eo ft h et i r es h a p i n gc u r i n gp r e s sm u c hm o r ep r e d i g e s t ，a n da l s ot h es t a b i l i t y a n dp r e c i s i o no ft h ee q u i p m e n tg e ti m p r o v e d i nt h i si s s u e ，w eh a v e d o n er e l a t e dw o r ka n dg o tt h ef o l l o w i n gr e s u l t s ： f i r s t ，t h et h e s i sh a si n n o v a t e dt h en e wc o n c e p t i o nt i r es h a p i n gc u r i n gp r e s sf o r t h ef i r s t t h ec u r i n gp r e s sa s s i m i l a t e st h ea d v a n t a g eo fo t h e rc u r i n ge q u i p m e n t s , a n d h a se x c e l l e n ts y n t h e s i sm a c h i n ep e r f o r m a n c e s e c o n d ，t h et h e s i sh a si n n o v a t e dt h ep r e s sf r a m e w o r ko ft h ea l l - e l e c t r i ct i r e s h a p i n gc u r i n gp r e s sf o rt h ef i r s t t h em o v e m e n tl o c u so ft h ep r e s sf r a m e w o r ki s p e r p e n d i c u l a r i t y t h i sp r e s sf r a m e w o r ku s e st h eb a l ls c r e ws p i r a lv i c e ，a n da l s oi t i n t e g r a t e st h et e c h n o l o g yo fs e n s o r a n dt h i sf r a m e w o r kh a st h ea d v a n t a g es u c ha s s t a b i l i t y , p r e c i s i o na n d s oo n 。i ti so n eo ft h ei n n o v a t i o n si nt h ed e s i g n i n g t h i r d ，t h et h e s i s h a si n n o v a t e dt h e c a p s u l eo p e r a t i n gf r a m e w o r ko f t h e a l l e l e c t r i ct i r es h a p i n gc u r i n gp r e s sf o rt h ef i r s tt i m e a n dt h ec a p s u l eo p e r a t i n g f r a m e w o r ku s e dt h eb a l ls c r e ws p i r a lv i c e ，w h i c hh a sc o m b i n e dw i t ht h et e c h n o l o g y o ft h ee l e c t r o m a g n e t i cc l u t c h f o u r t h ，t h ea l l - e l e c t r i ct i r es h a p i n gc u r i n gp r e s sh a st h ea d v a n t a g eo fs a v i n ga l o to fs t e e l ，o w n i n gl o w e rc o s t ，h a v i n gt h es h o r tc y c l eo fd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g a n de a s ym a i n t e n a n c e f i f t h ，t h et h e s i sp u t sf o r w a r ds e v e r a lm e t h o do fc a l c u l a t i n gt h ep o w e rf i r s t l y i i i 仝电动轮胎定耙硫化机的设汁与研究 s i x t h ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o l , w a r ei su s e di nt h ed e s i g n w ec a r r i e do u t f i n i t ed e m e n ta n a l y s i sf o ri m p o r t a n tc o m p o n e n t s t h es t r u c t u r eo ft h ea n a l y s i so f d i f f e r e n to p t i o n sh a db e e na n a l y z e d t h ed e f o r m a t i o ni sc a l c u l a t e dw i t hf i n i t e e l e m e n tm e t h o dw e r ec o m p a r e d a n dt h e nw em a d ee v a l u a t i o no fv a r i o u so p t i o n sf o r o p t i m i z a t i o n i tm a k e s t h es t r u c t u r em o r er e a s o n a b l ea n dr e l i a b l e s e v e n t h ，p a r a m e t e r i z e dt h r e e d i m e n s i o n a ls h a p ed e s i g na n dd y n a m i cp r o c e s s s i m u l a t i o ni su s e di nt h i sd e s i g n u s i n gm o t i o ns i m u l a t i o no ft h em a c h i n e ，w e d i s c o v e r e da n ds o l v e dt h ee x i s t e n c eo fi r r a t i o n a ld e s i g na n di n t e r f e r e n c ep h e n o m e n a ， w h i c hi sg o o df o ra c h i e v i n gt h eo p t i m a ld e s i g na n di m p r o v i n gt h ed e s i g nl e v e l k e yw o r d s ：a 1 1 e l e c t r i c ；t h et i r eo fs h a p i n gc u r i n gp r e s s ；d e s i g n ；s c r e wl i f t i n g f r a m e w o r k ；c a p s u l eo p e r a t i n gf r a m e w o r k 全电动轮胎定型硫化机的设计与研究 符号说明 d 一胎模内空腔的最大外径，m m ： d 室一蒸汽室的内径，m m ； p 内一填充在胶囊内的工作介质的最大单位压力，m p ； p 外一蒸汽的最大单位压力，m p ： d 定一定型蒸汽作用的直径，m m ； d 一轮胎子口直径，m m ； 嚷汽一蒸汽压力，m p ； b 一轮胎断面宽度，m m ； a 制一制品和流道系统在注射模分型面上最大有效投影面积总和， c m 2 ； p 平均一胶料在模腔内的平均压力，m p ； j 一丝杠的螺纹导程，m m ： z 一丝杠螺纹头数； p 一丝杠螺纹螺距，i l l m ； q 一轴向载荷，n ； 尸一施加在螺纹中经上的圆周力，n ； 口一螺纹的螺旋升角； 九一当量摩擦角； 厂一丝杠与螺母的摩擦系数； k 二安全系数； k f 一载荷系数； v i i i 青岛科技大学研究生学f t 论义 k h 硬度系数； k 。精度系数： k o 一基本额定静载荷特性值； ，m 平均工作载荷，n ； 以一一丝杠的最高转速，r m i n ； 甩椭一丝杠的最低转速，r m i r a | i 一丝杠的使用寿命，h ； 一接触角( 滚动体合力作用线和螺旋轴线垂直平面间的夹角) ； d 。钢球直径，m m ； z l 一每圈螺纹内滚动体的数量； f 一螺母的总工作圈数； 丁l 一螺纹力矩，n m ； 丁2 、丁3 一轴承摩擦力矩，n m ； d 朋一丝杠公称直径，m m ； d l 一丝杠底径，1 1 1 如； n 一电机的输出功率，k w ； m 一转矩，n m ； 一电机轴的传递功率，k w ； 以一电机的最高转速，r m i n ； 减速箱输出轴的转速，r m i r a ，一电机主轴半径，i l u l l ； f 一总传动比； 矽一传动效率； i x 全电动轮胎定型硫化机的设计与研究 吒一电机的过载系数； 厂一丝杠与螺母的摩擦系数； m 喇一工作时的最大转矩，n 聊； 2 一丝杠升降需要的功率，k w ； ，一推动项出装置上升的推力，n ： d 一顶出装置的上升速度，m s ； 仇一丝杠传递效率； m 。一电机输出轴的阻转矩，n m ； 卜一横截面的惯性矩； i 一截面的惯性半径； 仃。一最大弯曲应力，m p ； 彬一抗弯截面模量； y 一弯曲挠度； 片一剪切挠度； 。一最大挠度； g 一材料剪切弹性模量； e 一材料弹性模量； j 一惯性矩： 一形式系数，口s ：_ a a 一粱的截面积，朋2 ； 一粱的侧板截面积，垅2 。 x 青岛科技大学研究生学化论文 1 绪论 1 1 课题研究目的与设计研究的意义 1 1 1 课题的来源及迫切性 轮胎工业近年来在国民经济中起着越来越重大的作用，并且与人民的 生产生活息息相关，因此，近些年来我国十分重视轮胎工业的发展，尤其 充气轮胎和子午线轮胎发展十分迅速，我国的轮胎产量也已经超过了4 亿 条。轮胎定型硫化机是轮胎生产过程的重要设备，轮胎硫化质量的好坏直 接受到轮胎定型硫化机性能的影响。轮胎硫化设备的发展经过了相当长的 时问，它经过了硫化罐、个体硫化机及定型硫化机的发展过程，目前轮胎 定型硫化机已经达到了相当高的机械自动化水平和电气自动化水平。目前 轮胎硫化设备普遍采用双模定型硫化机，定型硫化机主要有机械式和液压 式两种，硫化罐的设备比较简单，但是耗费大量的人力与能源，其主要用 于大型工程轮胎的硫化上。 传统的轮胎定型硫化机大多数为机械式轮胎定型硫化机和液压式轮 胎定型硫化机。机械式轮胎定型硫化机的锁模装置大都采用曲柄连杆形式 的结构，升降机构也称为压力机构采用四连杆形式的机构。这种机构主要 是由电机通过减速箱带动曲柄轮回转，曲柄轮带动连杆使与连杆相联接的 上横梁沿着侧板的导轨定向运动，曲柄连杆式升降机构主要分为：垂直 升降型升降机构；升降一平移型升降机构；升降一翻转型升降机构， 曲柄连杆式的升降机构广泛用于a 型、b 型及a b 型轮胎定型硫化机上【1 l 。 上加热板和上模安装在上横梁上，三者完成相同的动作。机械式轮胎定型 硫化机经过几十年的研究改进技术比较成熟具有很多优点，但是机械结构 过于复杂，当整个机台承受较大的锁模压力时上横梁等受力装置变形很 大，当锁模力加载到硫化模具时圆周方向受力不均匀，而且当高温硫化时 受力机构由于温度变化导致变形很大，直接影响到合模精度，已经难以满 足高质量子午线轮胎的硫化。液压式轮胎定型硫化机的升降机构主要采用 单缸式液压升降机构，由油缸、活塞杆、横梁和导架组成。这种机构主要 是由液压系统提供动力，带动活塞杆、横梁和装有滑轮的蒸汽室沿着导架 的轨道上下运动，完成开合模的运动。液压式升降机构运行平稳，但是液 压设备相对过于庞大，而且泄漏问题严重，生产维护保养困难。曲柄连杆 式和液压式轮胎定型硫化机已不能完全适应高等级子午线轮胎的硫化，针 仝电动轮胎定型硫化机的设计与研究 对以上两种形式硫化机的缺点和问题，现阶段急需开发一种对中精度高， 运行平稳，重复精度高，结构简单，成本低廉，维修方便，适合于硫化高 精度子午线轮胎的新型轮胎定型硫化机，这己成为各国研究的焦点。 目前轮胎定型硫化机的发展趋势主要向两个方面发展。一是简化运动 副的机械式轮胎定型硫化机，二是继续开发液压硫化机。简化运动副的机 械式轮胎定型硫化机，在国内虽有研究，但都没有实质性的突破，始终存 在着机械结构、受力情况复杂的问题。二十世纪七、八十年代工业化国家 推出了液压定型硫化机，以德国k r u p p 公司和h e r b e r t 公司的液压传动型硫 化机为代表。这种硫化机采用了具有良好对中定位的柱塞一油缸结构，运 动相当平稳操作也相当方便，对中精度和往复重复精度高，非常适合高等 级子午线轮胎的硫化。但这种液压硫化机成本高，而且国内生产的配件很 难达标，并且液压设备相当庞大，配有复杂的管路系统，并且液压泄漏问 题、液压设备维护保养问题始终是困扰广大技术人员的难题。 轮胎定型硫化机的另一个重要机构就是中心机构，主要作用是硫化前 把胶囊装入胎胚、定型，硫化后将胶囊从轮胎中拔出，在脱模机构的配合 下，使轮胎脱离下模并与胎圈剥离，最后再从外胎中把胶囊退出【l 】。目前 国内外使用的轮胎定型硫化机中心机构主要是液压式( 水压式) 中心机构。 它由胶囊操纵机构和脱模操纵机构所组成。胶囊操纵机构是一活塞式水 缸，它可以通过水压产生上升或下降运动，从而带动联接胶囊的上环做上 升或下降运动，实现胶囊的伸直和收缩运动；为了控制不同规格轮胎的定 型高度，在水缸中设置了定型套，定型套的长短控制着活塞行程的位置， 进而控制轮胎的定型高度。脱模操纵机构亦是一活塞式水缸，它可以通过 压力水的流向产生上升或下降运动，驱动联接胶囊下环做上升或下降运 动，由于胶囊下环处在轮胎下子口下方，当下环上升时则掀动轮胎下子口， 进而掀动轮胎脱离下模实现轮胎脱模操作。该中心机构存在以下的缺陷： ( 1 ) 采用压力水作为动力介质，不但需要一套压力水设备，而且容 易造成中心机构的液体泄漏问题，导致维护保养困难，增加运行成本和工 作环境的污染，同时使得热水管路系统复杂化。 ( 2 ) 采用压力水为动力介质，浪费了大量的水资源。 ( 3 ) 不同规格的轮胎硫化时需要采用不同的定型高度，更换定型套 不但困难而且耗费时间。 ( 4 ) 升降的行程依靠活塞杆的行程定位，一是调节行程困难，二是 定位不准确。 ( 5 ) 中心机构容易产生锈蚀，影响使用寿命。 2 青岛科技大学研究生学化论义 ( 6 ) 中心机构的压力水在密封圈易损件失效后，压力水容易混入胶 囊的高温介质中，影响轮胎的硫化质量。 为了提高轮胎硫化的质量，需要生产轮胎的成型硫化设备高效率、高 质量、低能耗、低成本。本设计把电动螺旋锁模技术和全电动中心机构用 于轮胎定型硫化机上，成功克服了传统的机械式轮胎定型硫化机和液压式 轮胎定型硫化机等机台的不足，设计了一套全新的全电动轮胎定型硫化 机。 1 1 2 课题设计研究的意义 全电动轮胎定型硫化机采用电动螺旋锁模技术和全电动中心机构技 术，实现了高质量、低成本的轮胎硫化过程。本课题设计的全电动轮胎定 型硫化机与传统的机械式轮胎定型硫化机和液压式轮胎定型硫化机相比， 具有以下优点： ( 1 ) 全电动轮胎定型硫化机结构简单，因此制造时节省大量钢材， 容易制造； ( 2 ) 采用先进的智能控制系统，实现数字操作，可以方便设定； ( 3 ) 提高了工作的可靠性。全电动轮胎定型硫化机由于运动副少， 避免了类似于曲柄连杆较多的运动副，因而减少了链接部分出问题的机 率；全电动轮胎定型硫化机在对中性方面要比曲柄连杆式和液压式均要 好，曲柄连杆式的结构复杂，积累误差会导致他的对中性变差，而液压式 i 经常使用的是多个油缸增力补偿技术，很难使多个油缸同步，故而精度很 难达到。所以使用全电动轮胎定型硫化机会使得每批生产出的轮胎质量更 加稳定，设备也更加可靠； ( 4 ) 由于省去了压力水设备和大规模的液压管路系统，全电动轮胎 定型硫化机结构更加紧凑，不用更换定位套使得操作更方便； ( 5 ) 绕过了液压系统泄漏问题，使得全电动轮胎定型硫化机维护保 养更加便捷，降低了运行成本； ( 6 ) 实现数字操作后，可以精确定位各动作精度，大大提高轮胎硫 化质量； ( 7 ) 实现文明生产。全电动轮胎定型硫化机结构上没有泄漏点， 生产场地卫生条件良好；全电动结构采用的是热油循环加热系统，较蒸 汽循环加热噪音小很多，且能避免液压传动在加压时所产生的噪音，使生 产场地免受噪音污染。因此，实现了文明生产。 3 仝电动轮胎定型硫化机的设汁与研究 1 1 3 课题应用前景 全电动轮胎定型硫化机设备在生产过程中明显具有优质、高效、高度 自动化的特点，由它硫化生产出的轮胎质量好、生产效率高、投资成本低、 安全性能高、操作简便。本次设计在工作原理上有重大的突破，采用了电 动螺旋锁模装置和全电动中心机构装置，轮胎定型硫化机取得了巨大的创 新，通过相关的实验和研究以及工业化试生产，证明全电动轮胎定型硫化 机的工作原理是可行的，可以在生产实践中加以推广生产。 全电动轮胎定型硫化机的设计与研究具有极强现实意义，为轮胎工业 的发展提供了一个崭新的契机，而且为轮胎硫化技术设备的发展提供了一 个广阔的发展i j 景，它的优质、高效、低能耗、低成本、便于操作等优点 会被越来越多的厂商所认同，相信必将会广泛应用于轮胎成型行业的实际 生产当中，创造出更多的经济效益。 1 2 轮胎硫化设备的发展 1 8 4 5 年r w t h o m p s o n 发明了空气轮胎，l8 8 8 年英国人j b d u n l o p 发 明了充气轮胎，并获得了专利权，1 8 9 5 年出现汽车，开始了充气轮胎新的 应用，随之，1 9 0 0 年开始使用硫化罐硫化轮胎，那时的轮胎胎面没有花纹 块，1 9 2 0 年开始采用硫化模型并出现了自动硫化模型；同一时候开始采用 水胎定型硫化；1 9 2 5 一1 9 3 0 年出现了个体硫化机；1 9 3 5 年个体硫化机得到 了较大改进；1 9 4 5 1 9 5 0 年已用定型硫化机硫化轮胎；6 0 年代出现了成型、 硫化流水生产线，外胎在模外充气冷却，硫化机已有一定的机械自动化水 平；由于尼龙材料在轮胎中的应用，后充气冷却装置开始在硫化机上应用； 1 9 6 5 年出现了轮胎硫化自动生产线，达到了相当高的机械化、自动化水平 【1 2 】。 轮胎硫化过程在轮胎定型硫化机出现之后得以大幅度的简化，装胎、 定型、硫化、卸胎及后充气冷却工艺过程可以在一台机器上完成，大大提 升了轮胎硫化过程中的机械化和自动化水平。现代轮胎定型硫化机一般对 内温、内压、蒸汽室温度均能测量、记录和控制，配有自动控制系统、模 型清洁和涂隔离剂等装置。生产中配以自动化运输和电子计算机控制，可 使轮胎硫化作业完全实现自动化。由于轮胎定型硫化机生产效率高，产品 质量好，劳动强度低，因此，在现代轮胎生产工业中获得了广泛的应用。 目前轮胎定型硫化机的类型按传动方式分主要有机械式和液压式，中 心机构的类型主要有a 型、b 型、c 型和r i b 型。 4 青岛科技大学研究生学化论义 1 2 1 硫化罐 硫化罐是最老的一种硫化设备，硫化罐主要用于空心轮胎的外胎硫 化，它是外胎硫化使用较早的设备，随着轮胎技术的发展，此种设备己逐 渐被轮胎定型硫化机所取代，但工程轮胎的硫化还多采用水压硫化罐，近 年来，出现了工程胎多模胶囊硫化罐【3 4 】。 水压硫化罐主要由硫化罐和水压机两大部分组成，其结构如图1 一l 所示。硫化罐部分为一立式压力容器，罐体固定，用错齿器控制罐盖的活 动。胎体内部采用过热水加热，胎体外部采用蒸汽加热。硫化罐的优点主 要有：设备结构简单、占地面积小、产量大等。 但是使用硫化罐生产也有很大的缺陷：轮胎硫化不均匀。硫化罐硫 化时一次要装入十几个胎胚同时进行硫化，导致不同位置的轮胎和同一条 轮胎的不同部位硫化质量差异很大，靠近罐体边缘受热较多的轮胎可能产 生过硫化现象，中间的一些胎胚可能欠硫化，直接导致产品废品率的上升； 生产效率低。轮胎硫化前要在罐外定型、装水胎、抓胎装胎、合模、吊 模进罐、硫化、冷却、吊模出罐、揭模、取胎、充气排水及拔水胎等工序， 工序多、用人多，使硫化罐的生产效率降低；工人劳动强度大，工作环 境差；能源耗费量大，硫化罐采用冷模硫化，要耗掉大量能源，资料介 绍【5 6 】，一台1 1 7 0 硫化机比硫化罐可节约能源3 0 ，8 0 年代初我国便提 出了“以机代罐”的方针，除了大规格的工程机械轮胎仍采用硫化罐硫化 外，一般轮胎的硫化以自动定型硫化机取代硫化罐，以机代罐节能率达1 5 - - 3 0 ；模具磨损快。 1 2 2 个体硫化机 个体硫化机( 如图1 2 所示) 是带有电驱动装置的液压式或机械式 压力硫化机，在这种硫化机中，外胎在固定不动的硫化模型内硫化【z 】。 由于硫化罐本身的使用缺陷，人们发明了个体硫化机，相对硫化罐个 体硫化机在锁模、硫化、开模等工序实现了一定的自动化，简化了工序； 节省了大量的人力资源，改善了工人的工作环境；同时改善了硫化罐硫化 轮胎质量不均匀的现象，提高了硫化质量；降低了由于过硫化或者欠硫化 造成的轮胎报废率；节省大量的能源。 个体硫化机有单模和双模两种。在单模硫化机内硫化大型外胎，使用 个体硫化机进行硫化的工艺过程与使用硫化罐相似。 仝电动轮胎定型硫化机的设计与研究 个体硫化机按其加热方式有：蒸汽室式的( 带有蒸汽室) 、带有蒸汽 夹套硫化模型式的、热板式的。 f i g 1 - 1h y d r a u l i cp r e s s u r ec u r i n gp o t 图1 1 水压硫化罐 l 今 f i g 1 2i n d i v i d u a lc u r i n gp r e s s 图1 2 个体硫化机 6 青岛科技大学研究生学化论义 1 2 3 轮胎定型硫化机 2 0 世纪四十年代末，人们开始使用定型硫化机硫化轮胎，在定型硫化 机内采用胶囊以代替通常使用的水胎，使用胶囊可以大大节约胶料，加快 轮胎内层和子口的加热时间，缩短硫化时间2 0 - 2 5 【7 】。定型硫化机大大 简化了轮胎定型硫化的工序，装胎、定型、硫化、卸胎及后充气冷却等一 系列工序可以在同一台轮胎定型硫化机上完成，并且与硫化罐和个体硫化 机相比轮胎定型硫化机的机械化、自动化程度有了一个质的飞跃。轮胎定 型硫化机可以对模腔内的温度、压力、硫化介质温度进行控制测量，并且 拥有自动控制系统、模型清洁和涂隔离剂等装置。生产中配以自动化运输 和电子计算机控制，可使轮胎硫化作业完全实现自动化。由于轮胎定型硫 化机生产效率高，产品质量好，劳动强度低，因此，在现代轮胎生产工业 中获得了广泛的应用。 目前轮胎定型硫化机的类型按传动方式分主要有机械式和液压式；按 中心机构的类型分主要有a 型、b 型、c 型和r i b 型轮胎定型硫化机：按 加热方式分主要有罐式定型硫化机、夹套式定型硫化机和板式定型硫化 机；按模型的数量分有单模定型硫化机和双模定型硫化机【1 】，机械式轮胎 定型硫化机的典型结构如图l 一3 所示。 1 2 4 多工位定型硫化机组 轮胎定型硫化机以其优异的特性获得了广大用户的青睐，但在生产实 践过程中也表现出一定的缺陷：制造时耗费大量钢材；有些机构在设计使 用过程中不合理。在上世纪6 0 年代初苏联的技术工作人员研制开发了多 工位硫化机组，其结构如图l 一4 所示，改善了轮胎定型硫化机的不足。 一个机组可装2 0 多个硫化模型，每个模型各带一套中心机构和合模机构， 以及相应的后充气装置，但只有一套公用的可移动的装胎小车，依次对各 模型进行装胎、定型、开合模及卸胎，据介绍一台硫化机组最多可取代1 4 台b 型双模轮胎定型硫化机，克服了单台硫化机在外胎一个硫化周期中部 分零部件利用率低的缺点，而且占地面积、设备投资、材料消耗等均大大 减少，经济效益突出，很适用于品种少、大批量生产的轮胎厂【l 2 7 】。多 工位硫化机组还可以节省一半的人力，由于有了公用的装胎装置和安装轮 胎模具的底座，整个设备减少了一半以上的占地面积，减少了钢材的使用 量，提高了生产效率，节省了大量蒸气和热水资源。 7 全电动轮胎定型硫化机的设汁与研究 af r o n te l e v a t i o n a 主视图 bs i d ee l e v a t i o n b 左视图 f i g 1 3c u r i n gp r e s sf o rf i n a l i z i n gt h et y r ed e s i g no f m e c h a n i c a ls t y l e 图1 3 机械式轮胎定型硫化机 8 青岛科技大学研究生学化论文 f i g 1 - 4c u r i n gp r e s sg r o u pf o rf i n a l i z i n gt h et y r ed e s i g n 图1 4 轮胎定型硫化机组 1 3 轮胎定型硫化机技术与设备的发展 1 3 1 机械式轮胎定型硫化机 1 结构特点 由于早期液压技术不是特别成熟，人们在设计制造轮胎定型硫化机的 初期首先考虑的是机械式的轮胎定型硫化机。机械式轮胎定型硫化机，按 中心机构的类型分主要有a 型、b 型、c 型和r i b 型轮胎定型硫化机；按 加热方式分主要有罐式定型硫化机、夹套式定型硫化机和板式定型硫化 机；按模型的数量分有单模定型硫化机和双模定型硫化机【l 】。轮胎定型硫 化机的组成部分基本类似，有锁模装置、加热硫化装置、胶囊操纵机构、 电机传动系统、后充气装置、热工管路、润滑系统及控制装置等。 机械式轮胎定型硫化机的锁模装置大都采用曲柄连杆形式的结构，升 降机构也称为压力机构采用四连杆形式的机构。这种机构主要是由电机通 过减速箱带动曲柄轮回转，曲柄轮带动连杆使与连杆相联接的上横梁沿着 侧板的导轨定向运动，上加热板和上模安装在上横梁上，三者完成相同的 动作。机械式的锁模装置机构原理较为简单，合模力较大，驱动功率较小， 合模力可以持续到开模过程，但是合模瞬间对模具的冲击力也较大，容易 造成模具的损坏。机械式轮胎定性硫化机经过几十年的发展，机械结构、 电气控制都有很大的改进，但是其基本结构都一样。 2 国内机械式轮胎定型硫化机的发展概况 我国从上世纪5 0 年代末期开始研制生产轮胎定型硫化机，生产制造 初期都是在原有曲柄连杆式轮胎个体硫化机的基础上改造而成。当时个体 硫化机的曲柄连杆机构对轮胎的硫化过程及相关的许多操作，如：装胎、 9 全电动轮胎定型硫化机的设汁与研究 装水胎( 胶囊) 、定型、加压锁模、硫化、开模、拔水胎、脱模等复杂过 程，显然是不能实现的，为了实现上述过程的机械化、联动化，产生了在 下模中设置胶囊操纵机构及其附属装置的设想并付诸实施，发明了现在的 曲柄连杆定型硫化机【8 】。曲柄连杆硫化机的研制，大大简化了轮胎硫化工 艺，节省了大量人力、物力，改善了工人的工作环境，同时轮胎硫化质量 也得到大幅度的提高，所以自从研制成功以来这种硫化机在很多国家得到 了迅速的推广。我国在2 0 世纪8 0 年代前也提出了以机代罐的行政要求， 但是执行起来相当困难，一是硫化机结构庞大而复杂，制造困难；二是使 用数量巨大，造价成本昂贵，企业难以负担沉重的初始投资；三是使用操 作、维护、保养比较困难，与此同时，由于子午线轮胎对定型硫化机的轨 迹运动精度要求相当严格，然而曲柄连杆定型硫化机升降机构( 压力机构) 是由四连杆机构组成的，在各分铰接部位都有间隙，在运动中容易出现摆 动，导致其运动精度满足不了子午线轮胎的硫化要求【争j o 。通过实验研究 证明，采用p h 一次法成型机成型的胎胚用曲柄连杆机构定型硫化机硫化， 其成品轮胎均匀性试验基本上达不到要求。 国内曲柄连杆定型硫化机的设计、制造和使用，经过3 0 余年的发展， 尤其是8 0 年代以来的消化、吸收和创新工作，采用技术有意大利皮列罩， 英国邓录普，美国费尔斯通等，使国产的曲柄连杆定型硫化机质量有了很 大的提高，主要表现在其结构性能、控制精度和自动化水平等方面，目前” 国内轮胎定型硫化机己达到比较高的精度，如桂林橡机厂生产的机械式轮 胎定型硫化机，上下模平行度用压铅试验达到了0 0 5 m m 1 1 。国内硫化机 的规格主要有9 1 0 、1 0 3 0 、1 0 5 0 、1 0 9 0 、1 1 4 5 、1 1 7 0 、1 3 1 0 、1 4 0 0 、1 5 2 5 、 1 9 0 0 、2 1 6 0 、2 2 3 5 、2 5 0 0 、2 5 6 5 等【5 】，基本上实现了普通轮胎定型硫化机 的系列化，生产厂家主要有桂林橡胶机械厂、三明化工机械厂、湛江机械 厂、上海轮胎机械厂、益阳橡胶机械厂、天津机械厂等。我国发展最快的 硫化机规格为1 1 7 0 、1 3 1 0 和1 5 2 5 。 3 国外机械式轮胎定型硫化机的发展概况 国际上具有代表性的定型硫化机主要有a 型、b 型、c 型和r i b 型， 以美国n r m 公司为代表的a u t o f o r m 型( 即a 型) ；以美国m c n e i l 为 代表的b a g o m a t i c ( 即b 型) ；美国n r m 公司研制的立柱型硫化机以 及日本三菱重工研制的翻转胶囊型( 即r i b 型) 硫化机，将硫化机的水平 推上一更高台阶【1 2 】。 这几种类型的轮胎硫化机各有优劣，现在各个公司都在取长补短，不 断改造自家产品，以适应高品质轮胎硫化的要求。近几年来美国n r m 公 1 0 青岛科技大学研究生学化论义 司也先后研制出几种新型的硫化机，如：n r mp o s t 型、a u t o l o k 型和 s t dp o s t 型等；日本神户制钢所对b o m 型硫化机进行了多方面的改进； h e r b e r t 公司也在改进其a u b o 型硫化机。 4 机械式轮胎定型硫化机的缺陷 机械式轮胎定型硫化机有着其特定的结构，但这些结构也有着很多难 以克服的缺陷。 首先，这种轮胎定型硫化机是通过受力部件的弹性变形而加载合模力 的，因此在加载合模力的时候，上横梁两边缘向下挠曲，底座两端向上弯 曲，曲柄连杆下端向外偏移，其受力示意图如图1 5 所示。所以新出厂的 硫化机在合模力的作用下也会产生上述的弯曲变形。硫化机的工位曲线也 会随着每次开合模的动作而偏离理论垂直位置发生扭弯变形，轴线会发生 一定角度的角转运动。 l ii 薯 冀 置鹅 喜 喜 墨 咪 簟 鼙 留 l i 疋 k耳畔 l 2 i 基 5 i b瞰 0 i i l 芎一一点隧 c = = 詈= = j 七 、亨 f i g 1 5s k e t c hm a p o fb e 撕n gf o r c eo fc u r i n gp r e s so fm e c h a n i c a ls t y l e 图1 5 机械式硫化机受力示意图 其次，当硫化机的受力部件发生变形后会使合模力沿模具的圆周方向 分布不均匀，导致模具边缘受力大于中间部分的受力，机械式轮胎定型硫 化机模具受力结构示意图如图l 一6 所示。有的硫化机制造厂针对这一问 题采取了一些补救措施，例如在合模前预先内倾( 曲柄齿轮轴向外下倾一 微小角度) 以及在上横梁上采用楔形垫片等，这对某一特定规格的轮胎并 在硫化机没有磨损时起劭一定的补偿作用，但在变换轮胎规格时或硫化机 零件有磨损时，这种补偿作用就会降低，双模硫化机在结构上是左右对称 全电动轮胎定型硫化机的设汁与研究 的，由于制造上的误差，不可能做到绝对对称，同时由于配合公差的存在， 会对硫化机的对称性以及合模精度特别是重复精度产生一定的影响【1 3 】。 f i g 1 - 6s k e t c hm a po fa s y m m e t r yb e a r i n gf o r c ei nt h em o u l d 图1 6 模具不均匀受力示意图 再次，机械式轮胎定型硫化机的整个受力部件对温度变化影响特别敏 感，轮胎在高温硫化时对整个机台的变形会产生严重的影响，会使得合模 力也随之变化，造成合模力不稳定。 最后，机械式轮胎定型硫化机的上横梁做垂直升降向后翻转运动，在 翻转运动和平移运动相互转换的时候，由于横梁自重并且方向突然的改变 会使设备产生振动，并且对模具会产生很大的冲击，影响到其它部件的精 度。对于垂直翻转式硫化机，会造成上下模具不同轴，在安装活络模型的 情况下，会造成活络模型受力不均，使用寿命和精度均会降低。另外，其 墙板轨迹为特殊的曲线，且需表面热处理，增加了加工难度和加工费用， 其对中精度及重复精度低 1 l 】，因此有些轮胎定型硫化机生产厂家，就加大 了垂直升降式轮胎定型硫化机的研制。桂林橡胶机械厂研制的1 3 1 0 r i b 垂 直升降式轮胎定型硫化机，其主要精度如上下热板平行度、同轴度等达到 液压硫化机的水平，成本有所降低。 1 3 2 液压式轮胎定型硫化机 机械式轮胎定型硫化机由于其固有的一些缺陷，使得它在高精度子午 线轮胎硫化应用中受到很大的约束。针对其缺点而开发一种对中精度高， 运行平稳，结构简单，重复精度高，成本低廉，维修方便，适合高质量轮 胎硫化的轮胎定型硫化机成为诸多技术人员研究的重点。 1 2 青岛科技大学研究生学位论文 上个世纪7 0 年代欧美国家研制了液压定型硫化机，其中德国k r u p p 公司和h e r b e r t 公司的液压传动型硫化机最具代表性。这种硫化机采用了 具有良好对中定位的柱塞一油缸结构，运动相当平稳操作也相当方便，对 中精度和往复精度高，非常适合高等级子午线轮胎的硫化，k r u p p 公司4 5 3 0 型液压硫化机的精度：上下模同轴度 o 2 5 m m ，上下热板平行度 o 2 m m ， 装胎器与上下热板同轴度 0 2 m m ；日本三棱公司的p c x 型高精度液压 硫化机的精度：上下热板同轴度 0 2 5 m m ，上下热板平行度 0 1 m m ，装胎 器与上下热板同轴度 时，m 为正值，力矩方向与螺母运动的 方向相反，是一个阻抗的力矩。当口 矽时，m 为负值，力矩方向和假定 的方向相反，也就是与螺母的运动方向相同，所以这时m 是螺母应当加载 的驱动力矩。 2 梯形螺纹副受力分析 梯形螺纹相对于矩形螺纹，螺旋副的运动情况基本相同，但是螺纹接 触面的几何形状有所差别，所以对梯形螺纹进行受力分析时引入了当量摩 擦系数f v 和当量摩擦角九，因此梯形螺纹力矩的计算公式如下： m 腿= q 喀( 口+ 磊) 。 ( 式3 - 1 1 ) 式中：q 一轴向载荷，n ； 口一梯形螺纹的螺旋升角； 如一当量摩擦角，九一口r c t g 磊易； 厂一丝杠与螺母的摩擦系数； 一梯形螺纹牙顶角，f l = 1 5 0 ； 辟p 一丝杠的中经，m i l l 。 3 滚珠丝杠螺旋副的选择计算 本设计中的全电动螺旋锁模装置螺旋副采用的是滚珠丝杠螺旋副，属 于滚动摩擦机构，其相对于滑动摩擦机构具有摩擦阻力矩小、传动效率高 ( 可达到9 2 9 8 ) ，精度高，系统刚度好，运动具有可逆性，使用寿命 长，并且其具有不自锁的特性等优点。 滚珠丝杠的工作原理如图3 1 0 所示，丝杠4 和螺母1 的螺纹滚道间置 有滚珠2 ，当丝杠或螺母转动时，滚珠2 沿螺纹滚道滚动，则丝杠与螺母 之间相对运动时产生滚动摩擦，为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的螺旋 槽两端设有回程引导装置3 ，如图3 1 0 a 所示的反向器和图3 1 0 b 所示的挡 珠器，它们与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循环。 青岛科