（机械设计及理论专业论文）基于轮胎成型机压辊机构分析与最优设计的研究.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 基于轮胎成型机压辊机构分析与最优设计的研究 摘要 随着我国汽车工业迅猛增长，我国的高速公路总里程已经跃居世界第二位。 汽车行业的大力发展以及道路交通的不断改善，促使我国汽车产销量呈现出了爆 发式的增长态势，2 0 1 0 年我国汽车产销量排名世界第一，这极大地带动了我国轮 胎制造业的发展。目前世界橡胶机械行业的中心正在迅速向我国转移，轮胎成型 机作为一种非常典型的专业化设备，在橡胶机械中应用十分广范，它直接关系到 轮胎的成型质量和成型效率，它是轮胎制造过程中的一个非常重要的装配工段。 本课题对成型机的基本构造、工作原理、运动学以及机构的最优设计进行深入研 究，本研究成果对提高轮胎成型机的成型效率和成型质量，以及成型机的整机设 计都具有很好的借鉴作用。 在此背景下，本文提出了基于轮胎成型机机构分析与最优设计的研究，主要 研究内容包括以下几个方面： 对半钢子午线轮胎二次法成型机基本机构、工作原理进行了介绍，分析了影 响子午线轮胎成型质量的主要因素，针对二段后压辊装置的运动特点，指出了传 统设计中的压力油缸机构和实现轮胎外轮廓曲线的压辊六杆机构在成型机成型 质量方面存在的众多不妥之处； 根据目前市场上广泛应用着的轮胎成型机，普遍存在着压辊压制轮胎过程中 轮胎胎面压不实，轮胎胎层有气泡的现象，分析并指出了问题的主要原因是机构 压辊实际滚压的曲线与轮胎理想曲线符合度不够，通常成型机会采取补充措施， 添加了压力油缸摇块机构，在符合度上有了一些弥补，但这种弥补是非常有限的， 更重要的是传统设计的压力油缸机构因伸缩造成在贴合区域内又增加了压力不 均的问题，本文对此问题进行了改进和解决，并对改进后的成型机在轨迹符合度 上进行了深入的优化研究； 主要是在原有机构主体结构不变的基础上，运用最优化技术，建立了相应机 构的最优化寻优数学模型，对压力油缸机构和压辊六杆机构进行最优设计，通过 基丁轮胎成型机压辊机构分析与最优设计的研究 最优化技术的编程与求解，获得成型机构的最优设计结果； 对最优设计结果进行了较为详细的数据计算及对比，并对实现轮胎外轮廓曲 线的压辊机构进行了运动仿真分析，直观、形象的验证了理论研究成果的优良性。 。通过对以上问题的深入研究与探讨，希望能够解决目前工程中轮胎成型机后 压辊机构的胎面压不实和压力油缸的压力不均等方面上的实际问题，并体现出最 优化技术在解决此类工程问题时的重要作用。 关键词：轮胎成型机油缸机构压辊轨迹机构分析数学模型最优设计 n 青岛科技大学研究生学位论文 b a s e do np r e s s i n gr o l l e ri n s t i t u t i o n s a n a i 二y s i s0 ft i r eb u i l d i n g 【a c h i n ea n d o i y r i m l 气ld e s i g nr e s e a r c h a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a u t o m o b i l ei n d u s t r yi no u rc o u n t r yo b t a i n e dr a p i dg r o w t h t h e t o t a lm i l e a g eo fc h i n e s eh i g h w a yh a sl e a p tt ot h es e c o n di nt h ew o r l d a st h ea u t o i n d u s t r yv i g o r o u s l yd e v e l o pa n dr o a dt r a f f i ci m p r o v e m e n t ，c h i n aa u t o m o b i l es a l e s v o l u m ep r e s e n t saf a s tg r o w t ha n dh a sl e a p tt ot h ef i r s ti nt h ew o r l d t h i sg r e a t l y p r o m o t e dt h ed e v e l o p m e n to ft h et i r e sm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t h ec e n t e ro ft h e w o r l dr u b b e rm a c h i n e r yi sa l s ot r a n s f e r r e dt oo u rc o u n t r y t i r ef o r m i n gm a c h i n ea s v e r yt y p i c a ls p e c i a l i z e de q u i p m e n ti su s e dv e r yw i d e i nt h er u b b e rm a c h i n e r y i ti st h e a s s e m b l ym a n u f a c t u r i n gp r o c e s so ft h ee n t i r et i r es e c t i o n s s oi t sd i r e c t l yr e l a t e dt o t h ef o r m i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c y i n d e p t hs t u d yo nt h eb a s i cs t r u c t u r eo fm o l d i n g m a c h i n e ，w o r k i n gp r i n c i p l e ，k i n e m a t i c sa n do p t i m i z a t i o nd e s i g no fm e c h a n i s mt o i m p r o v et h ef o r m i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c yi sv a l u a b l er e f e r e n c et ot h ew h o l ed e s i g n o fm o l d i n gm a c h i n e i nt h i s b a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rp u t s f o r w a r dt h e o p t i m a ld e s i g ns h a p i n g i n s t i t u t i o n so fm o l d i n gm a c h i n eb a s e do i lt h em e c h a n i c a lo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e t h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s tb a s i cs t r u c t u r e ，w o r kp r i n c i p l eo fs e m i s t e e lr a d i a lf i r eb u i l d i n gm a c h i n e w a si n t r o d u c e da n dt h er a d i a lf i r em o l d i n gq u a l i t yo ft h em a i nf a c t o r sw e r ea n a l y z e d t h ea u t h o ra n a l y z e dt h em o v e m e n to ft h eb a c kr o l l e r t h ei n f l u e n c eo fm a c h i n e m o l d i n gq u a l i t yf r o mt h et r a d i t i o n a ld e s i g no fc y l i n d e ri n s t i t u t i o n sa n dp r e s s i n gr o l l e r s i xp o l e ss t r u c t u r ei sp u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h ep h e n o m e n o n t h a tp r e s sr o l lp r e s s e st i r ef a l s ea n dt i r el a y e rh a s b u b b l e si nc u r r e n tm a r k e t ，t h et h e s i sa n a l y s e st h ep r o b l e ma n dp o i n t st h er e a s o n sa r e t h a tt h ec u r v e ds h a p et h a tr o l lo fm e c h a n i s mp r e s s e sa c t u a l l ya c c o r d sw i t ht h ei d e a l c u r v eo ft i r ei n s u f f i c i e n t l y u s u a l l y , o s c i l l a t i n gc y l i n d e ra ss u p p l e m e n t a r ym e a s u r e si s a d d e d , b u tt h er e m e d yi sv e r yl i m i t e d m o r ei m p o r t a n ti st h a tt h eu n e v e np r e s s u r eo f 基丁轮胎成犁机压辊机构分析与最优设计的研究 o s c i l l a t i n gc y l i n d e ri nt h ef i t t 吨a r e ai sc a u s e d f o rt h e s e ，t h ep a p e rh a sm a d et h e t e c h n i c a li m p r o v e m e n t ，a n dd o e st h ef u r t h e ro p t i m i z a t i o nr e s e a r c ht ot h ei m p r o v e d t i r eb u i l d i n gm a c h i n ei nt r a c kc o n f o r m i t yd e g r e e o nt h eb a s i so fe x i s t i n gi n s t i t u t i o n s ，u s i n gt h em e c h a n i c a lo p t i m u mt e c h n o l o g y , t h ep r e s s u r ec y l i n d e ri n s t i t u t i o n sa n dp r e s s i n gr o l l e rs i xm e m b e r s i n s t i t u t i o n sw e r e o p t i m a ld e s i g n e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fo p t i m u md e s i g nw a se s t a b l i s h e d ； t h r o u g ho p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g yp r o g r a m m i n ga n ds o l v i n g ，t h eo p t i m a lr e s u l t so f m o l d i n gi n s t i t u t i o n sw e r eo b t a i n e d t h ed e t a i l e dd a t ac a l c u l a t i o na n dc o m p a r i s o nf o rr e s u l t so ft h eo p t i m a ld e s i g n w e r ed o n e ；s i m u l a t i o na n a l y s i so nt h ep r e s s u r er o l l e rp a t hm o v e m e n tw a sd o n ea n d a d v a n c e m e n to ft h e o r yr e s e a r c hw a sv e r i f i e d t h r o u g ho nt h ea b o v ei s s u e sr e s e a r c h ，t h ep r o b l e m st h e s ep r e s sr o l lp r e s s e st i r e f a l s ea n dt h eu n e v e np r e s s u r eo fo s c i l l a t i n gc y l i n d e rw e r eh o p e dt os o l v ea n dt h e i m p o r t a n tr o l et h eo p t i m u mt e c h n o l o g yt os o l v et h i sk i n do fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g p r o b l e m sw a sr e f l e c t e d k e yw o r d s ：t i r eb u i l d i n gm a c h i n e ；o s c i l l a t i n go i lc y l i n d e rm e c h a n i s m ； m o t i o nt r a c k ；i n s t i t u t i o n sa n a l y s i s ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；o p t i m a ld e s i g n i v 青岛科技人学研究生学位论文 1 1 引言 1 绪论 继2 0 0 9 年首次超越美国成为全球第一大汽车产销国后，2 0 1 0 年中国再次稳 坐全球销量第一的位置。新能源汽车作为国家战略新兴产业写入中国“十二五 产业发展规划之中，可以预见未来几年中国汽车行业还将继续保持良好的发展势 头。与此同时，相关产业也迎来了前所未有的发展良机。轮胎产业是汽车产业的 主要配套产业之一，其发展速度与汽车行业高度相关。据业内人士的研究报告， 一辆新车与轮胎的配套比为一比五，载重汽车与轮胎的配套比更是达到了一比 七。随着中国成为世界主要的汽车生产大国和汽车消费增长最快的市场，汽车产 业主要配件行业之一的轮胎业获得了前所未有的迅速发展，被海内外业内人士称 为“滚滚向前。因此，我国汽车产销量的爆发式增长大大拉动了轮胎制造业的 发展。目前我国轮胎产量居世界第一，轮胎产业的发展举世瞩目。 近年来，中国轮胎行业出现惊人的增长速度，已形成将近4 0 的出口格局。 2 0 0 8 年4 5 家重点轮胎企业轮胎总产量2 3 8 亿条，同比增长0 3 ，销售收入1 3 1 5 亿元，增长1 4 1 。其中，子午线轮胎产量为1 9 0 亿条，同比增长7 8 ，子午化 率7 9 9 ，提升了5 6 个百分点。全国6 2 家子午胎生产企业的子午胎总产量为2 6 3 亿条，增长1 0 6 。轮胎行业总产值占到整个橡胶行业总产值6 5 以上。面对金 融危机这场突如其来的风暴，中国轮胎业正面临一次重大的考验。美国、巴西2 0 0 9 年通过了针对中国的轮胎特保案，且很可能形成多米诺骨牌效应，更增添了中国 轮胎行业产能过剩的烦恼。但是，2 0 0 9 年在世界汽车市场陷入低谷后，中国市场 却异军突起，汽车产销量奇迹般地突破千万辆。中国汽车业的高速成长，消费政 策起到了重要的引导作用。2 0 0 9 年的购置税减半、“汽车下乡 和以旧换新三大 政策，拉动了中国私家车的巨大消费潜力，在金融危机之下，国内汽车产销实现 了2 0 0 9 年每月3 0 - 4 0 的同比增长。 在汽车销量猛增的带动下，2 0 0 9 中国多数大型轮胎企业产销两旺，部分企业 的开工率已经接近甚至超过历史最佳水平。在原材料价格大跌和轮胎售价跌幅有 限的双重作用下，轮胎业毛利率水平大幅提升5 至1 0 ，达到历史最高水平。 与此相应，多家轮胎上市公司净利润亦大幅增长。同时，由于中国、俄罗斯、印 尼等国对工程轮胎的巨大需求，全球大规格工程轮胎严重短缺，世界级轮胎制造 商都在努力扩大产能，在现有设备满负荷生产的情况下，但仍不能满足市场需要。 基于轮胎成型机压辊机构分析与最优设计的研究 目前，包括风神股份在内的国内外主要生产企业已满负荷生产，其工程轮胎供应 量仍不能满足工程机械企业和轮胎经销商的要求，我国工程子午胎的生产能力远 不能满足国内外快速增长的要求。我国轮胎市场在2 0 1 0 2 0 1 5 年将步入一个快速 发展的新阶段。 2 0 世纪8 0 年代开始，我国橡胶机械行业得到了快速的发展，以橡胶机械产 品生产为主的的企业数量逐渐增多，近年来，随着子午线轮胎的研发及迅速扩大 化生产，橡胶机械行业也因此迎来新一轮的发展高峰。最新统计结果表明，我 国橡胶机械企业目前已达到四百多家，其中主要骨干企业三十多家。在改革开放 以前，我国橡胶机械行业一直处于落后局面，虽然我国也能自行生产出一些结构 比较简单，精密度较低的轮胎定型及成型机等门类较齐全的橡胶机械，但很多诸 如主机的性能及配套的检测、液压气动、热工元件、电器元件以及计算机等技术 都比较落后，科技上的落后直接严重地制约了国内橡胶机械的发展。改革开放以 后，国内的橡胶企业先后从日本和欧美等国家引进了具有先进水平的各种橡胶机 械设备，橡胶机械行业在原有的工业基础水平上，通过消化吸收关键设备和联动 生产线，并根据橡胶企业存在的生产实际情况和生产条件进行了改造和创新，使 国内橡胶机械的技术水平有了相当大的提高。加上近年，尤其是入世以来，国外 许多先进的橡胶机械企业大量涌入国内市场，使国内长期处于落后状态的诸多配 套技术得以迅速提升，国内橡胶机械的总体水平与国外技术的差距正在迅速缩 小，我国的橡胶机械行业正在蓬勃发剧。 随着汽车工业的发展，轮胎工业也逐渐走向现代化制造业的领域，目前一些 新概念轮胎及其现代化生产线的出现以及制造子午线轮胎在汽车行业的推广普 及和子午线轮胎制造机械精度的逐渐提高，使得新型轮胎机械的需求量将不断扩 大。目前，全球橡胶机械的销售额以年均增长1 4 以上的速度蓬勃发展，2 0 0 6 年上半年，橡胶机械行业的销售收入同比增长了1 4 以上，未来几年内，中国橡 胶机械行业将长期处于稳定且不断快速发展的时期，这其中重要的原因是，目前 橡胶产业已经进入了设备更新及技术创新时期，橡胶机械工业有可能很长一段时 间都处于鼎盛期。而轮胎机械销售额将从目前占橡机的6 0 左右增加到7 0 0 k 一 8 0 ，并逐渐成为橡胶机械生产增长的重要来源。因此，轮胎机械的发展形势全 球看好。 中国加入世界贸易组织之后，世界橡胶机械行业的格局也发生重大的变化， 使得中国橡机逐渐由“国内工厂 向“世界公司 转变。中国橡胶机械的发展， 体现出了很多方面的优势，主要体现在如下几个方面： 1 目前汽车行业的快速发展，导致了轮胎工业带动了橡胶机械的强劲发展， 中国橡机也因此进入了一个比较好的发展环境； 2 青岛科技人学研究生学位论文 2 国际上比较大的轮胎企业公司年购买橡机的支出每增加3 左右，全球轮 胎机械的销售收入就可以增加1 0 ，只要这些公司，不断增大其设备购买力，橡 机行业就体现出巨大的国际市场； 3 橡胶机械行业的巨头如日本三菱、神户制钢、克虏伯，在橡机领域逐渐 退出，这无疑给中国橡机行业的发展带来难得的发展机会： 4 中国劳动力市场广阔，来源充足，成本较低，这也是中国橡机竞争的较 好优势之一； 5 v m i 作为世界著名的橡机企业，目前已经与中国合资开办企业，利用合 资发展壮大自己，提高自己的总体水平，也不失为壮大中国橡机市场的好方法， 中国企业也要做好在竞争中迎着困难发展的准备； 6 目前，中国橡机已经具有全套生产轮胎设备的能力。 轮胎成型机作为轮胎制造的装配工段，橡胶机械中的一种重要的专业化设 备，轮胎的成型质量和成型效率均受其技术发展制约。轮胎成型机，在轮胎工业 的快速发展和橡机行业大好形式的推动下，其研制开发成为机械行业中的一个热 点。 1 2 国外成型机的研究概况 在橡胶生产工业中，轮胎是最重要的一种橡胶制品，同时轮胎也是最复杂的 一种橡胶品，各国比较大的轮胎企业都致力于研究和改进生产方法及工艺。在这 种趋势下，国际上一些比较著名的轮胎生产及研发公司都推出了目前应用比较广 泛的轮胎制造系统新技术，如集成加工精密成型单元技术、米其林c 3 m 系统、积 木式集成自动化系统、全自动连续成型系统、锦湖a p u 系统及低温连续混炼成 型技术等。普利司通公司近几年将采用轮胎制造技术，从加工原材料到检测成品 质量均实现自动化模式；倍耐力公司将投资改造m i r s 轮胎制造技术，用于轮胎 新技术扩大生产及开发。现代轮胎制造系统自动化程度高、效率高、占地面积少、 节能，如果在此基础上采用c 3 m 技术，使得工作人员和生产面积为现在的1 0 ， 节能一半，产品成本是原来的3 8 ，因此c 3 m 技术应用前景良好。 v m i 公司介绍了m t m 模块式轮胎制造系统，此系统将从根本上降低生产轿 车轮胎和轻卡轮胎的成本，一个m t m 模块式轮胎制造系统中，只要有三名操作 人员进行生产操作，每天可生产1 0 种以上不同规格的轮胎近千条左右，该系统 模块运用v m i 和m a r a n g o n i 两个公司的生产技术相结合，由一些单元装置组成， 如胎体帘布层、带束层钢丝和胎圈等装置，在生产中将这些送入单元装置，最终 制成生胎：生产过程中，轮辋衬胶、内衬层和复合胎面是利用m a r a n g o n i 技术生 3 基于轮胎成型机压辊机构分析与最优设计的研究 产出来的；然后可根据每条轮胎的需要在轮胎机械上加工合适的带束层和胎体帘 布；利用v m 挤出装置挤出合适尺寸的的钢丝帘布条，然后经过剪裁和接头，确 保宽度、角度和长度准确。 世界上橡机巨头除了研究开发各种模块式轮胎集成生产系统外，而且也在继 续将传统成型技术进行研究和改进，图卜1 为r m s 公司开发的轿车子午线轮胎和 轻型载重汽车轮胎成型用r m s 2 0 0 0 系列轮胎成型系统。此系统属于一次成型系统， 主要包括一个半芯轮式成型鼓肩和固定配套组件【2 1 。 图1 - 1r m s 2 0 0 0 系列轮胎成型系统 f i g 1 - 1t i r ef o r m i n gs y s t e mo fr m s 2 0 0 0s e r i e s m a t a d o r 公司在一次法成型机的基础上推出了p c 2 轮胎成型机，该技术采用 了无胶囊机械反包成型鼓和运动控制压辊；无胶囊成型鼓可以进行同步反包，轮 胎的均匀性得到提高，成型时间得以缩短，节约生产成本，压辊不用气缸驱动而 选择采用伺服驱动系统，准确定位压辊位置。t d s 一8 4 0 无纬钢丝圈成型机主要用 于各种无纬轮胎钢丝圈的成型，在工程轮胎、家庭轿车轮胎、载重汽车轮胎和拖 拉机后轮胎中用到此类钢丝圈。 t h y s e nk r u p p 公司2 0 0 4 年的最新产品是p l t 3 型三鼓轮胎成型机，可成型胎 圈r 2 4 1 2 的轮胎，该机可以减少变换轮胎规格的时间，还有一个新产品是四鼓成 型机，也已在2 0 0 4 年末交付用户使用，四鼓成型机能够提高成型效率，其技术 和效率与v m i 的2 0 2 0 四鼓成型机有相似之处，为了生产跑气保用轮胎，v m i 公 司成功研制了首个p a d ( 型跑气保用轮胎成型机，v m i 公司与米其林和倍耐力达 成合作共识，联合研究开发了v r p a x 成型机，该机型可全自动生产各种规格的 4 一 青岛科技大学研究生学位论文 p a x 轮胎，成型效率极高。目前，舆论看好的是模块式集成自动化生产系统，认 为是轮胎成型技术的发展趋势和努力方向，目前为止，未见有相关产品推向市场， 米其林的c 3 m 技术早在1 9 8 2 年就己开发，但并未见产品上市。 1 3 国内成型机的研究概况 从6 0 年代开始，子午线轮胎已经成为轮胎成型的重点，到了8 0 年代已经成 为研究和生产热门【3 1 。我国经过“七五 和“八五 攻关，一直到9 0 年代通过不 断完善和发展，一段加二段的二次法成型机目前不仅已有一定的生产厂家和规 模，与进口产品技术上也拉近了距离，在轿车轮胎和轻型载重轮胎上得到了广泛 的应用；二次法成型随着一次法成型机的引入及国产化的研制成功开始逐渐变 冷，我国目前对于全钢载重子午线轮胎一次法成型，在倍耐力技术和费尔斯通技 术上都已经研制开发成功，适合8 1 2 5 r 2 0 - - 1 2 0 0 r 2 0 轮胎的成型，自产的成型机 技术水平已接近于进口机型，国内很多轮胎厂家开始推广使用该机型。v m i 公司 与烟台橡胶机械厂合作生产一次法轮胎成型机，机型配有三鼓或四鼓，其中多鼓 成型机的生产效率也提高很快；三菱重工的三鼓成型生产效率提高了一倍，班产 率较高。在生产轮胎的过程中，应该注意成型机部件的生产，只有整个装置配套 得好，轮胎质量和产量才能得到保障。我国国内一些轮胎厂家因为机前工序不匹 配而影响先进成型机功能的发挥的例子并不在少数。随着可持续发展观的经济时 代的到来，轮胎生产的要求侧重点也已经由从耐磨和节油转到安全与环保方面上 来，新轮胎的换代的周期减半，轮胎设计理论不断更新发展，轮廊由平衡转到非 平衡，目前又推出了“集优设计技术 ；当今的轮胎不断在新概念下更新换代， 因而轮胎成型机的开发要跟上轮胎生产的步伐。机器跟不上工艺的例子也有很 多，例如，我国子午线轮胎刚刚开始有取代斜交轮胎的趋势，国外的轮胎生产技 术又得到升级化发展；我国轿车原配胎在6 0 和5 0 系列的时候，国外已推广5 0 和 4 0 系列，进口轿车的原配胎几乎全是“高等级”，而且我国还在大量应用二次 法成型机，其中心的最高精度与高均匀性要求差了一个数量级；在一次法成型机 生产及应用上，国外已采用“模块式 ，可根据工艺的不同，随意增减功能，适 应性和灵活性大大提高，而我国只开发了两个特定工艺。 目前国内生产的胎圈直径为1 2 1 6 1 2 的轿车胎和轻卡胎主要依靠半钢子午线 轮胎成型机，国内主要制造和使用的是两次法成型机，进口的一次法成型机也得 到少量使用，我国自己研制开发的一次法成型机在技术上有了很大的改进，采用 了胶囊反包、伸缩鼓、c c d 定位伺服电机驱动控制和触摸屏等新技术，但是目前 为止仍然没有单位购买及探索使用这一新设备，应用前景有所限制，另外，青岛 5 基于轮胎成型机压辊机构分析与最优设计的研究 高校软控与m a t a d o r 公司合作生产的m p c 2 型轿车子午线轮胎一次法成型机 目前也没得到应用，正在寻求发展契机。 我国轮胎企业中生产半钢子午线轮胎两次法成型机较好的，北京敬业机械设 备有限公司算是其中的佼佼者，公司多年来致力于开发和生产半钢子午线轮胎两 次法成型机，目前已经占据了大半个国内市场，其生产的两次法成型机的第一段 成型机的成型鼓为折叠式或收缩式，技术上采用指形正包胶囊反包工艺，帘布供 料架供应两层胎体帘布和子口包布，第二段成型机的带束层供料架一般用来供应 两层钢丝带束层和冠带层，目前，该公司正在开发研制的三鼓一次法成型机主要 用于轿车子午线轮胎的生产供应。 目前我国国产的全钢载重子午线轮胎两鼓一次法成型机技术是在倍耐力和 费尔斯通技术的基础上发展起来的，而三鼓一次法成型机是在v m i 公司和 m t a d o r 公司产品技术的基础上上发展起来的。现在国内有的企业已经在研发 四鼓一次法成型机，经过十年多的不断改进和技术提高，两鼓成型机的设计初步 入门，这使得我国自产的机器达到了一定的水平，其可用于成型直径为1 7 5 2 4 5 坭 的全钢载重子午线轮胎，班产量较高，生产过程中，供料架主要采用c p c 对中装 置，e p c 定边装置和c c d 摄象纠偏装置，这大大的提高了轮胎的成型精度，而 橡胶件采用了超声波裁断，整机采用可设置和修改工艺参数的触摸屏操作系统， 并实现了机器故障自诊。为了节约时间，成型鼓由胶囊鼓发展到机械式无胶囊成 型鼓，实现两侧同步反包。 国内很多较大的轮胎生产企业也为我国自产全钢载重子午线轮胎成型机作 出了巨大的贡献，如天津赛象科技股份有限公司和北京航空制造研究所为我国的 全钢载重子午线轮胎的迅速发展提供了机械设备上的大力支持，北京航空制造工 程研究所生产的l c z - p c r l 2 1 8 型成型机如图1 2 所示是半钢乘用车子午胎( 两鼓) 成型机，具有设备精度高，生产效率高，自动化程度高等特点，可以生产动平衡 和均匀性良好的高品质轮胎，满足高档轿车的使用要求。近些年来，桂林橡胶机 械厂也开始探索和研究了三鼓成型机，华南橡胶轮胎有限公司在2 0 0 4 年，就已 经接受并使用其生产的第一台三鼓全钢载重子午线轮胎成型机，其性能运行稳定 可靠，产量较高，其技术模式上的改进主要是，在机器上改进了原先的真空吸附 的结构形式，因此实现了胎体鼓对胎侧可靠的自动吸附，性能大大提高，并且生 产过程中解决了垫胶自动裁断容易变形的难题，这主要得益于采用了新型的裁断 和夹持装置及其伺服控制系统。 6 青岛科技人学研究生学位论文 图1 2l c z p c r l 2 1 8 型成型机 f i g 1 - 2l c z p c r l 2 1 8t i r ef o r m i n gm a c h i n e 青岛高校软控股份有限公司和m a t a d o r 公司签署协议，合作生产 m a t a d o r 公司的m m t r 3 型适用于成型直径为1 7 5 2 4 5 v 2 轮胎的三鼓全钢载重 子午线轮胎成型机，2 0 0 3 年开始生产，目前已经大部分都交付各用户使用，使用 状况良好。图1 3 为高校软控生产的l c z - z 1 7 2 4 型载重子午线轮胎成型机。 图1 3l c z z 1 7 2 4 型载重子午线轮胎成型机 f i g 1 - 3l c z z 1 7 2 4l o a dm e r i d i a nt i r ef o r m i n gm a c h i n e 荷兰v m i 公司子午线轮胎成型机技术的日渐成熟，尤其是在四鼓式全钢轮胎 方面技术成熟，因此国内的一些轮胎生产企业近些年来，从荷兰进口了多套四鼓 轮胎成型机，其生产效率较高，明显高于三鼓成型机的生产量，但是由于进口的 成型机价格较昂贵，因此，期待国内的四鼓式全钢轮胎成型机研发成功，实现国 7 基于轮胎成型机压辊机构分析与最优设计的研究 产化。 为了实现国内全钢子午线轮胎生产，国内一些轮胎企业如天津赛象公司先后 开发了全钢工程子午线轮胎两鼓一次法成型机和四鼓全钢工程胎子午线轮胎一 次法成型机，其中生产的四鼓成型机已经成为我国国产子午线轮胎的成型机之 最，全钢工程子午线轮胎在我国国内轮胎占有率上不断上升，这也带动了全钢工 程子午线轮胎成型机的蓬勃发剧3 卜1 4 】。 目前，我国轮胎企业在经营方式上主要分为国有企业、合资独资、民营等三 大类企业，这三类企业在运营机制、核心技术、生产重点、资金流向、营销策略 方面都各有各的特点。国有企业的特点就是基础雄厚，实际上，除少数经营较好 的企业外，大部分国企面临诸多不利因素，发展缓慢，有的举步维艰；相对来说， 合资独资企业具有各方面的优势，比如在资金、管理、技术等方面，但此类企业 比较侧重中高端产品的生产及研发，除了一些轿车、轻载上所需要的半钢子午胎 产品，其他的轮胎品种在规模上，并不占优势。机制灵活的要属民营企业，因此 一般这类企业发展很快，但其在技术和营销策略方面的实力不如前两种企业模 式。 目前，我国子午线轮胎成型机技术有了一定的发展，部分产品也已经实现了 国产化规模，但是一些技术含量较高的子午线轮胎质量和产量上与发达国家相 比，差距还是很明显，主要表现在以下四个方面： 1 我国的子午线轮胎成型机，在技术上还谈不上创新和超越，因为目前我 国在子午线成型机技术上，自主研发能力较弱，科研开发投入相对较少，产品在 技术上大多为国外技术的翻版： 2 我国在生产成型机的材料质量要求上不是很严格，导致材料质地差，另 外在加工精度上，规格不高，这样生产出来的产品，使用寿命不长； 3 成型机在专业化生产上程度不高，大多数的制造设备较国外发达国家的 落后很多； 4 我国目前缺少软件设计平台，这也严重导致成型机技术的研发及创新； 因此，我国要想实现子午线轮胎成型机的真正国产化，还要继续努力。 1 4 课题研究的意义 子午线轮胎企业成为世界轮胎发展的主流产品以后，也逐渐成为我国石化企 业整体发展及国家相关产业政策重点扶持的企业，我国目前子午线轮胎企业属于 起步和发展阶段，特别是一些技术含量高的，性能好的子午线轮胎所占比例极少， 在未来，子午线轮胎将作为轮胎的替代产品，原化工部将子午线轮胎生产列为化 8 青岛科技大学研究生学位论文 工重点发展工程。 自从发明了充气轮胎，斜交轮胎就一直占有着世界轮胎市场的绝大部分，但 是自五六十年代米其林公司推出子午线轮胎生产线以后，子午线轮胎便呈现出了 迅猛发展的态势，世界发达国家如欧美等国家，子午线轮胎占有率达已经到9 0 以上，甚至完全取代了原有的斜交轮胎市场。我国2 0 0 5 年轮胎产量已超过3 亿 条，但其中子午化占有率还不到6 0 。我国幅员辽阔，地区之间经济发展不平衡， 这在很大程度上影响子午化企业的发展进程和覆盖率，我国预测在2 0 1 5 、2 0 2 0 年，子午化率将超过8 0 ，并向9 0 迈进，因此，在世界范围内子午线轮胎的迅 速发展已势不可挡。因此，这将带动轮胎制造机械向子午线轮胎制造机械方向发 展。 为了适应日益激烈的市场竞争，世界上包括我国在内的各大轮胎公司纷纷投 入巨资，扶持子午线轮胎生产项目，这也给子午线轮胎轮胎成型机发展带来更大 的机遇。 轮胎成型机作为轮胎制造的装配工段，是一种比较关键的设备，关系到轮胎 产品的质量，在橡胶机械中需求量相对比较大，轮胎质量和产量的高低都与轮胎 成型机的好坏直接相关，这也是一些轮胎生产厂家不惜开支巨大，也要重金从国 外进口子午线轮胎成型机的原因之一。 8 0 年代后期，我国橡胶机械的进口量不断增大，在2 0 0 0 年以前，我国进口 橡胶机械的贸易额能够达到6 亿美元以上，在2 0 0 0 2 0 0 2 这3 年期间，我国的橡 胶机械的进口贸易金额在2 亿美元以上，到了2 0 0 3 年，我国的进口贸易金额己 达到3 亿美元，目前，我国已经成为世界上最大的橡胶机械的进口国之一。我国 目前的橡机出口情况并不乐观，2 0 0 1 年仅为1 5 0 0 万美元，2 0 0 2 年在原来基础上 增加了5 0 0 万美元，2 0 0 3 年增加了1 5 0 0 万美元，2 0 0 4 年达到6 0 0 0 万美元，但 与我国的橡机生产总值相比，只占到了6 左右，仅占到世界橡机销售额的不到 2 ，我国缺少的是国际知名品牌，因此在出口价格上要低廉得多，与我国进口的 相比，差距相当大。 橡机产品进出口贸易的差距主要体现在以下两个方面： 1 橡机产品的进出口贸易额相比，我国的橡机产品的进口值远远大于出口 值，贸易逆差很大。 2 一些低技术含量，价格也较低廉的低档橡机产品多为出口，而一些技术 含量较高的橡机产品多为我国的进口产品。我国目前虽然也能生产一些与进口橡 机相当的橡机产品，但与进口的产品在质量上还是有一定的差距，用户信誉不能 够保证，因此取代不了进口产品，我国目前每年要花去相当一大笔外汇开销来进 口一些重要的橡机设备的原因，一般来说，进口的国外同类的设备要比国产设备 9 基于轮胎成型机压辊机构分析与最优设计的研究 在价格上要昂贵的多。 为了加快轮胎子午化的进程，我国每年在设备采购上投入一大笔资金。 2 0 0 6 2 0 0 7 年，我国全钢载重子午线轮胎新增生产能力在1 5 0 0 万套以上，其中3 0 万套的投资大概要在1 1 8 亿元以上，这样算下来橡胶机械投资就达到5 4 亿元， 一年也在2 7 亿元人民币以上。2 0 0 6 和2 0 0 7 两年间，我国半钢子午线轮胎的生产 能力将新增6 0 0 0 万套以上，据估计每1 0 0 万套需设备投资1 0 1 2 亿元，这样橡 胶机械共需投资7 2 亿元，那么每年平均在3 0 3 6 亿元人民币以上。以上子午线轮 胎设备的投资约4 0 将从国外进口。 轮胎产业不只是一个产业，它是具有特殊性质的产业，在军事上，轮胎被当 作战略物资看待，维护轮胎产业的长足发展，这不仅是在保护民族产业，更是要 保证国家的经济安全和国防安全。世界各国的轮胎产业链，特别是欧美及日韩， 其载重子午线轮胎的生产都保持着独立性。在9 0 年代，我国原化工部、国家计 委、国家经贸委一起制定了一个原则：子午线轮胎控股权不能由外商掌控，这对 我国子午线轮胎的发展最为有利，国家有关部门强调多次，我国子午线轮胎产业 对外合作的底线就是载重型的轮胎生产企业不能进行合资，轿车用子午线轮胎生 产企业外商不能掌握控股权，这些原则绝不能被打破。 目前我国橡机国际贸易呈现巨大逆差态势，使得我国资金外流现象严重，并 且对国外的橡机需求依赖性较强，中国轮胎工业的发展也因此受制于国外。贸易 逆差显示中国橡机工业在质量上、品种上和性价比上与国外都有明显差距，生产 技术水平也不如国外技术的进步程度，我国橡机企业的市场意识、创新能力、营 销体制、服务质量等方面都需要长足改进与发展，而中国橡机工业要想从“大 进一步走上“强，必须下决心改制重组现代制造业，解决一些老国有企业运行 机制不灵活、生产效率低、质量良莠不齐及高端产品欠缺等问题，要尽早健全橡 机行业中的国有企业，实现多元化、集团化、跨国化，扩大国际橡机市场，提高 我国橡机企业的国际竞争能力。因此，提高国产子午线轮胎成型机的技术水平， 开发出性价比比较高的轮胎成型机对我国的轮胎工业乃至整个国民经济的发展 都有着至关重要的意义。 1 5 本课题的研究设计方案 本文首先对轮胎成型机的组成和工作原理进行了简单的分析和介绍，选取对 轮胎成型质量影响比较大的压辊六杆机构运动轨迹及压辊油缸机构为主体进行 研究，运用最优化设计等方法，解决该机构在生产中所出现的问题，其主要内容 如下： 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 1 分析了轮胎成型机的用途、分类、结构构造和组成，轮胎的成型原理以 及在轮胎制造过程中成型质量欠佳的原因。 2 进一步分析轮胎成型机在压制轮胎过程中，压辊压制轮胎不实、轮胎胎 层有气泡的原因。目前市场上广泛应用着的轮胎成型机，普遍存在着压制轮胎过 程中轮胎胎面压不实，轮胎胎层有气泡的现象，问题的主要原因是机构压辊实际 滚压的曲线与轮胎理想曲线符合度不够以及压辊贴合轮胎时油缸因伸缩造成压 力波动较大，导致了轮胎贴合径向的弹性变形幅度过大形成气泡，从而严重影响 了轮胎的成型质量。 3 针对压辊贴合轮胎时油缸因伸缩造成压力波动较大，导致了轮胎贴合径 向的弹性变形幅度过大形成气泡这一现象，本文对摆动油缸进行了技术改进，采 用最优化技术，在满足机构压力角条件下，以确保机构拥有最佳的压制贴合力为 约束依据，在贴合区域内，将机构压辊贴合压力波动控制在质量许用范围内，并 寻求摆动油缸结构紧凑进行最优设计。 4 研究实际工作中压辊实际滚压的曲线与轮胎理想曲线符合度不够的问题， 为此，本文采用最优化技术，在保证机构基本结构不变的前提下，对原设计的平 面六杆机构进行受力分析及运动性能分析并建立最优化数学模型进行最优化计 算并确定出最佳的设计结果，使得杆机构连杆上的动点与轮胎断面曲线符合程度 最好并对解决方案进行重点阐述。 5 针对成型机数学模型进行最优化计算，并编制了相应的实现程序，比较 计算结果进行验证并对六杆机构进行了运动仿真，对分析结果进行了较为详细的 比较。 1 1 基丁二轮胎成型机压辊机构分析与最优设计的研究 青岛科技人学研究生学伉论文 2 轮胎成型机介绍及滚压运动分析 2 1 轮胎的发展 最初的轮胎材质是木头的，这从我国古代的战车上和国外的绅士马车上都能 分析得出。后来，当探险家哥伦布在1 4 9 3 1 4 9 6 年第二次探索新大陆到达西印度 群岛中的海地岛时，发现了当地小孩所玩的橡胶硬块，这使他大吃一惊。后来他 把这个奇妙的东西带回了祖国，若干年以后，橡胶得到了广泛的应用，车轮也逐 渐由木制变成了硬橡胶制造。但这时的橡胶轮胎却还是实心的，走起来还很不舒 服，而且噪声也非常大。1 8 8 8 年，曾在英国兽医学院受训的邓录普j b d u n l o p 发明了充气轮胎，从此开创了轮胎制造技术的新纪元。初期的充气轮胎，使用的 是用涂有橡胶的帆布当胎体，因为帆布的纵线和横线互相交叉，行走时由于轮胎 的变形，导致线的互相摩擦，这样，线就很容易被磨断，这时的轮胎只能跑 2 0 0 3 0 0 k i n 。1 9 0 3 年，j f 帕玛先生发明了斜纹纺织品，这种斜纹纺织品的发明 促成了交叉层轮胎的发展，使轮胎的寿命向前跨了一大步。因为斜叉的胎体不会 再因轮胎的行走而引起摩擦，而且帘线不容易被磨断，所以延长了轮胎的使用寿 命。1 9 3 0 年米其林公司制造了第一个无内胎轮胎；1 9 4 6 年又发明了举世闻名的 子午线轮胎。因此，轮胎的发展是经历了一个漫长的历程，在这漫漫长夜里，一 代接一代的人为之付出了艰辛的劳动和高超的智慧【5 1 。 轮胎作为汽车、拖拉机以及工程车辆等运输工具的主要部件，