農用子午線輪胎成型機胎體移送裝置優化設計

伊啟中

摘要：針對農用子午線輪胎成型機胎體移送裝置存在的不足，提出對夾持爪組件節材減重和減少夾持爪數量兩種優化方案并進行有限元分析。分析結果是，節材減重方案在Von Mises應力和最大主應變兩個方面均滿足要求，方案可行;減少夾持爪數量方案，由于減少夾持爪數量導致胎體變形大，該方案不可行。

Abstract： In view of the shortage of the transfer device of the tire body in the agricultural radial tire building machine， two optimization schemes are put forward to reduce the weight and quantity of the gripper and the finite element analysis is carried out. The results show that the material saving and weight reduction scheme can meet the requirements of Von Mises stress and maximum principal strain. The scheme of reducing the number of gripper is not feasible because the reduction of the number of gripper leads to large deformation of the matrix.

關鍵詞：農用子午線輪胎成型機;胎體移送裝置;優化;Abaqus

Key words： agricultural radial tire building machine;tire body transfer device;optimization;Abaqus

中圖分類號：TQ336.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）27-0148-03

0 ?引言

輪胎是農機裝備常用的部件，其中子午線輪胎因其具有接地面積大、對土壤壓實小、增加拖拉機牽引力、降低拖拉機油耗，是節能環保型產品[1]。目前，子午線輪胎已經占據了國內外輪胎市場的絕對主流[2]。

福建建陽龍翔科技開發有限公司是一家集科研開發、生產制造于一體的創新型企業，專注于開發輪胎成型機。該公司開發的二段一次法子午線輪胎成型機[3]和巨型農用輪胎成型機胎體移送裝置[4]，既保證了產品質量、降低勞動強度，又明顯提高了巨型農用子午線輪胎的生產效率。胎體移送裝置是將在一段機成型鼓上完成胎料貼合的輪胎胚胎（即胎體）接取并傳送至二段機貼合鼓上的中間裝置，目前，胎體移送裝置存在重量較大、費材耗能的問題。本文針對該公司生產的某型號農用子午線輪胎成型機胎體移送裝置，提出優化方案并進行有限元分析，判斷優化方案的可行性。根據分析結果，在保證機械強度和使用性能前提下，實現節材降耗。

1 ?胎體移送裝置

胎體移送裝置通常包括環體、夾持爪組件、伺服電機組件、底板等主要零件組成，如圖1所示。其中，夾持爪組件主要包括夾持片、導柱、轉接座、齒條等零件，如圖2所示。工作時，伺服電機組件帶動齒條運動，驅動轉接座、導柱、夾持片運動，最終通過夾持爪組件伸縮實現對胎體的夾持與松開。

2 ?優化方案提出

目前，胎體移送裝置共有夾持爪組件12件，本文將從夾持爪組件的節材減重和減少數量兩個方向對其進行分析，研究優化方案的可行性。

2.1 方案1：節材減重

夾持爪組件中導柱的形狀是尺寸為324×200×80mm的長方體，擬將中間挖空為一個矩形通孔，如圖3所示，挖空后分析其力學性能是否滿足要求。

2.2 方案2：減少數量

減少夾持爪組件數量，從當前的12組減少為10組，此時需對胎體進行主應變分析和變形分析。

3 ?有限元分析

本文應用Abaqus有限元軟件對方案1夾持爪組件優化前后的結構設計和方案2減少夾持爪數量時胎體變形情況進行有限元分析。

3.1 前置處理

夾持爪組件材料為45鋼，屈服強度為355MPa，密度7.85kg/m^3，彈性模量210GPa，泊松比0.269，載荷：夾持片左側面均布載荷0.10MPa;胎體在外側圓周均布12片截面尺寸為500×250mm的夾持片，均布載荷0.1MPa，如圖4所示。

3.2 結果分析

方案1：圖5、圖6分別為夾持爪組件優化前后設計方案的Von Mises應力和最大主應變分析結果。

從圖5可以看出，夾持爪組件優化前和優化后的最大Von Mises應力分別為188.1MPa、208.1MPa，最大應力集中在導柱和夾持片連接處靠近有方孔一側，優化后Von Mises應力增加10.63%。對于45鋼，其屈服極限σs為360MPa（20℃），因此優化前后的兩種結構方案均能滿足強度要求。

然后，對夾持爪組件優化前和優化后的重量進行分析。單個夾持爪組件優化前體積為1.0236321e+07mm^3，質量為79.843kg;優化后體積為7.5637732e+06mm^3，質量為58.997kg，單組夾持爪組件減重20.846kg，12組總減重為250.152kg，減重幅度26.11%。

從圖6可知，夾持爪組件優化前的最大主應變為0.0005107，優化后為0.0005522，優化后最大主應變增大8.13%。根據上述可知，優化后Von Mises應力增加10.63%，而優化后最大主應變增大8.13%，最大主應變的增幅小于Von Mises應力的增幅，因此該方案可行。

方案2：圖7為當夾持爪組件為12組和10組時胎體的最大主應變分析結果。當胎體從一段機成型鼓通過胎體移送裝置傳送至二段機貼合鼓時，在夾持片的作用下胎體產生變形。當胎體移送裝置設計為12組夾持爪組件時，變形較均勻且較小，最大主應變為3.804e-4;當胎體移送裝置設計為10組夾持爪組件時，變形集中于夾持片與胎體接觸的兩端，此時最大主應變為6.044e-4。這樣造成胎體變形大且不均，因此該方案不可行。

4 ?結論

本文從節材減重和減少數量兩個角度對胎體移送裝置進行優化，有限元分析結果表明：①節材減重方案，優化前和優化后的夾持爪組件在均可滿足強度要求的前提下，優化后減重250.152kg，減重為26.11%，該方案可行。②減少數量方案，當夾持爪數量由12改為10時，其力學性能不能滿足要求，而且胎體的變形達到，變形較大，該方案不可行。

通過對胎體移送裝置的優化，在材料、生產、運輸、使用等環節中實現節材降耗，具有較好的經濟效益和社會效益，也與創新協調綠色開放共享的新發展理念相吻合。

參考文獻：

[1]李明明，石秀丹.子午線輪胎將是農機應用的趨勢——訪中國農業機械化科學研究院拖拉機專家陳永毅研究員[J].農業機械，2012，42（22）：89-90.

[2]羅禮培，王曉慧，楊文波.淺談我國車用子午線輪胎發展現狀及發展趨勢[J].汽車工業研究，2016，23（08）：41-44.

[3]戴造成，沈國雄，劉杰.二段一次法子午線輪胎成型機.中國專利，204640836U，2015-05-23.

[4]戴造成.巨型農用輪胎成型機胎體移送裝置.中國專利，205326319U，2016-02-01.