工程輪胎后充氣裝置的設計及試驗*

廖桂松，沈中華，叢靜波

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

0 引言

工程輪胎是主要應用在裝載機、挖掘機、推土機等工程機械車輛上的輪胎。隨著我國經濟飛速發展，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。工程輪胎的結構主要為斜交輪胎[2-3]，但也有少部分公司生產子午線工程輪胎，其造價要遠高于斜交輪胎[4]。生產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，易導致輪胎胎體脹大。生產工程輪胎時，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下自然冷卻，輪胎局部就會產生變形，導致生產出來的輪胎不合格[7-10]。為了生產出合格的輪胎，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量的檢查，找出可能產生的缺陷[11]。

工程輪胎后充氣裝置是輪胎硫化機的重要輔助設備[12]，是生產尼龍斜交輪胎不可缺少的裝置，已經得到世界各國橡膠輪胎生產企業的廣泛應用。它具有操作簡便，勞動強度低，現代智能化控制等優點[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，結構復雜，操作不便，能耗高，并且適用輪胎型號單一。

1 結構及工作原理

本文設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構

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，充氣壓力由當胎內氣壓傳感器檢測，在管道供氣氣壓較高于輪胎設定氣壓并配有儲氣罐情況下，輪胎內氣壓在1 min之內即要達到設定值，此時傳感器給PLC發出指令停止充氣。當傳感器檢測到由于輪轂圓盤精度問題導致的漏氣或隨著輪胎溫度的下降而導致胎內氣壓下降到設定值時，相應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定。在冷卻定型達到設定的時間后，釋放輪胎內壓力，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，實現了充氣過程的自動化。

2 主要部件的設計

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構并在上方鋪設鋼板，將底座焊接在4根立柱的下方。設計底座可以使裝置整體結構更加穩定。

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，根據企業的需求，本裝置所適用工程輪胎的最大型號為23.5-25，查閱相關國家標準將輪轂圓盤的最大直徑取635 mm[14]。當輪胎充氣完成后，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置，活動輪轂圓盤采用負公差設置。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，需要更換不同規格型號輪胎進行后充氣處理時可通過拆卸螺栓更換相應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生側翻而導致安全事故的發生或損壞設備，同時還可以保證輪轂圓盤的對中性能和導向作用?；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。本文設計的后充氣裝置在輪胎達到規定的氣壓時，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、四桿機構和氣缸2組成，升降平臺設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構強度和剛度的前提下質量較輕，設置的加強肋板進一步提升了升降平臺的結構強度，使其可以升起大重量輪胎。四桿機構由連接座、短桿、長桿和支撐座組成，四桿機構與升降平臺連接關系的結構如圖3所示。

圖3 四桿機構與升降平臺的連接關系

升降平臺焊接在連接座上，長桿與短桿分別通過轉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相對設置，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

根據工程輪胎后充氣裝置的結構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，保證了胎內的壓力達到設置值后保持相對穩定。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，整體裝置表現穩定，無明顯漏氣現象。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正常運行了1年多，證明新結構能夠有效節約制造成本、滿足生產要求。

4 結束語

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