侯朋

(軟控股份有限公司，山東 青島 266042)

載重輪胎X射線檢驗(yàn)機(jī)擴(kuò)子口裝置設(shè)計(jì)

Design of bead expanding device for truck tire X-ray inspection machine

侯朋

(軟控股份有限公司，山東 青島 266042)

從載重輪胎X射線檢驗(yàn)機(jī)擴(kuò)子口裝置應(yīng)用的必要性、擴(kuò)子口裝置的結(jié)構(gòu)功能和測(cè)試過程中發(fā)生的問題以及后續(xù)的分析優(yōu)化方面對(duì)此裝置進(jìn)行介紹。并且針對(duì)擴(kuò)子口裝置在測(cè)試過程中暴露的問題，參照反饋校核計(jì)算和有限元分析結(jié)果，結(jié)合實(shí)際使用工況進(jìn)行分析，對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，有效的保證了該裝置的使用壽命。

載重輪胎；X射線；擴(kuò)子口；擴(kuò)胎；測(cè)試；有限元；優(yōu)化

隨著我國(guó)公路交通突飛猛進(jìn)的發(fā)展，具有高安全性、高速適應(yīng)性及高超載性的高質(zhì)量子午線新型輪胎逐漸占領(lǐng)市場(chǎng)，對(duì)輪胎進(jìn)行檢測(cè)則是輪胎高質(zhì)量的重要保證。載重輪胎X射線檢驗(yàn)機(jī)能夠通過對(duì)輪胎內(nèi)部簾線排列狀況、鋼絲帶束層排布情況、胎面與帶束層的貼正等檢驗(yàn)完成輪胎骨架材料完好性和輪胎部件位置誤差的檢驗(yàn)，是確保輪胎高性能的必檢項(xiàng)目。

軟控股份有限公司為迎合市場(chǎng)需要，研發(fā)設(shè)計(jì)了載重?cái)U(kuò)子口X射線機(jī)，其具有結(jié)構(gòu)先進(jìn)、工藝成熟、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)束了該類產(chǎn)品依靠進(jìn)口的狀況，提高我國(guó)車輛制造行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的比例和水平。輪胎進(jìn)行X光檢測(cè)時(shí)，為了保證檢測(cè)圖像質(zhì)量，使檢測(cè)者能夠準(zhǔn)確了解輪胎的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，要求X光管發(fā)射口與輪胎各個(gè)點(diǎn)的相對(duì)位置盡可能的相近，并要求發(fā)射的X射線盡可能的與輪胎輪廓曲線垂直，因此，X光管必須能夠伸入輪胎內(nèi)部。受X光管自身體積的限制，對(duì)小子口間距的輪胎進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，必須將輪胎子口撐開后X光管才能進(jìn)入，因此，對(duì)新式X光機(jī)進(jìn)行擴(kuò)子口裝置的研發(fā)非常重要。

本文通過對(duì)X射線檢驗(yàn)機(jī)原理進(jìn)行分析，針對(duì)小子口輪胎，設(shè)計(jì)了擴(kuò)子口裝置，同時(shí)，針對(duì)擴(kuò)子口裝置在測(cè)試過程中絲杠易斷問題，根據(jù)實(shí)際負(fù)載反饋進(jìn)行校核計(jì)算，并結(jié)合有限元分析結(jié)果，優(yōu)化了該裝置的結(jié)構(gòu)，對(duì)延長(zhǎng)絲杠的壽命具有重大意義。

1 擴(kuò)子口裝置的設(shè)計(jì)

1.1 X射線檢驗(yàn)機(jī)原理

X射線檢驗(yàn)機(jī)的原理是利用X射線穿透物質(zhì)后強(qiáng)度會(huì)衰減，而衰減程度與被穿透物質(zhì)的厚度及該物質(zhì)的吸收特性有關(guān)。正是由于穿透后的射線強(qiáng)度差異，穿透后的X射線經(jīng)探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)后，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，最終會(huì)在顯示屏上顯示出輪胎內(nèi)部信息的圖像，（如圖1）。在輪胎結(jié)構(gòu)中，金屬骨架（鋼絲）密度大，相應(yīng)的X射線透過量就少，而橡膠材料密度小，X射線透過量就大，如果橡膠內(nèi)部有氣泡，此處會(huì)比正常的橡膠材料透過的X射線量更大一些。因此，在輪胎X射線圖像中，能夠顯示出輪胎內(nèi)部鋼絲的情況和較大的氣泡。

1.2 擴(kuò)子口裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)過對(duì)輪胎性能、X光檢驗(yàn)機(jī)原理等的分析，設(shè)計(jì)了擴(kuò)子口裝置。該裝置主要執(zhí)行兩個(gè)動(dòng)作過程：擴(kuò)胎動(dòng)作和擴(kuò)子口動(dòng)作。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

擴(kuò)胎絲杠與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選用如下：

圖1 輪胎X光成像示意圖

圖2 擴(kuò)子口裝置圖

1.2.1 擴(kuò)胎絲杠

型號(hào)DIR2505-6；導(dǎo)程5 mm；外徑Φ25 mm；階梯軸Φ17 mm；材料45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)。材料性能見表1。

表1 材料性能參數(shù)

1.2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

額定扭矩9.55 Nm；額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min；電機(jī)與絲杠傳動(dòng)比10:3。電機(jī)后期測(cè)試過程中預(yù)測(cè)：最大使用轉(zhuǎn)速為2 400 r/min；最大扭矩為60%的額定扭矩。通過減速裝置后傳遞到絲杠上：最大轉(zhuǎn)速為720 r/min；最大扭矩為19.1 Nm。

1.3 擴(kuò)胎動(dòng)作設(shè)計(jì)

圖3是擴(kuò)胎結(jié)構(gòu)示意圖。擴(kuò)胎動(dòng)作原理為：驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)擴(kuò)胎絲杠升降，擴(kuò)胎絲杠通過固定塊連接到滑動(dòng)架上，擴(kuò)胎絲杠升降時(shí)帶動(dòng)滑動(dòng)架升降，滑動(dòng)架通過連接桿實(shí)現(xiàn)4個(gè)導(dǎo)桿體擴(kuò)張，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)胎功能。此結(jié)構(gòu)以固定座為載體，固定座上的導(dǎo)軌在滑動(dòng)架升降過程中起到導(dǎo)向作用。

圖3 擴(kuò)胎結(jié)構(gòu)示意圖

擴(kuò)胎動(dòng)作過程為：擴(kuò)胎絲杠通過連接桿拉動(dòng)導(dǎo)套張收，讓子口卡盤和子口卡盤2的小徑處能夠貼緊輪胎內(nèi)徑，從而起到對(duì)輪胎延直徑方向的擴(kuò)張作用，如圖4所示。

圖4 擴(kuò)胎過程示意圖

1.4 擴(kuò)子口動(dòng)作設(shè)計(jì)

只有卡盤小徑貼近輪胎內(nèi)徑，擴(kuò)子口動(dòng)作才能起到將輪胎子口撐開的作用，所以擴(kuò)子口動(dòng)作必須在擴(kuò)胎動(dòng)作完成后進(jìn)行。

擴(kuò)子口動(dòng)作過程：擴(kuò)胎動(dòng)作完成后，導(dǎo)桿前伸，帶動(dòng)子口卡盤2外移，導(dǎo)致子口卡盤1和子口卡盤2的相對(duì)位置增大，從而將卡在子口卡盤1和子口卡盤2的臺(tái)階處的輪胎子口撐開，方便X光管進(jìn)入，如圖5所示。

圖5 擴(kuò)子口過程示意圖

2 擴(kuò)子口裝置優(yōu)化

擴(kuò)子口裝置在使用過程中，擴(kuò)胎絲杠的階梯過渡處頻繁出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，參看圖6?，F(xiàn)根據(jù)反饋校核計(jì)算反向分析絲杠的速度校核、抗拉強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度從而分析選用類型的絲杠安全系數(shù)是否滿足要求。同時(shí)，利用有限元分析分析絲杠斷裂原因，并提出解決方案。經(jīng)過驗(yàn)證，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)能夠延長(zhǎng)絲杠壽命。

圖6 絲杠斷裂

2.1 反饋校核計(jì)算

電機(jī)實(shí)際測(cè)試過程中：最大轉(zhuǎn)速為2 400 r/min；最大扭矩為70%的額定扭矩。通過減速裝置后傳遞到絲杠上：最大轉(zhuǎn)速為N=720 r/min；最大扭矩為T=22.3 N·m。

根據(jù)實(shí)際使用過程中電機(jī)反饋的最大轉(zhuǎn)速和最大扭矩進(jìn)行反向計(jì)算絲杠的使用壽命。

2.1.1 絲杠轉(zhuǎn)速校核

（1）絲杠危險(xiǎn)速度下的容許轉(zhuǎn)速為：

式中：

λ2——與絲杠安裝方法相關(guān)的系數(shù)；

d1——絲杠軸螺紋的小徑；

lb——絲杠安裝間距。

（2）絲杠由DN值決定的容許轉(zhuǎn)速為：

根據(jù)公式（1）、公式（2）得，N1=15 595 r/min，N2=2 718 r/min，實(shí)際轉(zhuǎn)速 N=720 r/min＜min（N1，N2），所以，速度校核滿足要求。

2.1.2 階梯軸處強(qiáng)度校核

（1）按抗拉強(qiáng)度校核（按最大拉應(yīng)力理論）：

實(shí)際使用過程中傳到絲杠上的扭矩：T=22.3 Nm，則傳遞到絲杠階梯軸上的軸向力為：

得出：F=25 207 N。

傳遞到階梯軸處的最大拉應(yīng)力為：

（2）按彎扭合成應(yīng)力校核（按最大切應(yīng)力理論）：

階梯軸處的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為：

（3）精確校核軸的疲勞強(qiáng)度

其中,綜合系數(shù)值，有效應(yīng)力集中系數(shù)κτ=1+qτ(ατ-1)=2.256，剪切疲勞極限τ-1= 155 MPa，理論應(yīng)力集中系數(shù)ατ=2.57，軸的材料敏性系數(shù)qτ=0.85，扭轉(zhuǎn)系數(shù)ετ=0.92，表面質(zhì)量系數(shù)βτ=0.92，根據(jù)碳鋼特性系數(shù)查得φτ=0.05。

由于安全系數(shù)與電機(jī)扭矩成反比，故當(dāng)電機(jī)扭矩達(dá)到額定值時(shí)Sca=2.2×0.7=1.54，因此，所以計(jì)算絲杠安全系數(shù)符合要求。

2.2 有限元分析

2.2.1 彎矩力分析

根據(jù)反饋校核計(jì)算可知，從設(shè)計(jì)角度來看，不會(huì)在短期內(nèi)出現(xiàn)絲杠階梯軸處斷裂現(xiàn)象?，F(xiàn)分析加工安裝使用過程中的異常情況：

（1）在加工和裝配過程中，安裝工藝要求導(dǎo)軌和絲杠的平行度在0.06 mm以內(nèi)，而由于受零件加工精度和鉗工自身裝配能力的影響，有些擴(kuò)胎結(jié)構(gòu)在出廠前導(dǎo)軌、絲杠的平行精度要遠(yuǎn)超過0.06 mm，從而引起絲杠端部受到較大的彎矩力，會(huì)造成導(dǎo)軌和絲杠平行度誤差，產(chǎn)生一定的彎矩力；

（2）擴(kuò)胎過程中絲杠的軸向力較大，引起固定底座變形，導(dǎo)致導(dǎo)軌、絲杠的平行度發(fā)生變化，從而引起絲杠端部受到一定的彎矩力。

因此，實(shí)際使用過程中，絲杠受力除理論分析得到的軸向拉力和扭矩力，還包含安裝過程產(chǎn)生的彎矩力，如圖7。當(dāng)附加彎矩力后，若絲杠所受綜合應(yīng)力過高，超過材料的疲勞強(qiáng)度極限，材料就會(huì)加速破壞。

圖7 擴(kuò)胎絲杠彎矩示意圖

2.2.2 有限元分析

考慮到各個(gè)環(huán)節(jié)中的異常狀況引起的導(dǎo)軌、絲杠平行度的誤差，以導(dǎo)軌和絲杠底部為基準(zhǔn)，當(dāng)絲杠端部的偏移量分別為0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm時(shí)，取絲杠端部和螺母距離分別為兩個(gè)極限位置150 mm、50 mm時(shí)進(jìn)行有限元分析，得到絲杠端部不同的偏移量造成的相應(yīng)的應(yīng)力附加值。

絲杠端部偏移量示意圖見下圖8。整體擴(kuò)胎結(jié)構(gòu)的有限元分析如圖9所示。

圖8 絲杠端部偏移量示意圖

圖9 擴(kuò)胎結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分析圖

絲杠端部和螺母距離為150 mm，不同安裝誤差引起絲杠端部的附加應(yīng)力（MPa）：0.1 mm為55 MPa；0.3 mm為162 MPa；0.5 mm為170 MPa。如圖10所示。

絲杠端部和螺母距離為50 mm，不同安裝誤差引起絲杠端部的附加應(yīng)力（MPa）：0.1 mm為76 MPa；0.3 mm為226 MPa；0.5 mm為381 MPa。如圖11所示。

圖10 安裝偏移量為0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm時(shí)附加應(yīng)力值

圖11 安裝偏移量為0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm時(shí)附加應(yīng)力值

由上述計(jì)算可看出：

（1）安裝誤差能夠添加較大的附加應(yīng)力值，隨著安裝誤差增大，最大應(yīng)力基本呈線性關(guān)系增長(zhǎng)。

（2）排除安裝誤差，絲杠固定端與螺母的距離越小產(chǎn)生的附加力越大。

因此，當(dāng)絲杠安裝誤差較大在運(yùn)行過程中就容易出現(xiàn)絲杠斷裂現(xiàn)象。如圖12所示。

圖12 附加應(yīng)力造成的絲杠斷裂示意圖

按彎扭強(qiáng)度校核，假設(shè)由于安裝誤差造成的附加應(yīng)力為X，要使疊加后絲杠端部的應(yīng)力值≤[σ-1]，則

所以為了保證絲杠使用壽命，要使絲杠端部附加的應(yīng)力值小于65 MPa，絲杠和導(dǎo)軌的平行度誤差應(yīng)該控制在0.085 mm以內(nèi)。參照我們的安裝規(guī)范，將絲杠和導(dǎo)軌的平行度誤差控制在0.06 mm以內(nèi)是合理的，后期應(yīng)該加強(qiáng)此方面的檢驗(yàn)要求。

2.3 擴(kuò)胎絲杠結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過前面的計(jì)算分析，將加工安裝原因造成的絲杠導(dǎo)軌的平行度誤差控制在0.06mm。同時(shí)，重新設(shè)計(jì)零件結(jié)構(gòu)，改變絲杠端部的受力方式，減小局部高應(yīng)力水平，使最大應(yīng)力控制在安全范圍之內(nèi)。絲杠受力狀況得到較大改善。

修改前后的部件結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖13所示。

圖13 擴(kuò)胎結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對(duì)比圖

將絲杠導(dǎo)軌的平行度誤差設(shè)定為0.06 mm，對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果如圖14，絲杠端部最大應(yīng)力為175 MPa＜[σ-1］。理論上滿足使用要求。

圖14 絲杠端部的受力方式為“拉伸+扭轉(zhuǎn)+彎曲”，最大應(yīng)力175 MPa

通過對(duì)絲杠彎曲的控制減少了絲杠受到的彎矩，提高了絲杠的使用壽命，后期測(cè)試沒再出現(xiàn)絲杠斷裂現(xiàn)象。

3 結(jié)論

本文首先從載重輪胎X射線檢驗(yàn)機(jī)擴(kuò)子口裝置應(yīng)用的必要性、擴(kuò)子口裝置的結(jié)構(gòu)功能對(duì)此裝置進(jìn)行介紹。然后，針對(duì)測(cè)試過程中出現(xiàn)的擴(kuò)子口裝置的絲杠易斷問題，根據(jù)反饋校核計(jì)算及有限元分析進(jìn)行解決。在控制住零部件的加工誤差和絲杠導(dǎo)軌的安裝誤差前提下，優(yōu)化擴(kuò)胎結(jié)構(gòu)，使絲杠端部的受力方式發(fā)生較大改變，解決了由于受彎曲變形引起的高應(yīng)力問題，大大延長(zhǎng)絲杠使用壽命，具有重要意義。

(R-03)

TQ330.4

1009-797X(2015)21-0059-06

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.21.012

侯朋（1982-），男，工程師，主要從事橡膠機(jī)械設(shè)計(jì)工作。

2015-08-03