許建中， 任克斌（上海橡膠機械一廠有限公司，上海 200129）

Solidworks在內(nèi)胎硫化機改進設計中的應用

許建中， 任克斌
（上海橡膠機械一廠有限公司，上海 200129）

針對55"內(nèi)胎硫化機在使用中出現(xiàn)的問題，通過運用solidworks軟件的有限元分析與運動分析功能對其進行了改進設計。

solidworks； 內(nèi)胎硫化機;有限元分析；運動分析；疲勞分析

內(nèi)胎硫化機用于內(nèi)胎的硫化，現(xiàn)在很多輪胎廠使用的內(nèi)胎硫化機很多都是20世紀生產(chǎn)的，在使用上存在一些不足之處需要進行改進設計，本次改進設計的對象為55"內(nèi)胎硫化機。經(jīng)過用戶反饋主要有兩方面的問題：①傳動機構(gòu)無法循環(huán)運行；②主軸經(jīng)過一段時間的使用會產(chǎn)生斷裂，需要更換。本文利用solidworks軟件針對內(nèi)胎硫化機的兩方面問題進行改進設計。

1　利用solidwork對傳動機構(gòu)進行改進設計

1.1結(jié)構(gòu)介紹

圖1　凸輪搖桿式傳動結(jié)構(gòu)

國內(nèi)生產(chǎn)的內(nèi)胎硫化機有兩種結(jié)構(gòu)形式。一種為凸輪搖桿式的傳動機構(gòu)（如圖1所示）。另一種為曲柄連桿式的傳動結(jié)構(gòu)（如圖2所示）?，F(xiàn)多為曲柄連桿式的傳動機構(gòu)，本文主要針對圖中的曲柄連桿式的傳動機構(gòu)進行改進。

圖2　曲柄連桿式傳動機構(gòu)

1.2運動結(jié)構(gòu)分析

圖3為55"內(nèi)胎硫化機裝配示意圖，從圖中我們可以看出，開模時，橫梁開模與合模時的軌跡通過滑輪在導向槽中的移動來控制的，現(xiàn)把圖3進行簡化為傳動原理圖，以便于進行運動分析，如圖4所示。 當開模時大齒輪的B點繞A點沿逆時針運動到B'點，達到了開模位置，此時連桿已經(jīng)達到了極限位置，同時連桿的C點沿軌跡L運動到C'。當合模時大齒輪順時針運動到B點，所有部件回到合模位置，此時大齒輪也已經(jīng)達到了極限位置。通過運動分析得出此機構(gòu)為搖桿滑塊機構(gòu)，其中大齒輪為搖桿沿圓弧BB'往復運動，橫梁為滑塊，沿軌跡L往復運動。

圖3　內(nèi)胎硫化機結(jié)構(gòu)圖

圖4　傳動原理圖

1.3存在問題分析

在實際應用中分別在B與B'出各設置一個接近開關(guān)來限制此機構(gòu)的實際運動，但是如果當接近開關(guān)發(fā)生故障時，運動就會超出極限位置，此時會對機架造成沖擊，引起零部件的損壞。因此此次改進設計的目的是把搖桿滑塊機構(gòu)改為曲柄滑塊機構(gòu)，即使當接近開關(guān)產(chǎn)生故障超出運動范圍時，也不會對設備造成沖擊。

1.4改進設計

要變?yōu)榍瑝K機構(gòu)，那么當達到運動極限位置時大齒輪與連桿的位置必須為在一直線上，此時有兩種選擇，分別為改變大齒輪或連桿的長度與改變運動軌跡L的長度，相比較而言，改變運動軌跡L的長度更加方便與經(jīng)濟。運動軌跡L分為模具抬高的直線段與模具翻轉(zhuǎn)的圓弧，改變直線段會改變模具開模的位置，只能通過加長圓弧段來增加行程，改進后的傳動原理圖如圖5所示，圖中C'為開模位置，C″為極限位置，改進后的曲柄滑塊機構(gòu)可以循環(huán)往復運動，達到了改進的目的。

圖5　改進后的傳動原理圖

1.5solidworks的運動分析與驗算

（1）solidworks中對55"內(nèi)胎硫化機建模，之后必須準確的定義每個零件之間的配合，如果配合定義不正確會影響到之后的模擬算例，其中控制橫梁軌跡的滑輪與滑槽由于是不規(guī)則的運動在配合定義中并不能準確的定義，先暫時不定義配合。定義完成后新建運動算例，如圖6所示。

圖6　內(nèi)胎硫化機的建模

（2）在solidworks中最下方有模型，運動算例等選項卡，選擇運動算例并對運動進行定義，添加旋轉(zhuǎn)馬達，旋轉(zhuǎn)馬達部件設置為大齒輪的主軸，然后在左邊的馬達定義框內(nèi)定義運動方向與馬達的轉(zhuǎn)速，如圖7所示。

圖7　運動算例的設定

（3）由于此連桿機構(gòu)的滑輪與滑槽的運動是不規(guī)則運動，無法用solidworks的常規(guī)配合來定義，所以需要用到運動算例中的定義3D接觸，定義了3D接觸后才能準確的限制導向輪在滑槽內(nèi)的運動，如圖8所示。

圖8　定義3D接觸

（4）按運動算例工具欄中的計算按鈕，進行計算運動算例，軟件會自動產(chǎn)生動畫，檢查模擬運動是否與預想一致，如圖9。之后進行干涉檢查，以驗證零件裝配與運動是否有沖突，驗證正確性，如圖10所示。

2　利用solidworks simulation對內(nèi)胎硫化機的主軸進行改進設計

2.1結(jié)構(gòu)分析

內(nèi)胎硫化機主軸的結(jié)構(gòu)圖如圖11所示，主軸為左右各一根短軸組成，內(nèi)胎硫化機在合模位置時連桿機構(gòu)達到死點位置此時主軸承最大力，大小等于合模力，工作載荷合模力為1 500 000 N，每根主軸所承受的力為750 000 N，位置與方向如圖11中F所示，載荷系數(shù)KW根據(jù)機械設計手冊中表1—1—88取值應在1.4～1.8之間，本文取KW=1.4，每根主軸的所受力按F=750 000×1.4=1 050 000 N計算。

圖9　計算運動算例

圖10　干涉檢查

圖11　內(nèi)胎硫化機主軸結(jié)構(gòu)圖

2.2利用solidwoorks simulation進行有限元分析

（1） 對主軸進行建模，如圖12。

圖12　內(nèi)胎硫化機主軸的建模

（2） 根據(jù)受力情況定義約束與作用力，并定義材料為45#鋼，如圖13、14所示。

圖13　定義約束

圖14　定義作用力

（3） 進行網(wǎng)格化并進行有限元分析并查看結(jié)果，見圖15、16。從圖中可以看出主軸的安全系數(shù)為0.8，不符合設計要求，需要改進設計。

2.3改進設計

在不對結(jié)構(gòu)進行大的改動的情況下，對主軸和機架進行改造，把分體的主軸改為一體的通軸形式，主軸的兩邊對稱受力，兩邊力F的大小各為1 050 000 N，具體結(jié)構(gòu)如圖17所示。

圖15　網(wǎng)格化

圖16　有限元分析

圖17　改進主軸的結(jié)構(gòu)圖

2.4重新建模并使用solidworks simulation有限元分析

把新設計的主軸簡化重新建模并定義邊界條件進行有限元分析，如圖18所示，圖18中我們可以看到新結(jié)構(gòu)主軸的安全系數(shù)為1.48，達到了設計要求。

2.5疲勞分析

由于內(nèi)胎硫化機工作負荷較大，每天三班制工作，為了進一步驗證主軸的可靠性，再利用solidworks simulation對主軸進行疲勞分析。

55"內(nèi)胎硫化機開模時主軸的受力主要為橫梁、橫梁軸，連桿，滑槽等部件，這些部件的總重量為5 033 kg，開模時受力方向與合模方向相反，力F= 5 033×10/2=25 165 N，開模時受力與合模時受力的比值為25 165/1 050 000=0.02。

圖18　改進主軸的有限元分析

在疲勞算例中添加載荷，以之前定義的算例1為載荷主體，次數(shù)設置為1 000 000萬次，由于開模與合模受力方向相反，加載比率為-0.02，如圖19所示。定義完成后進行算例分析，結(jié)果如圖20所示，疲勞加載載荷1 000 000次的安全系數(shù)為1.53，符合設計要求。

3　結(jié)語

隨著計算機輔助設計技術(shù)的不斷發(fā)展，對于工程設計人員來說帶來了許多便利，此次內(nèi)胎硫化機的改進設計就用到了solidworks的有限元分析與運動分析的功能，大大提高了設計的效率與準確性。同時技術(shù)的發(fā)展也對工程技術(shù)人員提出了更高的要求，必須不斷的學習新的知識，不斷的進步才能適應新的發(fā)展。

SOLIDWORKS in the inner tube vulcanizer improvement design

SOLIDWORKS in the inner tube vulcanizer improvement design

Xu Jianzhong, Ren Kebin
(Shanghai Rubber Machinery Works No.1 Co.,Ltd., Shanghai 200129, China)

For 55 "inner tube vulcanizer problems occurred in use, this paper describes the improvement design by using fi nite element analysis and motion analysis functions of SOLIDWORKS software.

solidworks; inner tube vulcanizer; fi nite element analysis; motion analysis; fatigue analysis

圖19　疲勞分析的設定

圖20　疲勞分析

TQ330.47

1009-797X(2015)17-0050-05

B DOI:10.13520/j.cnki.rpte.2015.17.014

許建中（1981-），男，工程師，工學學士，主要從事橡膠機械設計與生產(chǎn)管理工作。

2015-07-02