涂玉祥，靳曉哲，楊衛(wèi)民，何雪濤，閻 華，譚 晶，焦志偉*

（1.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2.輪胎設(shè)計(jì)與制造工藝國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

汽車工業(yè)和航空工業(yè)的發(fā)展對(duì)轎車輪胎和航空輪胎的性能提出了越來(lái)越高的要求[1-3]。硫化作為輪胎生產(chǎn)的最后一道工序，直接決定了輪胎的外觀質(zhì)量和均勻性，是輪胎生產(chǎn)過(guò)程中至關(guān)重要的一環(huán)，突破輪胎的硫化工藝的瓶頸可以大幅提高輪胎的性能[4-6]。

輪胎硫化一般采用膠囊硫化工藝[7-9]。由于膠囊材料具有高彈性和低剛性的特點(diǎn)，因此膠囊在輪胎硫化過(guò)程中存在導(dǎo)熱性差、輪廓尺寸精度不高和壓力傳遞不均勻等弊端。目前，國(guó)內(nèi)外提出多種措施來(lái)解決輪胎的硫化工藝問(wèn)題。張金云等[10-12]利用金屬內(nèi)模具導(dǎo)熱性好、熱量損失小、剛性高和胎坯結(jié)構(gòu)缺陷可修復(fù)等特性，提出高剛性金屬內(nèi)模具直壓硫化技術(shù)，其用金屬脹縮內(nèi)模具替代膠囊，電磁感應(yīng)加熱替代蒸汽加熱，提高了輪胎的均勻性和動(dòng)平衡性能，主要適用于確定規(guī)格的輪胎生產(chǎn)。為進(jìn)一步擴(kuò)大直壓硫化技術(shù)的適用范圍，北京化工大學(xué)聯(lián)合三角輪胎股份有限公司研發(fā)出階梯式直壓硫化工藝[13-16]，其可分步收縮的金屬內(nèi)模具具有大脹縮比，可適用于多種規(guī)格輪胎的生產(chǎn)。

本工作針對(duì)225/40R18輪胎設(shè)計(jì)了階梯式直壓硫化內(nèi)模具（以下簡(jiǎn)稱階梯式內(nèi)模具），并采用UG軟件對(duì)內(nèi)模具進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，以研究階梯式內(nèi)模具的適用性。

1 階梯式內(nèi)模具的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

1.1 工作原理

常規(guī)內(nèi)模具的寬鼓瓦和窄鼓瓦收縮進(jìn)同一層空間，為進(jìn)一步增大內(nèi)模具的脹縮比，擴(kuò)大其適用范圍，本工作對(duì)常規(guī)內(nèi)模具的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)，提出了階梯式脹縮方案，如圖1所示。

圖1 階梯式內(nèi)模具的脹開(kāi)和收縮Fig.1 Expansion and contraction of stepped inner mold

階梯式內(nèi)模具的工作原理為：活塞外桿驅(qū)動(dòng)窄鼓瓦收縮并軸向上移讓出收縮空間，然后活塞內(nèi)桿驅(qū)動(dòng)寬鼓瓦收縮，窄鼓瓦和寬鼓瓦異步收縮，分別在活塞外桿和活塞內(nèi)桿的控制下完成整個(gè)收縮過(guò)程，同時(shí)內(nèi)模具利用軸向空間彌補(bǔ)徑向空間的不足。

1.2 連桿設(shè)計(jì)

階梯式內(nèi)模具的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)定為5組連桿，其構(gòu)成如表1所示。

表1 連桿的構(gòu)成Tab.1 Composition of connecting rods

1.3 運(yùn)動(dòng)副及驅(qū)動(dòng)設(shè)定

階梯式內(nèi)模具的主要運(yùn)動(dòng)副（傳動(dòng)方式）為滑動(dòng)副，存在于鼓瓦滑塊與鼓瓦滑軌之間的滑動(dòng)副的滑動(dòng)方向沿著鼓瓦滑軌方向，存在于限位底盤與底板滑塊之間的滑動(dòng)方向沿著底板限位盤中的T形滑槽方向。

分析實(shí)際工況，階梯式內(nèi)模具與直壓硫化機(jī)為固定裝配，通過(guò)直壓硫化機(jī)底部?jī)山M移模油缸分別控制活塞外桿與活塞內(nèi)桿的軸向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)活塞外桿與活塞內(nèi)桿的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)整體機(jī)構(gòu)完成脹開(kāi)和收縮。本工作通過(guò)公式（1）的STEP函數(shù)控制活塞桿運(yùn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)，其表達(dá)式為

式中，STEP（x，x0，x1，h1）為STEP函數(shù)，x為時(shí)間自變量，x0和x1分別為x的起始值和最終值，h0和h1分別為活塞桿在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始階段和運(yùn)動(dòng)結(jié)束階段的STEP函數(shù)值。

將STEP函數(shù)導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模塊，結(jié)合實(shí)際工況設(shè)定階梯式內(nèi)模具的活塞外桿與活塞內(nèi)桿的運(yùn)動(dòng)步驟，如表2所示。

表2 活塞外桿與活塞內(nèi)桿的運(yùn)動(dòng)步驟Tab.2 Movement steps of piston inner rod and piston outer rod

2 結(jié)果與討論

2.1 階梯式內(nèi)模具的運(yùn)動(dòng)過(guò)程

設(shè)定單循環(huán)與實(shí)際工況的循環(huán)時(shí)間相同（12 s），分析步總計(jì)240步，每秒跨越20步。完成全部前處理設(shè)定后，階梯式內(nèi)模具的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖2所示。

圖2 階梯式內(nèi)模具的運(yùn)動(dòng)過(guò)程Fig.2 Movement processes of stepped inner mold

從圖2可以看出：在0 s時(shí)，階梯式內(nèi)模具處于脹開(kāi)的極限位置，寬鼓瓦與窄鼓瓦交替排列形成完整的圓面貼合于輪胎的內(nèi)表面；在2 s時(shí)，窄鼓瓦完成徑向收縮，寬鼓瓦未運(yùn)動(dòng)；在3 s時(shí)，窄鼓瓦完成第1次軸向上升，為寬鼓瓦的徑向運(yùn)動(dòng)讓出空間；在5 s時(shí)，活塞內(nèi)桿帶動(dòng)寬鼓瓦完成徑向收縮，階梯式內(nèi)模具整體收縮至極限位置，寬鼓瓦的外圓面直徑小于輪胎的胎圈直徑，可以完成裝胎卸胎工序。在仿真分析中設(shè)定干涉部位為1組寬鼓瓦與窄鼓瓦的結(jié)合面，結(jié)果顯示該部位在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中未發(fā)生碰撞，這表明階梯式內(nèi)模具整體機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、連續(xù)，且運(yùn)動(dòng)不會(huì)發(fā)生干涉。

2.2 活塞桿及鼓瓦的運(yùn)動(dòng)過(guò)程

分別在活塞外桿、活塞內(nèi)桿、寬鼓瓦、窄鼓瓦的中心位置設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析觀測(cè)點(diǎn)的位移情況。

2.2.1 活塞桿的運(yùn)動(dòng)過(guò)程

活塞桿的軸向位移與時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 活塞桿的軸向位移與時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relationships between axial displacements of piston rods and time

從圖3可以看出：在0～2 s時(shí)，活塞外桿先進(jìn)行平穩(wěn)加速運(yùn)動(dòng)，再進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)，最后平穩(wěn)減速至運(yùn)動(dòng)速度為0，其軸向位移上升至150 mm；在2～3 s時(shí)，活塞外桿快速勻速運(yùn)動(dòng)，軸向位移上升200 mm，并帶動(dòng)窄鼓瓦軸向上升，為寬鼓瓦的徑向運(yùn)動(dòng)讓出空間；在3～5 s時(shí)，活塞外桿與活塞內(nèi)桿均進(jìn)行加速、勻速、減速運(yùn)動(dòng)，過(guò)程中活塞外桿的軸向位移上升100 mm，活塞內(nèi)桿的軸向位移上升至150 mm；在5～7 s時(shí)，活塞外桿與活塞內(nèi)桿鎖死，階梯式內(nèi)模具完成收縮過(guò)程。

從圖3還可以看出：階梯式內(nèi)模具的整體運(yùn)動(dòng)過(guò)程具有對(duì)稱性，其在7～12 s與0～5 s時(shí)的運(yùn)動(dòng)反向進(jìn)行；在活塞桿的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生速度和位移的突變，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)、連續(xù)，活塞桿的運(yùn)動(dòng)不會(huì)發(fā)生干涉。

2.2.2 鼓瓦的運(yùn)動(dòng)過(guò)程

鼓瓦的徑向位移與時(shí)間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 鼓瓦的徑向位移與時(shí)間的關(guān)系Fig.4 Relationships between radial displacements of drum tiles and time

從圖4可以看出：窄鼓瓦在0～2 s時(shí)勻速運(yùn)動(dòng)，發(fā)生徑向位移73.720 mm，收縮至徑向極限位置，在2～10 s時(shí)機(jī)構(gòu)鎖死保持不動(dòng)，在10～12 s時(shí)窄鼓瓦勻速反向位移73.720 mm，達(dá)到寬鼓瓦脹開(kāi)極限位置；寬鼓瓦在0～3 s時(shí)保持不動(dòng)，等待窄鼓瓦完成徑向位移，在3～5 s時(shí)寬鼓瓦勻速?gòu)较蛭灰?7.085 mm，窄鼓瓦達(dá)到徑向收縮極限位置，在5～7 s時(shí)寬鼓瓦保持不動(dòng)，在7～9 s時(shí)勻速反向位移77.085 mm，達(dá)到脹開(kāi)極限位置，在9～12 s時(shí)寬鼓瓦保持不動(dòng)，窄鼓瓦進(jìn)入最大脹開(kāi)狀態(tài)。由此可知，鼓瓦的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生速度和位移的突變，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)、連續(xù)，鼓瓦的運(yùn)動(dòng)不會(huì)發(fā)生干涉。

3 結(jié)論

本工作設(shè)計(jì)了生產(chǎn)225/40R18輪胎的階梯式內(nèi)模具，并對(duì)階梯式內(nèi)模具進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。通過(guò)設(shè)定連桿和運(yùn)動(dòng)副以及用STEP函數(shù)控制內(nèi)模具的運(yùn)動(dòng)，仿真得到了在活塞外桿、活塞內(nèi)桿、寬鼓瓦、窄鼓瓦中心設(shè)置的觀測(cè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)結(jié)果，可以判定本工作設(shè)計(jì)的內(nèi)模具的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、連續(xù)，且不會(huì)發(fā)生干涉，初步驗(yàn)證了階梯式內(nèi)模具生產(chǎn)的可行性與實(shí)用性。