液压式硫化机承力部件结构强度与疲劳分析
2022-10-03刘玉龙杨慧丽官炳政
刘玉龙 ，杨慧丽，官炳政
(软控股份有限公司，山东 青岛 266045)
0 引言
随着汽车工业的发展，对轮胎性能的要求越来越高，同时硫化是影响轮胎成品的重要工序之一。良好的硫化工艺装备对提升成品轮胎的各项性能起着重要作用。硫化机的稳定及可靠程度影响轮胎的生产效率及轮胎质量。液压式硫化机是通过液压油缸驱动上横梁带动上模具做垂直运动，液压硫化机承力部件的位移、应力以及疲劳强度直接影响硫化机的可靠性。
有限元分析作为现代机械产品设计的有效手段，通过有限元分析可以缩短产品设计周期及风险，提高一次设计成功率。目前有限元分析在硫化机关键部件的强度疲劳分析方面得到了较为广泛的应用。
唐谷枫[1]利用理论计算、有限元分析的方法对大吨位多层平板硫化机的结构进行了优化设计，将工作板从实心平板结构优化为框架结构有效的增加刚度并减轻了结构重量。刘志刚等[2]则利用Hypermesh和Ansys对多接触面轮胎定型硫化机进行了模态分析、应力和应变分析，同时改进了硫化机的结构，达到了消除应力集中、提高硫化机抗振性和工作稳定性的目的。胡海明等[3]应用Abaqus软件对硫化工况下的轮胎模具底座进行了热力耦合和力学性能分析，应用Fe-Safe软件对不同厚度和滑板结构的底座进行疲劳损伤和使用寿命计算，研究发现可以通过增大底座和U形螺旋槽厚度的方法延长硫化机使用寿命。张正罗等[4]应用Ansys软件对机械式轮胎硫化机进行有限元计算分析，研究了硫化机实际工作状态下各部件变形和应力分布，为硫化机有限元仿真提供了一种可行的思路。
目前，在硫化机产品的结构设计方面，有限元分析获得众多学者的认可。本文以液压式硫化机研究对象，从产品设计的可靠性为切入点，通过结构强度及疲劳仿真技术分析承力部件变形、应力及疲劳强度是否满足安全标准，验证液压式硫化机设计的合理性。
1 有限元模型
1.1 几何模型
仿真计算的液压硫化机结构如图1所示。液压硫化机主要承力部件包括上梁、下梁、导向轴、滑块、导轨、中锁止环、下锁止环等。
图1 几何模型
几何模型中上梁、下梁材料为Q235A；上热板、下热板材料为Q345B；导向轴、滑块、中锁止环、下锁止环材料为45钢； 导轨、导轨安装板材料为QT500-7。
1.2 硫化机各部件材料选用
计算中所用材料属性如表2所示。
表2 材料属性
1.3 接触设置
导向轴与上梁、下梁、滑块、中锁止环及下锁止环之间设置摩擦接触。滑块与导轨和导轨安装板之间设置摩擦接触。其余部件之间设置绑定接触。模型各部件之间接触设置如图2所示，对于摩擦接触取摩擦系数为0.1。
图2 接触设置
1.4 网格划分
取1/4模型利用对称性进行计算。使用实体单元和壳体单元划分网格，实体单元类型为C3D8I和C3D10M，壳体单元类型为S8R, 网格数量为617403，有限元网格模型如图3所示。
图3 网格模型
1.5 边界条件
根据结构的实际使用情况，完全固定下梁的下端连接法兰面。在相应对称面施加对称约束。在上、下热板与油缸接触位置施加锁模力F1及反作用力F2，计算中使用的锁模力大小为1 870 kN。模具重量3 500 kG， 考虑结构自重，重量系数为g=9 806.6 mm/s2。
模型边界条件如图4所示。
图4 边界条件
2 结果分析
2.1 结构强度分析结果
图5为液压式硫化机承力部件在1 870 kN锁模力作用下的结构变形结果。最大变形为0.5 332 mm在精度控制允许范围内，最大变形发生在下梁位置。
图5 整体变形情况
导向轴应力云图如图6所示，最大应力为267.4 MPa，导 向 轴 材 料 为45钢，其 屈 服 强 度σs=355 MPa，其许用应力[σ]=355/1.5=236.67 MPa。由图6 可知，导向轴下部应力集中处的Mises应力大于材料的屈服强度会产生局部塑性变形，导向轴不满足静强度要求。
图6 导向轴应力结果
导向轴底部只有一个面与下锁止环接触（见图2）导致此处应力偏大。改进导向轴及下锁止环结构，使导向轴底部两个面与下锁止环接触，如图7所示。
图7 改进后导向轴与下锁止环的接触情况
其他条件不变，重新计算得到的导向轴应力结果如图8所示。除局部应力集中区域外，导向轴上的应力小于材料许用应力，此时，导向轴满足静强度要求。
图8 改进后导向轴应力结果
图9所示的导向轴截面直径φ=140 mm，则通过理论计算可得到在1 870 kN锁模力作用下导向轴此截面处的名义应力由图9的应力结果可知，导向轴顶部直径140 mm截面处的应力大小为48.2～79 MPa。
图9 导向轴截面应力
2.2 疲劳分析结果
疲劳寿命是结构失效或者机械破坏时所对应的循环载荷的次数或时间，疲劳破坏是工程机构和机械失效的主要原因之一，如硫化机承力部件出现疲劳破坏会导致模具精度下降，进而影响轮胎质量。
首先提取应力-应变计算结果文件，输入抗拉强度σb以及弹性模量E，得到S-N曲线，并对载荷进行平均应力修正，计算硫化机承力部件的疲劳寿命。
仿真计算得到各部件的疲劳安全系数云图（图10）及表2。从图10和表2中可以看出各承力部件的疲劳安全系数的最小值均大于1.2满足疲劳要求。
图10 各部件疲劳安全系数
表2 各承力部件疲劳安全系数最小值
3 结论
根据液压式硫化机实际工况对硫化机进行有限元和疲劳分析，结果表明工作状态下各部件的变形均符合许用标准，各部件应力都低于屈服强度，结构设计和材料选择都符合安全规范，各部件疲劳安全系数最小值均满足设计。本文论述了硫化机有限元分析的步骤，为了硫化机仿真分析提供了一种思路，并通过仿真的手段优化了硫化机的承力结构。
