基于Simulation的撐胎支架的分析設計

劉常

摘要：撐胎支架是纏胎機的重要受力部件，為設計出合理可靠的結構我們借助Solidworks、simulation等設計軟件，對其進行實體建模、有限元分析，并根據結果對此進行了優化設計。

關鍵詞：撐胎支架；有限元分析；Solidworks；Simulation

1.引言

隨著汽車工業的發展，越來越多的舊輪胎正在污染著我們的環境，如何把舊輪胎重新利用起來是輪胎產業的重要課題。纏胎機是舊輪胎修補及重新利用的重要設備之一，它將磨削掉花紋的輪胎重新纏繞上生膠，再進入硫化機硫化成型。其中負責支撐輪胎的主要受力部件就是撐胎支架，為了保證撐胎支架結構的強度，我們采用了Solidworks對設備進行建模，采用其內置的有限元分析模塊Simulation對撐胎支架進行力學分析。

2.撐胎支架的設計

2.1 纏胎機的主要結構

纏胎機占地面積為5米*2.6米，高為3米。所翻修輪胎規格為輪胎外徑為2650～3235 mm，輪胎最大斷面寬是990mm。設計承載輪胎重量約3t，在計算機中用Solidworks構造出方案的實體模型。

2.2 撐胎支架的要求及設計

纏胎機撐胎裝置的功能是實現巨型輪胎在主軸上的固定并實現輪胎旋轉。設備的設計承載質量為3噸，采用箱型結構。為了方便輪胎的裝卸，撐胎支架上的主軸是一個懸臂結構，單邊的框架設計也使這種結構也承受了較大的彎矩。另外，由于輪胎胎面有弧度要求，纏繞時撐胎支架的回轉中心就不在輪胎重心正下方，這樣對底板受力也有很高的要求。

3.撐胎支架的力學分析及優化

3.1 撐胎支架的有限元分析準備

為縮短運算時間要對模型進行簡化。首先，去除不相干的零件，例如緊固件和護罩等；之后，去除系統受力可以自相抵消的部件，例如液壓缸、主軸和支撐臂構成的撐胎系統，其在主軸軸向上的受力相互抵消；最后簡化形狀復雜的零件為簡單的結構，例如把主軸上由液壓缸驅動的環形支撐套簡化為環形套，去掉設備上所有沒用的螺紋孔，簡化軸承的結構等。

分別賦予不同零件不同的材料，主軸的材料為45#，主軸箱的材料為Q235A。夾具為固定回轉支撐接觸面，施加載荷為垂直向下，30000N的力在軸承套上。

3.2 撐胎支架的有限元分析結果

執行網格化及運算，運行算例之后得到VonMises應力結果。本算例中，撐胎支架最大應力為83.4MPa（圖1），安全系數為2.82，由此看出此結構安全。

從合位移圖解來看，軸端變形量達到5.74mm，合位移圖解不能反映主軸傾斜程度，需要添加Y位移圖解，并通過探測傳感器測量主軸同一高度上不同位置上的實際Y方向位移量，在相距499mm的距離上Y方向位移差值為2.13mm，即可計算出主軸傾角。

按照Y方向位移圖解計算出傾角，再推算到輪胎外緣，左右高度差在4.3mm左右，這樣纏繞之后的輪胎會出現厚度不均勻現象，需要采取措施增加撐胎支架的剛度措施。添加設計算例對模型進行優化設計，嘗試改變不同特征參數，增大能提高撐胎支架剛度的尺寸，主要選擇了前面筋板的高度、前后壁板材的厚度以及側壁厚度，設置約束使其監視Y方向位移。

由于活動情形比較多，先選擇幾個情形進行試算。經試算后發現前后壁厚度對撐胎支架剛度影響最為主要，其次是側壁厚度，筋板高度影響較小。為了加工方便側壁厚度和前后壁取相同的厚度，而筋板高度則不變。同時修改前后壁厚度和側壁厚度，由5mm增加到10mm時撐胎支架剛度增加明顯，10mm到16mm時變化趨于緩慢，計算結果見表1。預計前后壁厚度為10mm時即可滿足工藝要求，不需要增加到16mm。

對壁厚10mm的結構進行靜力分析，最終在Y位移圖解通過探測得到相距499mm的距離上Y方向位移差值為1.136mm（圖2）。這樣纏繞之后的輪胎左右高度差在2.2mm左右，并測量Z方向的位移1.7mm，均可以滿足工藝需求。

4.小結

本文通過Solidworks Simulation對纏胎機的撐胎支架進行了有限元分析，得知了設計的不足之處，對其進行優化設計之后，根據所得數據篩選出最經濟有效的結構改進方法，提高了撐胎支架剛度，使其滿足了工藝要求。從研究結果來看，該研究為纏胎機的撐胎支架的設計優化及安全評估提供了一定的理論依據，在實際工程應用上具有一定的指導意義。

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