全鋼智能硫化機的開發與應用

秦玉成

摘 要：現代工業生產對智能設備的要求越來越高。本文討論了一種全鋼硫化機的開發與應用，該裝置的設計本著優化效率、提升自動化水平的思路，從胎坯自動運送定位、裝胎機械手轉進轉出自動裝胎、主機自動合模加壓硫化、主機自動卸壓開模、卸胎輥道自動有序輸送輪胎等功能出發，完成了硫化機設計。整臺機器設計受力均勻，運行平穩，效率良好，定位精度高。設備的成功開發減少了人工勞動強度，實現無人操作，使產線的自動化程度顯著提高。

關鍵詞：輪胎硫化機;智能制造;變頻控制;存胎器

0 引言

隨著智能物流、智能生產、智能工廠等理念的發展與落地，輪胎的生產正穩步向著智能制造推進。硫化是輪胎加工的末道工序，也是生產成品輪胎的關鍵步驟，它將預備和成型產出的生胎坯放置在輪胎模具中，在一定的溫度和壓力作用下，經過一定的時間，最終形成具有各種規格花紋的輪胎。輪胎的多項性能指標均取決于硫化工序的生產工藝，硫化機正是完成這道工序的終端設備。傳統的機械式硫化機因合模力不穩定、橫梁易變形、自動化程度低等缺陷制約了生產效率，顯然無法滿足輪胎智能制造的需要。

為了適應輪胎硫化工藝的智能化發展，立項開發了全鋼子午輪胎智能硫化機，用以替代市場上的傳統生產設備——機械式硫化機。新機型實現了全鋼子午輪胎的胎坯自動運送、機械手自動裝卸胎、自動硫化等生產過程，提高了輪胎生產的效率及品質。

1 設備開發思路

本款硫化機主要采用了液壓+變頻電機的控制模式，胎坯輸送由自動輸送物流小車從機器操作側頂部輸送至硫化機操作側，定位后物流小車停止運動，下降，胎坯落至胎坯存胎器定位裝置上，存胎器將胎坯自動送至機械手抓取位置，機械手下降抓取胎坯，放至中心熱板，自動合模，加溫加壓，定時硫化，硫化完成后自動開模，卸胎機械手抓取成品輪胎放至機器后部卸胎輥道上，卸胎輥道將成品輪胎送至主運輸帶，輸出硫化地溝，進入下道工序。

整機結構緊湊，單臺機器總重約在25t左右，高度約7.3m，寬度約4.2m，機器空循環時間約200s，設計規劃一條硫化地溝可布置18*2臺硫化機。

2 結構設計及工作原理

設備由自動存胎器、裝卸胎機械手、主機、卸胎輥道等幾個主要部分組成，這些結構以自動化及一體化聯動，完成輪胎硫化工藝，實現輪胎硫化的無人操作。

2.1 自動存胎器

自動存胎器的主要作用是存放生胎坯。物流小車定點投放胎坯后，存胎器承接住胎坯并輸送至裝胎機械手下方，確保機械手在確定位置抓取到胎坯。它既與頂部物流小車對接，又要輔助裝胎機械手進行裝胎，是主機與物流輸送之間的過渡載體。

自動存胎器主要結構為框架式結構。存胎器由底盤、定位塊、移動架、驅動機構、定位開關等組成，底盤底部安裝有腳輪及定位盤，為可移動式結構，主機維修及模具更換時存胎器能夠推移至其他地方，增大維修空間;移動架由定位塊、移動體組成，移動架與驅動機構固連，起到移動的作用;定位塊由4個錐度體組成，形成一個由大到小的錐度圓體，胎坯存放在錐度體內側，實現規格大小的自動更換，錐度斜塊起定位與支撐胎坯作用。驅動機構由變頻電機、減速機、同步帶組成，為胎坯移動提供動力。定位開關將檢測信號反饋給控制系統，控制電機旋轉與停止，使胎坯的起始與終點位置準確無誤，起到準確定位胎坯位置的作用。

2.2 裝胎機構

裝胎機構用于將胎坯從存胎器位置抓取并安放至模具內部，目的就是用機械手來代替人工取放胎坯，實現自動裝胎的功能。它的取胎坯位置是存胎器存放胎坯的位置，取胎坯后機械手帶著胎坯上升旋轉進入模具中心位置，下降后機械手收縮，將胎坯自動準確地安放在模具內部。

裝胎機構由升降裝置、旋轉裝置、機械手等幾個部件共同組成，通過上升、下降、旋轉張縮等動作完成抓取、安放胎坯的過程。

2.2.1 升降及旋轉裝置

升降裝置與傳統的水缸、油缸驅動方式明顯不同。無論是水缸還是油缸，總是會存在缸體內部滲漏、外部接頭漏油等問題，造成裝胎油缸下滑，機械手高度不準確，從而導致無法裝胎。為了解決此類問題，本次設計采用變頻電機驅動的方式，即變頻電機驅動滾珠絲杠，帶動機械手沿固定軌道升降并通過光電開關檢測傳送信號，控制電機旋轉與停止，滿足機械手高度準確定位的功能。

旋轉裝置也采用了變頻電機帶動滾珠絲杠的驅動方式，舊機型均選用水缸或氣缸推動機械手旋轉并有緩沖器作為機械定位，但這種結構在動作時起步轉動較慢，到達終點時又速度過快，給緩充器帶來相當大的沖擊，造成緩沖器損壞頻繁。變頻電機的驅動方式有效地解決了這個問題，在減速電機的帶動下，旋轉速度恒定，到達定點位置后光電開關發送信號，電機驅動機械手停止旋轉，實現機械手與中心機構準確定中。

2.2.2 機械手

機械手是抓取胎坯的核心機構，能進行自動張縮的動作，爪片收縮后下降進入胎坯內部，達到一定高度后機械手自動張開，爪片的外形呈圓弧狀，撐住胎坯內孔。這個動作既有對胎坯的定位作用，又能抓取胎坯。

機械手的設計采用了轉盤旋轉、推動滑塊在圓弧槽內沿徑向做直線運動的機械原理，即六個爪片固定在相應的滑塊上，氣缸推動轉盤旋轉，滑塊沿著轉盤上的六個滑槽做相對運動，實現爪片的自動張縮。

2.2.3 裝胎機構的精度

通過整個機構的巧妙設計，裝胎機構的承重能力與動作精度相對于機械式硫化機的裝胎機構有著較大的提高，為機器自動化運行提供更有效的保障。

2.3 卸胎機構

卸胎機構用于將硫化后的成品輪胎從模具中取出，放置在后部卸胎輥道上。卸胎機構的結構與裝胎機構類似，同樣由升降裝置、旋轉裝置、機械手等機構組合而成。但卸胎機構設置在主機后側，在主機操作側的對面。卸胎對高度及旋轉精度要求相對較低，液壓配管容易實現，故在卸胎機構中升降裝置采用油缸驅動，旋轉裝置采用氣缸驅動，簡化了相應的機械傳動方式。

2.4 主機加壓裝置

半鋼硫化機主機承受的合模力來自于主機上方的增壓油缸，單模壓力一般在1960KN左右;機械式硫化機主機承受的合模力來自于電機，單模壓力在4500KN左右;全鋼智能硫化機對合模力的要求也同樣要達到4500KN才能滿足輪胎硫化工藝的需求，本裝置設計中采用液壓加壓的方式來達到所需的合模力。

首先要確認增壓油缸的安裝位置。半鋼硫化機的增壓油缸在機器主框架的正上方，壓力可達到1960KN，機架不發生形變。而全鋼硫化機的合模力在4500KN左右，如果還是將增壓裝置設計在機器上方，將對機架產生嚴重的影響，為了確保機架不發生形變，設計中將增壓缸布置于主機硫化室下托板的下方。

其次，確保合模力滿足工藝要求，確認增壓油缸的缸徑是設計的關鍵。如果合模力不達標，硫化出的輪胎會出現飛邊，造成輪胎缺陷，產生廢胎。根據下托板的面積及結構布局，初步確認使用6個增壓油缸，但使用多大直徑的油缸才能達到所需要的合模力，需在設計過程中進行計算。

根據已知條件，最大合模力F1=4500KN，設定液壓系統工作壓力120kg/cm2，則每個油缸承受的壓力為F=750KN。增壓油缸缸徑計算：

由P=F/S

P——液壓系統工作壓力

F——作用在活塞上的負載力

S——活塞有效工作面積

S=F/P ? ? ? ? S=750×102kg/120kg/cm2=625cm2

S=πD2/4 ? ? ?D=28.2cm

為獲取最大安全系數，取增壓油缸缸徑為φ310mm，

由此得：F0=PS0=PπD2/4=120×3.14×312/4=905.3KN;

根據安全系數1.1～1.2范圍，905.3÷750=1.2取得安全系數是1.2為最大值，如果取安全系數最小值1.1則F=905.3/1.1=823KN

823KN≥750KN

即F0≥F

由此得出，加力油缸直徑310mm，可以滿足750KN的加壓力。

已知柱塞的直徑為φ310mm，產生750KN的油壓為P

P=750×4/π·312=99.4kg/cm2

由上可知硫化時加力油缸的油壓約為120kg/cm2便十分可靠。

2.5 卸胎輥道

卸胎輥道采用半鋼液壓硫化機的輥道方式，該結構設計了兩道擋胎桿，第一道擋胎桿是對從模具中出來的輪胎進行分段控制，目的是確保輪胎能有足夠時間降溫冷卻;第二道擋胎桿由一個電磁閥集中控制，此電磁閥接受放胎指令后統一放胎，避免輪胎在進入主運輸帶時相互干涉，造成主運輸帶上輪胎卡滯，無法正常輸送。

3 設計難點分析

輪胎硫化的前道工序是成型，成型與硫化在不同的生產區域。如何取代傳統的人工作業，將成型產出的胎坯自動輸送到硫化區并順利存放在硫化機的生胎存胎器上是實現整機自動化的關鍵點。

輪胎工廠現有的胎坯運輸模式是用人力小車將車間所有的成型胎坯推送至硫化車間，再由硫化機操作工將胎坯放至硫化機存胎器上，小車上的胎坯被硫化操作工全部取走要有一個時間段，故硫化車間需要配備一定數量的輔助工和大量小車，硫化機工作場地也常常被胎坯小車占據了很多位置。經過研討，將方案細化分解，著重落實以下幾方面的問題：

3.1 成型生產區域胎坯的自動收集

參考一些先進的輪胎廠自動化物流運輸經驗，在成型車間配備了懸掛鏈輸送體系，這套體系可以使成型機產出的胎坯在車間頂部（成型機器上方）流水線運送，最終送至指定的位置區域。

3.2 設立胎坯自動存放與交換區

成型自動輸送過來的胎坯需要一個固定的地方存貯，硫化工序也可以到此處取走胎坯，這就要求在成型與硫化兩道工序之間建立一個交換平臺，以滿足成型與硫化的工序切換。經過縝密討論，此交換區設置在硫化生產區域的起始端（緊臨成型區），在存放與交換平臺內，成型送來的胎坯經過爬坡、對中等多種運送模式到達取胎坯區等待下一步動作。

3.3 自動取胎坯物流小車

在硫化機生產區域車間頂部（硫化機上方）設置了固定的軌道，然后由物流小車沿著固定軌道到胎坯存放與交換區取胎坯，取到胎坯的物流小車承載著胎坯在固定軌道上行走，地面的硫化機與物流小車由MES系統傳送信號，如果存胎器上缺少胎坯，物流小車在指定位置下降，將胎坯放至硫化機存胎器上，再上升后快速返回至胎坯存放與交換區，繼續抓取胎坯。

4 動作程序

18*2臺全鋼智能硫化機呈Ⅱ狀一字排開，物流小車從胎坯存放點取走胎坯后，沿著設定的軌道前進到達指定放胎坯位置，自動停止，向下放胎坯，自動存胎器接取胎坯，垂直移動至裝胎位，裝胎機械手動作，向下抓取胎坯，上升并旋轉，下降放胎，中心機構充氣定中，硫化室合模，加溫、加壓進行硫化。硫化結束，卸胎機械手下降轉進取胎，取胎后上升、旋轉、下降，將成品輪胎放至卸胎輥道，卸胎輥道動作，將輪胎輸送到第一道存放位，一定時間后再輸送到第二個存胎位，最后集中統一放胎，完成整個輪胎硫化工序。在卸胎完成的同時，前面接取胎坯及裝胎已開始進入下一輪動作程序。

5 智能硫化機優勢比較

5.1 設備特色

全鋼智能硫化機在方案設計上充分考慮了智能化發展的需要，無論是存胎器還是卸胎輥道均可以實現無人操作，整機設計具有以下亮點：

5.1.1 實現自動接取胎坯

存胎器能夠自動從物流小車上接取胎坯并輸送至存胎位，解決了舊式硫化機人工推送小車轉運、人工搬卸運胎坯的人力耗費。

5.1.2 裝胎定位更加精準

裝胎機構上下及旋轉均采用變頻電機驅動的方式，不再沿用水缸、油缸或氣缸的模式，使定位更加精確，之前的油缸、水缸等跑冒滴漏現象、緩沖器頻繁更換得以杜絕，穩定性及自動化程度進一步提高。

5.1.3 往復運動精度提高

開合模運動垂直上下，呈直線運動狀態，避免了模型翻轉和水平移位等動作，減少卡滯、磨損等常見維護問題，往復運動精度提高，零部件壽命亦相應提高。

5.2 相對優勢

與機械式硫化機相比，全鋼智能硫化機在產能效率、經濟效益等方面也大大提高。

5.2.1 開合模時間縮短

機器采用垂直升降的動作，使開合模動作簡化，開合模的時間相對于機械式硫化機可縮短25%左右，提高了生產效率。

5.2.2 維護大修工作減少，壽命提高

機械結構的簡化大大降低了主機構件磨損的風險，大修周期由5年延長至10年，既延長了機器壽命又提高了生產效率。

5.2.3 人工成本降低

機械式硫化機一條地溝36臺硫化機需要6個操作工和4個輔助工，而全鋼智能硫化機則只需要1～2個操作工在電腦前監視或巡檢即可，節省了人工成本。

6 結束語

全鋼智能硫化機是目前市場上自動化程度較高的硫化機，完全可以滿足輪胎工廠硫化工序智能制造的生產需求。機器各運動構件較少或不存在法向力，可長期保持精度穩定不變，維護保養工作量減少，停機檢修時間縮短，提高了機器生產的效率;主機為剛性框架式結構，不易變形，安裝運輸方便，設備基礎制作也相對簡單;機器自動化的實現擺脫了人工操作的困擾;整機各項精度技術指標達標，能適應多規格、小批量的生產，更有助于輪胎企業工業自動化的快速推進與發展，深受客戶與市場認可。

參考文獻：

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[2]HG/T 3236-2006.中華人民共和國化工標準[S].北京：中國標準出版社，2007.