基于Simulation的撑胎支架的分析设计

刘常

摘要：撑胎支架是缠胎机的重要受力部件，为设计出合理可靠的结构我们借助Solidworks、simulation等设计软件，对其进行实体建模、有限元分析，并根据结果对此进行了优化设计。

关键词：撑胎支架；有限元分析；Solidworks；Simulation

1.引言

随着汽车工业的发展，越来越多的旧轮胎正在污染着我们的环境，如何把旧轮胎重新利用起来是轮胎产业的重要课题。缠胎机是旧轮胎修补及重新利用的重要设备之一，它将磨削掉花纹的轮胎重新缠绕上生胶，再进入硫化机硫化成型。其中负责支撑轮胎的主要受力部件就是撑胎支架，为了保证撑胎支架结构的强度，我们采用了Solidworks对设备进行建模，采用其内置的有限元分析模块Simulation对撑胎支架进行力学分析。

2.撑胎支架的设计

2.1 缠胎机的主要结构

缠胎机占地面积为5米*2.6米，高为3米。所翻修轮胎规格为轮胎外径为2650～3235 mm，轮胎最大断面宽是990mm。设计承载轮胎重量约3t，在计算机中用Solidworks构造出方案的实体模型。

2.2 撑胎支架的要求及设计

缠胎机撑胎装置的功能是实现巨型轮胎在主轴上的固定并实现轮胎旋转。设备的设计承载质量为3吨，采用箱型结构。为了方便轮胎的装卸，撑胎支架上的主轴是一个悬臂结构，单边的框架设计也使这种结构也承受了较大的弯矩。另外，由于轮胎胎面有弧度要求，缠绕时撑胎支架的回转中心就不在轮胎重心正下方，这样对底板受力也有很高的要求。

3.撑胎支架的力学分析及优化

3.1 撑胎支架的有限元分析准备

为缩短运算时间要对模型进行简化。首先，去除不相干的零件，例如紧固件和护罩等；之后，去除系统受力可以自相抵消的部件，例如液压缸、主轴和支撑臂构成的撑胎系统，其在主轴轴向上的受力相互抵消；最后简化形状复杂的零件为简单的结构，例如把主轴上由液压缸驱动的环形支撑套简化为环形套，去掉设备上所有没用的螺纹孔，简化轴承的结构等。

分别赋予不同零件不同的材料，主轴的材料为45#，主轴箱的材料为Q235A。夹具为固定回转支撑接触面，施加载荷为垂直向下，30000N的力在轴承套上。

3.2 撑胎支架的有限元分析结果

执行网格化及运算，运行算例之后得到VonMises应力结果。本算例中，撑胎支架最大应力为83.4MPa（图1），安全系数为2.82，由此看出此结构安全。

从合位移图解来看，轴端变形量达到5.74mm，合位移图解不能反映主轴倾斜程度，需要添加Y位移图解，并通过探测传感器测量主轴同一高度上不同位置上的实际Y方向位移量，在相距499mm的距离上Y方向位移差值为2.13mm，即可计算出主轴倾角。

按照Y方向位移图解计算出倾角，再推算到轮胎外缘，左右高度差在4.3mm左右，这样缠绕之后的轮胎会出现厚度不均匀现象，需要采取措施增加撑胎支架的刚度措施。添加设计算例对模型进行优化设计，尝试改变不同特征参数，增大能提高撑胎支架刚度的尺寸，主要选择了前面筋板的高度、前后壁板材的厚度以及侧壁厚度，设置约束使其监视Y方向位移。

由于活动情形比较多，先选择几个情形进行试算。经试算后发现前后壁厚度对撑胎支架刚度影响最为主要，其次是侧壁厚度，筋板高度影响较小。为了加工方便侧壁厚度和前后壁取相同的厚度，而筋板高度则不变。同时修改前后壁厚度和侧壁厚度，由5mm增加到10mm时撑胎支架刚度增加明显，10mm到16mm时变化趋于缓慢，计算结果见表1。预计前后壁厚度为10mm时即可满足工艺要求，不需要增加到16mm。

对壁厚10mm的结构进行静力分析，最终在Y位移图解通过探测得到相距499mm的距离上Y方向位移差值为1.136mm（图2）。这样缠绕之后的轮胎左右高度差在2.2mm左右，并测量Z方向的位移1.7mm，均可以满足工艺需求。

4.小结

本文通过Solidworks Simulation对缠胎机的撑胎支架进行了有限元分析，得知了设计的不足之处，对其进行优化设计之后，根据所得数据筛选出最经济有效的结构改进方法，提高了撑胎支架刚度，使其满足了工艺要求。从研究结果来看，该研究为缠胎机的撑胎支架的设计优化及安全评估提供了一定的理论依据，在实际工程应用上具有一定的指导意义。

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